CN215280457U - 激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统，其装置包括：安装于光学平台上的支撑架；安装在支撑架上的水平运动机构、垂直运动机构；激光发射器发射的激光束朝向靠近双屏激光靶的方向，且激光束的入射方向与双屏激光靶中相对设置的前、后屏的延展方向垂直；伺服板驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制激光发射器持续发射激光束至双屏激光靶的前、后屏，以使得激光束垂直射入前、后屏形成光斑。本实用新型方便，高效、准确地对激光靶进行自动标定。

Description

激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统

技术领域

本实用新型涉及激光靶技术领域，尤指一种激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统。

背景技术

目前，国内外大部分的地铁隧道掘进都是采用盾构机进行掘进，而盾构机是由自动导向系统给其指引方向。现在自动导向系统基本采用激光靶法，因其方便快捷，精度高及其稳定可靠。施工时，盾构机只能前进，无法后退，因此对盾构机位姿要求很高，其必须沿着设计路线前进才能保证隧道顺利的贯通，一旦最终的贯通误差超出了允许的最大偏差限制，就会因为隧道管线对接而导致整个工程的失败，所以在施工过程中对其导向系统有较高的要求。

激光靶是导向系统中重要的测量模块，所以激光靶的标定成为自动导向系统精准测量的基础。激光靶标定的目的是让光斑质心与坐标一一对应，每一个激光靶组装时机械结构的相对位置不尽相同，所以每个激光靶都需要标定，从而确定在这种组装下光斑质心与坐标的对应关系。

目前双屏激光靶的标定方法都较为复杂，通常采用全站仪辅助标定，导致整个标定过程效率和准确率低下，影响导向效果。如何方便，高效、准确地对激光靶进行自动标定是本领域术人员的长期诉求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统，实现方便，高效、准确地对激光靶进行自动标定。

本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型提供一种激光靶辅助标定装置，包括：

伺服板、激光发射器、安装于光学平台上的支撑架；

安装在所述支撑架上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

所述水平运动机构包括水平导轨和沿所述水平导轨左右滑移的水平滑块；

所述水平驱动机构与所述水平滑块连接以驱动所述水平滑块移动；

所述垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨和垂直滑块，所述垂直滑块沿所述垂直导轨上下滑移，所述水平导轨安装在所述垂直滑块上；

所述垂直驱动机构与所述垂直滑块连接以驱动所述垂直滑块移动；

所述激光发射器紧固安装于所述水平滑块上，所述激光发射器发射的激光束朝向靠近双屏激光靶的方向，且所述激光束的入射方向与所述双屏激光靶中相对设置的前、后屏的延展方向垂直；

所述伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制所述激光发射器持续发射激光束至双屏激光靶的前、后屏，以使得激光束垂直射入所述前、后屏形成光斑。

本实用新型还提供一种激光靶标定系统，包括：处理器、光学平台、安装于所述光学平台上的双屏激光靶和激光靶辅助标定装置；所述双屏激光靶包括：

箱体、第一成像机构、第二成像机构；

所述箱体包括相对设置的前屏和后屏；

所述第一成像机构设于所述箱体上，且第一成像机构的视野正对所述前屏以拍摄所述前屏上的光斑得到前屏光斑图像；

所述第二成像机构设于所述箱体上，且第二成像机构的视野正对所述后屏以拍摄所述后屏上的光斑得到后屏光斑图像；

所述激光靶辅助标定装置包括：

伺服板、支撑架、激光发射器；

安装在所述支撑架上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

所述水平运动机构包括水平导轨和沿所述水平导轨左右滑移的水平滑块；

所述水平驱动机构与所述水平滑块连接以驱动所述水平滑块移动；

所述垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨和垂直滑块，所述垂直滑块沿所述垂直导轨上下滑移，所述水平导轨安装在所述垂直滑块上；

所述垂直驱动机构与所述垂直滑块连接以驱动所述垂直滑块移动；

所述激光发射器紧固安装于所述水平滑块上，所述激光发射器发射的激光束朝向靠近双屏激光靶的方向，且所述激光束的入射方向与所述双屏激光靶中相对设置的前、后屏的延展方向垂直；

所述伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制所述激光发射器持续发射激光束至双屏激光靶的前、后屏，以使得激光束垂直射入所述前、后屏形成光斑。

通过本实用新型提供的一种激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统，能够方便，高效、准确地对激光靶进行自动标定。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种激光靶辅助标定装置和激光靶标定系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型一种激光靶辅助标定装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型的双屏激光靶、激光靶辅助标定装置的布局示意图；

图3是本实用新型的双屏激光靶的结构示意图；

图4本实用新型的双屏激光靶的成像机构的内部结构示意图；

图5本实用新型的激光束投射在双屏激光靶的前、后屏的示意图；

图6本实用新型的激光靶坐标系定义示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本实用新型的一个实施例，如图1所示，一种激光靶辅助标定装置25，包括：

伺服板、安装于光学平台6上的支撑架8，以及激光发射器14；

安装在支撑架8上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

具体的，光学平台6是又称光学面包板、光学桌面，可以提供水平、稳定的台面，光学平台6的台面与基准面水平，即光学平台6的台面与地表水平面平行。将支撑架8安装在光学平台6上，可以使得激光靶辅助标定装置25整体水平安装在光学平台6。

水平运动机构包括水平导轨10和沿水平导轨10左右滑移的水平滑块13；

水平驱动机构与水平滑块13连接以驱动水平滑块13移动；

垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨17和垂直滑块26，垂直滑块26沿垂直导轨17上下滑移，水平导轨10安装在垂直滑块26上；

垂直驱动机构与垂直滑块26连接以驱动垂直滑块26移动；

激光发射器14紧固安装于水平滑块13上，激光发射器14发射的激光束19朝向靠近双屏激光靶27的方向，且激光束19的入射方向与双屏激光靶27中相对设置的前、后屏1的延展方向垂直；

具体的，由于水平滑块13安装在水平导轨10上，因此水平滑块13沿着水平导轨10左右滑移的时候，水平滑块13就会带动紧固安装在水平滑块13上的激光发射器14、角度测量机构15沿着水平导轨10的延展方向左右移动。另外，由于水平导轨10通过垂直滑块26安装在立式的垂直导轨17上，使得垂直导轨17与水平导轨10连通，这样垂直滑块26沿着垂直导轨17上下滑移的时候，会带动安装在垂直滑块26上的水平滑块13移动，进而水平滑块13就会带动紧固安装在水平滑块13上的激光发射器14、角度测量机构15沿着垂直导轨17的延展方向上下移动。因此，水平滑块13会带动激光发射器14、角度测量机构15会在水平导轨10、垂直导轨17形成的二维导轨上实现二维运动(垂直、水平移动)。

伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块13在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制激光发射器14持续发射激光束19至双屏激光靶27的前、后屏1，以使得激光束19垂直射入前、后屏1形成光斑。

具体的，垂直驱动机构包括垂直电机12和垂直传动机构，水平驱动机构包括水平电机11和水平传动机构。伺服板分别与垂直电机12和水平电机11连接，水平电机11通过水平传动机构与水平导轨10连接，垂直电机12通过垂直传动机构与垂直导轨17连接。伺服板与垂直、水平驱动机构连接，此处的伺服板数量可以是一个，也可以是两个(分别为水平伺服板和垂直伺服板)。伺服板(或者水平伺服板)发送驱动指令给水平驱动机构的水平电机11，以控制水平电机11按照驱动指令进行正反转动(即逆时针旋转和顺时针旋转)，水平电机11正反转动并通过水平传动机构带动水平滑块13沿着水平导轨10向左或者向右滑移。伺服板(或者垂直伺服板)发送驱动指令给垂直驱动机构的垂直电机12，以控制垂直电机12按照驱动指令进行正反转动(即逆时针旋转和顺时针旋转)，垂直电机12正反转动并通过垂直传动机构带动垂直滑块26沿着垂直导轨17向左或者向右滑移。示例性的，传动机构可以是丝杠。

由于伺服板还会控制安装在水平滑块13上的激光发射器14持续发射激光束19至双屏激光靶27的前、后屏1，以使得激光束19垂直射入前、后屏1，并依次在前、后屏1上形成光斑。

本实施例中，激光靶辅助标定装置25通过伺服板配合控制驱动机构(包括水平、垂直驱动机构)和激光发射器14，能够通过水平、垂直导轨17和水平、垂直滑块26带动激光发射器14在靶面范围内移动实现自动标定，在一定程度上增加了有效靶面面积，扩大了双屏激光靶27的测量范围。无需拆除双屏激光靶27的前、后屏1就可实现自动标定获取标定数据表，可提高整个标定过程的效率和准确率。

本实用新型的一个实施例，如图2所示，一种激光靶标定系统，包括：

处理器、光学平台6、安装于光学平台6上的双屏激光靶27和激光靶辅助标定装置25；

双屏激光靶27包括：

箱体18、第一成像机构3、第二成像机构1；

箱体18包括相对设置的前屏2和后屏1；

第一成像机构3设于箱体18上，且第一成像机构3的视野正对前屏2以拍摄前屏2上的光斑得到前屏光斑图像；

第二成像机构1设于箱体18上，且第二成像机构1的视野正对后屏1以拍摄后屏1上的光斑得到后屏光斑图像；

具体的，顶管机导向用的双屏激光靶27设置于顶管机内部，与顶管机形成稳定的刚体连接。双屏激光靶27包括箱体18、第一成像机构3、第二成像机构1以及置于箱体18内的倾角机构。

如图3所示，箱体18包括框架22、框架底板、侧板23、前屏2和后屏1，侧板23、前屏2和后屏1安装在框架22上形成闭环，框架底板设置于闭环的下端口。

倾角机构置于箱体18内，倾角机构可设置在箱体18的框架22内侧，也可设置在侧板23内侧。当然，基于前述实施例倾角机构包括防护支架和倾角测量传感器，倾角测量传感器通过防护支架安装于框架底板上。倾角机构优选安装于框架底板上且位于双屏激光靶27的机械中心处，倾角机构实现测量双屏激光靶27的角度参数，角度参数包括俯仰角和滚转角，以便后续测量顶管机的姿态角。

第一成像机构3和第二成像机构1的内部结构相同，可以安装在框架22上方且采用对设结构，即第一成像机构3和第二成像机构1的安装点连接线与前、后屏1中心点连接线平行。

如图4所示，第一成像机构3和第二成像机构1包括防水头49、相机防护外壳40、防护端盖45、工业相机41、滤光片42、防护玻璃43和安装支架44，滤光片42能够有效去除杂光，增强成像效果。防护玻璃43采用方形高透玻璃片，对工业相机41进行防水和防尘保护。第一成像机构3通过安装支架44安装在后屏1上方，第二成像机构1通过安装支架44安装在前屏2上方。示例性的，延续上述实施例，第一成像机构3通过安装支架44固定在双屏激光靶27的后屏1顶部的框架22上方，第二成像机构1通过安装支架44固定在双屏激光靶27的前屏2顶部的框架22上方。

基于前述实施例，前屏2采用透明基板，后屏1采用非透明基板。示例性的，前屏2材料采用高透的亚克力、PS有机板、PET板等透明基板，使得激光能够穿透前屏2并留下清晰的光斑。后屏1材料采用白色磨砂亚克力、PS有机板、PET板等非透明基板，将激光的入射光斑成像。

激光靶辅助标定装置25包括：

伺服板、支撑架8、激光发射器14；

安装在支撑架8上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

水平运动机构包括水平导轨10和沿水平导轨10左右滑移的水平滑块13；

水平驱动机构与水平滑块13连接以驱动水平滑块13移动；

垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨17和垂直滑块26，垂直滑块26沿垂直导轨17上下滑移，水平导轨10安装在垂直滑块26上；

垂直驱动机构与垂直滑块26连接以驱动垂直滑块26移动；

激光发射器14紧固安装于水平滑块13上，激光发射器14发射的激光束19朝向靠近双屏激光靶27的方向，且激光束19的入射方向与双屏激光靶27中相对设置的前、后屏1的延展方向垂直；

伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块13在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制激光发射器14持续发射激光束19至双屏激光靶27的前、后屏1，以使得激光束19垂直射入前、后屏1形成光斑；

具体的，本实施例中与上述实施例相同的部分参见上述实施例，在此不再一一赘述。本实用新型中激光发射器14发射的激光是一束准直激光，处理器包括图像识别模块、转换计算模块和姿态计算模块。激光发射器14将激光束19发射至双屏激光靶27的靶面(即前屏2)处，激光在前屏2处会形成第一个光斑，部分余光射到后屏1上会形成第二个光斑，第一成像机构3会拍摄前屏2上的光斑得到前屏光斑图像，第二成像机构1会拍摄后屏1上的光斑得到后屏光斑图像。

控制器，用于在垂直、水平滑块13沿着所在导轨上移动的过程中，控制第一、第二成像机构1分别同步持续拍摄若干前、后屏光斑图像；

具体的，在垂直滑块26沿着垂直导轨17上下滑移的过程中，和/或水平滑块13沿着水平导轨10左右滑移的过程中，均可控制第一成像机构3持续拍摄获取前屏光斑图像，以及控制第二成像机构1持续拍摄获取后屏光斑图像，同一时刻的前屏光斑图像和后屏光斑图像组成双屏光斑图像对。即，不论是只有垂直滑块26沿着垂直导轨17滑移，还是只有水平滑块13沿着水平导轨10滑移，还是水平滑块13沿着水平导轨10滑移的同时垂直滑块26沿着垂直导轨17滑移，第一、第二成像机构1均分别同步持续拍摄获取前、后屏光斑图像。

处理器，用于对所有前、后屏光斑图像进行识别得到光斑质心的映射点，根据光斑质心及其映射点的坐标数据生成标定数据表；

其中，标定数据表包括映射点在像素坐标系下的像素坐标，与光斑质心在激光靶坐标系下的空间坐标的映射关系。

具体的，处理器与第一成像机构3、第二成像机构1连接，分别从第一成像机构3、第二成像机构1处获取连续拍摄获取的所有前、后屏光斑图像。优选的，将获取的所有前、后屏光斑图像按照拍摄时刻进行分组得到若干双屏光斑图像对，每一组双屏光斑图像对包括同一拍摄时刻的前屏光斑图像和后屏光斑图像。对当前时刻的双屏光斑图像对进行图像识别得到当前时刻的前屏光斑质心20和后屏光斑质心21，依次类推，可以得到各拍摄时刻的双屏光斑图像对所属的光斑质心对(包括前屏光斑质心20和后屏光斑质心21)。然后，处理器可计算获取各拍摄时刻光斑质心在激光靶坐标系下的空间坐标，以及计算获取各拍摄时刻光斑质心的映射点在像素坐标系下的像素坐标，进而根据映射点在像素坐标系下的像素坐标，与光斑质心在激光靶坐标系下的空间坐标的映射关系生成标定数据表。

本实施例中，激光靶辅助标定装置25通过伺服板配合控制驱动机构(包括水平、垂直驱动机构)和激光发射器14，能够通过水平、垂直导轨17和水平、垂直滑块26带动激光发射器14在靶面范围内移动实现自动标定，在一定程度上增加了有效靶面面积，扩大了双屏激光靶27的测量范围。无需拆除双屏激光靶27的前、后屏1就可实现自动标定获取标定数据表，可提高整个标定过程的效率和准确率。

另外，由于激光束19的入射方向与双屏激光靶27中相对设置的前、后屏1的延展方向垂直，并且双屏激光靶27和激光靶辅助标定装置25均设置在光学平台6上，因此，在标定过程中激光发射器14发射的激光束19会始终垂直于双屏激光靶27的靶面，使前后屏1上形成的光斑更加清晰，增强了相机成像效果，解决了标定复杂，计算不精准的技术难题，使得标定数据准确性更高，从而提高了双屏激光靶27的导向精度。最后，本实用新型可以实现双屏激光靶27前后屏1的同时标定以提高标定效率，并且无需拆除双屏激光靶27的前、后屏1就可自动标定，又进一步提高了标定效率。

优选的，水平滑块13上还可安装有角度测量机构15。当然，水平滑块13上可安装移动件，在移动件上安装激光发射器14。

优选的，光学平台的台面上设有均匀分布的至少三个脚螺旋旋钮；

支撑架通过所述至少三个脚螺旋旋钮安装在所述光学平台。

具体的，如图2所示，光学平台6包括左侧台面和右侧台面，光学平台6的左侧台面设有至少三个脚螺旋旋钮7，至少三个脚螺旋旋钮7在光学平台6上均匀分布，支撑架通过脚螺旋旋钮7安装在左侧台面。

优选的，还包括：调节平台；

所述调节平台包括：基板、平台底板和安装螺钉；

光学平台的台面上还设有安装孔位；

所述双屏激光靶的底部设有激光靶固定孔位；

所述基板和平台底板贯穿设有螺纹通孔，所述安装螺钉分别与激光靶固定孔位、螺纹通孔相适配；

所述双屏激光靶通过安装螺钉、螺纹通孔、激光靶固定孔位安装于所述调节平台；

所述调节平台通过安装螺钉和安装孔位安装在光学平台的台面上。

具体的，如图2所示，光学平台6包括左侧台面和右侧台面；光学平台6的右侧台面设有安装孔位，双屏激光靶27的底部设有激光靶固定孔位，基板和平台底板贯穿设有螺纹通孔，安装螺钉的一端与激光靶固定孔位，安装螺钉的另一端螺纹通孔相适配，双屏激光靶27通过安装螺钉、螺纹通孔、激光靶固定孔位与调节平台连接，调节平台通过安装螺钉和安装孔位安装在光学平台6的右侧台面上，安装螺钉旋合在安装孔位内，旋转安装螺钉可调整双屏激光靶27相对于基台的水平高度、俯仰角度和横滚角度，实现双屏激光靶27靶面与激光束19垂直。

优选的，调节安装螺钉和脚螺旋旋钮7，并对比角度测量机构15的数值，实现激光束19与双屏激光靶27的靶面垂直。

基于前述实施例，还包括：左侧支撑板和右侧支撑板；

第一左侧支撑板30设于支撑架8上且安装在一垂直导轨17的一侧，第一右侧支撑板31设于支撑架8上且安装在另一垂直导轨17的一侧；或，

具体的，如图1所示，第一左侧支撑板30和第一右侧支撑板31分别固定安装在两个并列设置的垂直导轨17的一侧，可增加垂直导轨17的抗弯强度和稳定性。

第一、第二左侧支撑板设于支撑架8上且分别安装在一垂直导轨17的两侧，第一、第二右侧支撑板设于支撑架8上且分别安装在另一垂直导轨17的两侧。

具体的，第一、第二左侧支撑板分别固定安装在左侧的垂直导轨17的两侧，可增加左侧的垂直导轨17的抗弯强度和稳定性。第一、第二右侧支撑板分别固定安装在右侧的垂直导轨17的两侧，可增加右侧的垂直导轨17的抗弯强度和稳定性。

本实施例中，通过支撑板可增强垂直导轨17的抗弯程度，进而提高激光靶辅助标定装置25在光学平台6上的稳定性，减小激光发射器14的晃动程度，进而进一步保障激光发射器14发射的激光束19始终垂直于靶面，使光斑更加清晰，提高光斑成像质量，进而提高标定准确率。

基于前述实施例，还包括：限位件；

水平导轨10、垂直导轨17的两端分别设置有限位件。

具体的，如图1所示，水平导轨10(垂直导轨17)的两端分别设置有限位件，可以强制不让水平滑块13(垂直滑块26)在移动过程中与水平导轨10(垂直导轨17)分离，对欲滑出水平导轨10(垂直导轨17)的水平滑块13(垂直滑块26)进行抵挡，达到限位防拆的功能。

基于前述实施例，伺服板包括：

第一处理模块，将水平、垂直滑块26在二维移动范围内分别沿着所在导轨往复移动，确定并储存双屏激光靶27的靶面范围；

其中，二维移动范围包括水平、垂直滑块26分别对应的移动范围，且二维移动范围大于靶面范围。

具体的，靶面范围其实是前屏2、后屏1的屏幕显示范围。控制水平导轨10和垂直导轨17移动至初始位置，即双屏激光靶27的标定零位，并在双屏激光靶27的前屏2建立激光靶坐标系。如图3所示，该激光靶坐标系以双屏激光靶27的标定零位为坐标原点，与水平滑块13的移动方向平行的直线为X轴，与垂直滑块26的移动方向平行的直线为Z轴，垂直于双屏激光靶27的靶面的直线为Y轴，坐标轴的单位为m。然后，将水平滑块13沿着水平导轨10往复移动，直至与水平导轨10上两端的限位件接触为止得到水平滑块13的移动范围。将垂直滑块26沿着垂直导轨17往复移动，直至与垂直导轨17上两端的限位件接触为止得到垂直滑块26的移动范围。

由于二维移动范围大于靶面范围，因此，水平、垂直滑块26根据二维移动范围进行移动时，可能会出现激光发射器14所发射的激光束19不在靶面范围内，进而导致激光束19无法在双屏激光靶27的靶面上形成光斑，因此，伺服板需要控制水平、垂直滑块26分别沿着所在导轨往复移动，并实时从双屏激光靶27的第一成像机构3和/或第二成像机构1处获取采集的图像数据，对图像数据进行图像识别判断是否存在光斑，若图像数据不存在光斑则查找处所有不存在光斑的图像数据的目标拍摄时间。

由于水平、垂直滑块26移动的过程中，第一、第二成像机构1会同步持续拍摄，因此，图像数据的拍摄时间与水平、垂直滑块26在激光靶坐标系上的位置坐标是一一对应的关系，因此，可根据目标采集时间记录查找出水平、垂直滑块26移动过程中，激光束19无法在双屏激光靶27的靶面上形成光斑的目标位置坐标，然后，从二维移动范围中剔除目标位置坐标进而得到靶面范围。

本实施例中，确定并储存靶面范围，能够便于伺服板后续控制水平、垂直滑块26在靶面范围内递进移动，能够保证水平滑块13能够带动激光发射器14在靶面范围内发射激光束19，使得激光发射器14所发射的激光束19能够达到双屏激光靶27的靶面，由于需要获取激光束19投射到靶面的光斑图像生成标定数据表，因此通过本实施例可避免激光束19无法投射到靶面，进而提高靶面标定的效率。

伺服板还包括：

分割模块，用于将靶面范围等距分割为水平、垂直步进位移；

控制模块，用于根据水平、垂直步进位移驱动水平、垂直驱动机构转动，以带动水平、垂直滑块26在靶面范围内以位移递进方式沿着所在导轨移动。

具体的，由于靶面范围包括属于水平靶面范围和垂直靶面范围，而水平靶面范围属于水平滑块13的移动范围，垂直靶面范围属于垂直滑块26的移动范围，因此，伺服板可以将靶面范围等距分割为水平、垂直步进位移。

第一种情况：伺服板根据水平步进位移驱动水平驱动机构转动，以带动水平滑块13在靶面范围内，以位移递进方式沿着水平导轨10移动。示例性的，水平靶面范围为[x0，x1]，水平滑块13每次移动的距离即水平步进位移为Δx。

第二种情况：伺服板根据垂直步进位移驱动垂直驱动机构转动，以带动垂直滑块26在靶面范围内，以位移递进方式沿着垂直导轨17移动。示例性的，垂直靶面范围为[z0，z1]，垂直滑块26每次移动的距离即垂直步进位移为Δz。

第三种情况：伺服板根据水平步进位移驱动水平驱动机构转动，以带动水平滑块13在靶面范围内，以位移递进方式沿着水平导轨10移动，并且，伺服板根据垂直步进位移驱动垂直驱动机构转动，以带动垂直滑块26在靶面范围内，以位移递进方式沿着垂直导轨17移动。

基于前述实施例，控制器包括：

第二处理模块，用于在垂直滑块26或水平滑块13的每个移动结束时刻，分别控制第一、第二成像机构1拍摄，直至垂直滑块26和水平滑块13的已移动范围符合靶面范围为止。

具体的，垂直滑块26或水平滑块13每移动一次，会带动激光发射器14进行滑动，由于当激光发射器14位移变化时，成像光斑也会发生相应的移动，因此垂直滑块26或水平滑块13每移动一次，第一、第二成像机构1分别拍摄采集一次前、后屏光斑图像。由于伺服板根据水平、垂直步进位移控制水平、垂直滑块26在靶面范围内以位移递进方式沿着所在导轨移动，因此，拍摄获取的前、后屏光斑图像均与靶面范围的等距分割份数相同，并且，垂直滑块26或水平滑块13每次停止移动的时刻，第一、第二成像机构1会分别拍摄获取移动结束时刻对应的前、后屏光斑图像，直到垂直滑块26和水平滑块13的已移动范围符合靶面范围为止。

延续上述示例，由于靶面范围为水平靶面范围为[x0，x1]、垂直靶面范围为[z0，z1]，因此，第一成像机构3可以拍摄采集到(|x0-x1|/Δx)×(|z0-z1|/Δz)个前屏光斑图像，第二成像机构1可以拍摄采集到(|x0-x1|/Δx)×(|z0-z1|/Δz)个后屏光斑图像。

基于前述实施例，处理器包括：

识别获取模块，用于对各时刻的双屏光斑图像对进行图像识别得到前、后屏1的光斑质心的映射点，获取各时刻前、后屏1映射点在像素坐标系下的像素坐标；

具体的，坐标系定义的具体步骤如下：

如图4、图5所示，图像坐标系OtXtOYt映射的是激光束19即平行光，其光学中心为入射激光束19的交汇中心。我们定义一个相机坐标系OcXcYcZc，其原点O_c定义在相机的光学中心点处，O_cX_c方向和O_cY_c方向由相机像素变化方向决定，O_cZ_c方向由右手坐标系法则定义。工程坐标系为施工地的大地坐标系O_tX_tY_tZ_t，Z_t轴是垂直向上的，X_t轴和Y_t轴的方向参照当地的城市坐标系。

如图3所示，激光靶坐标系以双屏激光靶27的标定零位为坐标原点，与水平滑块13的移动方向平行的直线为X轴，与垂直滑块26的移动方向平行的直线为Z轴，垂直于双屏激光靶27的靶面的直线为Y轴，坐标轴的单位为m。

如图5所示，激光发射器14将激光束19发射至双屏激光靶27的靶面(即前屏2)处，激光在前屏2处会形成第一个光斑即前屏光斑质心20，部分余光射到后屏1上会形成第二个光斑即后屏光斑质心21，第一成像机构3会拍摄前屏2上的前屏光斑质心20得到前屏光斑图像，第二成像机构1会拍摄后屏1上的后屏光斑质心21得到后屏光斑图像。

双屏激光靶27的屏幕标定具体步骤如下：

在施工地环境中选择一个参考坐标系作为工程坐标系OtXtYtZt来描述相机和双屏激光靶27的位置，设该工程坐标系OtXtYtZt下存在一个目标点的坐标为(X，Y，Z)。双屏激光靶27屏幕的标定目的是根据前屏光斑质心20的映射点(u1，v1)，后屏光斑质心21的映射点(u2，v2)与激光靶坐标系OsXsYsZs的映射关系建立标定数据表。

由图6所示，以相机光点为坐标系原点O_c，O_cX_c和O_cY_c轴平行于图像的两条边，以光轴为Z轴所建立的坐标系。用点P_c(x_c，y_c，z_c)表示目标点Q在相机坐标系OcXcYcZc下的位置，用点P′(x，y)表示目标点Q在图像坐标系OtXtYt下的位置，用点P(u，v)表示目标点Q在像素坐标系OuOv下的位置。由于每一个像素在像素坐标系OuOv和图像坐标系OtXtOYt的坐标存在下列公式(1)所示的关系：

其中，(u0，v0)表示成像平面上的光学中心，(x，y)表示在图像坐标系OtXtOYt的图像坐标，(u，v)表示在像素坐标系OuOv的像素坐标。

由于目标点在工程坐标系OtXtYtZt与相机坐标系OcXcYcZc存在下列公式(2)所示的关系：

其中，(X_t，Y_t，Z_t，1)表示目标点Q投射在工程坐标系OtXtYtZt中的点P_t(x_t，y_t，z_t)的齐次坐标，(X_c，Y_c，Z_c，1)表示目标点Q投射在相机坐标系OcXcYcZc中的点P_c(x_c，y_c，z_c)的齐次坐标。

如图6所示，相机坐标系下的目标点Q投射在图像坐标系下的点为P。根据理想针孔成像模型，将它们之间关系写成齐次矩阵，具体计算如公式(3)所示：

其中，Z表示缩放因子，f表示相机光学中心到图像平面的距离，(x，y，1)表示点P′(x，y)在成像机构的图像坐标系OtXtOYt的齐次坐标，(X_c，Y_c，Z_c，1)表示点P_c(x_c，y_c，z_c)在相机坐标系OcXcYcZc的齐次坐标。

图像处理通常在像素坐标系OuOv下进行，(u，v)表示该激光束19在像平面上的成像位置，(u0，v0)表示成像平面上的光学中心，即相机坐标系OcXcYcZc的O_cZ_c轴与像平面的交点，图像坐标系OtXtOYt的x轴方向是列数标号增加的方向，而y轴方向是行数标号增加的方向，将它们之间关系写成齐次矩阵，具体计算如公式(4)所示：

其中，(u，v，1)表示点P(u，v)在像素坐标系中的齐次坐标，(u0，v0)代表光学中心在像素坐标系下的坐标，dx和dy分别表示像素点P(u，v)在图像坐标系OtXtOYt下横轴x和纵轴y的物理尺寸。

因此，根据公式1-公式4的像素坐标系OuOv和激光靶坐标系OsXsYsZs之间点的转换关系，将其写成齐次矩阵，具体计算如公式(5)所示：

其中，A为×的矩阵，其称为投影矩阵。A为相机内部参数矩阵，A为相机外部参数矩阵，(X_t，Y_t，Z_t，1)表示在工程坐标系OtXtYtZt下点P(x_t，y_t，z_t)的齐次坐标，R表示工程坐标系OtXtYtZt到相机坐标系OcXcYcZc的姿态矩阵，t表示工程坐标系OtXtYtZt到相机坐标系OcXcYcZc的平移向量。

对于每一个标记点，具体计算如公式(6)所示：

其中，(X_si，Y_si，Z_si，1)表示在工程坐标系OtXtYtZt下空间第i个点的齐次坐标的坐标，(u_i，v_i，1)表示在像素坐标系OuOv下空间第i个点的齐次坐标的坐标，aij表示投影矩阵A的第i行j列元素。

由此，建立起了激光靶坐标系上光斑质心的空间坐标到像平面上光斑质心的映射点的像素坐标的函数关系具体如公式(7)所示：

其中，X_si，Y_si，Z_si分别表示在激光靶坐标系下空间第i个点在x轴、y轴和z轴的齐次坐标的坐标，u_i，v_i分别表示在像素坐标系OuOv下空间第i个点在u轴和v轴的齐次坐标的坐标，aij表示投影矩阵A的第i行j列元素。

因此，当激光发射器14的位移变化时，成像光斑也会发生相应的移动，且由于图像坐标系下光斑质心(u1，v1)，(u2，v2)与激光靶坐标系下(x，y，z)具有唯一的映射关系，这个映射关系亦可称为坐标转换矩阵系数。

优选的，根据像素坐标系与激光靶坐标系的关联可生成标定数据表。后续通查询标定数据表即可快速由第一、第二成像机构1所拍摄获取的前、后屏光斑图像计算获取双屏激光靶27的姿态角。

对前、后屏光斑图像进行图像识别查找到前、后屏光斑质心21的映射点，根据映射点的像素坐标计算得到光斑质心的世界坐标。映射点的识别查找步骤包括：对整个前、后屏光斑图像分别进行搜索确定主光斑位置，在主光斑位置的预设范围区域进行边界提取，将包围主光斑的环形区域确定为计算范围。根据计算范围和加权质心法，识别查找到前、后屏光斑质心21的映射点。

坐标获取模块，用于获取各时刻在激光靶坐标系下前、后屏光斑质心21的空间坐标；

生成模块，用于将各时刻前、后屏1映射点的像素坐标，分别与对应时刻前、后屏光斑质心21的空间坐标建立映射关系，得到各时刻光斑质心和映射点的映射关系以生成标定数据表。

具体的，光斑质心具体计算步骤如下：

首先搜索整个像面，对整个图像进行连通域标记，确定主光斑位置，然后通过在连通域确定的主光斑范围边界附近使用Sobel算子进行边界提取，得到包围光斑的环形区域作为质心法的计算范围，最后在确定的计算区域内使用加权质心法，利用图像灰度值f(x，y)的平方作为权值，设图像有效区域M×N个像素，将图像有效区域的质心作为目标点的像面坐标，理想的光斑质心即为光斑的中心(x0，y0)。

具体的公式(8)描述如下：

其中，f(x，y)为图像坐标系OtXtOYt下的点P′(x，y)的图像灰度值，(x0，y0)为在图像坐标系OtXtOYt下光斑中心的坐标值。

本实用新型第一成像机构3和第二成像机构1采用对设结构安装在框架22上方，分别照射前后屏1幕，在一定程度上增加了有效靶面面积，扩大了方位角测量范围。本实用新型通过采用加权质心法获取光斑质心，其中心提取的稳定性和准确性更高，增强了光斑识别的正确性，为获得精准地顶管机姿态数据奠定基础。本实用新型通过查询标定数据表获得前后屏1空间坐标点，获取速度快，正确率高，由于标定数据表的高效性也能较大程度的提高识别判断顶管机姿态，进而提高隧道巷道内的工程施工进度，增强了顶管施工的正确性和效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。

本实用新型的一个实施例，一种存储介质，存储介质中存储有至少一条指令，指令由处理器加载并执行以实现上述激光靶标定方法对应实施例所执行的操作。例如，存储介质可以是只读内存(ROM)、随机存取存储器(RAM)、只读光盘(CD-ROM)、磁带、软盘和光数据存储设备等。

它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型不限制于任何特定的硬件和软件结合。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性、机械或其他的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本实用新型实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序121发送指令给相关的硬件完成，所述的计算机程序121可存储于一存储介质中，该计算机程序121在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序121可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序121的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如：在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读的存储介质不包括电载波信号和电信信号。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光靶辅助标定装置，其特征在于，包括：

伺服板、激光发射器、安装于光学平台上的支撑架；

安装在所述支撑架上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

所述水平运动机构包括水平导轨和沿所述水平导轨左右滑移的水平滑块；

所述水平驱动机构与所述水平滑块连接以驱动所述水平滑块移动；

所述垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨和垂直滑块，所述垂直滑块沿所述垂直导轨上下滑移，所述水平导轨安装在所述垂直滑块上；

所述垂直驱动机构与所述垂直滑块连接以驱动所述垂直滑块移动；

所述激光发射器紧固安装于所述水平滑块上，所述激光发射器发射的激光束朝向靠近双屏激光靶的方向，且所述激光束的入射方向与所述双屏激光靶中相对设置的前、后屏的延展方向垂直；

所述伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制所述激光发射器持续发射激光束至双屏激光靶的前、后屏，以使得激光束垂直射入所述前、后屏形成光斑。

2.根据权利要求1所述的激光靶辅助标定装置，其特征在于，还包括：左侧支撑板和右侧支撑板；

第一左侧支撑板设于所述支撑架上且安装在一垂直导轨的一侧，第一右侧支撑板设于所述支撑架上且安装在另一垂直导轨的一侧；或，

第一、第二左侧支撑板设于所述支撑架上且分别安装在一垂直导轨的两侧，第一、第二右侧支撑板设于所述支撑架上且分别安装在另一垂直导轨的两侧。

3.根据权利要求1所述的激光靶辅助标定装置，其特征在于，还包括：限位件；

所述水平导轨、垂直导轨的两端分别设置有限位件。

4.根据权利要求1-3任一项所述的激光靶辅助标定装置，其特征在于：

光学平台的台面上设有均匀分布的至少三个脚螺旋旋钮；

支撑架通过所述至少三个脚螺旋旋钮安装在所述光学平台。

5.一种激光靶标定系统，其特征在于，包括：处理器、光学平台、安装于所述光学平台上的双屏激光靶和激光靶辅助标定装置；所述双屏激光靶包括：

箱体、第一成像机构、第二成像机构；

所述箱体包括相对设置的前屏和后屏；

所述第一成像机构设于所述箱体上，且第一成像机构的视野正对所述前屏以拍摄所述前屏上的光斑得到前屏光斑图像；

所述第二成像机构设于所述箱体上，且第二成像机构的视野正对所述后屏以拍摄所述后屏上的光斑得到后屏光斑图像；

所述激光靶辅助标定装置包括：

伺服板、支撑架、激光发射器；

安装在所述支撑架上的水平运动机构、垂直运动机构、水平驱动机构和垂直驱动机构；

所述水平运动机构包括水平导轨和沿所述水平导轨左右滑移的水平滑块；

所述水平驱动机构与所述水平滑块连接以驱动所述水平滑块移动；

所述垂直运动机构包括两个并列设置的垂直导轨和垂直滑块，所述垂直滑块沿所述垂直导轨上下滑移，所述水平导轨安装在所述垂直滑块上；

所述垂直驱动机构与所述垂直滑块连接以驱动所述垂直滑块移动；

所述激光发射器紧固安装于所述水平滑块上，所述激光发射器发射的激光束朝向靠近双屏激光靶的方向，且所述激光束的入射方向与所述双屏激光靶中相对设置的前、后屏的延展方向垂直；

所述伺服板，用于驱动垂直、水平驱动机构转动以分别带动垂直、水平滑块在靶面范围内沿着所在导轨移动，且控制所述激光发射器持续发射激光束至双屏激光靶的前、后屏，以使得激光束垂直射入所述前、后屏形成光斑。

6.根据权利要求5所述的激光靶标定系统，其特征在于，还包括：左侧支撑板和右侧支撑板；

第一左侧支撑板设于所述支撑架上且安装在一垂直导轨的一侧，第一右侧支撑板设于所述支撑架上且安装在另一垂直导轨的一侧；或，

第一、第二左侧支撑板设于所述支撑架上且分别安装在一垂直导轨的两侧，第一、第二右侧支撑板设于所述支撑架上且分别安装在另一垂直导轨的两侧。

7.根据权利要求5所述的激光靶标定系统，其特征在于，还包括：限位件；

所述水平导轨、垂直导轨的两端分别设置有限位件。

8.根据权利要求5所述的激光靶标定系统，其特征在于：

光学平台的台面上设有均匀分布的至少三个脚螺旋旋钮；

支撑架通过所述至少三个脚螺旋旋钮安装在所述光学平台。

9.根据权利要求5-8任一项所述的激光靶标定系统，其特征在于，还包括：调节平台；

所述调节平台包括：基板、平台底板和安装螺钉；

光学平台的台面上还设有安装孔位；

所述双屏激光靶的底部设有激光靶固定孔位；

所述基板和平台底板贯穿设有螺纹通孔，所述安装螺钉分别与激光靶固定孔位、螺纹通孔相适配；

所述双屏激光靶通过安装螺钉、螺纹通孔、激光靶固定孔位安装于所述调节平台；

所述调节平台通过安装螺钉和安装孔位安装在光学平台的台面上。

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