一种动态位姿实时测量装置及方法与流程

本发明涉及一种动态位姿实时测量系统，可用于动态环境中待测目标的实时位姿精确测量。

背景技术：

位姿测量是几何量计量的重要内容，包括三维角度测量和三维位置测量，广泛应用于精密加工制造、航天航空、军事及通信等领域，其中动态位姿的实时在线测量技术越来越受到重视。目前，只有用于测量静态环境中可变角度大小的测量系统及方法，主要有以下几种：

(1)基于迈克尔逊干涉仪的动态角测量方法，转角很小的情况下，光程变化与角度的变化近似线性，可得到较高的精度。随着转角的增加，线性关系不再成立，导致各种误差急剧增大，测量范围限制在几度之内，并且激光干涉仪须防止在干燥清洁及无振动的环境中使用。存在测量精度与量程相互制约等问题，且无法适应室外强光、潮湿以及震动等恶劣环境。

(2)双定值角干涉仪测角系统，可在0-360°范围内实现任意角度的高精度测量，测量不确定度优于0.3角秒，但是该方法存在定值角的关键设备加工难度较大的问题，且系统过于复杂不利于实际应用。

(3)激光外差干涉角度测量系方法，例如在此原理基础上设计出的双频激光楔形平板干涉法测量系统，可测量360°范围内的转角，分辨率达到0.1角秒，为消除90°和270°两个死点，采用相互垂直的两套光路，结构十分复杂，光路装调难度大，实际应用中受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明提出了一种动态位姿实时测量装置，本发明测量装置测量精度高，且量程和精度可调，而且可以测量动态环境中(如震动、挠曲变形下)测量目标相对于不动点的实时位姿信息。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种动态位姿实时测量装置，包括基准发射及传递系统、双屏激光成像系统、双目视觉检测系统和数据处理系统；所述基准发射及传递系统包括红外激光测距仪、532nm绿光十字线激光发生器和第一透反棱镜，所述第一透反棱镜的半透面上涂覆有532nm带阻滤光膜，所述红外激光测距仪发射的光路与绿光十字线激光发生器发射的光路垂直相交于点o，所述第一透反棱镜布置在点o，所述绿光十字线激光发生器发出的十字线激光的中点线经过所述第一透反棱镜后与所述红外激光测距仪发出的光线重合；所述双屏激光成像系统包括第一激光接收屏、第二激光接收屏和第二透反棱镜，第一激光接收屏和第二激光接收屏均涂覆有漫反射涂层，所述第二透反棱镜的半透面上涂覆有500～600nm带通滤光膜；所述第一激光接收屏和所述第二激光接收屏相互垂直放置，并且与所述第二透反棱镜的相邻两面分别平行，所述第一激光接收屏与第二激光接收屏分别到所述第二透反棱镜相邻两面的距离不等；所述双目视觉检测系统包括第一ccd相机和第二ccd相机，所述第一ccd相机用于对所述第一激光接收屏上的光斑图像进行提取，所述第二ccd相机用于对所述第二激光接收屏上的十字光斑图像进行提取；所述数据处理系统包括计算机，所述计算机内安装有数据处理单元，所述红外激光测距仪、第一ccd相机和第二ccd相机均与所述计算机联接，所述红外激光测距仪将测得的自测距基准至所述第一激光接收屏的距离实时传输给计算机，所述第一ccd相机和第二ccd相机将分别提取的十字光斑图像实时传输给计算机；所述数据处理系统对接收到的上述信息进行处理，从而得到被测对象相对于测量基准的位姿信息。

本发明提出的一种动态位姿实时测量方法，是采用本发明中的上述动态位姿实时测量装置，所述数据处理系统在计算机的操作界面上设置两个用于显示从所述第一ccd相机和第二ccd相机接收到的十字光斑图像的窗口，分别记为窗口a和窗口b；并按照下述步骤实时测量被测对象的动态位姿：

步骤一、安装动态位姿实时测量装置，包括：1-1)将所述基准发射及传递系统布置在不动点测量基础上，将所述双屏激光成像系统和所述双目视觉检测系统布置在被测对象上，启动所述基准发射及传递系统，并保证初始时刻所述绿光十字线激光发生器发出的十字线激光的中点线经过所述第一透反棱镜后与所述红外激光测距仪发出的重合光线能够被所述第一激光接收屏和第二激光接收屏接收；1-2)启动所述双目视觉检测系统和数据处理系统，在计算机屏幕上预览所述第一激光接收屏和第二激光接收屏接收到的十字光斑，并调整所述第二透反棱镜、第一ccd相机、第一激光接收屏、第二ccd相机和第二激光接收屏的位置，使得两个十字光斑分别处于窗口a和窗口b的中心位置；1-3)将动态位姿实时测量装置固定；

步骤二、获取信息，包括：2-1)设置计算机数据处理系统提取信息的时间间隔；2-2)计算机数据处理系统每次提取的信息包括：所述红外激光测距仪测得的自测距基准至所述第一激光接收屏的距离；所述第一ccd相机拍摄的十字光斑图像a；所述第二ccd相机拍摄的十字光斑图像b；2-3)若十字光斑图像a未出现在窗口a和/或十字光斑图像b中未出现在窗口b，则返回步骤2-2)进行下一次的信息提取；否则，计算得出十字光斑图像a的中心点坐标、十字光斑图像b的中心点坐标和十字光斑图像a的横向线与第一ccd相机图像坐标系横轴的夹角θ；

步骤三、获得测量结果：将第2次及以后每次获得的上述信息均与第一次获取的信息比对，实时得出被测对象相对于十字激光光线轴向的水平、竖直和沿十字激光光线轴向方向的位移以及相对于十字激光光线轴向的俯仰、偏航和滚转方向的角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的测量精度可以通过加大光路通道的距离以及换用更高分辨率的ccd相机来提高，量程可以通过扩大激光接收屏的面积来实现，因此，本发明装置的量程和精度可调。

(2)本发明以检测环境外的不动点为检测基准，可以测量动态环境中(如震动、挠曲变形下)测量目标相对于不动点的实时位姿信息，适用于震动环境中物体位姿的测量。

(3)本发明结构简单，操作方便，光路易调，安装方便。

(4)本发明系统，体积小，质量轻，便与搬迁，节省空间。

附图说明

图1是本发明动态位姿实时测量装置的构成示意图；

图2是本发明中基准发射及传递系统的结构示意图；

图3是本发明中双屏激光成像系统和双目视觉检测系统结构示意图；

图4是本发明动态位姿实时测量方法原理图；

图5-1和图5-2分别是第一激光接收屏和第二激光接收屏光斑位置提取示意图；

图6是本发明动态位姿实时测量方法流程图。

图中：

图中：1-固定底座，2-532nm绿光十字线激光发生器，3-红外激光测距仪，4-第一透反棱镜，5-联接板，51-直角壳体，6-第二透反棱镜，7-第一ccd相机，8-第一激光接收屏，9-第二ccd相机，10-第二激光接收屏，11-耦合光线，12-平面反射镜，13-第一ccd相机支架，14-第一激光接收屏固定夹，15-第二激光接收屏固定夹，16-第二ccd相机支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明旨在解决现有动态位姿实时测量技术中的不足，提供一种全新的动态位姿实时测量系统，用于动态环境中的物体位姿的实时测量。如图1所示，本发明提出的一种动态位姿实时测量装置，包括基准发射及传递系统、双屏激光成像系统、双目视觉检测系统和数据处理系统。

所述基准发射及传递系统包括红外激光测距仪3、532nm绿光十字线激光发生器2和第一透反棱镜4，所述第一透反棱镜4的半透面上涂覆有532nm带阻滤光膜，所述532nm绿光十字线激光发生器2和红外激光测距仪3相互垂直放置，且与第一透反镜4相对位置固定，所述红外激光测距仪3发射的光路与绿光十字线激光发生器2发射的光路垂直相交于点o，所述第一透反棱镜4布置在点o，所述绿光十字线激光发生器2发出的十字线激光的中点线经过所述第一透反棱镜4后与所述红外激光测距仪3发出的光线重合形成耦合光线11，从而保证耦合后绿光十字线激光发生器2的十字线激光线交点与红外激光测距仪3的测距激光束重合。本发明中，所述第一透反镜4，采用光学镀膜工艺涂覆有532nm带阻滤光膜，保证对红外激光测距仪3光线的全透性和对绿光十字线激光发生器2发出的绿色十字激光线的全反性。本发明中，将所述基准发射及传递系统安装固定在不动点测量基准处，保证所述耦合光线11指向被测物体附近，即可快速建立起位姿测量的光学检测基准。

所述基准发射及传递系统的一个实施例如图2所示，用于产生可测距十字线激光，为后续位姿测量提供位姿的光学激光基准。本实施例中，固定底座1采用一个壳体结构，为了布局紧凑，通过布置一个平面反射镜12将所述532nm绿光十字线激光发生器2布置在红外激光测距仪3的附近，从而使得532nm绿光十字线激光发生器2发出的十字线激光的中点线依次经过平面反射镜12和第一透反棱镜4后与所述红外激光测距仪3发出的光线重合。

如图1所示，所述双屏激光成像系统包括设置在一个联接板5上的第一激光接收屏8、第二激光接收屏10和第二透反棱镜6，第一激光接收屏8和第二激光接收屏10均涂覆有漫反射涂层，所述第二透反棱镜6的半透面上涂覆有500～600nm带通滤光膜；所述第一激光接收屏8和所述第二激光接收屏10相互垂直放置，并且与所述第二透反棱镜6的相邻两面分别平行，保证所述第一激光接收屏8与第二激光接收屏10分别到所述第二透反棱镜6相邻两面的距离不等，保证所述第一激光接收屏8、第二激光接收屏10和第二透反棱镜6相对位置固定。用于对所述基准发射及传递系统发出的基准激光分光并接收成像，为后续双目视觉检测系统提供检测对象。所述第二透反镜6采用光学镀膜工艺，保证对红外激光测距仪3光线的全透性和对绿光十字激光线的全反性。所述第一激光接收屏8和第二激光接收屏10外表面涂有漫反射涂层，保证对接收的绿光十字光斑清晰成像，保证对激光测距光线的漫反射性。所述第一激光接收屏8和第二激光接收屏10内表面镀有针对绿光十字线激光频率的带通滤光膜，如果结合遮光罩则可减少杂光对双目视觉检测系统的干扰。

如图1所示，所述双目视觉检测系统包括第一ccd相机7和第二ccd相机9，所述第一ccd相机7用于对所述第一激光接收屏8上的光斑图像进行提取，所述第二ccd相机9用于对所述第二激光接收屏10上的十字光斑图像进行提取。

本发明中，所述第一ccd相机7和第二ccd相机9采用相同型号的相机，并且相互垂直放置，保证二者与对应的激光接收屏的位置关系相同且固定，保证所述第一ccd相机7和第二ccd相机9具有相同的视场范围。所述第一ccd相机7和第二ccd相机9可以实时采集激光接收屏上的十字光线图像，并将采集到的图像实时传输到数据处理系统。

本发明中，可以将所述双屏激光成像系统和所述双目视觉检测系统集成的一个直角壳体51中(即联接板5采用直角壳体结构)，如图3所示，将第二透反棱镜6布置在直角壳体51的直角处，按照上述各器件之间的位置关系在壳体51对应的位置处设置第一ccd相机支架13、第一激光接收屏固定夹14、第二激光接收屏固定夹15和第二ccd相机支架16，将第一ccd相机7固定在第一ccd相机支架13上，将第一激光接收屏8固定在第一激光接收屏固定夹14上，将第二激光接收屏10固定在第二激光接收屏固定夹15上，将第二ccd相机9固定在第二ccd相机支架16上。

所述数据处理系统包括用于数据处理的计算机和安装在计算机内的数据处理(软件)单元，用于对所述基准发射及传递系统、双屏激光成像系统和双目视觉检测系统的数据进行综合处理，得到被测对象相对于测量基准的位姿信息，其中，所述红外激光测距仪3、第一ccd相机7和第二ccd相机9均与所述计算机联接，所述数据处理系统实时提取十字激光线中心点坐标及十字线横轴的角度值，结合激光测距仪的距离数据，实现对被测物体的实时位姿测量。所述红外激光测距仪3将测得的自测距基准至所述第一激光接收屏8的距离实时传输给计算机，所述第一ccd相机7和第二ccd相机9将分别提取的十字光斑图像实时传输给计算机；所述数据处理系统对接收到的上述信息进行处理，从而得到被测对象相对于测量基准的位姿信息。

本发明动态位姿实时测量装置采用基于激光及双目机器视觉的技术手段，可用于动态环境中被测目标相对于位姿测量基准的实时测量。首先，如图1所示，将所述的基准发射及传递系统安装固定在动态测量环境之外的某一静止面1上，打开所述的基准发射及传递系统，保证所述的耦合光线11指向被测物体5附近，快速建立起位姿监测的光学基准。将所述双屏激光成像系统和双目视觉检测系统安装在被测物体上，构成位姿测量系统。位姿测量装置中各部分位置关系固定，且与被测物体刚性连接，保证所述的耦合光线11能被位姿测量装置接收。利用上述动态位姿实时测量装置实现动态位姿实时测量方法是：通过所述数据处理系统在计算机的操作界面上设置两个用于显示从所述第一ccd相机7和第二ccd相机9接收到的十字光斑图像的窗口，分别记为窗口a和窗口b；启动所述双目视觉检测系统，所述数据处理系统处于开启状态，在数据处理软件的图像显示窗口(即窗口a和窗口b)观察十字光线成像，微调位姿测量装置位置，保证两十字光线中心均处于视场中心附近。点击数据处理软件的测量按钮，启动位姿测量功能。数据处理软件将实时提取来自摄像机的图像，并计算十字光斑的中心坐标和十字光线水平轴的角度，并以最初的中心坐标值和角度值作为位姿测量的初始值。当被测物体位姿发生变化时，位姿测量装置将随之一起变化。在系统图像坐标系中，两十字光线中心坐标的变化反映了水平和竖直方向的位移及角度变化，十字光线水平轴的角度的变化反映了滚转方向的角度变化，激光测距仪测距数据的变化反映了位姿测量装置沿所述的耦合光线11方向的位移变化，综合各类数据计算可得被测物体相对于不动点基准的位姿变化，实现了位姿的实时测量。

图6示出了本发明实时测量被测对象动态位姿的步骤，包括：

步骤一、安装动态位姿实时测量装置：

1-1)将所述基准发射及传递系统布置在不动点测量基础上，将所述双屏激光成像系统和所述双目视觉检测系统布置在被测对象上，启动所述基准发射及传递系统，并保证初始时刻所述绿光十字线激光发生器2发出的十字线激光的中点线经过所述第一透反棱镜4后与所述红外激光测距仪3发出的重合光线能够被所述第一激光接收屏8和第二激光接收屏10接收；

1-2)启动所述双目视觉检测系统和数据处理系统，在计算机屏幕上预览所述第一激光接收屏8和第二激光接收屏10接收到的十字光斑，并调整所述第二透反棱镜6、第一ccd相机7、第一激光接收屏8、第二ccd相机9和第二激光接收屏10的位置，使得两个十字光斑分别处于窗口a和窗口b的中心位置；

1-3)将动态位姿实时测量装置固定；

步骤二、获取信息：

2-1)设置计算机数据处理系统提取信息的时间间隔；

2-2)计算机数据处理系统每次提取的信息包括：所述红外激光测距仪3测得的自测距基准至所述第一激光接收屏8的距离；所述第一ccd相机7拍摄的十字光斑图像a；所述第二ccd相机9拍摄的十字光斑图像b；

2-3)若十字光斑图像a未出现在窗口a和/或十字光斑图像b中未出现在窗口b，则返回步骤2-2)进行下一次的信息提取；否则，计算得出十字光斑图像a的中心点坐标、十字光斑图像b的中心点坐标和十字光斑图像a的横向线与第一ccd相机7图像坐标系横轴的夹角θ；

步骤三、获得测量结果：将第2次及以后每次获得的上述信息均与第一次获取的信息比对，实时得出被测对象相对于十字激光光线轴向的水平、竖直和沿十字激光光线轴向方向的位移以及相对于十字激光光线轴向的俯仰、偏航和滚转方向的角度。

本发明提出的一种动态位姿实时测量装置的设计思路是基于激光及机器视觉的动态位姿测量中的三维角度实时检测技术，如图4所示，以测量环境附近的不动点作为检测基准。由于激光光束具有良好的方向性和能量集中度，利用固定在不动点处的激光器发出的十字激光束将该检测基准传递到被测位置，采用平行相对式激光接收屏在十字激光束光路中对激光束进行截取采样，并通过位于屏幕后方的高清工业ccd光学成像敏感器件结合机器视觉技术，监测光线截取断面处两监测屏上的十字光斑在ccd图像坐标系中的位置信息，从而求得被测位置的三维角度变化。

如图4所示，以不动点os为检测基准，十字激光器固定在os处，利用绿光十字激光束将该检测基准传递到被测位置处。两个平行相对的激光接收屏(即第一激光接收屏和第二激光接收屏)位于十字激光束光路中，用于截取十字激光束并在监测屏上成像。两激光接收屏平行正对且相对位置不变，间距为l,且固定于被测位置，可随被测位置发生位姿变动，用以反映被测位置角度的变化。取激光接收屏发生角度变化前后的两时刻为研究对象进行分析，点a和点b分别为变化前激光束在两屏上形成的十字光斑，点a’和b’分别为变化后在两屏上形成的十字光斑。利用高清工业ccd视觉敏感元件，结合机器视觉技术，提取两激光接收屏变化前的十字光斑a、b在ccd坐标系中的的位置信息，以及两激光接收屏变化后的十字光斑a’、b’在ccd坐标系中的的位置信息，如图5-1和图5-2所示。

十字光斑在ccd坐标系中的位置信息包括两部分：第一激光接收屏8和第二激光接收屏10中的十字光斑中心点坐标和第二激光接收屏2中的十字光斑横向线与ccd坐标系x轴的夹角。设变化前十字光斑a、b在ccd坐标系中的坐标分别为(xa,za)和(xb,zb),设变化后十字光斑a’、b’在ccd坐标系中的坐标分别为(xa′,za′)和(xb′,zb′)，且b横向线与x轴夹角为θ1，b’横向线与x轴夹角为θ2。定义两激光接收屏水平方向的角度变化为偏航角α，竖直方向的角度变化为俯仰角β，垂直于激光行进方向的角度变化为滚转角γ。设δx1＝xa′-xa，δx2＝xb′-xb，δz1＝za′-za，δz2＝zb′-zb。则有：

γ＝θ2–θ1(3)

从而，可得三个方向的角度变化量。

其中，沿光线方向的位移osb由激光测距仪给出。

本发明中，所述数据处理系统实时提取双目视觉检测系统中第一ccd相机7和第二ccd相机9拍摄到的十字激光线的中心点坐标，并以初始时刻提取的坐标值作为位姿变化的参考。同时所述数据处理单元可以实时同步读取基准发射及传递系统的测距数值，由于测距激光与十字激光中心重合，且所述第二透反棱镜6通过镀膜处理，对测距激光保持全透性，因此该测距数值即为第一激光接收屏8上十字激光中心点到激光测距仪的距离。当位姿测量装置跟随被测点发生位姿变动时，第一激光接收屏8和第二激光接收屏10上的十字激光线中心点的在图像坐标系的位置将发生变化，该变化反映了被测位置的三维角度变化，通过数据处理单元可以实时输出该三维角度的变化值，同时沿光线方向距离的变化可以通过激光测距仪获得，由数据处理单元输出，从而可以得到被测位置的实时位姿变化数据。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。