CN117685900A - 激光扫描投影系统合作目标的探测及非连续扫描定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描投影系统合作目标的探测及非连续扫描定位方法，非连续扫描定位方法包括以下步骤：对合作目标所在区域进行点阵扫描，使用合作目标的探测方法，获得合作目标上的初始点；使用合作目标的探测方法，通过二分扫描方法获得合作目标过所述初始点的纵向中点；使用合作目标的探测方法，通过二分扫描方法获得合作目标过所述纵向中点的横向中点作为合作目标的中心；迭代计算获得合作目标的中心位置。本发明探测方法能够在不同强度的环境光条件下，实现对任意扫描点是否在合作目标上的稳定识别；非连续扫描定位方法能够实现对激光扫描投影系统合作目标中心的快速、精准提取。

Description

激光扫描投影系统合作目标的探测及非连续扫描定位方法

技术领域

本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种用于激光扫描投影系统合作目标的探测方法及合作目标的非连续扫描定位方法。

背景技术

激光扫描投影系统通过光学扫描器件的高速转动控制激光束快速经过空间中一系列的指定点位，由于人眼视觉暂留效应，激光扫过的路径会形成完整画面从而辅助技术人员进行生产作业。为了精准地投影出待加工部位的轮廓，需要在投影前标定投影系统与投影工作面的位置关系。标定过程首先需要在投影工作面的坐标系下设置多个位置已知的合作目标(简称靶标)，再获取多个靶标在投影系统坐标系下的坐标，将它们带入坐标转换方程求解坐标转换参数即可完成标定。所以对靶标的扫描探测精度会直接影响激光扫描投影系统的投影精度。

现有对合作目标的定位方法通常需要对其进行连续扫描，然后筛选出落在靶标边缘的点，再通过圆心拟合得到合作目标中心位置。史铮雪等提出了外摆线、太阳花线等扫描方法，实验结果表明，相较于栅矩形扫描方法，使用太阳花线扫描路径能减少扫描时间并保证精度。但此类方法为了降低环境光的干扰，都需要连续扫描然后筛选出边缘点，即保留所有扫描点的数据用于阈值计算，然后划分属于合作目标边缘的点，这一过程使得此类方法扫描时间长、所需算力多。

针对上述问题，本发明提出了一种非连续扫描方法，但常规的光电探测方式难以适应此种扫描方法，因此进一步提出了适用于此扫描方式的探测方法，该探测方法能够在不同强度的环境光条件下，实现对任意扫描点是否在合作目标上的稳定识别。此项发明提高了激光扫描投影仪的抗干扰性能，减少了标定时间并能保证定位精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种激光扫描投影系统合作目标的探测方法，该探测方法能够在不同强度的环境光条件下，实现对任意扫描点是否在合作目标上的稳定识别；同时提供一种基于该探测方法的激光扫描投影系统合作目标非连续扫描定位方法，能够实现对激光扫描投影系统合作目标中心的快速、精准提取；本发明可提高激光扫描投影仪的抗干扰性能，减少标定时间，并能保证定位精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

作为本发明的第一方面，提供一种激光扫描投影系统合作目标的探测方法，包括以下步骤：

S1.激光扫描投影仪的振镜将汇聚的激光束偏转到合作目标上；

S2将激光器的调制信号设置为方波，使激光器工作在连续通断模式；

S3使用光敏二极管阵列、积分电路对合作目标上反射的光信号进行采集；

S4在激光的一个通断周期内，分别采集激光器关状态时下的环境光强，以及激光器开状态下由合作目标反射的激光信号与环境光相叠加的光强度；

S5将两次采样值进行差分，当差分值超过设定的阈值即判定此时激光光斑落在了合作目标内。

进一步地，所述步骤S3中，采用零偏置状态下的硅光电二极管并组成阵列放置在激光扫描投影仪激光出射窗口；使用积分电路将传感器输出的电流转换为电压信号，所述积分电路包括运算放大器、逻辑电平控制的开关S₁、S₂和积分电容C₁、C₂、C₃，激光信号控制激光器的通断，开关S₂闭合时对积分电容放电，开关S₂断开且开关S₁闭合时对电容充电，开关S₂断开且开关S₁断开时输出信号保持，此时使用模数转换器进行采样。

该探测方法的差分过程能够滤除环境光，采用积分电路进行采样更能降低电路噪声以及电源波动带来的影响，两者共同实现对合作目标的稳定探测。

然而，上述探测方式需要对同一个扫描点进行激光开状态、激光关状态的两次光强采样，若沿用传统的行列式连续扫描方法，所需的扫描时间将成倍增加，单个合作目标的反射光强采样信号极容易随着时间的增加产生数值漂移，影响激光扫描投影系统的标定精度，并使得标定操作过程耗时过长。为了解决这一新问题，本发明针对所述的探测方法又提供了一种对合作目标的非连续扫描方法。

作为本发明的第二方面，提供一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法解决上述问题，其基于本发明所述的合作目标的探测方法，所述非连续扫描定位方法包括以下步骤：

步骤一、通过点阵扫描获得合作目标上的初始点：对合作目标所在区域进行点阵扫描，使用所述合作目标的探测方法，当探测到第一个在合作目标上的点即停止扫描，将探测到的第一个点记为初始点A；

步骤二、使用二分扫描方法获得合作目标过所述初始点的纵向中点：过所述初始点A点以二分原理作纵向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此纵向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，即纵向两个边缘点，取所述纵向两个边缘点的中点B作为合作目标的纵向中点；

步骤三、使用二分扫描方法获得合作目标过所述纵向中点的横向中点作为合作目标的中心：过B点以二分原理作横向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此横向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，及横向两个边缘点，取所述横向两个边缘点的中点C，所述中点C即为合作目标的中心；

步骤四、迭代计算获得合作目标的中心位置：对所述步骤三中获取的横向边缘点取n等分点，将新获取的(n-1)个点作为初始点分别再次执行步骤二至步骤三，得到合作目标中心位置的(n-1)次测量值；将测得的n次测量值剔除粗大误差，然后取平均值即为最终定位的合作目标中心位置。

进一步地，所述步骤一中，设点间距为d，所采用的合作目标半径为r，为保证点阵扫描时至少有一个点落在合作目标上，则

更进一步地，所述步骤一中，设点间距d所对应的振镜偏转角度α，即点阵扫描步进角，若振镜与投影面的距离为D，此时D远大于d，则

进一步地，所述步骤二中，所述二分扫描方法的扫描过程为：

S21.使用所述合作目标的探测方法，从所述步骤一点阵扫描中探测的初始点A步进一段距离V_d进行探测，V_d＝arctan(d/D)，直到探测到第一个不在合作目标上的点A₁；

S22.取AA₁的中点A₂，合作目标的边缘在A₁A₂之间；

S23.再取A₁A₂的中点A₃按照所述合作目标的探测方法进行探测，A₃是否在合作目标上决定了边缘在A₁A₃还是A₂A₃之间；以此类推，继续取中点进行探测，经过k次二分后达到振镜分辨率ΔV，实现对合作目标边缘的定位。

本发明带来的技术效果和优点为：

本发明提供的探测方法实现了在环境光干扰下对合作目标的稳定探测，本发明提供的扫描方法显著地减少了合作目标扫描过程的测点数量，从而实现了对合作目标中心位置的快速、精准提取，将该方法应用于激光扫描投影系统中能提高标定过程中的抗干扰性能，减少标定的时间并保证定位精度。

附图说明

图1是本发明实施例所述激光扫描投影系统组成原理示意图；

图2是本发明实施例1所述一种激光扫描投影合作目标的探测方法流程图；

图3是本发明实施例1所述合作目标不同区域对激光的反射效果示意图；

图4是本发明实施例所述积分采样电路图；

图5是本发明实施例所述探测模块的控制时序图；

图6是本发明实施例2所述一种激光扫描投影合作目标的非连续扫描定位方法整体流程图；

图7是本发明实施例2所述点阵扫描原理示意图；

图8是本发明实施例2所述非连续扫描原理示意图；

图9是本发明实施例2所述二分扫描方法扫描路径示意图；

图10是本发明实施例2所述非连续扫描程序流程图；

图11是本发明实施例2所述栅矩形扫描路径示意图；

图12是本发明实施例2所述非连续扫描定位结果示意图；

图中：

1-激光器；2-准直扩束模块；3-动态聚焦模块；4-双轴振镜；5-探测模块；6-合作目标；7-投影的图像；8-硬件系统主控；9-数字图像模型；10-模数转换模块10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式进一步详细描述。

本发明实施例应用的激光扫描投影系统如图1所示，包括激光器1、准直扩束模块2、动态聚焦模块3、双轴振镜4、探测模块5、合作目标6、投影的图像7、硬件系统主控8、所投影图像的数字模型9、模数转换模块10。

激光依次经准直扩束模块2、动态聚焦模块3投射到双轴振镜4上，双轴振镜4由硬件系统主控8控制可快速进行偏转，使激光光束在投影面上投影出预设的投影图像的数字图像模型9，此为激光扫描投影系统基本工作原理。

为了精准地投影出数字图像模型，需要在投影前标定投影系统与投影工作面的位置关系。标定过程首先需要在投影工作面的坐标系下设置多个位置已知的合作目标6，再获取多个合作目标在投影系统坐标系下的坐标，将它们带入坐标转换方程求解坐标转换参数即可完成标定。所以对合作目标的定位精度会直接影响激光扫描投影系统的投影精度。

本发明所述的对合作目标的探测方法能够提高激光扫描投影系统的环境光适应能力，但此方法需要进行两次对光信号的积分采样，所需的时间较传统单次采样探测方式成倍增加，无法适应现有的连续扫描方法。

为解决所述探测方法带来的新问题，本发明同时提出一种基于此探测方法的非连续扫描方法，以此减少扫描点的数量，进而加快标定过程。

实施例1

如图2所示，一种激光扫描投影合作目标的探测方法，包括以下步骤：

S1.激光扫描投影仪的振镜将汇聚的激光束偏转到合作目标上；

S2.将激光器的调制信号设置为方波，使激光器工作在连续通断模式；

S3.使用光敏二极管阵列、积分电路对合作目标上反射的光信号进行采集；

合作目标由回光反射材料加工而成，可以使入射光线原路返回，如图3所示，此时可使用探测模块来判断光斑是否落在合作目标上。

根据光敏二极管的光照特性可知，在一定的辐射量范围内，其光生电流与入射光强度成正比，此特性可满足在不同强度的干扰光下定量检测输入光信号的变化量，所以本实施例采用零偏置状态下的硅光电二极管并组成阵列，如图1中探测模块5所示，放置在激光扫描投影仪激光出射窗口。为了滤除高频噪声，提高采样稳定性，使用积分电路将传感器输出的电流转换为电压信号，如图4所示，其基本电路由运算放大器、逻辑电平控制的开关和积分电容C₁、C₂、C₃构成，S₁、S₂接地时开关闭合。探测模块5的控制时序如图5所示，激光信号控制激光器的通断，S₂闭合时对积分电容放电，即对采样电路复位；S₂断开、S₁闭合时对电容充电，即积分过程；S₂断开、S₁断开时输出信号保持，此时可使用模数转换器进行采样。S4.在激光的一个通断周期内，分别采集激光器关状态时下的环境光强，以及激光器开状态下由合作目标反射的激光信号与环境光相叠加的光强度；

S5.将两次采样值进行差分，当差分值超过设定的阈值即判定此时激光光斑落在了合作目标内。

实施例2

如图6所示，本实施例为一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其基于实施例1所述合作目标的探测方法，所述非连续扫描定位方法包括以下步骤：

步骤一、通过点阵扫描获得合作目标上的初始点：对合作目标所在区域进行点阵扫描，使用所述合作目标的探测方法，当探测到第一个在合作目标上的点即停止扫描，将探测到的第一个点记为初始点A。

所述步骤一中，设点间距为d，所采用的合作目标半径为r，如图7所示，为了保证点阵扫描时至少有一个点落在合作目标上，则本实施例中，所采用的合作目标半径为r＝3mm，则/>

设d所对应的振镜偏转角度α，即点阵扫描步进角，若振镜与投影面的距离为D(通常2m＜D＜10m)，此时D远大于d，则α近似为：

设点阵边长为L，点阵扫描点的起始点需要手动调整，实际工况下，操作人员与投影工作面距离通常为5米，为便于操作，应满足：L＞10d。实施例中设置L＝10d，则点阵扫描时至多需要100个扫描点。

步骤二、使用二分扫描方法获得合作目标过所述初始点的纵向中点：如图8所示，过所述初始点A点以二分原理作纵向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此纵向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，即纵向两个边缘点，取所述纵向两个边缘点的中点B作为合作目标的纵向中点。

所述步骤二中，如图9所示，所述过所述初始点A点以二分原理作纵向扫描的扫描过程为：

S21：使用所述合作目标的探测方法，从所述步骤一点阵扫描中探测的初始点A步进一段距离V_d进行探测，V_d＝arctan(d/D)，直到探测到第一个不在合作目标上的点A₁；

S22：取AA₁的中点A₂，在图9中，合作目标的边缘在A₁A₂之间；

S23：再取A₁A₂的中点A₃按照所述合作目标的探测方法进行探测，A₃是否在合作目标上决定了边缘在A₁A₃还是A₂A₃之间；以此类推，继续取中点进行探测，经过k次二分后达到振镜分辨率ΔV，实现对合作目标边缘的定位，其程序流程如图10所示。

步骤三、使用二分扫描方法获得合作目标过所述纵向中点的横向中点作为合作目标的中心：过B点以二分原理作横向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此横向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，及横向两个边缘点，取所述横向两个边缘点的中点C，所述中点C即为合作目标的中心；

步骤四、迭代计算获得合作目标的中心位置：为提高靶标的定位精度，对步骤三中获取的横向边缘点取n等分点，将此新获取的(n-1)个点作为初始点分别再次执行步骤二、步骤三，得到合作目标中心位置的(n-1)次测量值；将已测得的n次测量值剔除粗大误差，然后取平均值即为定位的合作目标中心位置。

本实施例中，对步骤三中获取的横向边缘点取5等分点，将此新获取的4个点作为初始点分别再次执行步骤二和步骤三，得到合作目标中心位置的4次测量值。将已测得的5次测量值剔除粗大误差，然后取平均值作为合作目标中心位置的最终结果。

本实施例中，所述步骤四中剔除粗大误差依据狄克逊准则。

本实施例中，选用德国RAYLASE公司生产的MINISCAN III-10双轴振镜，其分辨率为12μrad，若投影距离为D＝5000mm，则k≥6.14，即最多经7次二分可定位到靶标边缘。由此可得首次测量的扫描点数量至多为：4×(k+1)+100＝132个。

本实施例进行5次测量，扫描点的数量至多为132+4×32＝260个。

对三个不同位置的合作目标进行测量，先使用图11所示栅矩形行列连续扫描方式对合作目标进行扫描，得到10000个扫描点并转为灰度图；相同实验条件下再使用本发明提出的非连续扫描定位方法进行对比测量，如图12所示，其中“+”为测量中所得边缘点与中心点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种激光扫描投影系统合作目标的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.激光扫描投影仪的振镜将汇聚的激光束偏转到合作目标上；

S2.将激光器的调制信号设置为方波，使激光器工作在连续通断模式；

S3.使用光敏二极管阵列、积分电路对合作目标上反射的光信号进行采集；

S4.在激光的一个通断周期内，分别采集激光器关状态时下的环境光强，以及激光器开状态下由合作目标反射的激光信号与环境光相叠加的光强度；

S5.将两次采样值进行差分，当差分值超过设定的阈值即判定此时激光光斑落在了合作目标内。

2.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统合作目标的探测方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用零偏置状态下的硅光电二极管并组成阵列放置在激光扫描投影仪激光出射窗口；使用积分电路将传感器输出的电流转换为电压信号，所述积分电路包括运算放大器、逻辑电平控制的开关S₁、S₂和积分电容C₁、C₂、C₃，激光信号控制激光器的通断，开关S₂闭合时对积分电容放电，开关S₂断开且开关S₁闭合时对电容充电，开关S₂断开且开关S₁断开时输出信号保持，此时使用模数转换器进行采样。

3.一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其基于权利要求1所述的合作目标的探测方法，其特征在于，所述非连续扫描定位方法包括以下步骤：

步骤一、通过点阵扫描获得合作目标上的初始点：对合作目标所在区域进行点阵扫描，使用所述合作目标的探测方法，当探测到第一个在合作目标上的点即停止扫描，将探测到的第一个点记为初始点A；

步骤二、使用二分扫描方法获得合作目标过所述初始点的纵向中点：过所述初始点A点以二分原理作纵向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此纵向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，即纵向两个边缘点，取所述纵向两个边缘点的中点B作为合作目标的纵向中点；

步骤三、使用二分扫描方法获得合作目标过所述纵向中点的横向中点作为合作目标的中心：过B点以二分原理作横向扫描，使用所述合作目标的探测方法，探测到此横向扫描路径上处于合作目标边缘的两点，及横向两个边缘点，取所述横向两个边缘点的中点C，所述中点C即为合作目标的中心；

步骤四、迭代计算获得合作目标的中心位置：对所述步骤三中获取的横向边缘点取n等分点，将新获取的(n-1)个点作为初始点分别再次执行步骤二至步骤三，得到合作目标中心位置的(n-1)次测量值；将测得的n次测量值剔除粗大误差，然后取平均值即为最终定位的合作目标中心位置。

4.如权利要求3所述的一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其特征在于，所述步骤一中，设点间距为d，所采用的合作目标半径为r，为保证点阵扫描时至少有一个点落在合作目标上，则

5.如权利要求4所述的一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其特征在于，设点间距d所对应的振镜偏转角度α，即点阵扫描步进角，若振镜与投影面的距离为D，此时D远大于d，则

6.如权利要求3所述的一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其特征在于，所述步骤二中，所述二分扫描方法的扫描过程为：

S21.使用所述合作目标的探测方法，从所述步骤一点阵扫描中探测的初始点A步进一段距离V_d进行探测，V_d＝arctan(d/D)，直到探测到第一个不在合作目标上的点A₁；

S22.取AA₁的中点A₂，合作目标的边缘在A₁A₂之间；

S23.再取A₁A₂的中点A₃按照所述合作目标的探测方法进行探测，A₃是否在合作目标上决定了边缘在A₁A₃还是A₂A₃之间；以此类推，继续取中点进行探测，经过k次二分后达到振镜分辨率ΔV，实现对合作目标边缘的定位。

7.如权利要求3所述的一种激光扫描投影系统合作目标的非连续扫描定位方法，其特征在于，所述步骤四中剔除粗大误差依据狄克逊准则。