專利名稱：一種二維小角度激光視覺精密測量裝置及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及二維小角度測量領域，特別涉及一種采用激光視覺測量技術的二維小 角度精密測量裝置及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
角度是傳統(tǒng)機械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中的重要幾何參數(shù)之一，它的準確 度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命，因而角度測量在幾何量測量中占據(jù)著重要的地位。尤其 是隨著航空、航天、大型裝備制造和大型建筑工程等領域的快速發(fā)展和需求，更體現(xiàn)出了二 維小角度測量的廣泛應用前景。比如在航天器飛行過程中，由于重力、太陽照射、機械振動 等因素的影響，有效載荷與基準的連接支臂會發(fā)生微小的形變，從而使有效載荷在相對于 基準的指向上產(chǎn)生小角度偏轉(zhuǎn)，影響有效載荷的工作性能。如果能夠準確地測量出該小角 度偏轉(zhuǎn)，就可以通過補償?shù)姆椒?，有效地減小甚至消除該影響。光學測角技術由于具有效率高、非接觸、精度高、靈敏度高等特點，成為目前二維 小角度測量研究與應用的主流技術。常用的光學測角方法有光學分度頭法、多面棱體法、光 電編碼器法、自準直法、光纖法、聲光調(diào)制法、圓光柵法、光學內(nèi)反射法、激光干涉法以及環(huán) 形激光法等。上述方法雖然精度高，但大都局限于一維角度測量，或者具有實現(xiàn)復雜、操作 不方便、測量動態(tài)范圍小等缺點，不能滿足航空、航天等測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足，擴大應用范圍、擴大測量動態(tài)范圍、實現(xiàn)簡單和操作方 便，本發(fā)明提供了一種二維小角度激光視覺精密測量裝置及其實現(xiàn)方法，一種二維小角度激光視覺精密測量裝置，所述裝置包括立體視覺傳感器、準直半 導體激光器、參考平面反射鏡和動平面反射鏡，所述參考平面反射鏡、所述準直半導體激光器和所述立體視覺傳感器固定連接在 基準面上；所述動平面反射鏡固定連接在動面上；所述參考平面反射鏡與所述動平面反射 鏡的初始狀態(tài)相互平行；所述準直半導體激光器發(fā)射的準直激光束斜射在所述動平面反射 鏡的反射面上，形成激光光斑，所述準直激光束在所述動平面反射鏡上形成至少兩個所述 激光光斑；所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，將圖像 數(shù)據(jù)傳輸給所述計算機；所述計算機進行圖像處理，實現(xiàn)所述激光光斑的提取和空間中心 定位，得到所述激光光斑之間的初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，結合所述準直激 光束初始入射角及所述激光光斑之間的空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，實現(xiàn)所述動面 相對所述基準面的小角度變化測量。所述立體視覺傳感器包括左攝像機和右攝像機。所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，將圖像數(shù) 據(jù)傳輸給所述計算機具體為所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，通過無線傳輸模式實時傳輸給所述計算機；或存儲于所述立體視覺傳感器內(nèi)存，通過有線傳輸模式 傳輸給所述計算機。一種二維小角度激光視覺精密測量實現(xiàn)方法，所述方法包括以下步驟(1)在基準面上固定連接參考平面反射鏡、準直半導體激光器和立體視覺傳感器， 并完成所述立體視覺傳感器的參數(shù)標定；(2)在動面上固定連接動平面反射鏡，并進行調(diào)整，使得所述動平面反射鏡與所述 參考平面反射鏡之間平行；(3)所述準直半導體激光器發(fā)射準直激光束，所述準直激光束斜射在所述動平面 反射鏡，并完成準直激光束初始入射角的測定；(4)根據(jù)坐標系的定義，將所述準直激光束初始入射角在兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行分 解；(5)所述準直激光束在所述動平面反射鏡與所述參考平面反射鏡之間進行反射， 并在所述動平面反射鏡上形成至少兩個激光光斑；(6)所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的激光光斑圖像，將圖像數(shù)據(jù) 傳輸給所述計算機；(7)所述計算機進行圖像處理，實現(xiàn)所述激光光斑的提取及中心定位；(8)根據(jù)所述立體視覺傳感器的參數(shù)和測量模型，測定所述動平面反射鏡上所述 激光光斑之間的初始空間距離；(9)根據(jù)坐標系的定義，將所述激光光斑之間的初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上 進行分解，獲取所述初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量；(10)所述動面相對所述基準面發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，所述動平面反射鏡相對所述參考 平面反射鏡進行同樣的小角度偏轉(zhuǎn)；(11)重復執(zhí)行步驟(6)至步驟(9)，實現(xiàn)所述動面偏轉(zhuǎn)后，所述動平面反射鏡上所 述激光光斑之間的空間距離的測量及在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分解，獲取所述空間距離在兩個 偏轉(zhuǎn)方向上的分量；(12)根據(jù)所述準直激光束初始入射角、所述初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分 量和所述空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，獲取所述動平面反射鏡相對所述參考平面反 射鏡的二維小角度變化，從而實現(xiàn)所述動面相對所述基準面的小角度測量。步驟(10)中的所述動面相對所述基準面發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，具體為所述動面相對所述基準面繞χ偏轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)或繞y偏轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)。本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是本發(fā)明提供了一種二維小角度激光視覺精密測量裝置及其實現(xiàn)方法，采用分別與 基準面和動面固定連接的參考平面反射鏡與動平面反射鏡，很好地反映動面相對基準面的 角度偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)簡單；準直激光束在參考平面反射鏡與動平面反射鏡之間多次反射，以動平 面反射鏡面上激光光斑的距離的變化反映角度偏轉(zhuǎn)，并以激光光斑為對象實現(xiàn)非接觸光學 測量；立體視覺測量實現(xiàn)精確的激光光斑間空間距離的快速測量，大視場像機對應著較大 的動態(tài)測量范圍，因此，可實現(xiàn)快速、高精度和大動態(tài)范圍二維小角度的測量；操作方便，實 現(xiàn)簡單，可滿足航空、航天等測量的要求，也可廣泛推廣應用。


圖1為本發(fā)明提供的二維小角度激光視覺精密測量裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的立體視覺傳感器的結構示意圖；圖3為本發(fā)明提供的參考平面反射鏡和動平面反射鏡間準直激光束初始及繞y偏 轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)反射光路的示意圖；圖4為本發(fā)明提供的二維小角度激光視覺精密測量實現(xiàn)方法的流程圖；圖5為本發(fā)明提供的立體視覺傳感器測量模型的示意圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下1 基準面2 動面3 參考平面反射鏡4 動平面反射鏡5 左攝像機6 右攝像機7 準直半導體激光器8 準直激光束9 激光光斑10 :x偏轉(zhuǎn)方向11 :y偏轉(zhuǎn)方向12 初始光束反射光路13 小角度偏轉(zhuǎn)光束反射光路14 小角度偏轉(zhuǎn)時的動平面反射鏡15 初始時第1個激光光斑16 初始時第η個激光光斑17:小角度偏轉(zhuǎn)時第1個激光光斑18 小角度偏轉(zhuǎn)時第η個激光光斑19 左攝像機圖像平面20 右攝像機圖像平面21 立體視覺傳感器
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方 式作進一步地詳細描述。為了克服現(xiàn)有技術的不足，擴大應用范圍、擴大測量動態(tài)范圍、實現(xiàn)簡單和操作方 便，本發(fā)明實施例提供了一種二維小角度激光視覺精密測量裝置，詳見下文描述參見圖1、圖2和圖3，該二維小角度激光視覺精密測量裝置包括立體視覺傳感器 21、準直半導體激光器7、參考平面反射鏡3和動平面反射鏡4，參考平面反射鏡3、準直半導體激光器7和立體視覺傳感器21固定連接在基準面 1上；動平面反射鏡4固定連接在動面2上；參考平面反射鏡3與動平面反射鏡4的初始狀 態(tài)相互平行；準直半導體激光器7發(fā)射的準直激光束8斜射在動平面反射鏡4的反射面上， 形成激光光斑9，準直激光束8在動平面反射鏡4上形成至少兩個激光光斑9 ；立體視覺傳 感器21采集動平面反射鏡4上的激光光斑9的圖像，將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機；計算機進 行圖像處理，實現(xiàn)激光光斑9的提取和空間中心定位，得到激光光斑9之間的初始空間距離 在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，結合準直激光束8初始入射角及激光光斑9之間的空間距離在 兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，實現(xiàn)動面2相對基準面1的小角度變化測量。其中，立體視覺傳感器21包括左攝像機5和右攝像機6。其中，動面2相對基準面1小角度偏轉(zhuǎn)可以為繞χ偏轉(zhuǎn)方向10小角度偏轉(zhuǎn)或繞 y偏轉(zhuǎn)方向11小角度偏轉(zhuǎn)。
一種二維小角度激光視覺精密測量實現(xiàn)方法，參見圖4和圖5，詳見下文描述101 在基準面1上固定連接參考平面反射鏡3、準直半導體激光器7和立體視覺 傳感器21，并完成立體視覺傳感器21的參數(shù)標定；其中，立體視覺傳感器21包括左攝像機5和右攝像機6，進一步地，完成立體視 覺傳感器21的參數(shù)標定具體為完成左攝像機參數(shù)、右攝像機參數(shù)及左攝像機和右攝像機 之間的結構參數(shù)的標定。102 在動面2上固定連接動平面反射鏡4，并進行調(diào)整，使得動平面反射鏡4與參 考平面反射鏡3之間平行；103 準直半導體激光器7發(fā)射準直激光束8，準直激光束8斜射在動平面反射鏡 4，并完成準直激光束8初始入射角的測定；104:根據(jù)坐標系的定義，將準直激光束8初始入射角在兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行分 解；本發(fā)明實施例中的坐標系以χ-y的二維坐標系為例進行說明，將準直激光束8初 始入射角在X、y兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行分解。105 準直激光束8在動平面反射鏡4與參考平面反射鏡3之間進行多次反射，并 在動平面反射鏡4上形成至少兩個激光光斑9 ；106:立體視覺傳感器21采集動平面反射鏡4上的激光光斑圖像，將圖像數(shù)據(jù)傳輸 給計算機；其中，立體視覺傳感器21將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機具體為立體視覺傳感器21通 過無線傳輸模式實時傳輸給計算機，或存儲于立體視覺傳感器21內(nèi)存通過有線傳輸模式 傳輸給計算機。107 計算機進行圖像處理，實現(xiàn)激光光斑9的提取及中心定位；108 根據(jù)立體視覺傳感器21的參數(shù)和測量模型，測定動平面反射鏡4上激光光斑 9之間的初始空間距離；109 根據(jù)坐標系的定義，將激光光斑9之間的初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上進 行分解，獲取初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量；本發(fā)明實施例中的坐標系以χ-y的二維坐標系為例進行說明，將激光光斑9之間 的初始空間距離在X、y兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行分解。110 動面2相對基準面1發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，動平面反射鏡4相對參考平面反射鏡 3進行同樣的小角度偏轉(zhuǎn)；111 重復執(zhí)行步驟106-步驟109，實現(xiàn)動面2偏轉(zhuǎn)后動平面反射鏡4上激光光斑 9之間的空間距離的測量及在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分解，獲取空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的 分量；112 根據(jù)準直激光束8的初始入射角、初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量和 空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，獲取動平面反射鏡4相對參考平面反射鏡3的二維小 角度變化，從而實現(xiàn)動面2相對基準面1的小角度測量。下面以動面2相對基準面1繞y偏轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)為例說明本發(fā)明實施例的具 體執(zhí)行步驟，參見圖3、圖4和圖5，參見下文描述參考平面反射鏡3與動平面反射鏡4間距離為H，測量前預先標定，得到左攝像機5的參數(shù)、右攝像機6的參數(shù)及左攝像機5和右攝像機6之間的結構參數(shù)。準直激光束8的 初始入射角在X旋轉(zhuǎn)方向上的分量為a。初始時，參考平面反射鏡3與動平面反射鏡4相 互平行，準直激光束8按反射光路12在參考平面反射鏡3與動平面反射鏡4間進行多次反 射，并在動平面反射鏡4的反射面上形成激光光斑9。左攝像機5、右攝像機6同時采集激 光光斑9的圖像，經(jīng)圖像處理，可得初始時第1個激光光斑15及初始時第η個激光光斑16 的圖像位置坐標。動面2相對基準面1繞y偏轉(zhuǎn)方向11偏轉(zhuǎn)角度β后，動平面反射鏡4 相應偏轉(zhuǎn)到小角度偏轉(zhuǎn)時的動平面反射鏡14。準直激光束8按反射光路13在參考平面反 射鏡3與動平面反射鏡4之間進行多次反射，并在小角度偏轉(zhuǎn)時的動平面反射鏡14反射面 上形成激光光斑9。左攝像機5、右攝像機6同時采集激光光斑9的圖像，經(jīng)圖像處理，可得 小角度偏轉(zhuǎn)時第1個激光光斑17及小角度偏轉(zhuǎn)時第η個激光光斑18的圖像位置坐標。參見圖5，設左攝像機5的坐標系為O1-XiyiZ1,左攝像機圖像平面19的坐標系為 O1-X1Y1 ；右攝像機6的坐標系為Or-XAZp右攝像機圖像平面20的坐標系為Or-XJr ；立體視 覺傳感器21的坐標系0-xsyszs與左攝像機5的坐標系重合。設0-xsyszs與c^-XrhZr之間 的相互位置關系用空間轉(zhuǎn)換矩陣Mot表示，空間任意一點P在下的坐標為Ps = [xs Is Zs 1]τ，月為其齊次坐標，在0r-xryrzr的坐標為Pr= [xr yr zJT，則有，
權利要求
1.一種二維小角度激光視覺精密測量裝置，其特征在于，所述裝置包括立體視覺傳 感器、準直半導體激光器、參考平面反射鏡和動平面反射鏡，所述參考平面反射鏡、所述準直半導體激光器和所述立體視覺傳感器固定連接在基準 面上；所述動平面反射鏡固定連接在動面上；所述參考平面反射鏡與所述動平面反射鏡的 初始狀態(tài)相互平行；所述準直半導體激光器發(fā)射的準直激光束斜射在所述動平面反射鏡的 反射面上，形成激光光斑，所述準直激光束在所述動平面反射鏡上形成至少兩個所述激光 光斑；所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，將圖像數(shù)據(jù) 傳輸給所述計算機；所述計算機進行圖像處理，實現(xiàn)所述激光光斑的提取和空間中心定位， 得到所述激光光斑之間的初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，結合所述準直激光束初 始入射角及所述激光光斑之間的空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，實現(xiàn)所述動面相對所 述基準面的小角度變化測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的二維小角度激光視覺精密測量裝置，其特征在于，所述立體 視覺傳感器包括左攝像機和右攝像機。
3.根據(jù)權利要求1所述的二維小角度激光視覺精密測量裝置，其特征在于，所述立體 視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，將圖像數(shù)據(jù)傳輸給所述計算 機具體為所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的所述激光光斑的圖像，通過無線傳輸 模式實時傳輸給所述計算機；或存儲于所述立體視覺傳感器內(nèi)存，通過有線傳輸模式傳輸 給所述計算機。
4.根據(jù)權利要求1所述的二維小角度激光視覺精密測量裝置的實現(xiàn)方法，其特征在 于，所述方法包括以下步驟(1)在基準面上固定連接參考平面反射鏡、準直半導體激光器和立體視覺傳感器，并完 成所述立體視覺傳感器的參數(shù)標定；(2)在動面上固定連接動平面反射鏡，并進行調(diào)整，使得所述動平面反射鏡與所述參考 平面反射鏡之間平行；(3)所述準直半導體激光器發(fā)射準直激光束，所述準直激光束斜射在所述動平面反射 鏡，并完成準直激光束初始入射角的測定；(4)根據(jù)坐標系的定義，將所述準直激光束初始入射角在兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行分解；(5)所述準直激光束在所述動平面反射鏡與所述參考平面反射鏡之間進行反射，并在 所述動平面反射鏡上形成至少兩個激光光斑；(6)所述立體視覺傳感器采集所述動平面反射鏡上的激光光斑圖像，將圖像數(shù)據(jù)傳輸 給所述計算機；(7)所述計算機進行圖像處理，實現(xiàn)所述激光光斑的提取及中心定位；(8)根據(jù)所述立體視覺傳感器的參數(shù)和測量模型，測定所述動平面反射鏡上所述激光 光斑之間的初始空間距離；(9)根據(jù)坐標系的定義，將所述激光光斑之間的初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上進行 分解，獲取所述初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量；(10)所述動面相對所述基準面發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，所述動平面反射鏡相對所述參考平面 反射鏡進行同樣的小角度偏轉(zhuǎn)；(11)重復執(zhí)行步驟(6)至步驟(9)，實現(xiàn)所述動面偏轉(zhuǎn)后，所述動平面反射鏡上所述激 光光斑之間的空間距離的測量及在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分解，獲取所述空間距離在兩個偏轉(zhuǎn) 方向上的分量；(12)根據(jù)所述準直激光束初始入射角、所述初始空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量和 所述空間距離在兩個偏轉(zhuǎn)方向上的分量，獲取所述動平面反射鏡相對所述參考平面反射鏡 的二維小角度變化，從而實現(xiàn)所述動面相對所述基準面的小角度測量。
5.根據(jù)權利要求4所述的二維小角度激光視覺精密測量裝置的實現(xiàn)方法，其特征在 于，步驟(10)中的所述動面相對所述基準面發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，具體為所述動面相對所述基準面繞χ偏轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)或繞y偏轉(zhuǎn)方向小角度偏轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維小角度激光視覺精密測量裝置及其實現(xiàn)方法，涉及二維小角度測量領域，本發(fā)明采用分別與基準面和動面固定連接的參考平面反射鏡與動平面反射鏡，反映動面相對基準面的角度偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)簡單；準直激光束在參考平面反射鏡與動平面反射鏡之間多次反射，以動平面反射鏡面上激光光斑的距離的變化反映角度偏轉(zhuǎn)，并以激光光斑為對象實現(xiàn)非接觸光學測量；立體視覺測量實現(xiàn)精確的激光光斑間空間距離的快速測量，大視場像機對應著較大的動態(tài)測量范圍，因此，可實現(xiàn)快速、高精度和大動態(tài)范圍二維小角度的測量；操作方便，實現(xiàn)簡單，可滿足航空、航天等測量的要求，也可廣泛推廣應用。
文檔編號G01B11/26GK102095386SQ20101057061
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權日2010年12月1日
發(fā)明者吳斌, 薛婷, 邾繼貴 申請人:天津大學