CN109781000A - 一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间动态测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间动态测量***及方法，方法通过非等宽移动条纹对空间进行编码并基于投影仪或空间光发生器投影光信息使实现对大尺寸空间动态测量；通过数台投影仪或空间光发生器对测量空间进行非等宽线性条纹循环滚动投影，确保光电传感器接受时序的投影码并能够准确的进行解码，得到光电传感器在各个投影仪图像坐标系中的等效射线方程，通过最小二乘解算出光电传感器的空间坐标。***由若干台投影仪及其控制***和光电传感器与坐标算法载体组成，成本低廉，***工作流程简单易于实现，能够实现测量空间内的并行测量，测量***自身无振动源，测量性能稳定，具有一定的动态性能，能够胜任一定精度要求的测量任务。
Description
技术领域
本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及一种大尺寸测量技术的实现，具体为一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间动态测量***及方法。
背景技术
大尺寸空间测量在大型装备的制造、装配与检测过程中有着广泛的应用需求，如飞机壁板的对接装配、火箭筒段的对接装配、卫星天线的调整、船舶的零部件定位，以及大型建筑物的测绘等，都需要具有大尺度空间测量能力的仪器支持，如经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、室内GPS、数字摄影测量、测量臂等。
现有的主流工业大尺寸测量设备，在应用实施与经济型等方面都存在一定的优缺点：经纬仪多用于大型场景测绘，但是测量为单点式，测量效率较低；全站仪价格昂贵，测量空间大，相对测量精度高，但也为单点式测量，需要合作棱镜；激光经纬仪测量精度高，测量效率高，但是价格昂贵，对使用环境敏感；室内GPS测量精度在亚毫米，可支持并行测量，但是价格较为昂贵；数字摄影测量也得到广泛的应用，但是需要布设反光标志等，具体实施需要针对测量任务设计。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间动态测量***及方法，成本低廉、实施方便、工作稳定、测量精度能力适中，能够满足一定尺度空间内的测量任务。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，包括如下步骤，
步骤1，在测量空间中，多台投影仪或空间光发生器同时执行如下的投影操作；
步骤1.1，通过对每一投影仪或空间光发生器设计一种移动非等宽条纹的编码模式：选择每一投影仪或空间光发生器投影像平面的两个不平行方面为主方向，沿主方向均匀的布置均匀不同宽度且平行的黑白条纹，要求每一投影仪或空间光发生器条纹的间距固定且不相同；
步骤1.2，投影仪或空间光发生器按照固定的刷新频率，将各自的条纹沿主方向每刷新依次移动一个像素单位，同时确保该条纹模式循环发生；
步骤2，作为光电接收器的光电传感器采集步骤1中的黑白空间光信号并记录其发生时序，光电传感器基于投影仪或空间光发生器的编码规则解析出其在各台投影仪或空间光发生器中的触发时间；根据各触发时间确定对应投影仪或空间光发生器发生的条纹移动相位；
步骤3，根据如下步骤对各条纹移动相位进行解算得到各光电传感器空间坐标，完成对待测目标物体的测量；
步骤3.1，根据条纹移动相位得到对应光电传感器在投影仪或空间光发生器像平面坐标系中的等效射线方程；
步骤3.2，基于前方交会原理联立每一投影仪坐标系的射线方程构成空间直线交汇方程组，最终通过最小二乘解算出光电传感器的空间坐标；
步骤3.3，返回步骤3.1，对于每一光电传感器执行步骤3.1到3.2，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。
优选的，步骤1.2的具体步骤如下，
步骤1.21，每台投影仪或空间光发生器在控制***作用下，按照固定的刷新频率投影出如下规则编码的图像：对每一投影仪或空间光发生器沿X、Y方向有一系列黑白条纹宽度渐变，同时条纹的中心距离相等，不同投影仪或空间光发生器的条纹中心距离不同；设定的统一刷新频率，每帧图像按照上述编码规则，X方向条纹沿X轴方向偏移一个像素单位，Y方向条纹沿Y轴方向偏移一个像素单位；
步骤1.22，当每一投影仪或空间光发生器最宽的投影条纹重新移动到最左侧初始位置，即投影编码历经一个循环回到初始状态时，当前投影仪或空间光发生器作如下投影操作：投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti，投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti作为该投影仪回到初始位置的信号；
步骤1.23，重复执行步骤1.21和1.22实现条纹模式循环发生。
进一步，步骤2的具体步骤如下，
步骤2.1，位于投影仪或空间光发生器投影空间内的光电传感器将投影的黑白图案转换为高低电平的脉冲信号，对其进行采集并存储，并记录发生的时序信号；
步骤2.2，光电传感器对采集到的高低脉冲时序信号进行识别：当检测到两个Ti宽度的高低脉冲时，认为该时刻是第i台的初始基准，即该台投影仪或空间光发生器历经一个循环周期回到初始位置；
步骤2.3，进行非等间隔非等宽条纹的识别：按照每一投影仪或空间光发生器条纹的中心距判定高低脉冲序列中每一脉冲所对应的投影仪或空间光发生器，然后对同一投影仪或空间光发生器的脉冲按照投影仪或空间光发生器条纹的宽度判定其对应的条纹编码，得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤2.4，输出得到的2n个时间间隔，然后返回步骤2.1。
进一步，其特征在于，步骤2.3中，得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔的具体如下：
得到第i台投影仪沿X方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tix，第i台投影仪沿Y方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tiy，共得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔。
进一步，步骤3.1的具体步骤如下，
步骤3.11，接受每一光电传感器发送的2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤3.12，对每一光电传感器的2n个数据进行错误码的剔除，仅保留正确编码；
步骤3.13，依据投影仪或空间光发生器的像素宽度和刷新频率，计算出每一光电传感器2n个数据对应的离散像素坐标；
步骤3.14，将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程。
进一步，步骤3.14中，光电传感器端经过信号采集与解码，得到其在第i台投影仪或空间光发生器像平面的坐标(Xi,Yi)，由此可得该投影仪或空间光发生器坐标系中的射线方程：
其中f为焦距。
进一步，步骤3.2，对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪或空间光发生器对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪或空间光发生器相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：
通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此得到所有光电传感器的空间坐标后，实现空间位姿的测量。
一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量***，包括，
在测量场景周边或其中紧固安装不少于2台投影仪；每一投影仪或空间光发生器的视景空间都能够覆盖待测目标物体；多台投影仪或空间光发生器同时覆盖到的空间为有效测量空间；
设置在待测目标物体上的光电传感器；用于对待测目标物体上的空间坐标进行标定；
用于控制所有投影仪或空间光发生器完成非等宽线性条纹投影的***运行控制***；所述的***运行控制***用于执行上述任意一项方法所述的步骤1的控制；
用于接受光电传感器信号进行其坐标计算的坐标计算算法载体；所述的坐标计算算法载体用于执行上述任意一项方法所述的步骤3的计算。
进一步，所述的光电传感器包括依次连接的能够感受明暗的光电传感元器件，脉冲信号采集***，运行非等宽条纹信号识别算法的解码器和有线/无线通讯***；光电传感元器件由于接受带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔，有线/无线通讯***用于与坐标计算载体交互。
再进一步，坐标计算载体采用服务器或手持式计算设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述方法通过非等宽移动条纹对空间进行编码并基于投影仪或空间光发生器投影光信息使能实现对大尺寸空间动态测量；通过数台投影仪(空间光发生器)对测量空间进行非等宽线性条纹循环滚动投影，确保光电传感器接受时序的投影码并能够准确的进行解码，由此得到光电传感器在各个投影仪图像坐标系中的等效射线方程，进而基于前方交会原理联立每一投影仪坐标系的射线方程构成空间直线交汇方程组，最终通过最小二乘解算出光电传感器的空间坐标。
本发明所述***仅由若干台投影仪及其控制***和光电传感器与坐标算法载体组成，其成本低廉，***工作流程简单易于实现，能够实现测量空间内的并行测量，测量***自身无振动源等，测量性能稳定，并具有一定的动态性能，能够胜任一定精度要求下的测量任务。
附图说明
图1为本发明实例中所述***的架构图。
图2为本发明实例中所述***的工作原理图。
图3为本发明实例中所述沿X和Y方向的非等宽动态条纹示例。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量***及方法，通过对每一投影仪(空间光发生器)设计一种移动非等宽条纹的编码模式：选择每一投影仪(空间光发生器)投影像平面的两个不平行方面为主方向，沿主方向均匀的布置均匀不同宽度且平行的黑白条纹，要求每一投影仪(空间光发生器)条纹的间距固定且不相同；投影仪(空间光发生器)按照固定的刷新频率，将各自的条纹沿主方向每刷新依次移动一个像素单位，同时确保该条纹模式循环发生。在测量空间中，多台投影仪(空间光发生器)同时执行该投影操作。作为光电接收器的光电传感器采集这些黑白空间光信号并记录其发生时序，基于投影仪(空间光发生器)的编码规则解析出其在各台投影仪(空间光发生器)中的触发时间，由此确定对应投影仪(空间光发生器)发生的条纹移动相位，由此可知光电传感器在投影仪(空间光发生器)像平面坐标系中的等效射线方程，然后基于前方交会原理联立每一投影仪坐标系的射线方程构成空间直线交汇方程组，最终通过最小二乘解算出光电传感器的空间坐标。
具体的，本发明一种基于空间非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间动态测量***及方法的实现架构与测量原理，分别见图1和图2所示，***的配置与运行流程及测量原理实现包括如下：
1***配置：
如图1所示，整个测量***由若干台投影仪(空间光发生器)、光电传感器、***运行控制***和坐标计算算法载体4部分构成。
a)投影仪：在测量场景周边或其中，紧固安装不少于2台投影仪，保证每一投影仪的视景空间都能够覆盖待测目标物体。多台投影仪同时覆盖到的空间为有效测量空间，这由前方交会测量原理决定。
b)光电传感器：光电传感器包含(i)能够感受明暗的(光电)传感元器件，(ii)脉冲信号采集***，(iii)运行非等宽条纹信号识别算法的解码器，和(iv)有线/无线通讯***。光电传感器端由适当的硬件电路与嵌入式***组成。
c)***运行控制***：***运行控制***控制所有的投影仪非等宽线性条纹的投影工作，具体包括(i)每一投影仪各沿X和Y方向的具体非等宽条纹编码，(ii)所有投影仪非等宽条纹码的滚动投影控制，(iii)所有投影仪的同步脉冲投影控制。
d)坐标计算算法载体：坐标计算在终端服务器或手持式计算设备上实现，包括(i)光电传感器信号的接受模块，和(ii)基于前方交会的光电传感器坐标最小二乘计算模块。
2***运行流程：
在测量***的投影仪、控制***、光电传感器与坐标计算算法载体开启后，***完成初始化。整个***的工作由投影仪及其控制***和光电传感器与坐标计算两个相对独立的部分同时运转。
2.1投影仪及其控制***循环执行如下流程：
步骤1.***的投影仪、控制***、光电传感器与计算终端开机，初始化，然后开始如下循环工作流程：
步骤2.每台投影仪在控制***作用下，按照固定的刷新频率投影出如下规则编码的图像：对每一投影仪沿X、Y方向有一系列黑白条纹宽度渐变，同时条纹的中心距离相等，不同投影仪的条纹中心距离不同。伴随设定的统一刷新频率，每帧图像按照上述编码规则，X方向条纹沿X轴方向偏移一个像素单位，Y方向条纹沿Y轴方向偏移一个像素单位；
步骤3.当每一投影仪最宽的投影条纹重新移动到最左侧初始位置，即投影编码历经一个循环回到初始状态时，当前投影仪作如下投影操作：投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti，投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti作为该投影仪回到初始位置的信号；
步骤4.重复执行步骤2和3。
2.2光电传感器循环执行如下流程：
步骤1.位于投影仪投影空间内的光电传感器将投影的黑白图案转换为高低电平，对其进行采集并存储；
步骤2.光电传感器对采集到的高低脉冲时序信号进行识别：当检测到两个Ti宽度的高低脉冲时，认为该时刻是第i台的初始基准，即该台投影仪历经一个循环周期回到初始位置；
步骤3.进行非等间隔非等宽条纹的识别，：按照每一投影仪条纹的中心距判定高低脉冲序列中每一脉冲所对应的投影仪，然后对同一投影仪的脉冲按照投影仪条纹的宽度判定其对应的条纹编码。由此可以得到第i台投影仪沿X方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tix,第i台投影仪沿Y方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tiy，得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤4.将这2n个时间间隔发送到服务器的计算模块，然后返回步骤1；
2.3计算模块循环执行如下操作：
步骤1.接受每一光电传感器发送的2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤2.对每一光电传感器的2n个数据进行错误码的剔除，仅保留正确编码；
步骤3.依据投影仪的像素宽度和刷新频率，计算出每一光电传感器2n个数据对应的离散像素坐标；
步骤4.将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程；
步骤5.将有效数据对应的投影仪器的射线方程联立，通过最小二乘求解方程组，得到该光电传感器的空间坐标。
步骤6.返回步骤1，对于每一光电传感器如此循环。
3***测量原理：
为更加清晰的表明本测量***的工作原理，对该***的测量模型与使用性能与应用限制等进行描述。
(1)这里每一投影仪可看作一台相机，即有像空间坐标系O-XYZ，所有投影仪像空间坐标系在测量空间坐标系，即全局坐标系的位姿矩阵为R,T。
(2)按照投影仪的分辨率设计各台投影仪非等宽线性条纹的条数，宽度以及条纹间隔，一般分辨率越高则条纹数越多。
(3)投影仪同时将设定好的非等宽条纹按周期循环投影，确保光电传感器能够稳定的采集并判定出条纹的宽度及其相对初始位置的时间间隔。
(4)每一投影仪分别沿X方向和Y方向进行非等宽条纹的编码，某一时刻，沿两个方向的条纹交于一点，即唯一地确定投影的像素点，确保光电传感器坐标的唯一性。
(5)光电传感器端经过信号采集与解码，得到其在第i台投影仪像平面的坐标(Xi,Yi)，由此可得该投影仪坐标系中的射线方程：
其中f为焦距。对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：
如此，可以通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此实现空间位姿的测量。
本发明一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸空间测量***，通过数台投影仪(空间光发生器)对测量空间进行非等宽动态条纹投影，光电传感器接受投影码并解码，由此得到光电传感器在各个投影仪(空间光发生器)坐标系的等效射线，进而基于前方交会原理完成光电传感器坐标解算。仅需在测量空间布置数台投影仪(空间光发生器)并对其进行简单的编码投影控制,利用光电传感器接收识别投影信号基于前方交汇原理实现空间坐标的测量。该测量***工作原理简单，算法执行稳定，并具有动态测量性能；***硬件架构简单，控制***简单，成本低；由于自身不涉及运动机构，误差源较少，易于维持比较稳定的测量精度；对于大型装备的制造以及智能制造场景的感知与信息采集具有重要意义。
Claims (10)
1.一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，在测量空间中，多台投影仪或空间光发生器同时执行如下的投影操作；
步骤1.1，通过对每一投影仪或空间光发生器设计一种移动非等宽条纹的编码模式：选择每一投影仪或空间光发生器投影像平面的两个不平行方面为主方向，沿主方向均匀的布置均匀不同宽度且平行的黑白条纹，要求每一投影仪或空间光发生器条纹的间距固定且不相同；
步骤1.2，投影仪或空间光发生器按照固定的刷新频率，将各自的条纹沿主方向每刷新依次移动一个像素单位，同时确保该条纹模式循环发生；
步骤2，作为光电接收器的光电传感器采集步骤1中的黑白空间光信号并记录其发生时序，光电传感器基于投影仪或空间光发生器的编码规则解析出其在各台投影仪或空间光发生器中的触发时间；根据各触发时间确定对应投影仪或空间光发生器发生的条纹移动相位；
步骤3，根据如下步骤对各条纹移动相位进行解算得到各光电传感器空间坐标，完成对待测目标物体的测量；
步骤3.1，根据条纹移动相位得到对应光电传感器在投影仪或空间光发生器像平面坐标系中的等效射线方程；
步骤3.2，基于前方交会原理联立每一投影仪坐标系的射线方程构成空间直线交汇方程组，最终通过最小二乘解算出光电传感器的空间坐标；
步骤3.3，返回步骤3.1，对于每一光电传感器执行步骤3.1到3.2，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤1.2的具体步骤如下，
步骤1.21，每台投影仪或空间光发生器在控制***作用下，按照固定的刷新频率投影出如下规则编码的图像：对每一投影仪或空间光发生器沿X、Y方向有一系列黑白条纹宽度渐变，同时条纹的中心距离相等，不同投影仪或空间光发生器的条纹中心距离不同；设定的统一刷新频率，每帧图像按照上述编码规则，X方向条纹沿X轴方向偏移一个像素单位，Y方向条纹沿Y轴方向偏移一个像素单位；
步骤1.22，当每一投影仪或空间光发生器最宽的投影条纹重新移动到最左侧初始位置，即投影编码历经一个循环回到初始状态时，当前投影仪或空间光发生器作如下投影操作：投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti，投影全黑编码持续时间Ti，然后投影全白编码持续时间Ti作为该投影仪回到初始位置的信号；
步骤1.23，重复执行步骤1.21和1.22实现条纹模式循环发生。
3.根据权利要求2所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤2的具体步骤如下，
步骤2.1，位于投影仪或空间光发生器投影空间内的光电传感器将投影的黑白图案转换为高低电平的脉冲信号，对其进行采集并存储，并记录发生的时序信号；
步骤2.2，光电传感器对采集到的高低脉冲时序信号进行识别：当检测到两个Ti宽度的高低脉冲时，认为该时刻是第i台的初始基准，即该台投影仪或空间光发生器历经一个循环周期回到初始位置；
步骤2.3，进行非等间隔非等宽条纹的识别：按照每一投影仪或空间光发生器条纹的中心距判定高低脉冲序列中每一脉冲所对应的投影仪或空间光发生器，然后对同一投影仪或空间光发生器的脉冲按照投影仪或空间光发生器条纹的宽度判定其对应的条纹编码，得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤2.4，输出得到的2n个时间间隔，然后返回步骤2.1。
4.根据权利要求3所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤2.3中，得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔的具体如下：
得到第i台投影仪沿X方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tix，第i台投影仪沿Y方向的条纹编号以及其相对初始基准的时间间隔tiy，共得到2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔。
5.根据权利要求3所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤3.1的具体步骤如下，
步骤3.11，接受每一光电传感器发送的2n个带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔；
步骤3.12，对每一光电传感器的2n个数据进行错误码的剔除，仅保留正确编码；
步骤3.13，依据投影仪或空间光发生器的像素宽度和刷新频率，计算出每一光电传感器2n个数据对应的离散像素坐标；
步骤3.14，将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程。
6.根据权利要求5所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤3.14中，光电传感器端经过信号采集与解码，得到其在第i台投影仪或空间光发生器像平面的坐标(Xi,Yi)，由此可得该投影仪或空间光发生器坐标系中的射线方程：
其中f为焦距。
7.根据权利要求6所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量方法，其特征在于，步骤3.2，对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪或空间光发生器对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪或空间光发生器相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：
通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此得到所有光电传感器的空间坐标后，实现空间位姿的测量。
8.一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量***，其特征在于，包括，
在测量场景周边或其中紧固安装不少于2台投影仪；每一投影仪或空间光发生器的视景空间都能够覆盖待测目标物体；多台投影仪或空间光发生器同时覆盖到的空间为有效测量空间；
设置在待测目标物体上的光电传感器；用于对待测目标物体上的空间坐标进行标定；
用于控制所有投影仪或空间光发生器完成非等宽线性条纹投影的***运行控制***；所述的***运行控制***用于执行权利要求1-7中任意一项方法所述的步骤1的控制；
用于接受光电传感器信号进行其坐标计算的坐标计算算法载体；所述的坐标计算算法载体用于执行权利要求1-7中任意一项方法所述的步骤3的计算。
9.根据权利要求8所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量***，其特征在于，所述的光电传感器包括依次连接的能够感受明暗的光电传感元器件，脉冲信号采集***，运行非等宽条纹信号识别算法的解码器和有线/无线通讯***；光电传感元器件由于接受带有宽度编号的条纹以及对应的时间间隔，有线/无线通讯***用于与坐标计算载体交互。
10.根据权利要求8所述的一种基于非等宽动态条纹空间编码的大尺寸测量***，其特征在于，坐标计算载体采用服务器或手持式计算设备。
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