CN115325937B - 一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，通过特定的光路设计使得激光扫描系统发射出的激光经反光靶点作用后返回的反射光能够作用到硅光电倍增管的探测面阵上，再对硅光电倍增管受光作用后产生的电流信号进行处理和分析来判断激光扫描系统在某个具体扫描路径上出射光是否经过反光靶点，从而在不借助第三方测量系统的前提下获得感知外部反光靶点的能力，结合本发明特定设计的定位步骤和搜索路径，使得激光振镜扫描系统能够快速、准确的自动确定待定位反光靶点的中心位置。本发明所提供的方法可以广泛应用于激光定位投影与激光跟踪测量等应用中。

Description

一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法

技术领域

本发明涉及激光定位技术领域，特别是一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法。

背景技术

激光定位技术是实现激光跟踪测量与激光定位投影的核心技术，定位的精度与效率直接决定了跟踪测量与定位投影的质量。为了实现激光的跟踪测量或是定位投影，需要将激光光源与能够改变激光光路的部件（激光振镜、mems振镜等）相结合构成一个激光扫描系统，从而使得该系统能够在某个范围内快速的进行激光扫描。然而激光扫描系统不具备主动定位的功能，只能实现一个单纯的激光扫描投射功能，因此需要再结合其它定位部件才能实现激光的跟踪测量或定位投影。通常激光扫描系统需要借助第三方测量系统（例如视觉测量、激光跟踪仪）才能实现跟踪或定位投影的能力。

当利用第三方测量系统时，激光扫描系统需要先和第三方测量系统进行坐标系统一，进而间接的实现激光扫描系统与目标物体间的位姿确定。如果在投影或跟踪过程中，第三方测量系统与激光扫描系统的位姿发生变化，或者目标物体的位置移出了第三方测量系统的测量范围，跟踪或定位投影功能将失效，因此这种方式的效果极其依赖第三方测量系统的工作范围与工作效率，并不能将激光扫描系统工作范围广、扫描精度高的优势全部发挥出来。

上世纪90年代末诞生了一种新型光电探测传感器--硅光电倍增管（Siliconphotomultiplier，SiPM），该传感器由多个工作在盖革模式下的APD并列组成，具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构紧凑等优势。但是如何将SiPM按照内部结合的方式与激光扫描系统相结合，从而构成一个集成化度高、体积小巧、工作范围大的激光定位系统，以及如何使用该系统完成激光定位投影或激光跟踪测量等需求，这是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法。本发明能够快速、准确地找到反光靶点的中心位置，从而为实现激光扫描系统与目标物体间精确的空间定位提供定位参考点，是激光定位投影、激光跟踪定位等应用的底层基础。

本发明的技术方案：一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，参与定位的设备包括电脑主机、控制板卡、激光振镜扫描系统和激光能量反馈装置，所述激光能量反馈装置包括分光镜、硅光电倍增管和光电信号电路板，所述激光振镜扫描系统包括激光光源和激光振镜；

所述定位方法具体包括以下步骤：

步骤1、通过电脑主机将协同控制指令下载到控制板卡，通过控制板卡协同控制激光振镜扫描系统中激光光源的开关以及激光振镜的偏转，从而使得激光光源发出的激光束投射到目标物体上需要扫描的某个反光靶点附近，并使激光束完成聚焦；

步骤2、通过光电信号电路板给硅光电倍增管供电，使硅光电倍增管处于工作状态，当激光光源出射的激光束被目标物体挡住时，部分激光束沿原出射光路返回，返回的激光束经分光镜作用后射向硅光电倍增管，使硅光电倍增管处形成一个电流输出；

步骤3、通过光电信号电路板将硅光电倍增管输出的电流转换成电压信号，将电压信号与预先设定的阈值进行比较，并将比较结果输送给控制板卡；

步骤4、通过控制板卡协同控制激光光源的开关以及激光振镜的偏转，使得出射的激光束在目标物体表面按照设定好的扫描路径进行投射；

步骤5、步骤4结束后，通过控制板卡接收到的信号判断激光束在某段扫描路径中是否经过了反光靶点；

步骤6、设计一个网格图案，使得投射出的激光网格能够覆盖住所有需要定位的反光靶点，通过步骤2-5记录下投射出的激光网格中通过了反光靶点的竖线或横线轨迹；

步骤7、根据记录下来的激光网格竖线与横线的交点，求出每个反光靶点涂有有效反光材料区域内的大致中心位置所对应的输入数字信号；

步骤8、以步骤7得到的某个大致中心位置为起点，按照Z字型轨迹分别沿着输入数字信号

中

和

的正负方向进行搜索；

步骤9、搜索过程中，每扫描过一段轨迹，通过步骤2-5来判断所扫描的轨迹是否落在反光靶点涂有有效反光材料的区域内，若判断在区域内则继续搜索，直到轨迹在区域外，则停止搜索，并记录此时轨迹的位置；

步骤10、重复步骤9，分别沿着

和

的正负方向，得到4个方向搜索结束时的轨迹位置，根据这4个轨迹位置计算出反光靶点的精确中心位置；

步骤11、针对步骤7中找到的所有待定位反光靶点的大致中心位置，重复步骤8-10，直到完成所有反光靶点的中心定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明巧妙地通过光路设计与电路控制相结合，使得激光扫描系统能够在不借助第三方测量系统的前提下获得对外部反光靶点的感知能力，进而利用本发明特定的定位步骤与Z字型的搜索路径快速、准确的对待定位的反光靶点进行自动中心定位，兼顾了定位精度与定位效率，从而为激光扫描系统后续实现激光定位投影、激光跟踪定位等应用奠定关键基础。

前述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法中，所述激光振镜扫描系统还包括准直扩束与动态聚焦装置，动态聚焦装置包括一个载有透镜的平台，该平台在控制板卡的控制下可做平移运动，步骤1中，通过调节载有透镜的平台移动，从而使通过准直扩束装置与动态聚焦装置后的激光束投射到反光靶点附近的激光光斑最小，完成聚焦。

前述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法中，所述硅光电倍增管内部分布有多个雪崩二极管的探测面阵，步骤2中经分光镜作用后的激光束进入硅光电倍增管的探测面阵上，引起探测面阵上的多个雪崩二极管发生雪崩，从而将输出的多个电脉冲叠加起来，形成一个电流输出。

前述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法中，所述光电信号电路板包括限流模块，为了保护硅光电倍增管不会因通过的电流太强而导致损坏，通过光电信号电路板中的限流模块，使得无论进入硅光电倍增管的激光能量多强，经过硅光电倍增管的电流始终能维持在一个范围内波动。

前述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法中，所述光电信号电路板包括信号放大模块和比较判断模块，步骤3中硅光电倍增管的输出电流经过光电信号电路板中的电阻形成电压信号，再通过光电信号电路板中的信号放大模块输出一个增强的电压信号给到光电信号电路板中的比较判断模块，经增强的电压信号与比较判断模块中预先设定的阈值进行比较，大于该阈值则输出一个高电平给控制板卡，小于该阈值则输出一个低电平给控制板卡。

前述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法中，在步骤5中，若控制板卡输入口接收到的是高电平，则激光束在某段扫描路径中经过了反光靶点；若控制板卡输入口接收到的是低电平，则激光束在某段扫描路径中未经过反光靶点。

本发明将硅光电倍增管嵌入到激光扫描系统的光路中，通过设计好的电路控制与激光扫描系统结合为一个整体，从而构成一个集成化度高、体积小巧、工作范围大的激光定位系统，可以广泛应用于激光定位投影与激光跟踪测量等应用中。

附图说明

图1是实现本发明定位方法的一种系统硬件设计图；

图2是本发明光电信号电路板的设计图；

图3是步骤6、7通过网格路径搜索寻找所有待定位反光靶点的原理示意图；

图4是步骤8、9通过Z字型轨迹搜索确定反光靶点精确中心的原理示意图；

图5是校验板的模型示意图；

图6是校验板的实物图；

图7是激光扫描定位前反光靶点在校验板上的分布示意图；

图8是利用本发明定位方法对校验板上反光靶点进行激光扫描定位的效果图；

图9是利用已公开专利中的技术手段对校验板上一个轮廓槽进行激光定位投影的效果图；

图10是利用已公开专利中的技术手段对校验板上另一个轮廓槽进行激光定位投影的效果图。

附图标记：1-电脑主机，2-控制板卡，3-分光镜，4-硅光电倍增管，5-光电信号电路板，6-激光光源，7-激光振镜，8-准直扩束装置，9-动态聚焦装置，10-聚焦镜，11-滤镜，12-目标物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，实现该定位方法的一种系统结构如图1所示，包括电脑主机1、控制板卡2、激光振镜扫描系统和激光能量反馈装置，所述激光能量反馈装置包括分光镜3、硅光电倍增管4和光电信号电路板5，所述激光振镜扫描系统包括激光光源6和激光振镜7。

其中，激光光源6为激光发射器，激光振镜7为双振镜，激光振镜扫描系统还包括准直扩束装置8与动态聚焦装置9，动态聚焦装置包括一个载有透镜的平台，该平台在控制板卡2的控制下可做平移运动。

在分光镜3和硅光电倍增管4之间还设有聚焦镜10和滤镜11。

光电信号电路板5包括供压模块，通过供压模块给硅光电倍增管提供所需的工作电压，使得硅光电倍增管处于工作状态。

光电信号电路板还包括限流模块、信号放大模块、比较判断模块和信号指示模块。

定位方法具体包括以下步骤：

步骤1、通过电脑主机1将协同控制指令下载到控制板卡2，通过控制板卡2协同控制激光光源6的开关以及激光振镜7的偏转，从而使得激光光源6发出的激光束投射到目标物体12上需要扫描的某个反光靶点附近，并使激光束完成聚焦，具体是通过调节载有透镜的平台移动，从而使通过准直扩束装置8与动态聚焦装置9后的激光束投射到反光靶点附近的激光光斑最小，完成聚焦。

步骤2、光电信号电路板5的电路原理图可参考图2，通过光电信号电路板5中的供压模块给硅光电倍增管4提供所需的工作电压，使得硅光电倍增管4处于工作状态，当激光光源6出射的激光束被目标物体12挡住时，会有部分激光束沿原出射光路返回，返回的激光束经分光镜3、聚焦镜10和滤镜11后射向硅光电倍增管4，具体是进入硅光电倍增管4的探测面阵上，从而引起探测面阵上的众多雪崩二极管发生雪崩，输出的多个电脉冲将叠加起来，使硅光电倍增管4处形成一个电流输出

，反射激光能量的大小决定了

的大小。

为了保护硅光电倍增管4不会因通过的电流太强而导致损坏，通过光电信号电路板5中的限流模块，使得无论进入硅光电倍增管4的激光能量多强，经过硅光电倍增管4的电流始终能维持在一个范围内波动。

步骤3、步骤2中硅光电倍增管4输出的电流

经过光电信号电路板5中的电阻

形成电压信号，通过光电信号电路板5中的信号放大模块输出一个增强的电压信号给到光电信号电路板5中的比较判断模块，经增强的电压信号与比较判断模块中预先设定的阈值进行比较，大于该阈值则输出一个高电平给控制板卡2，小于该阈值则输出一个低电平给控制板卡2。

步骤4、通过控制板卡2协同控制激光光源6的开关以及激光振镜7的偏转，使得出射的激光束在目标物体12表面按照设定好的扫描路径进行投射。

步骤5、步骤4结束后，通过控制板卡2接收到的信号判断激光束在某段扫描路径中是否经过了反光靶点，若控制板卡2输入口接收到的是高电平，则激光束在某段扫描路径中经过了反光靶点；若控制板卡2输入口接收到的是低电平，则激光束在某段扫描路径中未经过反光靶点。

步骤6、设计一个网格图案，使得投射出的激光网格能够覆盖住所有需要定位的反光靶点，通过步骤2-5记录下投射出的激光网格中通过了反光靶点的竖线或横线轨迹。

步骤7、根据记录下来的激光网格竖线与横线的交点，求出每个反光靶点涂有有效反光材料区域内的大致中心位置所对应的输入数字信号

，k为所需定位的反光靶点个数，见图3。

步骤8、以步骤7得到的某个大致中心位置为起点，以Z字型轨迹按照间距

分别沿着输入数字信号

中

和

的正负方向进行搜索，见图4。

步骤9、搜索过程中，每扫描过一段轨迹，通过步骤2-5来判断所扫描的轨迹是否落在反光靶点涂有有效反光材料的区域内，若判断在区域内则继续搜索，直到轨迹在区域外，则停止搜索，并记录此时轨迹的位置。

网格化路径在运用过程中，虽然已经通过步骤6找到了反光靶点的大致中心位置（初步定位），但是该位置距离实际中心的位置是未知的，有的时候距离很近，有的时候距离很远（甚至在反光材料圆形区域的边缘位置），因此整个网格的搜索范围需要按照最远的时候考虑，目前公开的精确搜索普遍都是利用格距更小的网格路径进一步搜索，而本发明提出的Z字型搜索路径，相比于网格路径在与光敏的交互控制上更加的频繁，网格路径是每条直线路径交互一次，而Z字型搜索路径则可以做到实时交互，确保搜索范围不会超出反光材料圆形区域，因此每条路径搜索的长度都会更短，且搜索的范围只会包含在反光材料圆形区域内，从而能保证每个具体反光靶点在精确搜索的基础上，搜索效率也大幅提升。

步骤10、重复步骤9，得到

的正负方向两个结束位置

与

，从而计算出靶点

方向的精确位置

，同理可得到靶点

方向的精确位置

。

步骤11、针对步骤7中找到的所有待定位反光靶点的大致中心位置，重复步骤8-10，直到完成所有反光靶点的中心定位。

本发明定位方法在实际使用时的一个案例：

准备了一块激光投影校验板，校验板模型如图5所示，实物如图6所示，该校验板上分布了14个反光靶点，并用机械加工的方式在校验板的表面加工了若干个宽度为1mm的轮廓槽，该校验板的目的是为了对标定后的激光定位投影系统进行定位精度验证。

通过本发明的扫描定位步骤，首先通过投射一个间距较大能够覆盖整个校验板的激光网格，从而找到14个反光靶点的大致位置，再根据这14个反光靶点的大致位置，分别按照步骤8-11来确定反光靶点的精确位置。

激光扫描定位前反光靶点在校验板上的分布如图7所示，根据本发明定位方法找到的14反光靶点的中心位置，投射出14个激光中心，如图8所示，能够用眼睛直观的看到激光中心的位置和反光靶点的中心位置高度重合，激光扫描定位效果好。

为了进一步验证反光靶点扫描定位的效果，首先利用专利公开号为CN112304568A的“一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法”中公开的标定方法对图1所示的激光定位投影系统进行标定，根据本发明找到的14个反光靶点的中心位置，再利用专利公开号为CN112666703A的“基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法”中公开的定位方法对校验板进行空间定位。定位后分别对校验板上的两个轮廓槽进行了激光定位投影，投影效果如图9和图10所示，可以看到激光投影出的轮廓准确的落在了对应的轮廓槽内，从而侧面验证了本发明对反光靶点扫描定位的精度效果很好。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过电脑主机将协同控制指令下载到控制板卡，通过控制板卡协同控制激光振镜扫描系统中激光光源的开关以及激光振镜的偏转，从而使得激光光源发出的激光束投射到目标物体上需要扫描的某个反光靶点附近，并使激光束完成聚焦；

步骤2、通过光电信号电路板给硅光电倍增管供电，使硅光电倍增管处于工作状态，当激光光源出射的激光束被目标物体挡住时，部分激光束沿原出射光路返回，返回的激光束射向硅光电倍增管，使硅光电倍增管处形成一个电流输出；

步骤3、通过光电信号电路板将硅光电倍增管输出的电流转换成电压信号，将电压信号与预先设定的阈值进行比较，并将比较结果输送给控制板卡；

步骤4、通过控制板卡协同控制激光光源的开关以及激光振镜的偏转，使得出射的激光束在目标物体表面按照设定好的扫描路径进行投射；

步骤5、步骤4结束后，通过控制板卡接收到的信号判断激光束在某段扫描路径中是否经过了反光靶点；

步骤6、设计一个网格图案，使得投射出的激光网格能够覆盖住所有需要定位的反光靶点，当步骤5中激光束经过反光靶点，通过步骤2-5记录下投射出的激光网格中通过了反光靶点的竖线或横线轨迹；

步骤7、根据记录下来的激光网格竖线与横线的交点，求出每个反光靶点涂有有效反光材料区域内的大致中心位置所对应的输入数字信号；

步骤8、以步骤7得到的某个大致中心位置为起点，按照Z字型轨迹分别沿着输入数字信号

中

和

的正负方向进行搜索；

步骤9、搜索过程中，每扫描过一段轨迹，通过步骤2-5来判断所扫描的轨迹是否落在反光靶点涂有有效反光材料的区域内，若判断在区域内则继续搜索，直到轨迹在区域外，则停止搜索，并记录此时轨迹的位置；

步骤10、重复步骤9，分别沿着

和

的正负方向，得到4个方向搜索结束时的轨迹位置，根据这4个轨迹位置计算出反光靶点的精确中心位置；

步骤11、针对步骤7中找到的所有待定位反光靶点的大致中心位置，重复步骤8-10，直到完成所有反光靶点的中心定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，其特征在于：所述硅光电倍增管内部分布有多个雪崩二极管的探测面阵，步骤2中返回的激光束进入硅光电倍增管的探测面阵上，引起探测面阵上的多个雪崩二极管发生雪崩，从而将输出的多个电脉冲叠加起来，形成一个电流输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，其特征在于：所述光电信号电路板包括限流模块，在限流模块的作用下，经过硅光电倍增管的电流始终维持在一个范围内波动。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，其特征在于：所述光电信号电路板包括信号放大模块和比较判断模块，步骤3中硅光电倍增管的输出电流经过光电信号电路板中的电阻形成电压信号，再通过光电信号电路板中的信号放大模块输出一个增强的电压信号给到光电信号电路板中的比较判断模块，经增强的电压信号与比较判断模块中预先设定的阈值进行比较，大于该阈值则输出一个高电平给控制板卡，小于该阈值则输出一个低电平给控制板卡。

5.根据权利要求4所述的一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法，其特征在于：在步骤5中，若控制板卡输入口接收到的是高电平，则激光束在某段扫描路径中经过了反光靶点；若控制板卡输入口接收到的是低电平，则激光束在某段扫描路径中未经过反光靶点。

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