申请/专利权人：华北电力大学(保定)

申请日：2024-03-25

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN117930273B

主分类号：G01S17/86

分类号：G01S17/86;G01S17/46;G01B11/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2024.05.14#实质审查的生效;2024.04.26#公开

摘要：本发明涉及一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，包括：1）目标测距误差补偿：2）三关键点A、B、C的选取及姿态矩阵计算；3）空间感兴趣点坐标值计算。本发明采用立体几何计算方法，消除空间坐标测量单元因姿态不同引入的坐标测量误差；采用坐标系转换矩阵求解方法，通过在系统中选取三个关键点，分别计算三个关键点在两坐标系中的位置坐标，以两坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球，实现空间感兴趣点的三维坐标测量。本发明测量效率高、实时性好，有效提高基于摄影测量技术的系统空间坐标测量速度与精度，能有效解决激光跟踪仪等测量设备实时性不高、无法适应振动环境下坐标测量难题。

主权项：1.一种基于激光与机器视觉的空间三维坐标实时测量方法，其特征在于：所述测量方法采用的测量装置包括空间基准发射单元3-1及空间坐标测量单元3-2，所述空间坐标测量单元3-2的安装基座2-12侧壁上设置有测量球立柱2-14，所述测量球立柱2-14上安装测量球2-15；所述空间坐标测量单元3-2包括安装基座2-12、激光分光镜2-1、平面反射镜A2-2、平面反射镜B2-3、平面反射镜C2-4、激光接收屏A2-5、激光接收屏B2-6、图像传感器A2-7及图像传感器B2-8，所述安装基座2-12内设置有若干定位棱2-11作为定位端面，所述激光分光镜2-1与所述定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜A2-2设置于所述激光分光镜2-1后端并与定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜B2-3与所述平面反射镜A2-2平行设置并与所述定位棱2-11呈45°布置，所述平面反射镜C2-4与所述平面反射镜B2-3垂直并与所述定位棱2-11呈45°布置，所述设置于安装基座2-12上的激光接收屏A2-5与激光接收屏B2-6用于接收十字光斑图像并成像为图像传感器A2-7及图像传感器B2-8提供目标图像，所述安装基座2-12侧壁上设置有测量球立柱2-14，所述测量球立柱2-14上安装测量球2-15，所述安装基座2-12前端面上设置十字线激光入射窗口2-10及激光测距靶标平面2-9；所述测量方法的步骤为：1目标测距误差补偿：目标测距目的是完成目标距离的测量，由于激光测距靶标平面的遮挡，测距仪无法实现目标距离的直接测量，同时空间坐标测量单元3-2姿态变化会引入距离测量误差，为实现目标距离测量，同时消除因该距离误差导致的坐标测量误差，需要首先对目标测距误差进行补偿；2三个关键点的选取及姿态矩阵计算：通过选取三个关键点，直接计算空间坐标测量装置相对于空间基准发射装置的姿态矩阵，避免姿态估计带来的误差与时延；3空间感兴趣点坐标值计算：采用简单易行的坐标系转换矩阵求解方法，通过选取三个关键点，并分别计算三个关键点在空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系中的位置坐标，以空间基准发射坐标系和空间测量装置自身坐标系转换矩阵的求解为基础，配合空间坐标测量单元上的测量球2-15，最终实现空间感兴趣点的三维坐标测量；所述步骤1具体为：设十字线激光投射方向与测距光束平行，且测距光束处于十字线横轴所在平面，十字光斑中心在激光接收屏A2-5、激光接收屏B2-6上的点分别为A和B，空间测量装置自身坐标系下，设A坐标为X1，Y1，Z1，B坐标为X2，Y2，Z2，十字光斑中心与测距靶标平面交点为C，测距光束与测距靶标平面交点为E，CD为十字线横轴所在平面内与测距光束垂直的线段，其中D为垂足，CD长度为已知常量，激光测距结果为Llaser；在空间测量装置自身坐标系中，十字光斑投射直线方程很容易求得，又由于测距靶标平面方程为可通过公知手段标定得到的已知常量，因此C点坐标求得，则根据公知的两点间距离公式可求得C、A两点间距离LCA；向量为横轴所在平面的法向量，即向量为CD的方向向量，其处于横轴所在平面且与直线AB垂直，因此，又由于CD距离属于系统固有参数，可通过公知手段事先标定得到，因此结合C点坐标，利用两点间距离公式，D点坐标可求；利用D点坐标和方向向量则可求得测距光束直线方程，联立测距光束直线方程与测距靶标平面方程，从而可以得到E点坐标；综上，其中，为目标测距，Llaser为激光测距值，LDE为线段DE距离，LCA为C、A两点间距离，综上可实现OBA距离的测量；所述步骤2具体为：设OBA＝X0，则在空间基准发射坐标系下，A点的坐标为X0，0，0，B点坐标为X0+LAB，0，0，其中，LAB为A、B两点间的距离；空间测量装置自身坐标系中，十字线横轴方向向量设为则在空间测量装置自身坐标系下，设线段AB的方向向量为则X2-X1，Y2-Y1，Z2-Z1，设垂直于十字线发射横轴所在平面的法向量为则设在空间测量装置自身坐标系下，将向量的起点平移到A点，则此时在空间测量装置自身坐标系下，向量终点C的坐标为X3+X1，Y3+Y1，Z3+Z1；在基准发射坐标系下，向量终点C对应的坐标值为

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