CN115297307A - 使用位置基准的光学模板投影 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对准光学标记在大型对象表面上投影的系统及方法。基准布置在对象附近。该基准包括多个以间断位置间隔开的标志。投影系统将光学标记投影到对象表面上。检测系统检测布置在基准上的标志，并将标志的图像通过信号发送给处理器，以供处理器配准投影系统相对于基准的位置。基准与布置在对象上的特征对准，使得标志能够配准到对象。建立投影系统相对于对象的位置，使得投影系统能够将光学标记投影到对象上的预定位置。

Description

使用位置基准的光学模板投影

优先权文件

本申请主张申请日为2021年5月3日、申请号为63/183,269的美国临时申请以及申请日为2022年4月13日、申请号为63/330,345的美国临时申请为优先权，其全部内容通过引用归并本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于在大型对象上显示光学模板的方法。更具体地，本发明涉及使用唯一定位基准将光学模板投影到大型无特征对象上。

背景技术

多年来，已经涌现了使用激光投影仪将光学模板投影到工作面上以促进准确的组装过程。激光投影非常适合提供精准性，同时指导操作者应在何处执行组装功能。激光投影仪将激光光斑引导到协作的旋转检流计镜上，以在工作面上跟踪所需的3D图案轮廓。当以足够快的速度进行跟踪时，路径将以模板或其他组装助手的形式显示为稳定、无闪烁的图像来指导部件放置任务。

为了实现激光投影仪10准确地配准到工件12，如图1所示，将回射目标14放置到工件12的工作面16上。由激光投影仪10中所包括的检流计镜引导的激光束18来扫描目标14。由激光传感器检测反射的激光束18，自此利用通常称为后方交会(resection)的数学过程来计算三维位置。这样将激光投影仪10与工件12的工作面16对准，并且可以将激光模板或图案形式的图像准确地投影到工作面16上。

这种技术已证实适用于复合材料飞机部件制造等应用。然而，该技术已证实在许多应用中存在问题，尤其是用于长达数十米的超大型对象时。

为了克服传统激光模板投影系统的局限性，将基于摄像头的摄影测量集成到投影系统中，允许了直接测量零件相对于激光投影仪10的位置。美国专利US9,200,899“LASERPROJECTION SYSTEM AND METHOD”描述了这样一种用于将激光模板投影到工作面上的激光投影仪的示例，该专利的全部内容通过引用归并本文。该系统中，如图2所示，包括一个或多个摄像头22的摄影测量装置20与激光投影仪10集成。摄影测量装置20用于通过检测放置在工件12的工作面16上的回射目标14来测量工件12的位置。替代地，可以使用手持探头24来定位工作面16上的特征。需要将激光投影仪相对于摄影测量系统20对准，并且通过测量激光图案投影到工作面16或摄像头22视场内任何其他表面26上的任意位置的位置来确定对准。这种方法可以通过用激光束18直接测量工作面16上的位置来进一步扩展，以允许投影仪10相对于工作面16的全自动定位。

虽然此类系统已证实在提高制造效率方面相当有效，但它们尚未实施在工作面极大或空间受限而需要激光投影仪移动和多次放置的情况。如果工作面无特征(如大型容器、蒸馏塔、风力涡轮机叶片等)，尝试使用激光投影作为组装辅助时进一步证实了这种局限性。

在此类情况下尝试实施激光投影包括了通过在整个工作环境中放置回射目标来建立全局基准体系而生成分开的位置基准。这些目标是使用摄影测量与激光投影仪协作来测量。然而，放置目标的过程可能需要大量人工，在长距离延伸时容易出错，从而抵消了通过投影激光模板实现的效率。当用在接近100米或更远的距离上时，测量误差会累积，尤其是在未以稳定配置提供目标的情况下。需要临时放置的目标会加剧这些问题，从而在这些大型对象上呈现激光投影实则不切实际。有鉴于此，希望将激光投影仪与极大的工作面可靠配准，同时保持一贯的基准，从而能够实现通过激光投影作为组装辅助所获的效率。

发明内容

本发明公开了一种用于对准光学标记在大型对象表面上投影的系统及方法。基准定位于对象附近。该基准包括多个以间断位置间隔开的标志。投影系统将光学标记投影到对象表面上。检测系统检测布置在基准上的标志，并将标志的图像通过信号发送给处理器，以供处理器配准投影系统相对于基准的位置。基准与布置在对象上的特征对准，使得标志能够配准到对象。建立投影系统相对于对象的位置，使得投影系统能够将光学标记投影到对象上的预定位置。

本发明的系统及方法能够使用激光将标志(如激光模板)投影到极大的工作面上，而无需室内计量装置相关联的成本。使用基准，例如包括固定编码目标的卷尺，提供了与大型工作面对准的基准，允许激光投影仪与大型工作面配准。即使当工作面相对于激光投影仪移动，或者激光投影仪与工作面失准时，也能通过以间断位置固定到卷尺的编码目标来实现重新配准。另外，可能需要多个激光投影仪来实现高效的大型工作面能够通过将每个投影仪单独配准到基准来轻松协调。

本申请的系统即可用在大型工业锅炉、蒸馏塔、风车叶片、火箭助推器以及未必包含可实现配准的可识别特征的任何大型对象上。在大型无特征对象上仍需手动建立模板，有时需要长达数小时才能完成，本申请系统的效率会减少到仅仅几分钟。

附图说明

结合附图并参照下述具体实施方式，本发明的其他优势将清楚明了并更加易于理解，图中：

图1示出了将现有技术激光投影仪对准小型工作面的某一示例；

图2示出了将现有技术激光投影仪对准小型工作面的另一示例；

图3示出了含有编码目标的基准；

图4示出了带有摄像头检查系统的激光投影仪；

图5示出了本发明实施轴向基准的系统的第一实施例；

图6示出了本发明系统的另一实施例；

图7示出了配合风车叶片使用的投影系统；

图8示出了配合风车叶片使用的投影系统的替代实施例；

图9示出了实施圆周基准的投影系统的另一替代实施例。

具体实施方式

本申请的发明通过提供临时环境基准体系克服了将激光图像准确投影到大型无特征表面上的问题。在一实施例中，大体上在图3的附图标记28显示可以跨越大型无特征对象的整个长度的实际基准。在本实施例中，基准28采取包含以间断位置间隔开的反射目标32的基准30的形式。当基准30为卷尺时，例如，第一目标32a可以固定到卷尺30的第一端，第二目标32b可以固定到卷尺30的10cm处，第三目标32c可以固定到卷尺30的25cm处，第四目标32d可以固定到卷尺30的40cm处，依此类推。对每一个目标32a、32b、32c、32d进行编码，使得每一个目标可与其他目标区分开来，其目的将在下文中进一步解释。

目标32a、32b、32c、32d各自具有高对比度特征，这些特征可与基准30区分开来，并且沿基准28以间断位置布置在基准30上的已知位置处。在本实施例中，目标32粘附到卷尺30上并包括回射标志。然而，目标32并非完全必须为回射目标，而是可以设置有将一个目标32与另一个目标32区分开来的对比图案。

各个目标32a、32b、32c、32d之间的唯一间隔选择为使得基准28的任何部分提供两个或更多个目标32a、32b、32c、32d的视图，以建立沿基准30长度的绝对位置。此外，可以确定朝向或背向基准28起点的位置。已经确定了实现目标32a、32b、32c、32d的这种唯一间隔或编码的简单方法仅需选择任何两个目标32a、32b、32c、32d之间无重复的间隔，只要随着放置每个目标32a、32b、32c、32d重复必要的公差即可。因为目标32a、32b、32c、32d之间的间隔不重复，故任何一对相邻的目标32a、32b、32c、32d可指示朝向或背向基准28一端的位置和方向。虽然认为可以根据两个或更多个目标32a、32b、32c、32d确定位置，但这些目标32a、32b、32c、32d尚未仅基于目标32间隔进行编码，而针对每个目标进行编码可能会提供更强的准确性。

在一实施例中，通过激光投影仪34扫描目标并通过激光传感器36检测由目标32a、32b、32c、32d反射的激光38来检测目标32。Virtek Vision International Inc.公司提供的LPS-10型激光投影仪适用于这项功能。通过公知方式，扫描镜引导激光投影仪34产生的激光38，传感器36可从扫描镜的定向检测给定目标32a、32b、32c、32d的位置。此外，传感器将目标32a、32b、32c、32d的位置和编码通过信号发送给处理器40。处理器40预先编程了每个目标32a、32b、32c、32d在基准28上的位置，以便确定相邻目标32a、32b、32c、32d之间的唯一间隔并计算激光投影仪34相对于基准28的位置。

替代地，目标32a、32b、32c、32d的位置可以使用摄像头42和二次光源44产生的闪光照明来确定，清楚地如图4所示。Virtek Vision International Inc.公司提供的VPS1型激光投影仪是合适的集成激光投影仪与摄影测量装置的示例，能够识别各个目标32a、32b、32c、32d的位置并将激光图像激光投影到工作面上。这种系统请参阅美国专利US 10,052,734“LASER PROJECTOR WITH FLASH ALIGNMENT”以及美国专利US 10,239,178“LASERPROJECTOR WITH DYNAMICALLY ADAPTABLE FOCUS”，这两项专利的内容均通过引用归并本文。使用闪光与基于二次光源44和摄像头42的系统对准的优点在于，瞬时识别目标32的图案或代码及间隔可以利用摄像头42成像来自二次光源44的闪光来实现，并通过信号发送给处理器40。

当基准30用于识别大型工作面46的轴向布置时，卷尺30沿工作面46的长度拉伸开来，如图5和图6所示。在本实施例中，一旦识别和定位了三个目标32a、32b、32c、32d，可以由处理器40确定距基准28的距离和相对位置，处理器40从反射光接收目标32a、32b、32c、32d的位置和图像，无论是由激光投影仪34产生的反射到激光传感器36的激光38还是由摄像头42检测到的来自二次光源44的二次光。然而，当计算图像到工作面46上的准确激光投影时，激光投影仪34沿箭头48方向围绕基准28(用作轴时)的旋转是未知变量。因此，需要确定沿旋转箭头48方向围绕基准28的旋转，以提供激光投影仪34的准确定位和定向，以将准确的激光图像投影到工作面46上。

图5示出了一种用于确定激光投影仪34围绕基准28旋转的实施例。在本实施例中，激光投影仪34能够测量表面，诸如环境中的支撑面50或地面。上述VPS1型激光投影仪可用于确定围绕基准28的旋转，例如通过将传感器36和摄像头42中至少一者检测到的任意激光光斑52投影到表面50。通过公知方式，处理器40从任意激光光斑52识别表面50的定位和定向。因此，处理器40确定激光投影仪34相对于基准28的定向和定位。

处理器40不能立即确定激光投影仪34相对于基准28的定向的替代方案也属于本发明范围内。在本实施例中，如图5所示，激光投影仪34包括加速度计54和陀螺仪传感器56。加速度计54和陀螺仪传感器56的组合使得投影仪34能够感测到相对于重力的方位变化。通过包括这些传感器54、56，当基准28沿轴向方向放置时，处理器40以可重复的方式计算激光投影仪34相对于基准28坐标的旋转。因而，在一实施例中，沿着基准28的距离(基准28沿轴向方向放置时)可以指定为与环境坐标参照系的x轴对准而z轴与重力矢量方向对准。定义的y轴是从z轴与x轴的叉积而获得。正交坐标系则可通过将x轴重新生成为y轴与z轴的叉积而获得，以提供位于由基准28建立的水平面中的x轴，或反之将z轴调整为x轴与y轴的叉积。这样在基准28相对于重力沿轴向方向放置时会保持基准28的原始斜率。在任何情况下，当将基准28相对于工作面46沿轴向方向放置时，除了将基准28与目标32a、32b、32c、32d对准之外，无需额外的测量即可建立一贯的环境参照系。

一旦通过沿轴向方向放置基准28建立了环境参照系，便可建立大型工作面46的位置，除以此外这种大型工作面46可能无法位于单个投影仪34的测量范围内。通过采用多个激光投影仪34进行局部测量，或通过重新定位一个或多个激光投影仪34以获得在分开位置的配准测量并将它们整合到由沿轴向方向放置的基准28建立的环境参照系中，激光投影仪34可以通过识别固定到基准28的任何编码目标32a、32b、32c、32d的位置而立即相对于基准28定位到环境参照系中的任何位置。

此时利用激光投影仪34的摄像头42所跟踪的手动探头，可以使用工作面46上的定位特征来进行对工作面46的测量。替代地，可以使用激光投影仪34、摄像头42或它们的组合来确定对工作面46或限定工作面46的对象边界特征的测量。一旦特征已定位，处理器40将特征的位置与计算机辅助设计(CAD)数据相比较，提供了在由基准28建立的坐标系内准确定位工作面46的能力，从而实现了将激光标记47(参见图9)准确投影到工作面46上由CAD数据建立的位置。

每个用于定位对象的特征或基准点均根据指定的公差方案而分配有公差。该方案允许在CAD或其他数学模型中指定和存储粗略位置和测量值，从而无需精确放置基准28，甚至无需精确定位对象。一个示例是如图7和图8所示的风车涡轮叶片58，因为涡轮叶片通常长达100米，采取其他方式几乎不可能对其进行定位。

因此，当激光投影仪34沿着涡轮叶片58或其他大型对象移动时，只要粗略定位涡轮叶片58或其他大型对象便足以指导激光投影仪34自动收集测量值，以便更精确地对准与叶片58的相邻部分。值得注意的是，无需将任何仪器或对象精确放置在基准28建立的坐标内即可实现激光标记47的精确测量和激光投影。另外，光学模板的准确投影即可允许在极大但无区别特征的工作面46上组装部件。这一点通过仅识别对象或涡轮叶片58的端点或边缘然后以上述方式将端点或边缘相对于基准28定位来进一步增强。

本发明的系统还能克服环境相异性，否则可能导致标记47无法准确地投影到工作面46上。在某些条件下，例如，支撑基准的地面可能不平坦，或者激光投影仪34中的传感器54、56可能在很长的距离上缺乏足够的准确性或精确性。另外，当对象特别大时，可能会从预期的CAD标准变形，从而进一步导致定位过程中的相异性。因此，可以通过使用局部测量特征的位置(如对象的工作面46的总体布置)优化激光投影仪34与沿轴向方向放置的基准28的对准，同时精确地约束沿无特征表面的距离，从而校正激光投影。通过使用沿轴向方向放置的基准28测得的精确距离以及在对象的基准点或边缘采取的早期测量，可以克服环境中的相异性。因此，测量对象的局部特征有助于校正对象或环境中的任何不准确性，例如下垂或扭曲，以解释粗略的对准或环境参照系。

一旦大型工作面46已位于坐标系内，则由激光投影仪34和摄像头42中至少一者监测因对象或投影仪的电子漂移、物理变化或移动引起的漂移而保持准确度。这是通过记录轴向放置的目标32a、32b、32c、32d的任何位置变化来实现，其中通过激光束18在目标32a、32b、32c、32d上方进行扫描，由激光传感器36或摄像头42检测反射光，并评估激光投影仪34在由基准28建立的坐标系内的新位置。

此外，加速度计54和陀螺仪传感器56持续监测激光投影仪34的任何物理运动，以确保在激光投影仪34布置在稳定的位置时对工作面46进行测量，或者若激光投影仪34被重新定位以获得工作面46的新视图，则立即作出响应来计算新位置。为了向移动激光投影仪34的操作者提供进一步协助，激光投影仪将图像投影到工作面46上，该图像识别摄像头42的视场，以便操作者可以选择适合查看基准28和工作面46的所需部分的适当放置。

应当理解，本发明的系统还提供了使用单个激光投影仪34的能力，当基准28沿轴向定向时，该激光投影仪34可沿极长对象的长度移动，甚至超过100米。在一实施例中，多个激光投影仪34可在包括单独处理器40的滑车上移动。每个处理器包括必要的CAD数据，使得每个投影仪能够独立地将激光图像准确地投影到工作面46上而无需单独的数据输入。替代地，每个投影仪34经由Wi-Fi或蓝牙技术与远程处理器40或其他激光投影仪34的处理器40通信以协调激光图像的投影。

图9示出了本发明另一实施例，其中基准28不再沿轴向方向对准，而是用作圆周基准。基准28在圆周方向上的实施方案特别适合于诸如锅炉60和流体罐、蒸馏塔等大型容器以及在组装过程中可能不经意间或根据设计而枢转的任何大型对象。虽然在具体实施方式这一部分中提及了锅炉，但应当理解，任何此类大型筒状对象皆包含在本发明范围内。当锅炉60工作时，围绕纵向轴线旋转对于激光投影仪34与锅炉60的工作面46的对准就会成为问题。

如图9所示，锅炉60支撑在驱动轮62上，驱动轮62用于旋转锅炉60以执行组装任务。因而，激光投影仪34与锅炉60对准必须在每次锅炉旋转时重新配准。正如第一实施例，多个反射目标32a、32b、32c、32d固定到卷尺30的唯一或间断位置。

这样使用时，基准28沿圆周缠绕到锅炉60上。将卷尺30固定到锅炉60时，卷尺30的远端64与容器上的基准特征对准，例如锅炉60的两个相邻面板之间的接缝66。通过这种方式，接缝66充当在公差方案中定义为一部分CAD数据的基准。处理器40通过将固定到卷尺30的每一个目标32a、32b、32c、32d的已知位置关联起来，将卷尺30的远端64与接缝66配准。因此，处理器40在由基准28建立的坐标系内配准接缝66的远端64。通过访问CAD数据，处理器40计算锅炉60在由基准28建立的坐标系内的位置，并通过信号向激光投影仪34通知将激光模板或其他标记47投影到的位置以指导工作活动。

为了提高准确性，优选地在对准过程中，在激光投影仪34和摄像头42的视场内具有至少两个反射目标32a、32b、32c、32d。所述系统周期性地测量各种目标32a、32b、32c、32d的位置并重新校准激光模板的投影，使得激光模板在完成组装任务所需的持续时间内连续准确地进行定位。

在又一实施例中，两个或更多个带有编码目标32a、32b、32c、32d的卷尺30缠绕到锅炉60上，以实现额外的准确性或顾及单个卷尺30时不足以测量的锅炉60限定的极大工作面46。另外，这样使用卷尺30克服了因未在CAD数据的指定公差内组装锅炉60引起的对准缺陷。这一点对于已知在容器壁上侧放时会压缩的极大容器而言尤为重要。这种弯曲会导致在各种部件的组装过程中暂时出现椭圆形器壁。卷尺30跟踪椭圆形状，处理器40考虑CAD与实际容器形状之间的差异，以引导激光投影仪34准确地投影激光模板。更进一步，卷尺30实施为圆周定向克服了仅用轴向定向相关的缺陷，减少或消除了对识别对象旋转所需的额外传感器的需求。

上文已经说明性地描述了本发明；鉴于上述教导，本发明可能有许多修改和更改，包括从流体中去除毒素。故应理解，在本说明书中，附图标记仅仅出于方便起见而非以任何方式作出限制，本发明可以采取有别于具体描述的方式实施。因而，遵循本公开上述第一实施例，本发明可以在权利要求范围内采取具体描述以外的方式实践。

Claims (11)

1.一种用于对准光学标记在对象表面上投影的系统，包括：

处理器；

布置在对象附近的基准，所述基准包括多个在其上以间断位置间隔开的标志；

投影系统，用于将光学标记投影到对象表面上；

检测系统，用于检测布置在所述基准上的所述标志，并将所述标志的图像通过信号发送给所述处理器，以供所述处理器配准所述投影系统相对于所述基准的位置；以及

所述基准与布置在对象上的特征配准，从而将所述标志中每一个标志配准到所述对象，以建立所述投影系统相对于对象的位置，使得所述投影系统将光学标记投影到对象上的预定位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基准包括带刻度的标尺，所述标志沿其间断地间隔开。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个标志中每一个标志能通过独特的编码来区分。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述基准包括含远端的标尺，所述远端能与布置在对象上的特征对准，以使每个标志配准到对象。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述投影系统包括激光投影仪。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述成像系统包括含摄像头的摄影测量系统。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光投影仪包括光传感器，用于检测从所述标志反射的光。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，至少三个标志布置在所述成像系统的视场内。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基准定位成建立对象的轴向坐标。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基准定位成建立对象的径向坐标。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述投影系统包括加速度计和陀螺仪传感器中至少一者，用于建立对象的径向坐标。

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