CN117930273A - 一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，包括：1）目标测距误差补偿：2）三关键点A、B、C的选取及姿态矩阵计算；3）空间感兴趣点坐标值计算。本发明采用立体几何计算方法，消除空间坐标测量单元因姿态不同引入的坐标测量误差；采用坐标系转换矩阵求解方法，通过在系统中选取三个关键点，分别计算三个关键点在两坐标系中的位置坐标，以两坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球，实现空间感兴趣点的三维坐标测量。本发明测量效率高、实时性好，有效提高基于摄影测量技术的系统空间坐标测量速度与精度，能有效解决激光跟踪仪等测量设备实时性不高、无法适应振动环境下坐标测量难题。

Description

一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法。

背景技术

空间三维坐标测量是几何量测量中的重要内容，广泛应用于航空、航天、军工和民用等产品设计制造过程中需要高精度定位的场合。

目前，常用的空间三坐标测量设备有三座标测量机、激光跟踪仪、全站仪、单目或双目摄影测量仪等测量设备。三坐标测量机价格昂贵、且测量空间受限，无法实现大尺寸空间柔性测量；激光跟踪仪、全站仪等设备价格高昂、测量速度较低，无法实现高动态实时测量；单目或双目摄影测量仪，测量精度严重依赖模型精度，且计算复杂。

因而，三坐标测量技术领域，急需一种价格普惠、测量精度高且计算简单、能适用于大尺寸空间的三坐标高动态实时测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，用于航空、航天、军工和民用等产品设计制造过程中需要高精度定位的场合，实现空间感兴趣点的三维坐标实时测量。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述测量方法采用的测量装置包括空间基准发射单元及空间坐标测量单元，所述空间坐标测量单元的安装基座侧壁上设置有测量球立柱，所述测量球立柱上安装测量球；

所述测量方法的步骤为：

1）目标测距误差补偿：目标测距目的是完成目标距离的测量，由于激光测距靶标平面的遮挡，测距仪无法实现目标距离的直接测量，同时空间坐标测量单元姿态变化会引入距离测量误差，为实现目标距离测量，同时消除因该距离误差导致的坐标测量误差，需要首先对目标测距误差进行补偿；

2）三个关键点的选取及姿态矩阵计算：通过选取三个关键点，直接计算空间坐标测量装置相对于空间基准发射装置的姿态矩阵，避免姿态估计带来的误差与时延；

3）空间感兴趣点坐标值计算：采用简单易行的坐标系转换矩阵求解方法，通过选取三个关键点，并分别计算三个关键点在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系中的位置坐标，以空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球，最终实现空间感兴趣点的三维坐标测量。

而且，所述步骤1）具体为：

设十字线激光投射方向与测距光束平行，且测距光束处于十字线横轴所在平面，十字光斑中心在激光接收屏A、激光接收屏B上的点分别为A和B，空间测量装置自身坐标系下，设A坐标为（X₁，Y₁，Z₁），B坐标为（X₂，Y₂，Z₂），十字光斑中心与测距靶标平面交点为C，测距光束与测距靶标平面交点为E，CD为十字线横轴所在平面内与测距光束垂直的线段，其中D为垂足，CD长度为已知常量，激光测距结果为L_laser；

在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投射直线方程很容易求得，又由于测距靶标平面方程为可通过公知手段标定得到的已知常量，因此C点坐标求得，则根据公知的两点间距离公式可求得C、A两点间距离L_CA；向量为横轴所在平面的法向量，即/>，向量/>为CD的方向向量，其处于横轴所在平面且与直线AB垂直，因此，/>，又由于CD距离属于系统固有参数，可通过公知手段事先标定得到，因此结合C点坐标，利用两点间距离公式，D点坐标可求；利用D点坐标和方向向量/>，则可求得测距光束直线方程，联立测距光束直线方程与测距靶标平面方程，从而可以得到E点坐标；

综上，；

其中，为目标测距，L_laser为激光测距值，L_DE为线段DE距离，L_CA为C、A两点间距离，综上可实现O_BA距离的测量。

而且，所述步骤2）具体为：

设O_BA=X₀，则在空间基准发射坐标系下，A点的坐标为（X₀，0，0），B点坐标为（X₀+L_AB，0，0），其中，，L_AB为A、B两点间的距离；

空间测量装置自身坐标系中，十字线横轴方向向量设为，则在空间测量装置自身坐标系下，/>=（0，1，k），设线段AB的方向向量为/>，/>=（X₂-X₁，Y₂-Y₁，Z₂-Z₁），设垂直于十字线发射横轴所在平面的法向量为/>，则/>，设/>，在空间测量装置自身坐标系下，将向量 />的起点平移到A点，则此时在空间测量装置自身坐标系下，向量/>终点C的坐标为（X₃+X₁，Y₃+Y₁，Z₃+Z₁）；在基准发射坐标系下，向量/>终点C对应的坐标值为（X₀，0，/>）。

而且，所述步骤3）具体为：

空间中三关键点A、B、C在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系下的坐标值分别已知，则根据公知数学原理，空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系的旋转平移矩阵容易求得，设求得的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，由于测量球球心位置坐标在空间测量装置自身坐标系中固定，设为[X_AO，Y_AO，Z_AO]^T，则测量球球心在基准坐标系下的坐标值为：

；

通过公知的测球端位置补偿技术，可实现被测点在基准坐标系下的三维坐标测量。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明充分利用几何光学原理，采用十字线结构光提供空间坐标测量基准，测量坐标系建系方法简单实用。

2、本发明充分考虑目标测距误差的补偿，采用立体几何计算方法，消除空间坐标测量单元因姿态不同引入的坐标测量误差。

3、本发明采用简单易行的坐标系转换矩阵求解方法，通过在系统中选取三个关键点，分别计算三个关键点在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系中的位置坐标，以空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球，最终实现空间感兴趣点的三维坐标测量。

4、本发明本发明采用的技术方法，充分利用几何光学及立体几何原理，无需复杂计算，测量效率高、实时性好。

5、本发明基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，直接测量空间坐标测量装置相对于空间基准发射装置的姿态矩阵，避免了姿态估计带来的误差与时延，可以有效提高基于摄影测量技术的系统空间坐标测量速度与精度。

附图说明

图1为本发明的目标测距误差补偿原理示意图；

图2为本发明的空间坐标测量单元结构示意图；

图3为本发明的测量装置示意图；

图4为本发明空间基准发射坐标系建立示意图；

图5为本发明测量装置等效原理转换示意图；

图6为本发明的测量原理示意图。

附图标记说明

2-1，激光分光镜；2-2，平面反射镜A；2-3，平面反射镜B；2-4，平面反射镜C； 2-5，激光接收屏A；2-6，激光接收屏B；2-7，图像传感器A；2-8，图像传感器B；2-9，激光测距靶标平面；2-10，十字线激光入射窗口；2-11，定位棱；2-12，安装基座；2-13，机械外壳；2-14，测量球立柱；2-15，测量球；

3-1，空间基准发射单元；3-2，空间坐标测量单元；3-3，工控机；

5-1，入射的十字线结构光；5-2，接收屏A经过激光分光镜形成的等效平面A；5-3，图像传感器A经过激光分光镜形成的虚像；5-4，接收屏B经过平面镜组光路形成的等效平面B；5-5，图像传感器B经过平面镜组光路形成的虚像。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其创新之处在于：所述方法采用的测量装置包括空间基准发射单元3-1及空间坐标测量单元3-2，如图3所示，所述空间坐标测量单元3-2包括安装基座2-12、激光分光镜2-1、平面反射镜A 2-2、平面反射镜B2-3、平面反射镜C2-4、激光接收屏A2-5、激光接收屏B2-6、图像传感器A2-7及图像传感器B2-8，所述安装基座2-12内设置有若干定位棱2-11作为定位端面，所述激光分光镜2-1与所述定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜A2-2设置于所述激光分光镜2-1后端并与定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜B2-3与所述平面反射镜A2-2平行设置并与所述定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜C2-4与所述平面反射镜B2-3垂直并与所述定位棱2-11呈45°布置，所述设置于安装基座2-12上的激光接收屏A2-5与激光接收屏B2-6用于接收十字光斑图像并成像为图像传感器A2-7及图像传感器B2-8提供目标图像，所述安装基座2-12侧壁上设置有测量球立柱2-14，所述测量球立柱2-14上安装测量球2-15，所述安装基座2-12前端面上设置十字线激光入射窗口2-10及激光测距靶标平面2-9，如图2所示。

安装基座2-12上设置有机械外壳2-13，以防尘防潮防冲击等对内部关键设备的保护，如图2所示。

所述方法的步骤为：

1）测量准备：将空间基准发射单元3-1安装固接于稳定位置；打开标定好的空间坐标测量单元3-2及工控机3-3，使所述的空间坐标测量单元3-2的测量球2-15接触空间待测感兴趣点，保证所述的空间坐标测量单元3-2中的图像传感器A 2-7及图像传感器B 2-8均能接收到有效十字光信号；按照图4所示方法建立好空间基准发射坐标系O_B-X_BY_BZ_B，安装基座2-12的底面与前端面内侧面相交形成第一条棱、安装基座2-12的底面与测量球立柱2-14所在侧壁的内壁面相交形成第二条棱，所述第一条棱与第二条棱的交点定义为原点O，所述原点O沿第二条棱向测量球立柱2-14方向定义为X轴，所述原点O沿第一条棱向十字线激光入射窗口2-10方向定义为Y轴，所述原点O向上垂直于安装基座2-12的底面方向定义为Z轴，至此完成空间测量装置自身坐标系O-XYZ的建立。

2）测量装置原理图转换：将所述的空间坐标测量单元3-2在测量原理上转换为具有平行正对的两接收屏的等效测量装置结构，如图5、图6所示，入射的十字线结构光5-1经激光分光镜2-1作用后，一部分反射后投射到激光接收屏A2-5，另一部分透过激光分光镜2-1，先后经平面反射镜反射后投射至激光接收屏B2-6，激光接收屏A2-5经过激光分光镜形成的虚像平面A5-2，图像传感器A2-7经过激光分光镜形成虚像5-3，激光接收屏B2-6经过平面镜组光路形成的虚像平面B5-4，图像传感器B2-8经过平面镜组光路形成虚像5-5。

3）坐标获取：获取十字光斑中心在图像传感器A2-7、图像传感器B2-8二维坐标系中的位置，经标定转换后即可获取其在测量坐标系中的空间位置，设A坐标为（X₁，Y₁，Z₁），B坐标为（X₂，Y₂，Z₂）；

4）目标测距误差补偿：

如图1所示，激光测距仪使用目的是为了实现O_BA目标距离的测量，由于激光测距靶标平面的遮挡，测距仪无法实现该距离的直接测量，同时空间坐标测量单元姿态变化会引入距离测量误差，为实现目标距离测量，同时消除因该距离误差导致的坐标测量误差，需要首先对目标测距误差进行补偿。具体方法如下：设十字线激光投射方向与测距光束平行，且测距光束处于十字线横轴所在平面，十字光斑中心在激光接收屏A2-5、激光接收屏B2-6上的点分别为A和B，十字光斑中心与测距靶标平面交点为C，测距光束与测距靶标平面交点为E，CD为十字线横轴所在平面内与测距光束垂直的线段，其中D为垂足，CD长度为已知常量，激光测距结果为L_laser；

在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投射直线方程很容易求得，又由于测距靶标平面方程为可通过公知手段标定得到的已知常量，因此C点坐标即可求得，则根据公知的两点间距离公式可求得C、A两点间距离L_CA；向量为横轴所在平面的法向量，即，向量/>为CD的方向向量，其处于横轴所在平面且与直线AB垂直，因此，，又由于CD距离属于系统固有参数，可通过公知手段事先标定得到，因此结合C点坐标，利用两点间距离公式，D点坐标可求；利用D点坐标和方向向量/>，则可求得测距光束直线方程，联立测距光束直线方程与测距靶标平面方程，从而可以得到E点坐标；

综上，；

其中，为目标测距，L_laser为激光测距值，L_DE为线段DE距离，L_CA为C、A两点间距离，综上可实现O_BA距离的测量；

5）三关键点A、B、C的选取及姿态矩阵计算：

通过选取关键点，直接计算空间坐标测量装置相对于空间基准发射装置的姿态矩阵，避免姿态估计带来的误差与时延：

设O_BA=X₀，则在基准发射坐标系下，A点的坐标为（X₀，0，0），B点坐标为（X₀+L_AB，0，0），其中，，L_AB为A、B两点间的距离；

空间测量装置自身坐标系中，十字线横轴方向向量设为，则在空间测量装置自身坐标系下，/>=（0，1，k），设线段AB的方向向量为/>，/>=（X₂-X₁，Y₂-Y₁，Z₂-Z₁），设垂直于十字线发射横轴所在平面的法向量为/>，则/>，设/>，在空间测量装置自身坐标系下，将向量 />的起点平移到A点，则此时在空间测量装置自身坐标系下，向量/>终点C的坐标为（X₃+X₁，Y₃+Y₁，Z₃+Z₁）；在基准发射坐标系下，向量/>终点C对应的坐标值为（X₀，0，/>）。

6）空间感兴趣点坐标值计算：

本发明采用简单易行的坐标系转换矩阵求解方法，通过在系统中选取三个关键点，分别计算三个关键点在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系中的位置坐标，以空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球2-15，最终实现空间感兴趣点的三维坐标测量。

空间中三关键点A、B、C在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系下的坐标值分别已知，则根据公知数学原理，空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系的旋转平移矩阵容易求得，设求得的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，由于测量球2-15球心位置坐标在空间测量装置自身坐标系中固定，设为，则测量球2-15球心在基准坐标系下的坐标值为：

；

通过公知的测球端位置补偿技术，即可实现被测点在基准坐标系下的三维坐标测量。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述测量方法采用的测量装置包括空间基准发射单元（3-1）及空间坐标测量单元（3-2），所述空间坐标测量单元（3-2）的安装基座（2-12）侧壁上设置有测量球立柱（2-14），所述测量球立柱（2-14）上安装测量球（2-15）；

所述测量方法的步骤为：

1）目标测距误差补偿：目标测距目的是完成目标距离的测量，由于激光测距靶标平面的遮挡，测距仪无法实现目标距离的直接测量，同时空间坐标测量单元（3-2）姿态变化会引入距离测量误差，为实现目标距离测量，同时消除因该距离误差导致的坐标测量误差，需要首先对目标测距误差进行补偿；

2）三个关键点的选取及姿态矩阵计算：通过选取三个关键点，直接计算空间坐标测量装置相对于空间基准发射装置的姿态矩阵，避免姿态估计带来的误差与时延；

3）空间感兴趣点坐标值计算：采用简单易行的坐标系转换矩阵求解方法，通过选取三个关键点，并分别计算三个关键点在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系中的位置坐标，以空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球（2-15），最终实现空间感兴趣点的三维坐标测量。

2.根据权利要求1所述的基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述步骤1）具体为：

设十字线激光投射方向与测距光束平行，且测距光束处于十字线横轴所在平面，十字光斑中心在激光接收屏A（2-5）、激光接收屏B（2-6）上的点分别为A和B，空间测量装置自身坐标系下，设A坐标为（X₁，Y₁，Z₁），B坐标为（X₂，Y₂，Z₂），十字光斑中心与测距靶标平面交点为C，测距光束与测距靶标平面交点为E，CD为十字线横轴所在平面内与测距光束垂直的线段，其中D为垂足，CD长度为已知常量，激光测距结果为L_laser；

在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投射直线方程很容易求得，又由于测距靶标平面方程为可通过公知手段标定得到的已知常量，因此C点坐标求得，则根据公知的两点间距离公式可求得C、A两点间距离L_CA；向量为横轴所在平面的法向量，即/>，向量/>为CD的方向向量，其处于横轴所在平面且与直线AB垂直，因此，/>，又由于CD距离属于系统固有参数，可通过公知手段事先标定得到，因此结合C点坐标，利用两点间距离公式，D点坐标可求；利用D点坐标和方向向量/>，则可求得测距光束直线方程，联立测距光束直线方程与测距靶标平面方程，从而可以得到E点坐标；

综上，；

其中，为目标测距，L_laser为激光测距值，L_DE为线段DE距离，L_CA为C、A两点间距离，综上可实现O_BA距离的测量。

3.根据权利要求1所述的基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述步骤2）具体为：设O_BA=X₀，则在空间基准发射坐标系下，A点的坐标为（X₀，0，0），B点坐标为（X₀+L_AB，0，0），其中，，L_AB为A、B两点间的距离；

空间测量装置自身坐标系中，十字线横轴方向向量设为，则在空间测量装置自身坐标系下，/>=（0，1，k），设线段AB的方向向量为/>，/>=（X₂-X₁，Y₂-Y₁，Z₂-Z₁），设垂直于十字线发射横轴所在平面的法向量为/>，则/>，设/>，在空间测量装置自身坐标系下，将向量 />的起点平移到A点，则此时在空间测量装置自身坐标系下，向量/>终点C的坐标为（X₃+X₁，Y₃+Y₁，Z₃+Z₁）；在基准发射坐标系下，向量/>终点C对应的坐标值为（X₀，0，）。

4.根据权利要求1所述的基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述步骤3）具体为：

空间中三关键点A、B、C在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系下的坐标值分别已知，则根据公知数学原理，空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系的旋转平移矩阵容易求得，设求得的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，由于测量球（2-15）球心位置坐标在空间测量装置自身坐标系中固定，设为[X_AO，Y_AO，Z_AO]^T，则测量球（2-15）球心在基准坐标系下的坐标值为：

；

通过公知的测球端位置补偿技术，可实现被测点在基准坐标系下的三维坐标测量。