CN201764965U

CN201764965U - 旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统

Info

Publication number: CN201764965U
Application number: CN2010201981350U
Authority: CN
Inventors: 崔一; 石建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-05-21

Abstract

一种旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统，属于模式识别和人工智能领域，包括激光线阵发射模块、云台激光接收模块、CCD线阵采集模块、主轴旋转模块、立体信息处理器和附属模块六大部分。运用激光线阵测距和CCD线阵色彩采集，经过高细分主轴旋转模块实现360度旋转扫描来获取高精准空间三维位置数据和二维色彩图像，经过立体信息处理器合成出旋转空间内所有像素点的空间三维位置及色彩数据(X、Y、Z、RGB)，合成后的数据可直接用于混合识别和智能应用，也可通过RJ45或无线3G输出给第三方用户。该系统具有精度高、扫描范围大、环境适应性强、应用范围广和实现工艺简单等特点。

Description

旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统

技术领域：

本发明涉及一种旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统，属于模式识别和人工智能领域，用于高速精准获得目标物体空间三维位置色彩数据。

背景技术：

目前，空间识别定位在模式识别、高精度检测、自动化和人工智能等领域应用范围越来越广，对行业的发展也起着举足轻重的作用。现行的空间定位大多使用面阵式三维扫描仪或基于多目视觉成像为主要手段来获得目标物体的三维位置数据，常用的方法是将扫描仪放置一特定位置，调整环境光源和扫描距离以保证目标物体在取景范围内，此种方式存在以下缺陷：

1.空间定位精度低：由于采用面阵扫描，利用面阵的像素来决定被测目标物体的分辨率，由于加工工艺复杂，面阵的有效像素1280×1024已是比较高，显然，已无法满足高精度空间定位，对于多目视觉成像一般在5米以外较远距离甚至很难测量；

2.扫描范围存在局限性：目前的方法都是基于面阵而设计，由于面阵的有效像素一定，在保证扫描精度的前题下，已经不能再扩大扫描范围；

3.环境适应性差：基于多目视觉成像技术，环境光源和扫描距离变化对空间定位影响较大，有效距离也有限制；

4.空间位置色彩合成和混合识别能力差：三维扫描仪是利用激光的直线传播和激光测距原理进行空间定位，反馈不含色彩信息，靠激光面阵或CCD面阵单一技术很难实现色彩和空间位置的合成，更不可能通过三维空间识别和二维图像识别进行混合识别来提高识别的精准度；

为了提高空间识别定位精度、扫描范围更加灵活、环境适应能力更强、更加有利于位置色彩合成和混合识别能力，本发明提出了一种全新的空间三维定位方法和应用该方法实现的一种旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统。

发明内容：

本发明的目的就是在于克服现有技术的不足和缺陷，提出了一种全新的空间三维识别定位方法和应用该方法实现的一种旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统，本发明是通过以下技术方案实现的：

整套系统由激光线阵发射模块1、云台激光接收模块2、CCD线阵采集模块3、主轴旋转模块4、立体信息处理器5和附属模块6六大部分组成。

激光线阵发射模块1由激光平行光源11、激光线阵屏幕12、激光线阵可变焦距透镜组13和激光线阵控制器14组成。本发明所使用的激光平行光源11也叫激光平行光管；激光线阵屏幕12是以透过型液晶线阵为核心器件，与液晶面阵相比，液晶线阵的像素数要远高于液晶面阵的单行像素数，根据需要也可使用反射型液晶线阵或微镜DMD线阵实现此功能；激光线阵控制器14是由DSP和CPLD做为主要元件组成的高速电路控制器，用以控制线阵屏幕12像素点的开与闭；激光线阵可变焦距透镜组13是一组光学透镜，类似于镜头，可根据扫描范围、目标物体8远近变化来变换焦距，透镜组13为可更换，与线阵屏幕12为螺纹连接。具体结构如图1所示，激光平行光源11、激光线阵屏幕12、激光线阵可变焦距透镜组13顺序排列。

云台激光接收模块2由激光接收器21、激光接收可变焦距透镜组22和激光接收角度云台23组成。激光接收角度云台23可根据激光线阵12发射方向来调整最佳接收范围，由立体信息处理器5来进行集中控制；激光接收可变焦距透镜组22原理同激光线阵可变焦距透镜组13。

CCD线阵采集模块3由CCD线阵采集器31和CCD线阵可变焦距透镜组32组成。

主轴旋转模块4由旋转盘42、伺服电机45、减速机43、旋转轴高精度角度编码器41、转盘滚动平衡装置44和安装平台46组成，具体结构为(图2)：减速机43安装在伺服电机45上，与伺服电机45同轴，用来提高伺服电机45圆周细分数和消除机械误差；旋转轴高精度角度编码器41与安装平台46固定，内圆心与减速机43同轴安装，用以检测旋转盘42实际位移角度，信号直接反馈于立体信息处理器5；转盘滚动平衡装置44安装于旋转盘42下平面，与安装平台46上平面滚动摩擦。

附属模块6由通风系统61和配重组成62。通风系统61可加快主机机体7内部空气流通起到降温作用，配重62用来调整主机机体7内部重量达到平衡，保证旋转平稳，更有利于精度控制。

其主要技术方案为：

线阵扫描：以激光线阵发射模块1和云台激光接收模块2的初始扫描点为空间三维坐标原点，通过激光线阵发射模块1和云台激光接收模块2运用激光测距原理来获取激光线阵屏幕12每个像素点到目标物体8的距离数据和空间三维位置数据，同时图像采集单元51通过CCD线阵采集器31采集高精度线阵色彩图像数据，数据存储在立体信息处理器5的数据库内。

旋转细分：主轴旋转模块4根据预先设定的旋转扫描角度a每次以特定的转角a·b/n(n为预先设定的扫描精度细分，b为减速机减速比，n值越大，扫描分辨率越高)进行步进式旋转线阵扫描(图6)，在此过程中旋转轴高精度角度编码器41进行实时检测，异常报警，直到达到旋转扫描角度a，根据需要角度a可以为360度，至此旋转扫描工作完成，数据采集和测量完毕。

数据合成：经过主轴旋转模块4旋转扫描获取的空间三维位置数据和二维色彩图像数据进行除噪和滤波等预处理，将获取的二维色彩图像利用图像处理技术变换比例和偏移量与空间三维位置数据匹配，经过立体信息处理器5合成出旋转空间内所有像素点的空间三维位置及色彩数据(X、Y、Z、RGB)，合成后的数据可直接用于混合识别和智能应用，也可通过RJ45或无线3G输出给第三方用户。

本发明的有益效果是：

1.高精准空间三维定位：利用二维高像素线阵扫描，经过高细分主轴旋转模块4，实现高精度空间三维定位，理论精度可达到无穷大；

2.360度空间扫描：通过主轴旋转模块4可对空间环境实施360度全方位立体式扫描；

3.环境适应性更强：受环境光源和扫描距离等因素影响较小，甚至没有影响；

4.应用范围更广：可直接将输出信息应用于空间环境识别、工业机器人、自动化设备、检测仪器、逆向工程、AGV小车及人工智能等领域；

5.实现工艺简单：线阵加工工艺相比面阵简单，易于加工出高品质产品，且成本低，其它驱动器件如伺服电机45、减速机43及角度编码器41等为标准件，技术较为成熟，实施相对容易。

附图说明：

图1：系统主机机体俯视结构图

图2：系统主轴旋转模块左视图

图3：系统控制原理图

图4：系统主程序控制流程图

图5：系统线阵采集扫描示意图

图6：系统空间立体扫描示意图

其中：

1-激光线阵发射模块 2-云台激光接收模块 3-CCD线阵采集模块 4-主轴旋转模块

5-立体信息处理器 6-附属模块 7-主机机体 8-目标物体 11-激光平行光源

12-激光线阵屏幕 13-激光线阵可变焦距透镜组 21-激光接收器

22-激光接收可变焦距透镜组 23-激光接收角度云台 31-CCD线阵采集器

32-CCD线阵可变焦距透镜组 41-旋转轴高精度角度编码器 42-旋转盘 43-减速机

44-旋转滚动平衡装置 45-伺服电机 46-安装平台 51-图像采集单元

61-通风系统 62-配重

具体实施方式：

下面结合附图4对旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统作进一步描述，具体实现步骤如下：

第一步：准备工作，调整各透镜组(12、22、32)以确定扫描目标8纵向线阵的最佳取景范围，确定起始扫描原点位置，输入旋转扫描角度a和扫描精度细分n；

第二步：激光线阵1逐点扫描测距，根据起始扫描原点位置计算空间三维坐标位置，CCD线阵3扫描获取色彩信息，将获取的信息数据存入立体信息处理器5数据库；

第三步：等待线阵扫描完毕，伺服电机45旋转细分角度a·b/n(n为预先设定的扫描精度细分，b为减速机43减速比，n值越大，扫描分辨率越高)，判断激光接收角度云台23是否在激光接收范围内，不在接收范围内调整激光接收角度云台23位置；

第四步：等待伺服电机45细分角度a·b/n旋转完成和激光接收角度云台23调整完成，检查旋转轴高精度编码器41实际旋转角度与伺服电机45的理论角度是否相符，即实际旋转角度检测；

第五步：循环第二步、第三步、第四步，直到旋转轴高精度编码器41检测到实际旋转角度大于或等于第一步旋转扫描角度a；

第六步：读取立体信息处理器5数据库中空间三维位置数据和二维色彩图像数据，通过变换二维色彩图像的比例和偏移量与空间三维位置坐标进行匹配，再将空间三维位置数据和二维色彩数据合成空间三维位置色彩信息(X、Y、H、RGB)；

第七步：为可选项、本系统的功能扩展，进行目标的模式识别，根据识别的目标不同模式识别子程序有相应变化，如不进行识别操作可直接转入第八步；

第八步：将合成后的信息数据或模式识别后的数据通过RJ45或无线3G模块输出给第三方用户。

Claims

1.一种旋转式激光视觉线阵空间识别定位系统，包括激光线阵发射模块、云台激光接收模块、CCD线阵采集模块、主轴旋转模块、立体信息处理器和附属模块六大部分，其中激光线阵发射模块由激光平行光源、激光线阵屏幕、激光线阵可变焦距透镜组和激光线阵控制器组成，云台激光接收模块由激光接收器、激光接收可变焦距透镜组和激光接收角度云台组成，CCD线阵采集模块由CCD线阵采集器和CCD线阵可变焦距透镜组组成，主轴旋转模块由旋转盘、伺服电机、减速机、旋转轴高精度角度编码器、转盘滚动平衡装置和安装平台组成，附属模块由通风系统和配重组成，其特征在于：图像采集单元位于立体信息处理器内。