CN115598626A - 一种激光测距仪偏差校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距仪偏差校准装置及方法，属于光电测距技术领域，所述装置包括控制器、三维转台、安装于三维转台上并用于待校准的激光测距仪、以及驱动机构、十字靶位、激光接收器和图像采集单元，所述十字靶位上设有精调区、以及环绕于精调区的粗调区，精调区位于十字靶位中心，精调区包括激光反射系数不同的十字目标区和近目标区；所述方法包括基于激光斑点的位置校正计算方位偏移差值，进而用于后续实际激光测量数据校正。本发明的技术方案提升了测量准确度。

Description

一种激光测距仪偏差校准装置及方法

技术领域

本发明属于光电测距技术领域，具体涉及一种激光测距仪偏差校准装置及方法。

背景技术

使用激光测距仪测量两墙面水平距离时，由于激光测距仪结构精度、装配误差等原因往往容易导致一个问题：实际激光路径无法按照设计激光路径行进，即当激光测距仪机身垂直放置于待测墙面时，实际激光路径并非垂直两墙面而是呈一定夹角，激光斑点并未落在目标区域，这必然导致测量误差。对于一些明显暴露这一问题的可移动测距设备而言，尚可通过人工调节的方式进行纠正，但是对于一些表现不明显以及一些固定安装的测距设备而言，这无疑会造成巨大的问题，所以需要纠正由其引起的误差。

传统的应对办法一般是在生产装配过程中人为进行粗略的调整，使得激光射出斑点大概落在一个范围即可，这样通过人工调整的方式不仅效率低下，而且调整精度并不可控，同批次产品测量一致性并不能保证，使得上述问题成为所属技术领域人员亟待解决的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提出一种激光测距仪偏差校准装置及方法，通过此装置获得由结构公差、装配误差引起的实际激光路径在俯仰、方位上的偏角误差值，用于在测量过程中进一步校正上述问题引起的测量误差，并可结合测距仪内集成的三轴加速度传感器、高精度电子罗盘等器件进行更进一步校正。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种激光测距仪偏差校准装置及方法，解决现有因结构误差、装配误差引起的实际测距激光的路径与设计激光路径以及结构外壳存在角度差，造成测量的距离值存在偏差，而使用人工手动校准费事费力、稳定性差等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光测距仪偏差校准装置，包括控制器、三维转台、安装于三维转台上并用于待校准的激光测距仪、与三维转台相连接驱动三维转台转动的驱动机构、面向于激光测距仪激光出射口的十字靶位、以及对准十字靶位的激光接收器和图像采集单元，所述控制器分别与激光测距仪、三维转台、激光接收器、图像采集单元和驱动机构相连接，所述十字靶位上设有精调区、以及环绕于精调区的粗调区，所述精调区位于十字靶位中心，精调区包括激光反射系数不同的十字目标区和近目标区。

进一步地，所述十字目标区包括位于精调区中心的C区、以及位于C区四周的B区，C区和B区均为矩形并构成十字型，近目标区包括位于B区四周的A区。

进一步地，所述C区采用白色反射面，B区采用灰色反射面，A区采用黑色反射面，A区、B区、C区的激光反射系数依次增大。

进一步地，所述三维转台包括底盘、以及转动设于底盘上用于安装激光测距仪的转盘。

进一步地，所述驱动机构包括与底盘相连接驱动底盘和底盘上的转盘在竖直方向转动的第一驱动电机、以及设于底盘上并与转盘相连接驱动转盘在水平方向转动的第二驱动电机，控制器分别与第一驱动电机和第二驱动电机相连接。

进一步地，第一驱动电机转轴上设有测量三维转台俯仰角的第一角传感器，第二驱动电机转轴上设有测量三维转台方位角的第二角传感器，控制器分别与第一角传感器和第二角传感器相连接。

进一步地，所述三维转台上开设有限位槽，激光测距仪通过夹具固定于限位槽内。

进一步地，所述图像采集单元包括CCD图像传感器。

一种激光测距仪偏差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、控制器控制激光测距仪发出激光，所述激光照射至十字靶位上形成激光斑点并经十字靶位反射形成反射光，图像采集单元实时采集十字靶位以及十字靶位上激光斑点的图像信息，激光接收器实时采集反射光信号，所述图像信息和反射光信号反馈至控制器；

步骤2、基于图像信息上激光斑点的位置，控制器调整三维转台进行激光斑点的初校准，直至激光斑点显示于十字靶位的精调区内；

步骤3、基于反射光信号的强度信息，控制器调整三维转台进行激光斑点的精校准，直至激光斑点显示于精调区的十字目标区内，完成校准；

步骤4、将校准后测量得到的三维转台第一俯仰角和第一方位角的数据、以及分别由激光测距仪内部三轴加速度传感器和电子罗盘测量得到的第二俯仰角和第二方位角的数据反馈至控制器，计算出俯仰差值a和方位偏移差值b并写入激光测距仪中，用于后续实际激光测量数据的校正。

进一步地，校准开始前，设定三维转台的俯仰、方位角的数值均为0，则俯仰差值a等于第二俯仰角减去第一俯仰角，方位偏移差值b等于第二方位角减去第一方位角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，通过图像采集单元和激光接收器实时检测激光斑点在十字靶位上的位置信息并上传至控制器，控制器分析并调整三维转台的角度校准激光斑点的位置，直至其落于十字目标区的目标靶点，计算校准后激光测距仪内三轴加速度传感器和高精度电子罗盘的角度误差值，即激光路径实际角度与三轴加速度传感器和高精度电子罗盘获取的角度之间的差值，再将该值写入激光测距仪中，在实际测量中用于修正测量结果，达到提升测量准确度的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明十字靶位结构图。

图3为本发明精调区结构图。

图4为本发明激光斑点调整至精调区A区的示意图。

图5为本发明激光斑点调整至精调区B区的示意图。

图6为本发明激光斑点调整至精调区C区的示意图。

图7为本发明三维转台与驱动机构连接图。

图8为本发明三维转台的顶面图。

图9为本发明校准过程中俯仰差值a的校正示意图。

图10为本发明校准过程中方位偏移差值b的校正示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-控制器、2-激光测距仪、3-三维转台、4-激光接收器、5-图像采集单元、6-十字靶位、8-激光斑点、31-底盘、32-转盘、33-限位槽、61-精调区、62-粗调区、63-C区、64-B区、65-A区、71-第一驱动电机、72-第二驱动电机，73-第一角传感器、74-第二角传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“A”、“B”、“C”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供的一种激光测距仪偏差校准装置，包括控制器1、三维转台3、安装于三维转台3上并用于待校准的激光测距仪2、与三维转台3相连接驱动三维转台3转动的驱动机构、面向于激光测距仪2激光出射口的十字靶位6、以及对准十字靶位6的激光接收器4和图像采集单元5，所述控制器1分别与激光测距仪2、三维转台3、激光接收器4、图像采集单元5和驱动机构相连接，所述十字靶位6上设有精调区61、以及环绕于精调区61的粗调区62，所述精调区61位于十字靶位6中心，精调区61包括激光反射系数不同的十字目标区和近目标区。本发明通过图像采集单元5和激光接收器4实时检测激光斑点在十字靶位上的位置信息并上传至控制器1，控制器1分析并调整三维转台3的角度校准激光斑点的位置，直至其落于十字目标区的目标靶点，计算校准后激光测距仪2内三轴加速度传感器测量的俯仰角度、电子罗盘测量的方位角度与激光路径的俯仰、方位角度之间的差值，再将该值写入激光测距仪中，在实际测量中用于修正测量结果。

本发明实时检测激光斑点在十字靶位上的位置信息并上传至控制器，控制器分析并调整激光斑点位置，直至其落于十字目标区的目标靶点，记录校准前、后出射激光的角度，从而获得实际激光路径与设计激光路径间的俯仰、方位角度误差值，用于修正测量结果，进一步的，可获得测距仪内部加速度传感器、电子罗盘装配引入的误差角度，建立二者测量的俯仰、方位角度与实际激光路径之间正确的角度关系，进一步修正测量结果，提升测量准确度。

校准过程中，由于激光测距仪2的实际出射激光路径相较于设计激光路径不可避免呈任意误差角度，基于所述误差，激光测距仪2发出的激光不完全落在十字靶位6中心，如未落在中心则需激光光斑的校正。本发明采用三维转台3在水平方向和竖直方向即三维的X、Y轴方向转动，并结合十字靶位6的特殊结构，完成激光光斑的自动校正。

本发明采用激光接收器4和图像采集单元5的双感知用于激光发射方向的调整。前期初校准阶段，基于图像采集单元5拍摄的图像信息，将激光光斑从大范围的粗调区62移动至小范围的精调区61；而后期精校准阶段，则基于精调区61的特殊结构，由激光接收器4接受的反射光信号的信号值，进一步将激光光斑调整至精调区61的目标靶心。

相较于传统靶位仅有圆形靶点的结构，本发明的十字靶位6采用十字靶的结构，并且在十字靶中心还设有更加精确的目标靶心，如图2所示。本发明的十字靶位6上设有精调区61、以及环绕于精调区61的粗调区62，作为优选精调区61呈矩形。所述精调区61位于十字靶位6中心，传统的圆心靶位扫描时需依次进行横向、纵向扫描，扫描次数为横向、纵向扫描点数相乘，执行时间复杂度较高。而本发明的十字靶位6进行校准扫描时，扫描次数为横、纵向扫描点数相加关系，时间复杂度大大降低，极大加快了效率。

所述精调区61包括激光反射系数不同的十字目标区和近目标区。十字目标区包括位于精调区61中心的C区63、以及位于C区63四周的B区64，C区63和B区64均为矩形，所述C区63作为目标靶心，而B区64为与C区63四条边相连接的矩形，并构成十字型；近目标区包括位于B区64四周的A区65，如图3所示。所述C区63采用白色反射面，B区64采用灰色反射面，A区65采用黑色反射面，A区65、B区64、C区63的激光反射系数依次增大。为此照射于A区65、B区64、C区63不同区域而被反射的反射光信号不同，进而激光接收器4接受的反射光信号的信号值也不同，其中照射于A区65被反射的反射光信号的信号值最大、B区64其次、C区63最小，如此将激光接收器4接受的信号值反馈至控制器1，自动感知并调整激光的发射方向，直至激光光斑落在A区65内，即目标靶心，如图4、图5和图6所示。将A区65、B区64、C区63不同反射区上激光的反射信号值按区间划分，在控制器1中分别设定A区65、B区64、C区63的反射信号值最低感知限值分别为Ax、Bx、Cx。作为优选，激光接收器4内设有光敏放大电路和A/D转换器，反射光信号经激光接收器4的激光接收镜头进入光敏放大电路放大，后经A/D转换器转化为数字信号传输至控制器1进行处理。

本发明激光发射方向，即激光光斑的照射位置通过三维转台3的转动，进而实现激光测距仪2的激光发射方向调整，所述三维转台3通过驱动机构进行调节。如图7所示，所述三维转台3包括底盘31、以及转动设于底盘31上用于安装激光测距仪2的转盘32。驱动机构包括与底盘31相连接驱动底盘31和底盘31上的转盘32在竖直方向转动的第一驱动电机71、以及设于底盘31上并与转盘32相连接驱动转盘32在水平方向转动的第二驱动电机72，控制器1分别与第一驱动电机71和第二驱动电机72相连接。如图7所示。第一驱动电机71驱动底盘31、底盘31上的转盘32、以及转盘32上的激光测距仪2在竖直方向即三维的Y轴方向转动，进而调节激光光斑的上下移动；而第二驱动电机72则驱动转盘32、以及转盘32上的激光测距仪2转盘32、以及转盘32上的激光测距仪2，进而调节激光光斑的左右移动。第一驱动电机71转轴上设有测量三维转台3俯仰角的第一角传感器73，第二驱动电机72转轴上设有测量三维转台3方位角的第二角传感器74，控制器1分别与第一角传感器73和第二角传感器74相连接。第一角传感器73仅在第一驱动电机71运行时记录数据，同理第二角传感器74也仅在第二驱动电机72运行时记录数据。第一角传感器73用于测量三维转台3水平方向上的转动角度，即三维转台的第一方位角；第二角传感器74用于测量三维转台3竖直方向上的转动角度，即三维转台的第一俯仰角。第一角传感器73和第二角传感器74均与控制器1相连接，可将三维转台的转动角度实时反馈至控制器1。

如图8所示，本发明的三维转台3中心开设有限位槽33，激光测距仪2通过夹具固定于限位槽33内，如图8所示。并且激光测距仪2放入限位槽33内保持机身水平，所述夹具包括但不限于具有加紧固定功能的装置，夹具通过螺栓或螺钉等可拆卸方式固定于限位槽33内。

本发明的图像采集单元5包括CCD图像传感器，CCD图像传感器通过光线转化，将将十字靶位以及十字靶位上激光斑点的图像转化为电信号反馈至控制器1，便于控制器1对激光光斑的位置判断。

本发明提供的一种激光测距仪偏差校准方法，包括以下步骤：

步骤1、控制器控制激光测距仪发出激光，所述激光照射至十字靶位上形成激光斑点并经十字靶位反射形成反射光，图像采集单元实时采集十字靶位以及十字靶位上激光斑点的图像信息，激光接收器实时采集反射光信号，所述图像信息和反射光信号反馈至控制器；

步骤2、基于图像信息上激光斑点的位置，控制器调整三维转台进行激光斑点的初校准，直至激光斑点显示于十字靶位的精调区内；

步骤3、基于反射光信号的强度信息，控制器调整三维转台进行激光斑点的精校准，直至激光斑点显示于精调区的十字目标区内，完成校准；

步骤4、将校准后测量得到的三维转台第一俯仰角和第一方位角的数据、以及分别由激光测距仪内部三轴加速度传感器和电子罗盘测量得到的第二俯仰角和第二方位角的数据反馈至控制器，计算出俯仰差值a和方位偏移差值b并写入激光测距仪中，用于后续实际激光测量数据的校正。由于激光测距仪内三轴加速度传感器和电子罗盘会存在一定的安装角度偏差，为此三轴加速度传感器和电子罗盘的数值并不能真正代表激光的真实角度，进而造成实际测量精度不准确。本发明将通过对激光光斑的校准，进而计算出俯仰差值a和方位偏移差值b，并于实际测量对误差角度进行校准，如图9和图10所示。所述激光在俯仰和方位上的偏移角度可完全由三维转台的转动角度获得，并且在校准开始前的初始位置，设定三维转台的俯仰和方位角度值均为0度，例如校准完成后记录三维转台的第一俯仰角为A1、第一方位角为B1，则可计算出实际激光装配等引入的俯仰、方位误差角度为A1和B1，即为三维转台的实际转动角度。而激光测距仪内部三轴加速度传感器和电子罗盘的第二俯仰角和第二方位角，也可在校准结束后测得，具体为：三维转台转动结束后，在激光测距仪内部三轴加速度传感器的测量数据即为第二俯仰角A2；电子罗盘的测量数据即为第二方位角B2。三轴加速度传感器的俯仰值与标准值之间的差值a=A2-A1，电子罗盘的方位值与标准值之间的差值b=B2-B1，所述俯仰差值a代表了激光的俯仰角度和三轴加速度传感器测得俯仰值之间的差值，所述方位差值b代表了激光的方位角度和和电子罗盘测得的方位值之间的差值 ，将其保存于激光测距仪的处理器中，后期在实际测量时结合激光测距仪内部的加速度传感器和电子罗盘测得的角度，可在测距仪处于任意倾斜角度的情况下，校正得到水平距离的准确值。

实际测量校准的具体实施例

测量墙面1与墙面2的水平距离，当激光测距仪壳体与地面水平或者呈任意倾斜角度放置时，由于装配误差等原因，实际射出激光并未水平路径如途中光束1，测得光束1的距离为d1。此时通过激光测距仪内的三轴加速度传感器进行俯仰角纠正，测得三轴加速度传感器的俯仰角值为A1’，而由于激光发射器与三轴加速度传感器之间还存在装配误差，激光实际路径的俯仰角值为A2’为未知数，故此时并不能完全由三轴加速度传感器进行俯仰角度纠正，可通过前期校准过程存储于激光测距仪内的俯仰差值a计算得到，激光实际俯仰角度为A=A1’+俯仰差值a；由于测量时方位角的0度是相对的，需根据实际墙面朝向预设定，那么可假设激光测距仪垂直墙面时方位角为0°，而通过电子罗盘实测方位角为B1’，同样的，电子罗盘也存在装配误差，经过校正得到激光实际方位角度B=B1’+方位差值b，最终基于三角函数D=d1*cosA*cosB,计算得到校准后的墙面1与墙面2的实际水平距离D。

本发明所用控制器1为PC机，并且激光测距仪2、激光接收器4、第一驱动电机71、第二驱动电机72、第一角传感器73、第二角传感器74和CCD图像传感器均为现有已知电气设备，并且均可在市场上直接购买使用，其结构、电路、以及控制原理均为现有已知技术，在此不赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，包括控制器（1）、三维转台（3）、安装于三维转台（3）上并用于待校准的激光测距仪（2）、与三维转台（3）相连接驱动三维转台（3）转动的驱动机构、面向于激光测距仪（2）激光出射口的十字靶位（6）、以及对准十字靶位（6）的激光接收器（4）和图像采集单元（5），所述控制器（1）分别与激光测距仪（2）、三维转台（3）、激光接收器（4）、图像采集单元（5）和驱动机构相连接，所述十字靶位（6）上设有精调区（61）、以及环绕于精调区（61）的粗调区（62），所述精调区（61）位于十字靶位（6）中心，精调区（61）包括激光反射系数不同的十字目标区和近目标区。

2.根据权利要求1所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述十字目标区包括位于精调区（61）中心的C区（63）、以及位于C区（63）四周的B区（64），C区（63）和B区（64）均为矩形并构成十字型，近目标区包括位于B区（64）四周的A区（65）。

3.根据权利要求2所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述C区（63）采用白色反射面，B区（64）采用灰色反射面，A区（65）采用黑色反射面，A区（65）、B区（64）、C区（63）的激光反射系数依次增大。

4.根据权利要求1所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述三维转台（3）包括底盘（31）、以及转动设于底盘（31）上用于安装激光测距仪（2）的转盘（32）。

5.根据权利要求4所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述驱动机构包括与底盘（31）相连接驱动底盘（31）和底盘（31）上的转盘（32）在竖直方向转动的第一驱动电机（71）、以及设于底盘（31）上并与转盘（32）相连接驱动转盘（32）在水平方向转动的第二驱动电机（72），控制器（1）分别与第一驱动电机（71）和第二驱动电机（72）相连接。

6.根据权利要求5所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，第一驱动电机（71）转轴上设有测量三维转台（3）俯仰角的第一角传感器（73），第二驱动电机（72）转轴上设有测量三维转台（3）方位角的第二角传感器（74），控制器（1）分别与第一角传感器（73）和第二角传感器（74）相连接。

7.根据权利要求1所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述三维转台（3）上开设有限位槽（33），激光测距仪（2）通过夹具固定于限位槽（33）内。

8.根据权利要求1所述的一种激光测距仪偏差校准装置，其特征在于，所述图像采集单元（5）包括CCD图像传感器。

9.一种激光测距仪偏差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、控制器控制激光测距仪发出激光，所述激光照射至十字靶位上形成激光斑点并经十字靶位反射形成反射光，图像采集单元实时采集十字靶位以及十字靶位上激光斑点的图像信息，激光接收器实时采集反射光信号，所述图像信息和反射光信号反馈至控制器；

步骤2、基于图像信息上激光斑点的位置，控制器调整三维转台进行激光斑点的初校准，直至激光斑点显示于十字靶位的精调区内；

步骤3、基于反射光信号的强度信息，控制器调整三维转台进行激光斑点的精校准，直至激光斑点显示于精调区的十字目标区内，完成校准；

步骤4、将校准后测量得到的三维转台第一俯仰角和第一方位角的数据、以及分别由激光测距仪内部三轴加速度传感器和电子罗盘测量得到的第二俯仰角和第二方位角的数据反馈至控制器，计算出俯仰差值a和方位偏移差值b并写入激光测距仪中，用于后续实际激光测量数据的校正。

10.根据权利要求9所述的一种激光测距仪偏差校准方法，其特征在于，校准开始前，设定三维转台的俯仰、方位角的数值均为0，则俯仰差值a等于第二俯仰角减去第一俯仰角，方位偏移差值b等于第二方位角减去第一方位角。

Images