CN114964159B - 一种基于环形激光的倾角及距离测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形激光的倾角及距离测量方法，基于激光光源特性，以及拍摄的图像的矩特征信息，计算激光光源至被测平面的矢量信息，矢量信息包含激光光源到平面的距离，和激光光源到被测平面的法向夹角，由于采用激光和图像的方法，较之惯性原件，测量响应快，无低频噪声，从而数据后处理工作简单可靠；较之距离传感集成或计算机视觉方案，成本低、算力要求低、系统集成度高。

Description

一种基于环形激光的倾角及距离测量方法

技术领域：

本发明涉及非接触测量领域，给出一种高精度传感器的原理性测量算法。本算法基于特殊的激光(环形)光源以及图像矩特征识别的方法，对被测平面进行矢量测量，即，同时获得被测平面的法向(方向)信息和距离信息。

背景技术：

现有的法向角度测量手段/传感器，主要分为接触式和非接触式两种。接触式的角度测量，需要高精度、高可靠的工装夹具，配合角度测量设备进行测量，精度受限，应用复杂。非接触式角度测量，主要以惯性元件的陀螺仪为主。但是，惯性传感器一般响应慢、存在低频的零点漂移、软件补偿难度高等问题，主要应用于运动部件中，在生产制造方面应用较少。另一方面讲，当前用于环境感知的传感器，都是获得距离或法向角度，而不能同时获得距离和法向角度(本文称为矢量测距)。如果应用场景希望同时获得被测物的空间信息，即矢量测距数据，那么必须使用多种传感器，或多个同类传感器的配合，即传感器融合的方法。上述方法一般只能针对特定的应用，很难实现通用性；设计和工艺过程复杂，相当于进行一个专用设备的开发。

发明内容：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于环形激光的倾角及距离测量方法，本发明中的方法，由于采用激光和图像的方法，较之惯性原件，测量响应快，无低频噪声(零点漂移)，从而数据后处理工作简单可靠；较之距离传感集成或计算机视觉方案，成本低、算力要求低、系统集成度高；基于激光光源特性，以及拍摄的图像的矩特征信息，计算激光光源至被测平面的矢量信息，矢量信息包含激光光源到平面的距离，和激光光源到被测平面的法向夹角，从系统识别和图像处理的鲁棒性来讲，本算法仅仅依靠被识别椭圆的形状信息，与光源光圈的尺寸无关，因此可对不同工况使用不同的光源从而得到最佳使用效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于环形激光的倾角及距离测量方法，通过激光光源发射环形光斑打到被测物表面；感光相机通过不同角度照射被测物表面的光斑，得到不同的成像，所述感光相机位于激光光源右侧；假设环形光斑半径为r₀，激光入射角与被测物法向夹角为α，感光相机与激光光源法向夹角为β，那么：

环形光斑在被测物表面形成椭圆的长轴长度为：

L_s＝2r₀/cosα

此椭圆在感光相机的成像长轴长度为：

得到

作为本发明进一步的方案，所述激光光源两侧分别设有一感光相机，分别为左感光相机和右感光相机，且两侧感光相机与激光光源位于同一平面上。

作为本发明进一步的方案，椭圆在左感光相机的成像长轴长度为：

则其中，/>

作为本发明进一步的方案，所述激光光源与被测物表面的距离为d；设立标定面，当环形光圆心在相机成像的中心时，记录激光器出口与标定面的距离为d₀，环形激光照射至被侧面上，产生椭圆的圆心距离图像中心的像素个数为N_p，得：

那么激光器出口到被测平面的距离为：

其中C为与相机感光性能有关的参数，可通过实验标定取得，也可通过相机配置获取。

本发明具有以下有益效果：

本发明的激光器发射出环形光斑，感光相机至于激光器两侧，并与激光器处于同一平面上。激光器发射环形光斑打到被测物表面。感光相机通过不同角度拍摄光斑，得到不同的光斑形状。在被测物的表面与激光器光斑的入射角不同的情况下，光斑呈现不同形状的椭圆。对于固定位置的激光器、感光相机而言，不同光斑的形状对应不同的被测物表面法向角度。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明：

图1和图2为本发明一种基于环形激光的倾角测量方法的原理示意图。

图3为本发明中不同角度的入射角与感光相机的成像示意图。

图4分别为本发明中法向角度测量示意图。

图5、图6分别为本发明中采用单感光相机和双感光相机的分辨率示意图。

图7和图8为本发明中距离测量原理示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-图7所示，一种基于环形激光的倾角测量方法，基于激光光源特性，以及拍摄的图像的矩特征信息，计算激光光源至被测平面的矢量信息，矢量信息包含激光光源到平面的距离，和激光光源到被测平面的法向夹角。

参照图1和图2所示，包括激光光源，两个相机，激光器至于设备中心位置，发射出环形光斑，感光相机至于激光器两侧，并与激光器处于同一平面上。激光器发射环形光斑打到被测物表面。感光相机通过不同角度照射光斑，得到不同的光斑形状。在被测物的表面与激光器光斑的入射角不同的情况下，光斑呈现不同形状的椭圆。对于固定位置的激光器、感光相机而言，不同光斑的形状对应不同的被测物表面法向角度；

参照图3和图4所示，激光器发出环形光，假设其环形光半径为r0，激光器入射角与被测物法向夹角为α，感光相机与激光器法向夹角为β，β在出厂已经确定，那么：

环形光在被测物表面形成椭圆的长轴(可变化轴)长度为：

L_s＝2r₀/cosα

此椭圆在右相机的成像长轴(可变化轴)长度为：

同理，椭圆在左相机的成像长轴(可变化轴)长度为：

在本发明中的L_lens，1和L_lens，2的数值通过感光相机计算得到。

参照图4所示，如果采用一个相机进行法向角度计算(例如右相机)，则被测物与激光方向夹角α：

进一步优选，如果采用两个相机同时参与计算，则：

其中，在本发明中，不论采用单相机还是双相机，本发明所使用的椭圆参数k，主要是指椭圆长轴和短轴的比值。

在本发明中，可以采用单独一个相机的识别结果，也可以采用两个，两者区别在于分辨率(精度)，在不同相机与激光器夹角β下，采用单相机和双相机计算的系统分辨率(精度)分析。

参照图5和图6所示，以β＝45°为例，在单相机的计算情况下，α由0°变化为10°时，量测输入由0.707变化至0.832，其变化率为17.68％；而对于相同条件下的双相机工况，量测输入k由1变化至0.5，变化率为50％，远远高于17.68％，使得系统灵敏度提升接近3倍。

在本发明中，参照图7和图8所示，激光器与被测物体的距离测量示意图，本发明采用右相机为例进行标定和计算，左相机的计算过程相同，具体包括。

(1)图像中心标定

图7所示，传感器出厂前，进行距离标定，设立标定面，当环形光圆心在相机成像的中心时，记录激光器出口与标定面的距离为d₀；

(2)距离计算

右相机示例图像如图8所示，环形激光照射至被侧面上，产生椭圆的圆心距离图像中心的像素个数为N_p，那么根据几何关系，可得：

那么激光器出口到被测平面的距离为：

其中C为与相机感光性能有关的参数，可通过实验标定取得，也可通过相机配置获取。

实施例1

一种基于环形激光的倾角测量方法，通过激光光源发射环形光斑打到被测物表面；感光相机通过不同角度照射被测物表面的光斑，得到不同的成像，所述感光相机位于激光光源右侧；假设环形光斑半径为r₀，激光入射角与被测物法向夹角为α，感光相机与激光光源法向夹角为β，那么：

环形光斑在被测物表面形成椭圆的长轴长度为：

L_s＝2r₀/cosα

此椭圆在感光相机的成像长轴长度为：

得到

实施例2

一种基于环形激光的倾角测量方法，通过激光光源发射环形光斑打到被测物表面；感光相机通过不同角度照射被测物表面的光斑，得到不同的成像，所述感光相机位于激光光源右侧；假设环形光斑半径为r₀，激光入射角与被测物法向夹角为α，感光相机与激光光源法向夹角为β，那么：

环形光斑在被测物表面形成椭圆的长轴长度为：

L_s＝2r₀/cosα

此椭圆在感光相机的成像长轴长度为：

得到

激光光源两侧分别设有一感光相机，分别为左感光相机和右感光相机，且两侧感光相机与激光光源位于同一平面上；椭圆在左感光相机的成像长轴长度为：

则其中，/>该实施例的测量精度优于实施例1的测量精度。

实施例3

一种基于环形激光的距离测量方法，其特征在于，所述激光光源与被测物表面的距离为d；设立标定面，当环形光圆心在相机成像的中心时，记录激光器出口与标定面的距离为d₀，环形激光照射至被侧面上，产生椭圆的圆心距离图像中心的像素个数为N_p，得：

那么激光器出口到被测平面的距离为：

其中C为与相机感光性能有关的参数，可通过实验标定取得，也可通过相机配置获取。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于环形激光的倾角测量方法，其特征在于，通过激光光源发射环形光斑打到被测物表面；感光相机通过不同角度照射被测物表面的光斑，得到不同的成像，所述感光相机位于激光光源右侧；假设环形光斑半径为r₀，激光入射角与被测物法向夹角为α，感光相机与激光光源法向夹角为β，那么：

环形光斑在被测物表面形成椭圆的长轴长度为：

L_s＝2r₀/cosα

此椭圆在感光相机的成像长轴长度为：

得到

2.如权利要求1的一种基于环形激光的倾角测量方法，其特征在于，所述激光光源两侧分别设有一感光相机，分别为左感光相机和右感光相机，且两侧感光相机与激光光源位于同一平面上。

3.如权利要求2的一种基于环形激光的倾角测量方法，其特征在于，椭圆在左感光相机的成像长轴长度为：

则其中，/>k为椭圆参数。

4.一种基于环形激光的距离测量方法，其特征在于，激光光源与被测物表面的距离为d；设立标定面，当环形光圆心在相机成像的中心时，记录激光器出口与标定面的距离为d₀，环形激光照射至被侧面上，产生椭圆的圆心距离图像中心的像素个数为N_p，得：

那么激光器出口到被测平面的距离为：

其中C为与相机感光性能有关的参数，可通过实验标定取得，也可通过相机配置获取。