一种双振镜扫描系统的位置校准系统及校准方法与流程

本发明涉及一种双振镜校准系统及校准方法，尤指一种双振镜位置校准系统及校准方法。

背景技术：

双振镜扫描系统是常见的一种扫描系统，其结构简单，精度高，易于操作控制，在一些大中型场景的扫描中应用很广。在扫描系统中，所选取的零点的位置时关系整个扫描数据解算准确性和精度的关键之一，零点如果不正确，将直接导致测量数据的错误和偏差。而系统零点的标定通常都非常复杂，甚至要借助多种其他工具和仪器才能有完成，所以一般的扫描系统在标定出零点之后，都设计了零点校准的功能，通过校准可以指示系统当前的零点位置是否正确。

一般来说，现有的方案通常都是通过以下几种方法来实现：

1.设置机械限位，通过限位开关来来检测是否到达零点，这种方法检测零点的精度不高，但成本低，维护简单，主要应用于精度要求不高的场合。

2.加装位置传感器如编码器，记录零点位置后在传感器上标记处，而后每次校准时以传感器上标记的位置为准，这种方法的精度依赖于传感器的精度，安装复杂，而且精度高的传感器成本高，一般应用于有高精度要求的场合。

3.在系统外设置一个基准，计算出该基准理论位置，通过扫描该基准，分析扫描的数据得出的位置是否与理论位置一致(在容差范围内)来判断是否在零点，这种方法安装复杂，并且只适合于中大型的固定扫描场合,容易受到外界条件的干扰。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本低廉、实现简 单、精度高的双振镜位置校准系统及校准方法。

为实现上述目的，本发明双振镜扫描系统的位置校准方法，包括测距装置和校准装置，包括如下步骤：

将所述双振镜扫描系统的一水平振镜以一步距角旋转，测量所述水平振镜于每一步距角下所述测距装置反馈的一距离数据；

当所述水平振镜旋转至使所述测距装置发出的激光光斑照射到所述校准装置的第一板边缘的第一位置时，则于所述第一位置调节所述水平振镜旋转一第一预定角度，以将所述水平振镜调整至水平零点位置；

将所述双振镜扫描系统的一垂直振镜以一步距角旋转，测量所述垂直振镜于每一步距角下所述测距装置反馈的一距离数据；

当所述垂直振镜旋转至使所述测距装置发出的激光光斑照射到所述校准装置的第二板边缘的第二位置时，则于所述第二位置调节所述垂直振镜旋转一第二预定角度，以将所述垂直振镜调整至垂直零点位置。

进一步,随水平振镜旋转对应的所述测距装置测量到的距离数据变化满足一预定条件时，则所述水平振镜旋转至使所述测距装置发出的激光光斑照射到所述校准装置的第一板边缘的第一位置。

进一步，随垂直振镜旋转对应的所述测距装置测量到的距离数据变化满足一预定条件时，则所述垂直振镜旋转至使所述测距装置发出的激光光斑照射到所述校准装置的第二板边缘的第二位置。

进一步，还包括：旋转所述水平振镜一角度后，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在跳变点以所述第一预定角度旋转所述水平振镜，以将所述水平振镜调整至第一邻近零点位置；

待所述水平振镜调整至所述第一邻近零点位置后，旋转所述垂直振镜一角度，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在跳变点以所述第二预定角度旋转所述垂直振镜，以将所述垂直振镜调整至第二邻近零点位置。

进一步，还包括：旋转所述水平振镜一周后，于所述测距装置测量距离数据未出现距离跳变时，则将所述垂直振镜旋转一角度后通过旋转所述水平振镜重新搜索跳变点，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在出现距离跳变所对应的所述水平振镜的跳变点以所述第一预定角度旋转所述水平振镜，以将所述水平振镜调整至第一邻近零点位置；

待所述水平振镜调整至所述第一邻近零点位置后，旋转所述垂直振镜一角度，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在出现距离跳变所对应的所述垂直振镜的跳变点以所述第二预定角度旋转所述垂直振镜，以将所述垂直振镜调整至第二邻近零点位置。

进一步，还包括：旋转所述垂直振镜一角度后，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在跳变点以所述第二预定角度旋转所述垂直振镜，以将所述垂直振镜调整至第二邻近零点位置；

待所述垂直振镜调整至所述第二邻近零点位置后，旋转所述水平振镜一角度，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在跳变点以所述第一预定角度旋转所述水平振镜，以将所述水平振镜调整至第一邻近零点位置。

进一步，还包括：旋转所述垂直振镜一周后，于所述测距装置测量距离数据未出现距离跳变时，则将所述水平振镜旋转一角度后通过旋转所述垂直振镜重新搜索跳变点，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在出现距离跳变所对应的所述垂直振镜的跳变点以所述第二预定角度旋转所述垂直振镜，以将所述垂直振镜调整至第二邻近零点位置；

待所述垂直振镜调整至所述第二邻近零点位置后，旋转所述水平振镜一角度，于所述测距装置测量距离数据出现距离跳变时，在出现距离跳变所对应的所述水平振镜的跳变点以所述第一预定角度旋转所述水平振镜，以将所述水平振镜调整至第一邻近零点位置。

进一步，还包括：于所述第一邻近零点位置以一角度旋转所述水平振镜后，以所述步距角旋转水平振镜，并通过测距装置在该步距角下n次测量距离值，根据n次测量的距离值判断所述水平振镜是否位于所述第一位置。

进一步，统计满足lch-σ≤li≤lch+σ的所测量的距离值个数m，其中σ是测距装置的测量标准差，li是第i次测量的距离值，lch是垂直振镜位于零点时水平振镜反射激光至第一板的理论值；

当满足条件0.5-λ≤m/n≤0.5+λ时，所述水平振镜位于所述第一位置；

其中，λ表示区间范围的宽度。

进一步，还包括：于所述第二邻近零点位置以一角度旋转所述垂直振镜后，以所述步距角旋转垂直振镜，并通过测距装置在该步距角下n次测量距离数据，根据多次测量的距离数据判断所述垂直振镜是否位于所述第二位置。

进一步，统计满足lcv-σ≤li≤lcv+σ的所测量的距离值个数m，其中σ是测距装置的测量标准差，li是第i次测量的距离值，lcv是水平振镜位于零点时垂直振镜反射激光至第二板的理论值；

当满足条件0.5-γ≤m/n≤0.5+γ时，所述垂直振镜位于所述第二位置；

其中，γ表示区间范围的宽度。

本发明的双振镜扫描系统的位置校准系统，包括：

一校准装置，包括沿第一方向设置的一第一板以及沿与所述第一方向交叉的第二方向设置的一第二板；

一测距装置，用于向所述双振镜扫描系统发射激光并测量距离；

其中，调节激光光斑照射于所述第一板的边缘时，以第一预定角度旋转所述双振镜扫描系统的水平振镜，使所述水平振镜处于零点位置；

调节激光光斑照射于所述第二板的边缘时，以第二预定角度旋转所述双振镜扫描系统的垂直振镜，使所述垂直振镜处于零点位置。

本发明利用测距装置照射于校准装置边缘的光斑作为参考，校正双振镜扫描系统的水平振镜和垂直振镜的零点，依据校准装置的边缘与零点位置所存在的预定角度关系，校正零点时先利用测距装置找到校准装置的边缘，再调节待校正振镜以预定角度旋转即可将待校正振镜调整至零点位置，使校正零点变得更为简单、快捷。

附图说明

由于对本发明的更完整理解及其诸多伴随的优点通过参与以下结合附图所考虑的详细描述变得更好理解，因此对本发明的更完整理解及其诸多伴随的优点会更容易变得明显，在附图中相同的附图标记指示相同或类似元件，其中

图1为本发明示例性实施例的双振镜扫描系统的位置校准系统的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例的位置校准系统校正垂直振镜零点位置的光路示意图；

图3为本发明示例性实施例的位置校准系统校正水平振镜零点位置的光路示意图；

图4为本发明示例性实施例的双振镜扫描系统的位置校准方法的流程示 意图；

图5为本发明示例性实施例的调整振镜的初始位置的流程图；

图6为本发明示例性实施例的校准板边缘校准扫描的流程图。

具体实施方式

图1为本发明示例性实施例的双振镜扫描系统的位置校准系统的结构示意图。

如图1所示，双振镜扫描系统10的位置校准系统，包括校准装置20和测距装置30。

双振镜扫描系统包括水平振镜101和垂直振镜102，水平振镜101可在水平扫描电机103的驱动下旋转，垂直振镜102可在垂直扫描电机104的驱动下旋转。控制水平和垂直扫描电机，可以驱动水平和垂直振镜转动，从而改变激光测距仪发射光的光路，实现三维空间的扫描。

校准装置20包括沿水平方向设置的第一校准板201以及沿垂直方向设置的第二校准板202。校准装置20相距双振镜扫描系统一定距离d，例如距离d可以为10厘米左右。双振镜扫描系统1经过标定后，双振镜的“零点”位置是确定的，而第一校准板101以及第二校准板102相对水平振镜101和垂直振镜102的位置固定不变。

测距装置30用于向双振镜扫描系统发射激光并测量距离。测距装置30发射的激光，经水平振镜101反射至垂直振镜102，然后再经垂直振镜102反射至校准装置20上。本实施例中的测距装置30例如可以为激光测距仪。振镜处于零点位置时激光照射在校准板上的位置与激光照射在校准板边缘时存在一固定位置关系，也就是说激光照射在校准板边缘时振镜所处的角度与振镜零点位置的角度存在一预定角度差。因此，调节激光光斑照射于第二校准板202的边缘时，以预定角度旋转水平振镜101，就可以将水平振镜101调整至零点位置。同理，调节激光光斑照射于第一校准板201的边缘时，以预定角度旋转垂直振镜102，就可以将垂直振镜102调至零点位置。

图2、图3为本发明示例性实施例的位置校准系统校正垂直振镜和水平振镜零点位置的光路示意图。

如图2所示，在校正垂直振镜102零点位置时，需要将激光光斑照射于第 一校准板201的上边缘o1处。如图3所示，在校正水平振镜101零点位置时，需要将激光光斑照射于第二校准板202的右边缘o2处。

图4为本发明示例性实施例的双振镜扫描系统的位置校准方法的流程示意图。

如图4所示，本发明双振镜扫描系统的位置校准方法，包括如下步骤：

本发明双振镜扫描系统的位置校准方法，包括如下步骤：

步骤s41：将双振镜扫描系统的水平振镜101以步距角旋转，扫描激光光斑照射于第二校准板202的边缘位置。其中，随水平振镜101以步距角旋转，通过测距装置测量每一步距角下的距离数据，当测距装置测量到的距离数据变化满足一预定条件时，即发生距离跳变时，则可以判定水平振镜101旋转至激光光斑照射到第二校准板202的边缘位置o2。

步骤s42：当水平振镜101旋转至激光光斑照射到第二校准板202的边缘时，则调节水平振镜101旋转预定角度，以将水平振镜101调整至水平零点位置。

步骤s43：将双振镜扫描系统的垂直振镜102以步距角旋转，扫描激光光斑照射于第一校准板201的边缘位置。其中，随垂直振镜102以步距角旋转，通过测距装置测量每一步距角下的距离数据，当测距装置测量到的距离数据变化满足一预定条件时，即发生距离跳变时，则可以判定垂直振镜102旋转至激光光斑照射到第一校准板201的边缘位置o1。

步骤s44：当垂直振镜102旋转至激光光斑照射到第一校准板201的边缘时，则调节垂直振镜102旋转预定角度，以将垂直振镜102调整至水平零点位置。

以下将详述双振镜扫描系统的位置校准方法的原理及各步骤：

初始位置的确定：

本发明将水平振镜和垂直振镜的零点位置分别记为ho和vo，校准初始时水平振镜和垂直振镜的位置分别记为hu和vu。校准板安装固定后，其边缘与水平零点和垂直零点的位置理论值也是固定的，分别记为ch和cv，垂直振镜位于零点时水平振镜反射激光至第一校准板的理论值记为lch，水平振镜位于零点时垂直振镜反射激光至第二校准板的理论值记为lcv。

校准之初，水平振镜和垂直振镜的位置可能在零点，也可能不在零点，最 坏的情况是不在可用扫描区域范围内。为了提高校准的效率，简化校准方法，首先要将激光出射光斑调整到有效的扫描区域范围内，最优位置是在零点附近。

为了要将校准的初始位置调整至最优位置，需要做的是校准板边缘大致位置检测，如图5所示，调整振镜的初始位置的流程图如下：

1.在起始位置进行定点测量，如果在有效范围内，即测得距离远大于校准板的距离值，或者是没有返回值(激光测距仪的光斑没有落到有效反射物体上，或者目标返回的能量太少时没有返回值)。此时逐步调整水平振镜逆时针旋转α角度后进行定点测量，直到出现距离跳变，即距离值变为lc的近似值，本系统优选范围为0.5*lc至2*lc，在跳变点将水平镜子顺时针回调ch角度。再逐步整垂直振镜逆时针旋转α角度后进行定点测量，直到出现距离跳变，在跳变点将水平镜子顺时针回调cv角度。这样水平振镜和垂直振镜就回到了零点的附近也就是最优位置。α角度的选取，以校准板宽度作为参考，选取转动振镜至少在校准板上可以测量两个点为准，并且选取360°的等分角度，本系统优选为6°；

2.如果在起始位置的定点测量不在有效范围内，说明此事扫描位置不在有效区域内，此时逐步调整水平振镜顺时针旋转α角度后进行定点测量，判断是否出现跳变点，即距离值变为远大于校准板的距离，或者变为无效值，并在跳变点将水平振镜顺时针继续调整ch角度。如果水平振镜旋转了一整圈也没有发现跳变点，则将垂直振镜顺时针调整α角度后在重新搜索跳变点，直至找到后将水平振镜顺时针继续调整ch角度。

3.此时系统扫描点位于有效区域内，执行第一步中调整垂直振镜的步骤即可。

校准板边缘扫描和数据分析解算：

如图6所示，校准板边缘校准扫描的流程如下：

首先从调整好的位置，也就是零点附近开始，调整水平振镜逆时针旋转ch-α角度，然后以系统最小步距角δ转动水平振镜，并在该位置定点测量n次，本系统优选n＝1000。完成一次测量后继续转动δ角度并继续测量，直至找出校准板边缘位置。本发明中优选最小步进角δ为0.1°。

水平振镜逐步移动，激光测距仪所测得的目标距离值开始时远处的目标， 达到校准板边缘时，激光光斑一部分落在校准板上，随着振镜的继续移动，光斑逐渐变成全部落在校准挡板上。

在每一个位置测量n次，第i次测量的距离值记为li。

完成n此测量后，对所有的li进行统计，统计满足lch-σ≤li≤lch+σ的测量值的个数，记为m。其中σ是激光测距仪的测量标准差。

当满足条件0.5-λ≤m/n≤0.5+λ时，表明该位置处于校准板的边缘位置。

上式中的λ表示区间范围的宽度，该值由校准板的距离和斑的大小共同决定。λ可以通过如下方法确定：在完成标定后人工实施校准板水平边缘扫描，记录每一最小步进角的m/n的值，记录为：0.5-k0,0.5-k1,0.5-k2,…，选取其中与0.5最接近的三个数，分别记为0.5-ki-1,0.5+ki,0.5+ki+1，则λ＝(ki+1+ki-1)/4。

而第i点距离水平零点的位置就是ho。

从边缘位置开始，水平校准镜的顺时针旋转ho就回到了零点。

接下来，继续校准垂直振镜的零点：

调整水平振镜逆时针旋转cv-α角度，然后以系统最小步距角δ转动水平振镜，并在该位置定点测量n次。

垂直振镜逐步移动，激光测距仪所测得的目标距离值开始时远处的目标，达到校准板边缘时，激光光斑一部分落在校准板上，随着振镜的继续移动，光斑逐渐变成全部落在校准挡板上，如图2所示。

在每一个位置测量n次，第i次测量的距离值记为li。

完成n此测量后，对所有的li进行统计，统计满足lcv-σ≤li≤lcv+σ的测量值的个数，记为m。其中σ是激光测距仪的测量标准差。

当满足条件0.5-γ≤m/n≤0.5+γ时，表明该位置处于校准板的边缘位置。

上式中的γ表示区间范围的宽度，该值由校准板的距离和斑的大小共同决定。γ可以通过如下方法确定：在完成标定后人工实施校准板水平边缘扫描，记录每一最小步进角的m/n的值，记录为：0.5-k0,0.5-k1,0.5-k2,…，选取其中与0.5最接近的三个数，分别记为0.5-ki-1,0.5+ki,0.5+ki+1，则γ＝(ki+1+ki-1)/4。

需要注意的是，由于激光光斑的形状在水平和垂直方向可能不一致，所以λ和γ的值可能存在差异。

而第i点距离垂直零点的位置就是vo。

从边缘位置开始，水平校准镜的顺时针旋转vo就回到了零点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。