CN115096277B - 一种自动对准矫正的激光投线仪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光对线领域，尤其是涉及一种自动对准矫正的激光投线仪装置。是在光传感模组与单目摄像机的共同作用下完成位置调整。具体的，先利用单目摄像机捕获的含有目标激光投线的图像对该投线仪装置进行粗调后，再利用光传感模组中各感光元件接收的模拟信号计算出该投线仪装置其投线与目标激光投线完成重合所需调整的角度和距离，使本投线仪装置快速完成位置调整，减少了抹灰机器人花费在定位上的时间，提升了抹灰工作的效率。

Description

一种自动对准矫正的激光投线仪装置

技术领域

本发明涉及激光对线领域，尤其是涉及一种自动对准矫正的激光投线仪装置。

背景技术

激光投线仪(以下简称投线仪)是在普通水准仪望远镜筒上安装并固定了激光装置而制成的一类测量仪器，主要用于建筑施工等作业时发出垂直或水平的可见激光，以便在目标面上标注水平线或垂直线。

在抹灰机器人进行墙面抹灰的过程中，为了给抹灰机器人提供精确定位，需要在抹灰机器人两侧各放置一台投线仪，将其中一侧的投线仪作为主机，另一侧的投线仪作为从机。使用时，将主机投射出的激光线作为基准线，即目标激光投线，通过调整从机的位置，使从机发射出的激光投线完全与目标激光投线重合。

从机位置调整，目前采用的是人工测量的方式来完成的。由于人工测量易出现数据误差，需要花费大量时间才能完成从机位置调整，效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动对准矫正的激光投线仪装置，以解决目前抹灰机器人定位过程中，从机投线与目标激光投线实现重合过程耗时长的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自动对准矫正的激光投线仪装置，包括投线仪、主控模块以及电源模块；

所述投线仪包括底座、运动平台及投线仪主体；底座上设有转动台和第一电机；转动台与底座转动固定，其上设有支撑柱，在第一电机的驱动下实现360°旋转；运动平台通过支撑柱与转动台固定连接，其上设有第二电机、第三电机及用于安装投线仪主体的固定架；固定架由2根相互平行的滑轨和一根固定杆组成，两根滑轨上均滑动连接有一滑块，固定杆的两端分别与两根滑轨上的滑块相连；固定杆上滑动连接有一滑块，该滑块与投线仪主体相连；第二电机用于驱动固定杆沿滑轨长度方向进行往复运动，第三电机用于驱动投线仪主体沿固定杆长度方向进行往复运动；投线仪主体包括用于发出水平激光投线的水平投线激光头、用于发出垂直激光投线的垂直投线激光头、单目摄像机和光传感模组组成；单目摄像机用于捕获含有目标激光投线的图像；光传感模组由多个感光元件组成，各感光元件用于接收目标激光投线信息，并将各自接收的目标激光投线信息转换为模拟信号；光传感模组可为一维光敏阵列或二维光敏阵列部件；

所述主控模块分别与投线仪各模块电性连接，接收单目摄像机拍摄的含有目标激光投线的图像和光传感模组提供的模拟信号，并通过它们计算得到本投线仪装置的当前运行参数；然后根据当前运行参数计算出本投线仪装置需要调整的参数，调整本投线仪装置的位置，使本投线仪装置投出的激光线与目标激光投线重合；

所述电源模块为投线仪上的投线仪主体、主控模块提供电力。

进一步的，所述底座的底部设有金属三脚架。

一种调整上述激光投线仪装置位置的方法：

步骤1、将含有目标激光投线的图像转化为灰度图像以简化图片数据，避免图像中过多细节造成对目标激光投线寻找不精确以及寻找速度慢的问题；

步骤2、采用canny边缘检测算法从灰度图像中找出目标激光投线在该图像中的位置，并计算出目标激光线与该图像中轴线的夹角，该夹角即为本投线仪装置当前需要调整的参数；

步骤3、根据步骤2得到的夹角计算出本投线仪装置需要水平旋转的角度，以此调整本投线仪装置的对准方向，确保目标激光投线处于光传感模组的感光范围内；若调整本投线仪对准方向后，目标激光投线仍处于光传感模组的感光范围外，则返回步骤1直到目标激光线处于光传感模组感光范围内为止；

步骤4、读取光传感模组中各感光元件提供的模拟信号，并将这些模拟信号分别转换为各感光元件接收的光照强度数据和位置数据；并根据得到的光照强度数据和位置数据计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距。

步骤5、利用步骤4得到的目标激光投线与光传感模组中点的间距计算出本投线仪装置实现其投出的激光线与目标激光投线重合所需调整的距离和角度；

步骤6、根据步骤5计算得出的距离和角度，主控模块控制相应的电机完成位置调整。

进一步的，所述步骤4中根据得到的光照强度数据和位置数据计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距的详细过程为：

步骤4.1、将读取到的每个感光元件的模拟信号快速转换为0-255的无符号数，设每个模拟信号接收的时间顺序为该模拟信号对应的感光元件在光传感模组中的位置，无符号数本身的数字大小为对应位置光照强度的强弱，其中0为最强，255为无光；

步骤4.2、对步骤4.1所得到的无符号数进行数字滤波降噪，再采用维也纳滤波平滑处理，以提升后续处理效率；

步骤4.3、将步骤4.2所得数据进行分组，随后分别计算每组数据的方差用于反应每组数据对应感光元件光照强度的变化程度，方差越大则该组数据对应感光元件光照强度变化越激烈，反之亦然；分组规则是按位置顺序依次进行，每连续5个数据为一组；

步骤4.4、求出所有方差的均值，设阈值为该均值的0.6到0.8倍，根据设定阈值将每组数据中小于阈值的数据标记为平滑区，大于设定阈值的数据标记为激变区；

步骤4.5、根据步骤4.4的标记结果计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距，利用该间距计算出本投线仪装置实现其投出的激光线与目标激光投线重合所需调整的距离和角度，主控模块控制相应的电机完成位置调整。

本发明提供的一种自动对准矫正激光投线仪装置，是在光传感模组与单目摄像机的共同作用下完成位置调整。具体的，先利用单目摄像机捕获的含有目标激光投线的图像对本投线仪装置进行粗调，再利用光传感模组中各感光元件接收的模拟信号计算出该投线仪装置其投线与目标激光投线完成重合所需调整的角度和距离，使本投线仪装置快速完成位置调整，减少了抹灰机器人花费在定位上的时间，提升了抹灰工作的效率。

附图说明

图1是实施例结构示意图；

图2是实施例结构另一侧的结构示意图；

图3是实施例软件部分程序流程图；

图4是光传感元件结构示意图；

图5是距离求解过程示意图；

附图标记：

1、底座；2、主控模块；3、转动台；4、第一电机；5、支撑柱；6、第二电机；7、第三电机；8、运动平台；9、投线仪主体；10、固定架；11、单目摄像机；12、投线激光头；13、光传感模组；14、滑块；15、固定杆；16、滑轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提供的一种自动对准矫正激光投线仪装置，如图1、图2所示，包括投线仪、主控模块以及电源模块。

所述投线仪包括底座、运动平台以及投线仪主体。底座的底部设有金属三角架，底座顶部设有转动台和第一电机。转动台与底座转动固定，其上设有支撑柱，在第一电机的驱动下实现360°旋转。运动平台通过支撑柱与转动台固定连接，其上设有第二电机、第三电机以及用于安装投线仪主体的固定架。固定架由2根相互平行的滑轨和一根固定杆组成，两根滑轨上均滑动连接有一滑块，固定杆的两端分别与两根滑轨上的滑块相连，固定杆上连接有一滑块，通过滑块与投线仪主体相连；第二电机用于驱动固定杆沿滑轨长度方向进行往复运动，第三电机用于驱动投线仪主体沿固定杆长度方向进行往复运动。投线仪主体包括用于发出水平激光投线的水平投线激光头、用于发出垂直激光投线的垂直投线激光头、单目摄像机和光传感模组组成。单目摄像机固定在水平投线激光头和垂直投线激光头的正上方，用于捕获含有目标激光投线的图像；光传感模组为多个感光元件组成的感光模块，其结构如图4所示，光传感模组中，多个感光元件并列排布，各感光元件用于接收目标激光投线，并将各自接收的目标激光投线转换为模拟信号。实施时，单目摄像机和光传感模组的安装位置应当满足如下条件：单目摄像机捕获画面竖直方向的中线与垂直投线激光头投射出的激光线在同一水平平面，同时单目摄像机拍摄画面所在平面应与垂直投线激光头投射出的激光线垂直。光传感模组的安装位置必须满足：使光传感模组上感光模块竖直方向的中线与垂直投线激光头所投射出的激光线在同一水平平面，同时光传感模组上感光模块所在平面应与垂直投线激光头所投射的激光线垂直。

所述主控模块分别与投线仪各模块电性连接，接收单目摄像机拍摄的含有目标激光投线的图像和光传感模组提供的模拟信号，并通过它们算得到本投线仪装置的当前运行参数；然后根据当前运行参数计算出该投线仪装置需要调整的参数来调整本投线仪装置位置，使本投线仪装置投出的激光线重合于目标激光投线。

使用中，上述自动对准矫正的激光投线仪装置是按照如下过程进行位置调整，实现其投线与目标激光投线重合，参阅图3：

步骤1、将含有目标激光投线的图像转化为灰度图像以简化图片数据，避免图像中过多细节造成对目标激光投线寻找不精确以及寻找速度慢的问题。

步骤2、采用canny边缘检测算法从灰度图像中找出目标激光投线在该图像中的位置，并计算出目标激光线与该图像中轴线的夹角，该夹角即为本投线仪装置当前需要调整的参数。

步骤3、根据步骤2得到的夹角计算出本投线仪装置需要水平旋转的角度，以此调整本投线仪装置的对准方向，确保目标激光投线处于光传感模组的感光范围内；若调整本投线仪对准方向后，目标激光投线仍处于光传感模组的感光范围外，则返回步骤1直到目标激光线处于光传感模组感光范围内为止。

步骤4、读取光传感模组中各感光元件提供的模拟信号，并将这些模拟信号转换为各感光元件接收的光照强度数据和位置数据，根据得到的光照强度数据和位置数据计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距。

步骤4.1、将读取到的模拟信号转换为0-255的无符号数。本实施例中，光传感模组共有3648个感光元件，每一个宽度为8um；也就是说，光传感模组共包含了3648个0-255的无符号数。3648个感光元件按1.2.3……3468顺序编号，每一个无符号数输入时间顺序代表了与该数据对应的感光元件在光传感模组中的位置，无符号数本身的的大小为对应位置感光元件对应的光照强度，其中0为最强，255为无光。

步骤4.2、对步骤1所得无符号数进行数字滤波降噪后，再采用维也纳滤波平滑处理，以提升后续处理效率。

步骤4.3、将步骤2所得数据进行分组，随后分别计算每组数据的方差以用于反应每组数据对应感光元件光照强度的变化程度，方差越大则该组数据对应感光元件光照强度变化越激烈，方差越小则该组数据对应感光元件光照强度变化越小；分组规则是按位置顺序依次进行，每连续5个数据一组。

步骤4.4、计算所有方差的均值，设阈值为该均值的0.6到0.8倍，根据设定阈值将每组数据中小于阈值的数据标记为平滑区，将每组数据中大于预设阈值的数据标记为激变区。

步骤4.5、根据步骤4.4的标记结果计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距，计算过程如下：

根据步骤4.4的标记结果按照两个平滑区中间夹着一个激变区、三个平滑区被两个激变区分割的方式重新排序所有数据，以确定出目标激光照射的初始点：

当采用两个平滑区中间夹着一个激变区重新排序所有数据时，分别计算两个平滑区内所有数据的均值；若两个平滑区的均值之差小于10，则激变区中间点的编号对应的感光元件所在的位置即为激光照射的位置；若两个平滑区的均值差距大于10，则降低数据采集时光敏电阻的曝光时间重新测量，然后重复步骤4.1-4.4。若曝光时间已经降低到最低，仍无法找出激光线位置，则按照第三种方式处理。

当采用三个平滑区被两个激变区分割的方式重新排序所有数据时，按区域内感光元件对应编号从小到大依次为第一第二和第三平滑区，分别计算三个平滑区内所有数据的均值；若第一与第三平滑区的均值之差小于十，且第二平滑区的均值与第一、第三平滑区均值之差均大于10，则第二平滑区数据的个数的0.1倍(向上取整)加上第二平滑区中数值最小编号对应感光元件所在位置即为激光照射的位置。

当按照上述两种排序无法找到激光照射的位置时(第三种方式)，针对平滑区所有数据计算均值；若该均值大于200则增加数据采集时感光元件的曝光时间并重新测量；反之则降低数据采集时感光元件的曝光时间后重新测量。然后重复步骤4.1-4.4；若感光元件的曝光时间已经无法调节(已经达到可调节的最大或最小值)则说明无激光线。

步骤5、利用步骤4得到的目标激光投线在光传感模组上的位置(一个感光元件的编号x)即可计算出激光投线照射到光传感模组上的点与光传感模组中心点之间的距离。计算方法为(|x-1824|*光传感模组长度)/3648。

步骤6、根据步骤5计算得出的目标激光投线与光传感模组中点的间距可以计算出本投线仪装置实现其投出的激光线与目标激光投线重合所需调整的距离和角度，主控模块控制相应的电机完成位置调整，具体的：

如图5所示，直线AD是目标激光束，CB为光传感模组E为旋转中心其中CB的长度d即为前文所述步骤四得到的目标激光线与光传感中点的间距，CE为光传感模组到旋转中心的距离，该距离固定为l已知可根据数学公式求出旋转中心到准线的距离DE,长为

其中x为∠DEA，控制电机以E为中心旋转一个角度α，则可得到一组新的关于DE长度的表达式，联立即可算出∠DEA及DE。∠DEA就是激光投线仪所应旋转的角度，DE就是激光投线仪所应水平移动的角度和距离。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种自动对准矫正的激光投线仪装置，包括投线仪、主控模块以及电源模块，其特征在于：

所述投线仪包括底座、运动平台及投线仪主体；底座上设有转动台和第一电机；转动台与底座转动固定，其上设有支撑柱，在第一电机的驱动下实现360°旋转；运动平台通过支撑柱与转动台固定连接，其上设有第二电机、第三电机及用于安装投线仪主体的固定架；固定架由2根相互平行的滑轨和一根固定杆组成，两根滑轨上均滑动连接有一滑块，固定杆的两端分别与两根滑轨上的滑块相连；固定杆上滑动连接有一滑块，该滑块与投线仪主体相连；第二电机用于驱动固定杆沿滑轨长度方向进行往复运动，第三电机用于驱动投线仪主体沿固定杆长度方向进行往复运动；投线仪主体包括用于发出水平激光投线的水平投线激光头、用于发出垂直激光投线的垂直投线激光头、单目摄像机和光传感模组；单目摄像机用于捕获含有目标激光投线的图像；光传感模组由多个感光元件组成，各感光元件用于接收目标激光投线信息，并将各自接收的目标激光投线信息转换为模拟信号；光传感模组可为一维光敏阵列或二维光敏阵列部件；

所述主控模块分别与投线仪各模块电性连接，接收单目摄像机拍摄的含有目标激光投线的图像和光传感模组提供的模拟信号，并通过它们计算得到本投线仪装置的当前运行参数；然后根据当前运行参数计算出本投线仪装置需要调整的参数，调整本投线仪装置的位置，使本投线仪装置投出的激光线与目标激光投线重合；

所述电源模块为投线仪上的投线仪主体、主控模块提供电力。

2.根据权利要求1所述的一种自动对准矫正的激光投线仪装置，其特征在于：所述底座的底部设有金属三脚架。

3.根据权利要求1所述的一种自动对准矫正的激光投线仪装置，其位置调整过程包括以下步骤：

步骤1、将含有目标激光投线的图像转化为灰度图像以简化图片数据，避免图像中过多细节造成对目标激光投线寻找不精确以及寻找速度慢的问题；

步骤2、采用canny边缘检测算法从灰度图像中找出目标激光投线在该图像中的位置，并计算出目标激光投线与该图像中轴线的夹角，该夹角即为本投线仪装置当前需要调整的参数；

步骤3、根据步骤2得到的夹角计算出本投线仪装置需要水平旋转的角度，以此调整本投线仪装置的对准方向，确保目标激光投线处于光传感模组的感光范围内；若调整本投线仪对准方向后，目标激光投线仍处于光传感模组的感光范围外，则返回步骤1直到目标激光投线处于光传感模组感光范围内为止；

步骤4、读取光传感模组中各感光元件提供的模拟信号，并将这些模拟信号分别转换为各感光元件接收的光照强度数据和位置数据；并根据得到的光照强度数据和位置数据计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距；

步骤5、利用步骤4得到的目标激光投线与光传感模组中点的间距计算出本投线仪装置实现其投出的激光线与目标激光投线重合所需调整的距离和角度；

步骤6、根据步骤5计算得出的距离和角度，主控模块控制相应的电机完成位置调整。

4.根据权利要求3所述的一种自动对准矫正的激光投线仪装置，其特征在于：根据得到的光照强度数据和位置数据计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距的详细过程为：

步骤4.1、将读取到的每个感光元件的模拟信号快速转换为0-255的无符号数，设每个模拟信号接收的时间顺序为该模拟信号对应的感光元件在光传感模组中的位置，无符号数本身的数字大小为对应位置光照强度的强弱，其中0为最强，255为无光；

步骤4.2、对步骤4.1所得到的无符号数进行数字滤波降噪，再采用维也纳滤波平滑处理，以提升后续处理效率；

步骤4.3、将步骤4.2所得数据进行分组，随后分别计算每组数据的方差用于反应每组数据对应感光元件光照强度的变化程度，方差越大则该组数据对应感光元件光照强度变化越激烈，反之亦然；分组规则是按位置顺序依次进行，每连续5个数据为一组；

步骤4.4、求出所有方差的均值，设阈值为该均值的0.6到0.8倍，根据设定阈值将每组数据中小于阈值的数据标记为平滑区，大于设定阈值的数据标记为激变区；

步骤4.5、根据步骤4.4的标记结果计算出目标激光投线与光传感模组中点的间距，利用该间距计算出本投线仪装置实现其投出的激光线与目标激光投线重合所需调整的距离和角度，主控模块控制相应的电机完成位置调整。

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