CN113960564A - 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法 - Google Patents

一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113960564A
CN113960564A CN202111090548.6A CN202111090548A CN113960564A CN 113960564 A CN113960564 A CN 113960564A CN 202111090548 A CN202111090548 A CN 202111090548A CN 113960564 A CN113960564 A CN 113960564A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
fixed
module
distance
rotating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111090548.6A
Other languages
English (en)
Inventor
唐智杰
王占华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN202111090548.6A priority Critical patent/CN113960564A/zh
Publication of CN113960564A publication Critical patent/CN113960564A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30204—Marker
    • G06T2207/30208—Marker matrix

Abstract

本发明公开了一种用于水下检测的激光综合参考系统和测距及标定方法。此系统主要功能在于激光测距以及高清变焦相机激光标定，主要由固定激光器、旋转激光器、固定平台、支架、激光框架、中央处理单元、三维运动平台、变焦高清相机、两端激光器旋转装置、目标物等组成。测距过程首先用直线提取模块获得激光线大致形状，直线拟合模块进行拟合直线；目标物形状判断模块判断目标物形状；目标平面倾斜判断模块判断目标平面是否倾斜；测距模块获得目标物与系统之间的距离，同时还根据目标物的不同求取不同的结果，使用在线十字标定方法实现高清变焦相机在线标定，标定过程通过标定模块获得相机内外参数，并根据参数获得图像的标定得到无畸变图像。

Description

一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法
技术领域
本发明涉及到激光测距以及激光标定技术领域，具体涉及到一种用于水下检测的激光综合参考系统和测距及标定方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展和功能的不断完善，激光测距装置作为非接触式的测量仪器，已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域，涉及多种学科技术，有较大的市场和应用前景，尤其在对一些不易接近的物体进行测量时，激光测距装置可以精准的测出距离供用户进行参考。
公开专利号CN213876026U中提出了在现有的激光测距仪的基础上，增设了所述合光组件，使包括画面及准星的图像视觉信号及包括测量得到的距离数字的数据视觉信号相重叠，让工作人员能在通过目镜对准待测距位置的同时，直接在目镜内看到该位置到激光综合参考系统的距离。但是此种激光测距仪会造成体积更加大一些，更加不便于携带。而且此种光合组件仍然需要人工进行校准测量，会造成一定程度的人工误差，尤其是对于水下环境误差更大。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法，本系统主要功能在于激光测距以及高清变焦相机激光标定。测距功能主要在于近距离精确测量，测距方法为激光器发出激光到达目标物上，通过高清变焦相机拍摄得到激光照射在目标物上的照片，通过照片中激光的距离得到目标物与激光之间的距离，还可以应用于标定的过程，从而获取搭配在激光综合参考系统上的高清变焦相机变焦前后的内外参数。此参考系统采用激光十字测距方法实现目标测距功能，采用在线十字标定方法实现高清变焦相机在线标定。
为达到上述发明创造目的，本发明的构思是：
激光综合参考系统搭配有三个激光器，包括一个旋转激光器、两个固定激光器。三个激光器均发射十字形激光，其中固定激光器为直射，两个激光器发射出激光作为标准，两个固定激光器所发出的十字激光的十字交叉点之间的距离即为激光器之间的实际距离，这个距离是确定的，在照片中可以寻找到两个激光器的十字激光线中心点，通过确定两个中心点在图片中的距离，并将其与十字激光器之间的实际距离比较，可以得到高清变焦相机中长度与实际长度的比例关系。
旋转激光器并非直射，而是与安装激光器的固定板具有一个偏转角度，同时，旋转激光器上安装有一个三维运动平台，三维运动平台包括一个平移装置以及一个旋转装置。可以令旋转激光器进行自身旋转以调整激光线的水平与否，或者将旋转激光器绕激光器框架旋从而形成不同的夹角。旋转激光器与激光器框架初始成80°角，之后通过调整可以获得不同的角度夹角。同一距离，不同夹角可以得到多个实验结果，多次验证减少误差。
此参考系统可以用于不是正对激光综合参考系统的目标物的距离测量，比如目标物倾斜摆放，可以使用此激光综合参考系统测出旋转激光器与目标物之间的距离。也可以测出目标物的偏转角度。通过多次实验结果还可以帮助实现参考系统对目标物的标定。
使用此参考系统还可以一次性得到多个物体之间的距离差值，单一的激光测距在测量多个目标物的距离差值是会造成多重误差，但是使用本专利所描述的参考系统可以一次性得到多个物体之间的距离差值，这种方法更加方便，而且也减小了多次实验造成的误差较大的情况。
固定激光器所发射的十字形激光构成一个正方形。若目标物处于倾斜状况，照片中所拍摄得到的照片中激光并不是一个标准的矩形，通过对尺寸、大小、形状的比对，可以得到实际情况中两激光十字中心点的长度，从而通过公式计算可以得到目标物的偏转角度。此装置还可以测量圆柱形目标物的半径大小，通过公式计算，可以得到所测量圆柱体的半径。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于水下检测的激光综合参考系统，包括一个固定平台，通过一个支架安装激光框架，激光框架上装有固定激光器，旋转激光器、中央处理单元、三维运动平台、变焦高清相机和两端激光器旋转装置；所述支架搭配固定平台采用螺栓连接的方式安装在水下机器人上，两个固定激光器均安装在激光框架上，每个固定激光器搭配有两端激光器旋转装置，用于调整固定激光器的旋转角度，旋转激光器安装在激光框架中间，旋转激光器上安装的三维运动平台包含一个平移机构和一个旋转机构，三维运动平台调整旋转激光器的旋转角度和偏转角度，通过调整旋转激光器的角度在同一位置对目标物进行多次测距，验证测距结果，减小误差；变焦高清相机安装在激光框架上边；变焦高清相机拍摄的图片传输到中央处理单元进行处理，得到目标物与激光综合参考系统之间的距离以及变焦高清相机的内外参数值，从而完成激光测距和激光标定任务；主要功能包括十字激光测距和高清变焦相机在线标定。
优选地，所述中央处理单元包括直线提取模块、直线拟合模块、目标物形状判断模块、目标平面倾斜判断模块、测距模块和标定模块。
本发明激光综合参考装置主要应用于水下机器人，能更好的应对较为复杂的水下环境。此种激光测距装置不需要人工进行校准测量，工作全部由机器进行，测量结果更加准确。而且此参考系统不止可以测量目标物与系统之间的距离，还能进行标定得到此参考系统的各参数，并矫正图像得到无畸变图像。
一种用于水下检测的激光综合测距和标定的方法，采用本发明用于水下检测的激光综合参考系统进行操作，所述中央处理单元包括直线提取模块、直线拟合模块、目标物形状判断模块、目标平面倾斜判断模块、测距模块和标定模块；采用激光十字测距方法实现目标、测距、功能，采用激光十字测距方法实现高清变焦相机在线标定；所述激光十字测距方法的过程如下：
所述变焦高清相机拍摄到的图像通过所述直线提取模块处理得到激光线的形状，然后通过所述直线拟合模块将激光线进行直线拟合；将结果传输至所述目标物形状判断模块，判断所述目标物的形状；如果所述直线拟合模块无法拟合直线，则根据公式(1)求出圆柱弧度：
(R-X1)2+Y1 2＝R2 (1)
其中：
R为所求圆柱体物体的半径；
X1为旋转激光器激光线的水平线与固定激光器垂直激光线之间的交点与旋转激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值；
Y1为旋转激光器与固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
通过所述测距模块根据公式(2)求出目标物与激光综合参考系统之间的距离，如果直线可以拟合，则通过所述目标平面倾斜判断模块判断此平面是否垂直于激光综合参考系统发射出的激光线，如果拟合直线为水平线和垂直线，则说明目标物与参考系统垂直，根据公式(2)进行激光测距；如果拟合直线非水平或非垂直，则说明平面与参考系统之间有一个夹角，所述目标平面倾斜判断模块根据公式(3)求出所述目标物与参考系统之间的倾斜角度，所述测距模块根据公式(2)进行激光测距；所述公式(2)为：
Figure BDA0003267280900000031
其中：
L为所测量的激光器与目标物之间的距离；
x为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
L2为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
d2为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
θ为旋转激光器的偏转角度；
所述公式(3)为：
Figure BDA0003267280900000041
其中：
θ为目标物的实际倾斜角度；
X1为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
Y1为固定激光器激光线的水平线与另一固定激光器垂直激光线之间的交点与固定激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值，此差值由中央处理单元得到。
优选地，所述在线十字标定方法过程如下：
所述固定激光器通过所述两端激光器旋转装置调整激光器角度使激光线组成正方形，根据正方形的四个角的坐标对系统进行标定；通过所述中央处理单元得到激光器中的各交点坐标值；所述标定模块获取所述固定激光器和所述旋转激光器在三维坐标系以及像素坐标系中的坐标，通过两坐标系中A、B、C、D四个激光线交点及其对应坐标点的关系，根据公式(5)、公式(6)求解得到激光综合参考系统的旋转矩阵、平移矩阵和内参数矩阵，从而得到参考系统的内外参数；将内外参数参数与所述目标平面倾斜判断模块配合使用，通过公式(6)得到倾斜平面标定后的四点坐标；将所得到的参数与所述目标形状判断模块配合，通过公式(6)得到圆柱面标定后的四点坐标；将倾斜平面图像与圆柱面图像转化为无畸变图像；实现系统的高清变焦相机在线标定功能；所述公式(5)和公式(6)为：
用一个单应性矩阵P表示内外参数矩阵，得到公式(5)。
Figure BDA0003267280900000042
其中Xx1，Yx1表示像素坐标系下固定十字激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1,Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。单应性矩阵由内参数矩阵M与外参数矩阵[R，T]相乘得到。其中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32均为未知量，用来表示相机的内外参数，通过对应点的X、Y轴坐标来求解。
由所得到的在两个坐标系下的对应坐标点，将各坐标点代入便可以得到公式(6)，从而求得高清变焦相机的内外参数；
Figure BDA0003267280900000051
其中，Xx1，Yx2，Xx2，Yx1表示像素坐标系下两个固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1,Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。h11、h12、h13、h21、h22、h23、h31、h32与上文中的单应性矩阵中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32一一对应。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明激光综合参考系统具有多种用途。此激光器的主要用途用于水下机器人，应对水下的各种复杂情况，并且更好的满足水下机器人的工作环境，提升水下机器人的工作性能；但也能在陆地上手持或通过三脚架使用；这时适用于户外或者室内进行测距；
2.本发明此激光综合参考系统主要应用方向是安装在水下机器人上进行使用，由于此激光综合参考系统的优越性，应用在水下机器人时，通过自身的中央处理单元判断出目标物是平面反光板还是圆柱形反光板；从而更加精确的绘制地形图，同时更加精确的获得距离值以及参考系统的自身参数值；
3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1本发明的激光综合参考系统结构示意图。
图2本发明的激光成像坐标示意图。
图3本发明的中央处理单元组成示意图。
图4本发明的激光测距流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种用于水下检测的激光综合参考系统，包括一个固定平台103，通过一个支架104安装激光框架105，激光框架105上装有固定激光器101，旋转激光器102、中央处理单元106、三维运动平台107、变焦高清相机108和两端激光器旋转装置109；所述支架104搭配固定平台103采用螺栓连接的方式安装在水下机器人上，两个固定激光器101均安装在激光框架105上，每个固定激光器101搭配有两端激光器旋转装置109，用于调整固定激光器101的旋转角度，旋转激光器102安装在激光框架105中间，旋转激光器102上安装的三维运动平台107包含一个平移机构和一个旋转机构，三维运动平台107调整旋转激光器102的旋转角度和偏转角度，通过调整旋转激光器102的角度在同一位置对目标物110进行多次测距，验证测距结果，减小误差；变焦高清相机108安装在激光框架105上边；变焦高清相机108拍摄的图片传输到中央处理单元106进行处理，得到目标物110与激光综合参考系统之间的距离以及变焦高清相机108的内外参数值，从而完成激光测距和激光标定任务；主要功能包括十字激光测距和高清变焦相机在线标定。
本实施例激光综合参考装置主要应用于水下机器人，能更好的应对较为复杂的水下环境。此种激光测距装置不需要人工进行校准测量，工作全部由机器进行，测量结果更加准确。而且此参考系统不止可以测量目标物与系统之间的距离，还能进行标定得到此参考系统的各参数，并矫正图像得到无畸变图像。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种用于水下检测的激光综合测距和标定的方法，采用上述实施例用于水下检测的激光综合参考系统进行操作，所述中央处理单元106包括直线提取模块301、直线拟合模块302、目标物形状判断模块303、目标平面倾斜判断模块304、测距模块305和标定模块306；采用激光十字测距方法实现目标、测距、功能，采用激光十字测距方法实现高清变焦相机在线标定；所述激光十字测距方法的过程如下：
所述变焦高清相机108拍摄到的图像通过所述301直线提取模块处理得到激光线的形状，然后通过所述直线拟合模块302将激光线进行直线拟合；将结果传输至所述目标物形状判断模块303，判断所述目标物110的形状；如果所述直线拟合模块302无法拟合直线，则根据公式(1)求出圆柱弧度：
(R-X1)2+Y1 2＝R2 (1)
其中：
R为所求圆柱体物体的半径；
X1为为旋转激光器激光线的水平线与固定激光器垂直激光线之间的交点与旋转激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值；
Y1为旋转激光器与固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
通过所述测距模块305根据公式(2)求出目标物与激光综合参考系统之间的距离，如果直线可以拟合，则通过所述目标平面倾斜判断模块304判断此平面是否垂直于激光综合参考系统发射出的激光线，如果拟合直线为水平线和垂直线，则说明目标物与参考系统垂直，根据公式(2)进行激光测距；如果拟合直线非水平或非垂直，则说明平面与参考系统之间有一个夹角，所述目标平面倾斜判断模块304根据公式(3)求出所述目标物110与参考系统之间的倾斜角度，所述测距模块305根据公式(2)进行激光测距；所述公式(2)为：
Figure BDA0003267280900000071
其中：
L为所测量的激光器与目标物之间的距离；
x为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
L2为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
d2为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
θ为旋转激光器的偏转角度；
所述公式(3)为：
Figure BDA0003267280900000072
其中：
θ为目标物的实际倾斜角度；
X1为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
Y1为固定激光器激光线的水平线与另一固定激光器垂直激光线之间的交点与固定激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值，此差值由中央处理单元得到。
本实施例用于水下检测的激光综合测距和标定的方法，能在于激光测距以及高清变焦相机激光标定。测距功能主要在于近距离精确测量，测距方法为激光器发出激光到达目标物上，通过高清变焦相机拍摄得到激光照射在目标物上的照片，通过照片中激光的距离得到目标物与激光之间的距离，还可以应用于标定的过程，从而获取搭配在激光综合参考系统上的高清变焦相机变焦前后的内外参数。此参考系统采用激光十字测距方法实现目标测距功能，采用在线十字标定方法实现高清变焦相机在线标定。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，当使用从激光测距装置时，需要将此装置通过支架安装于水下机器人上，激光综合参考系统发射出的激光与目标物之间所称夹角可以为90°。打开激光器开关，由于所使用的固定激光器以及旋转激光器均为十字激光器，因此可以通过实验验证固定激光器所射出的激光是否相互平行，组成一个正方形的样子。如果得到的不是一个正方形，可以通过旋转固定激光器上的旋转机构得到一个正方形激光图案。然后打开旋转激光器的开关，旋转激光器所发射出激光与固定激光器所发射出激光保持平行，但是旋转激光器不与固定激光器平行，需要使旋转激光器与固定激光器成一夹角，此角度以75°到85°为适宜，太小的夹角造成测距仪的测量距离范围会减小，太大的夹角会造成测量时误差增大，旋转激光器搭配有三维运动平台，此运动平台包含一个旋转机构与一个平移机构。运动平台可以使旋转激光器绕自身旋转，还可以使旋转激光器绕框架平移以及旋转，从而调整夹角的大小。
此参考系统采用激光十字测距方法实现目标测距功能，测距功能过程如下，当参考系统开始工作时，使用高清变焦相机进行拍照得到激光在目标物上的图片。变焦高清相机拍摄到的图像传送至中央处理单元，中央处理单元主要包括包括直线提取模块、直线拟合模块、目标物形状判断模块、目标平面倾斜判断模块、测距模块、标定模块几大模块。首先通过直线提取模块获得其中激光线的大致形状，之后通过直线拟合模块将提取到的图像进行拟合获得比较确定的直线。然后将结果传输入目标物形状判断模块。目标物形状判断模块通过拟合直线对目标物进行判断，
若直线不能拟合，则说明目标物为圆柱形，之后根据公式(1)判断圆柱形曲率，之后根据公式(2)获得圆柱形物体与参考系统之间的距离。
(R-X1)2+Y1 2＝R2 (1)
其中：
R为所求圆柱体物体的半径；
X1为为旋转激光器激光线的水平线与固定激光器垂直激光线之间的交点与旋转激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值；
Y1为旋转激光器与固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到。
Figure BDA0003267280900000081
其中：
L为所测量的激光器与目标物之间的距离；
x为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
L2为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
d2为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
θ为旋转激光器的偏转角度；
若直线可以拟合则说明目标物为平面，之后根据目标平面倾斜判断模块判断拟合直线是否平行，若仍平行且为正方形，则说明目标物为平面，且此平面不倾斜，此时根据公式(2)可以求得目标物与参考系统之间的距离。
若目标平面倾斜判断模块判断拟合直线并不保持平行或激光器线并不能保持水平或垂直样子；亦可理解为固定激光器所发射的激光线形成了一个平行四边形或梯形的形状。那么目标平面倾斜判断模块根据公式(3)求出目标物与参考系统之间的倾斜角度，之后测距模块可以根据公式(2)获得旋转激光器与目标物之间的距离。
Figure BDA0003267280900000091
其中：
θ为目标物的实际倾斜角度；
X1为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
Y1为固定激光器激光线的水平线与另一固定激光器垂直激光线之间的交点与固定激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值，此差值由中央处理单元得到；
除得到目标物的距离之外，此激光综合参考系统还有一重要作用，就是进行标定，从而获得测距仪上高清变焦相机的内外参数。
此参考系统中固定激光器的主要任务为标定使用，固定激光器通过两端激光器旋转模块进行激光器角度调整使得发射出的激光线组成一个正方形。据此激光线形状对系统进行标定。
目标物在高清变焦相机成像的过程，可以分为在四个不同坐标系下坐标的转化过程，四个坐标系包括：像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系、世界坐标系。
此参考系统采用在线十字标定方法实现高清变焦相机在线标定。在线十字标定方法如下。如图2所示，假设三个激光器发射出的激光线中心点A、B、D在世界坐标系中的坐标分别为(Xs1,Ys1,1)、(Xs2,Ys2,1)、(Xs3,Ys3,1)，十字激光线中心点在像素坐标系的对应点A1、B1、D1、的坐标分别为(Xx1,Yx1,1)、(Xx2,Yx2,1)、(Xx3,Yx3,1)。除此三点之外，两个固定激光器所射出的激光线之间的交点C(Xs3,Ys1,1)，其所对应的像素坐标为C1(Xx1,Yx3,1)。
相机标定法，目前最多使用的为张氏标定法，本专利中的激光综合参考系统使用张氏标定法进行变焦相机标定。据此方法两个坐标系中坐标点的变换过程可以用公式(4)表示：
Figure BDA0003267280900000101
其中
Figure BDA0003267280900000102
表示变焦相机的内参数矩阵，[R，T]为变焦相机的外参数矩阵，其中R＝[r1，r2，r3]表示变焦相机的旋转矩阵，T表示平移向量。其中dx，dy为一个像素的长与宽，f为变焦相机的焦距。zc为假设的一个缩放因子。相机标定过程即为求取变焦相机的内外参数的过程。
用一个单应性矩阵P表示内外参数矩阵，可以得到公式(5)。
Figure BDA0003267280900000103
其中Xx1，Yx1表示像素坐标系下固定十字激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1，Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。单应性矩阵由内参数矩阵M与外参数矩阵[R，T]相乘得到。其中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32均为未知量，用来表示相机的内外参数，通过对应点的X、Y轴坐标来求解。
由所得到的在两个坐标系下的对应坐标点，将各坐标点代入便可以得到公式(6)，从而求得高清变焦相机的内外参数。
Figure BDA0003267280900000104
其中，Xx1，Yx1，Xx2，Yx2表示像素坐标系下两个固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1，Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。h11、h12、h13、h21、h22、h23、h31、h32与上文中的单应性矩阵中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32一一对应。
根据高清变焦相机的内外参数以及在圆柱目标物或倾斜目标物上的四个坐标点根据公式6运算，得到非畸变情况的图像坐标点，从而得到无畸变图像，完成高清变焦相机的在线标定功能。
综上所述，上述实施例用于水下检测的激光综合参考系统和测距及标定方法。此激光参考系统的主要功能在于激光测距以及高清变焦相机激光标定。主要由固定激光器、旋转激光器、固定平台、支架、激光框架、中央处理单元、三维运动平台、变焦高清相机、两端激光器旋转装置、目标物等组成。固定激光器主要用于标定，旋转激光器主要用于测距。固定平台与支架搭配使用固定在水下机器人上。三维运动平台、两端激光器旋转装置用于激光器运动。其中中央处理单元包括直线提取模块、直线拟合模块、目标物形状判断模块、目标平面倾斜判断模块、测距模块、标定模块。图像处理过程使用激光十字测距方法进行激光测距，测距过程首先用直线提取模块获得激光线大致形状，第二步直线拟合模块进行拟合直线。第三步目标物形状判断模块判断目标物形状，第四步目标平面倾斜判断模块判断目标平面是否倾斜，第五步测距模块获得目标物与系统之间的距离，同时还可以根据目标物的不同求取不同的结果。系统使用在线十字标定方法实现高清变焦相机在线标定，标定过程通过标定模块获得相机内外参数，并根据参数获得图像的标定得到无畸变图像。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于水下检测的激光综合参考系统，包括一个固定平台(103)，通过一个支架(104)安装激光框架(105)，激光框架(105)上装有固定激光器(101)，旋转激光器(102)、中央处理单元(106)、三维运动平台(107)、变焦高清相机(108)和两端激光器旋转装置(109)，其特征在于：所述支架(104)搭配固定平台(103)采用螺栓连接的方式安装在水下机器人上，两个固定激光器(101)均安装在激光框架(105)上，每个固定激光器(101)搭配有两端激光器旋转装置(109)，用于调整固定激光器(101)的旋转角度，旋转激光器(102)安装在激光框架(105)中间，旋转激光器(102)上安装的三维运动平台(107)包含一个平移机构和一个旋转机构，三维运动平台(107)调整旋转激光器(102)的旋转角度和偏转角度，通过调整旋转激光器(102)的角度在同一位置对目标物(110)进行多次测距，验证测距结果，减小误差；变焦高清相机(108)安装在激光框架(105)上边；变焦高清相机(108)拍摄的图片传输到中央处理单元(106)进行处理，得到目标物(110)与激光综合参考系统之间的距离以及变焦高清相机(108)的内外参数值，从而完成激光测距和激光标定任务；主要功能包括十字激光测距和高清变焦相机在线标定。
2.根据权利要求1所述的用于水下检测的激光综合参考系统，其特征在于：所述中央处理单元(106)包括直线提取模块(301)、直线拟合模块(302)、目标物形状判断模块(303)、目标平面倾斜判断模块(304)、测距模块(305)和标定模块(306)。
3.一种用于水下检测的激光综合测距和标定的方法，采用根据权利要求1所述的用于水下检测的激光综合参考系统进行操作，其特征在于：所述中央处理单元(106)包括直线提取模块(301)、直线拟合模块(302)、目标物形状判断模块(303)、目标平面倾斜判断模块(304)、测距模块(305)和标定模块(306)；采用激光十字测距方法实现目标、测距、功能，采用激光十字测距方法实现高清变焦相机在线标定；所述激光十字测距方法的过程如下：
所述变焦高清相机(108)拍摄到的图像通过所述(301)直线提取模块处理得到激光线的形状，然后通过所述直线拟合模块(302)将激光线进行直线拟合；将结果传输至所述目标物形状判断模块(303)，判断所述目标物(110)的形状；如果所述直线拟合模块(302)无法拟合直线，则根据公式(1)求出圆柱弧度：
(R-X1)2+Y1 2＝R2 (1)
其中：
R为所求圆柱体物体的半径；
X1为为旋转激光器激光线的水平线与固定激光器垂直激光线之间的交点与旋转激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值；
Y1为旋转激光器与固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
通过所述测距模块(305)根据公式(2)求出目标物与激光综合参考系统之间的距离，如果直线可以拟合，则通过所述目标平面倾斜判断模块(304)判断此平面是否垂直于激光综合参考系统发射出的激光线，如果拟合直线为水平线和垂直线，则说明目标物与参考系统垂直，根据公式(2)进行激光测距；如果拟合直线非水平或非垂直，则说明平面与参考系统之间有一个夹角，所述目标平面倾斜判断模块(304)根据公式(3)求出所述目标物(110)与参考系统之间的倾斜角度，所述测距模块(305)根据公式(2)进行激光测距；所述公式(2)为：
Figure FDA0003267280890000021
其中：
L为所测量的激光器与目标物之间的距离；
x为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
L2为固定激光器之间实际安装的水平方向的距离；
d2为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
θ为旋转激光器的偏转角度；
所述公式(3)为：
Figure FDA0003267280890000022
其中：
θ为目标物的实际倾斜角度；
X1为固定激光器之间在图片上显示的水平方向的距离，此距离由中央处理单元得到；
Y1为固定激光器激光线的水平线与另一固定激光器垂直激光线之间的交点与固定激光器自身的激光线交点之间在垂直方向的长度差值，此差值由中央处理单元得到。
4.根据权利要求3所述的用于水下检测的激光综合测距和标定方法，其特征在于：所述在线十字标定方法过程如下：
所述固定激光器(101)通过所述两端激光器旋转装置(109)调整激光器角度使激光线组成正方形，根据正方形的四个角的坐标对系统进行标定；通过所述中央处理单元(106)得到激光器中的各交点坐标值；所述标定模块(306)获取所述固定激光器(101)和所述旋转激光器(102)在三维坐标系以及像素坐标系中的坐标，通过两坐标系中A、B、C、D四个激光线交点及其对应坐标点的关系，根据公式(5)、公式(6)求解得到激光综合参考系统的旋转矩阵、平移矩阵和内参数矩阵，从而得到参考系统的内外参数；将内外参数参数与所述目标平面倾斜判断模块(304)配合使用，通过公式(6)得到倾斜平面标定后的四点坐标；将所得到的参数与所述目标形状判断模块(303)配合，通过公式(6)得到圆柱面标定后的四点坐标；将倾斜平面图像与圆柱面图像转化为无畸变图像；实现系统的高清变焦相机在线标定功能；所述公式(5)和公式(6)为：
用一个单应性矩阵P表示内外参数矩阵，得到公式(5)。
Figure FDA0003267280890000031
其中Xx1，Yx1表示像素坐标系下固定十字激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1,Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。单应性矩阵由内参数矩阵M与外参数矩阵[R，T]相乘得到。其中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32均为未知量，用来表示相机的内外参数，通过对应点的X、Y轴坐标来求解。
Figure FDA0003267280890000032
其中，Xx1，Yx2，Xx2，Yx1表示像素坐标系下两个固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。Xs1,Ys1表示世界坐标系下固定激光器激光中心点的X轴与Y轴坐标。h11、h12、h13、h21、h22、h23、h31、h32与上文中的单应性矩阵中各参数P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32一一对应。
CN202111090548.6A 2021-09-17 2021-09-17 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法 Pending CN113960564A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111090548.6A CN113960564A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111090548.6A CN113960564A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113960564A true CN113960564A (zh) 2022-01-21

Family

ID=79461936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111090548.6A Pending CN113960564A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113960564A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114640781A (zh) * 2022-05-19 2022-06-17 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下摄像机图像径向畸变校正装置及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB202020689D0 (en) * 2019-12-25 2021-02-10 Univ Hohai 3-D imaging apparatus and method for dynamically and finely detecting small underwater objects
CN112595236A (zh) * 2020-11-26 2021-04-02 江苏国和智能科技有限公司 一种水下激光三维扫描和实时测距的测量装置
CN113137920A (zh) * 2021-05-19 2021-07-20 重庆大学 一种水下测量的设备与水下测量方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB202020689D0 (en) * 2019-12-25 2021-02-10 Univ Hohai 3-D imaging apparatus and method for dynamically and finely detecting small underwater objects
CN112595236A (zh) * 2020-11-26 2021-04-02 江苏国和智能科技有限公司 一种水下激光三维扫描和实时测距的测量装置
CN113137920A (zh) * 2021-05-19 2021-07-20 重庆大学 一种水下测量的设备与水下测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张婧婧;白晓;: "基于激光点云的三维测量系统设计", 现代电子技术, no. 14, 31 July 2020 (2020-07-31) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114640781A (zh) * 2022-05-19 2022-06-17 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下摄像机图像径向畸变校正装置及方法
CN114640781B (zh) * 2022-05-19 2022-08-23 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下摄像机图像径向畸变校正装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111486802B (zh) 基于自适应距离加权的旋转轴标定方法
CN109632103B (zh) 高空建筑物温度分布与表面裂缝远程监测系统及监测方法
US4724480A (en) Method for optical alignment of one object with respect to another
CN111735479A (zh) 一种多传感器联合标定装置及方法
KR101023275B1 (ko) 차량용 카메라 시스템의 캘리브레이션 방법 및 장치, 차량용 카메라 시스템의 각도상 오정렬을 판단하는 방법 및 이를 수행하는 전자 제어 유닛
CN109916304B (zh) 镜面/类镜面物体三维测量系统标定方法
CN111127568B (zh) 一种基于空间点位信息的相机位姿标定方法
CN113048918B (zh) 一种发射轴与瞄准轴一致性检测的装置及方法
CN108648242B (zh) 基于激光测距仪辅助无公共视场的两相机标定方法及装置
CN109978960B (zh) 基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法
CN112985293B (zh) 一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量系统和测量方法
CN110987021B (zh) 一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法
JP2001285681A (ja) キャリブレーションシステム、ターゲット装置およびキャリブレーション方法
CN113843798B (zh) 一种移动机器人抓取定位误差的纠正方法、系统及机器人
CN111561868A (zh) 一种利用光学跟踪结构光扫描器实现天线型面非接触测量的方法
CN109839027A (zh) 一种热成像瞄准镜装表精度的测试装置及方法
CN113960564A (zh) 一种用于水下检测的激光综合参考系统及测距和标定的方法
JP2830839B2 (ja) 距離計測装置
CN112958957A (zh) 一种大型钢筋骨架焊接的自动校准方法和系统
CN111754584A (zh) 一种远距离大视场相机参数标定系统和方法
CN112767249B (zh) 一种面向小型管件表面缺陷检测的图像展开拼接方法及系统
CN105628338A (zh) 一种红外导引头全视场视线误差标校方法
CN111707446B (zh) 光斑中心与探测器接收面中心对准的调节方法及系统
CN111047904B (zh) 一种基于井字标定线的车辆位置信息检测系统及方法
CN111028298B (zh) 一种用于刚体坐标系空间变换标定的汇聚式双目系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination