一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法与流程

1.本发明涉及激光振镜标定技术领域，特别涉及一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法。


背景技术：

2.激光振镜用于控制激光的出射方向，如何对其进行高效、准确的标定一直都是基于激光振镜相关应用的核心问题。相比于早期的激光平面打标，目前激光振镜的应用从小范围的二维平面扫描扩展到了大范围的三维空间扫描。为了满足激光振镜高精度的三维空间扫描这一要求，就必须对激光振镜扫描系统进行标定，从而可以通过控制振镜偏转使得出射激光束准确到达空间任意给定位置点。
3.在一些标定方法中，需要假定以下几个理想条件:振镜系统处于初始状态时，
①
入射激光束在第1面反射镜的入射角为45
°
；
②
两面反射镜转轴之间的夹角为90
°
；
③
入射激光束必须打在第1面反射镜转轴的中心上。但在实际的制造和组装过程中，很难严格满足这样的理想条件。
4.而另一些标定方法则是基于计算机神经网络算法，通过用大量的神经网络参数来拟合振镜数字信号与出射光线束方位的对应关系。这也是一种较为有效的方法，但这种方法不能满足高精度的应用需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的激光振镜扫描系统标定过程存在着或条件要求严格，或标定精度不高的问题，本发明的目的在于提供一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.第一方面，本发明提供一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法，所述系统包括x镜、y镜、旋转装置和控制装置，所述x镜和y镜的转动轴线位置固定，所述旋转装置用于带动所述x镜和所述y镜转动，所述控制装置用于通过控制信号驱动所述旋转装置，所述控制信号包括分别用于控制x镜、y镜转动的x信号、y信号，所述方法用于标定所述控制信号与所述系统发出的出射激光束的方位之间的关系，所述方法包括以下步骤：
8.s1、构建表示所述控制信号与所述系统发出的出射激光束的方位之间的关系的标定模型，所述标定模型包括：
9.α＝a1x a2x2 a3x3，
10.β＝b1y b2y2 b3y3，
11.r
x
＝matrix(cosα u sinα)，
12.ry＝matrix(cosβ v sinβ)，
13.l＝r
yrx
m，
14.q＝ry(r
x
(p-x) x-y) y；
15.其中，x、y分别表示x镜的转轴、y镜的转轴上的三维坐标点，u、v分别表示x镜的转轴、y镜的转轴的单位方向矢量，p、m分别表示初始状态下出射激光束上的三维坐标点、单位方向矢量，α表示x镜在x信号下相对于初始状态的转动角度，β表示y镜在y信号下相对于初始状态的转动角度，r
x
、ry分别表示x镜、y镜对光线的旋转，l表示出射激光束的方向，q表示出射激光束的点坐标位置，所述初始状态为x信号和y信号均为零的状态；
16.s2、在所述系统的激光束出射方向一侧设置幕布，并使所述幕布相对于所述系统的距离可变；
17.s3、在所述幕布相对于所述系统处于至少两个不同距离的位置上，分别向所述系统输入同一组控制信号，从而在所述幕布的每个位置上各获得一组激光光斑；
18.s4、通过双目相机确定每组所述激光光斑的坐标，获得多组光斑坐标；
19.s5、提取对应同一控制信号的光斑坐标，用主成分分析法拟合空间直线，得到所述控制信号与所述出射激光束的方向l之间的对应关系；
20.s6、根据所述对应关系，提取初始状态下所述出射激光束的单位方向矢量m和三维坐标点p；
21.s7、利用所述对应关系，再根据s1中的公式中，计算获得x、y、u、v、a1、a2、a3、b1、b2、b3，从而确定所述标定模型，实现激光振镜扫描系统的标定。
22.进一步的，所述标定方法还包括参数优化步骤，所述参数优化步骤包括：
23.s8、取目标函数为由所述标定模型计算出的出射激光束的方向与实测的出射激光束的方向间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化u、v、m；
24.s9、取目标函数为由所述标定模型计算出的出射激光束的点坐标位置与实测的出射激光束的点坐标位置间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化x、y、p；
25.s10、取目标函数为所述标定模型计算出的出射激光束的点坐标位置与实测的出射激光束的点坐标位置间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化a1、a2、a3、b1、b2、b3。
26.优选的，所述的同一组控制信号通过以下方式获得：
27.保持y信号不变，使x信号发生变化而获得多个第一控制信号；保持x信号不变，使y信号发生变化而获得多个第二控制信号。
28.优选的，在s7中，通过以下步骤计算标定模型的参数：
29.将多个所述第一控制信号带入模型后计算获得a1、a2、a3和u；
30.将多个所述第二控制信号带入模型后计算获得b1、b2、b3和v。
31.优选的，所述x、y、u、v均为不随控制信号的变化而变化的固定参数，并通过事先测量计算获得。
32.优选的，所述u通过以下公式计算获得：
33.其中，为u与z轴的夹角，θ为u在xy平面上的投影与x轴的夹角。
34.优选的，所述x、y分别表示x镜的转轴与y镜的转轴上距离最近的两点，且两者之间的距离为d，则有公式y＝x d(u
×
v)。
35.优选的，在s9中，还包括把d作为优化的参数，从而通过x和d算出y。
36.第二方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上所述的方法。
37.采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：以控制信号对振镜的偏转角度出发，解析各振镜偏转角度与出射激光束的影响，从而建立标定模型，该标定模型不但与入射激光束没有关联，还不要求激光束的入射方位和振镜的镜片处于理想状态，从而减少了模型参数，并且计算过程更加简单，另外标定模型与振镜扫描系统的几何模型关联度高，能够有效提高标定精度。
附图说明
38.图1为本发明中激光振镜扫描系统的结构示意图；
39.图2为本发明实施例一的方法流程图；
40.图3为本发明中幕布在不同距离位置上的示意图；
41.图4为本发明实施例五的方法流程图。
42.图中:1-x镜、2-y镜、3-电机、4-幕布。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
46.另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.实施例一
48.一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法，该方法应用于如图1所示的激光振镜扫描系统，该系统包括x镜1、y镜2、旋转装置和控制装置。其中，x镜1和y镜2的转动轴线互相垂直，旋转装置用于带动x镜1和y镜2转动，例如配置旋转装置为两个电机3，两个电机3分别用于带动x镜1和y镜2转动。控制装置则通过控制信号来控制两个电机3进行转动，从而带动x镜、y镜转动，具体而言，控制信号包括分别用于控制x镜1、y镜2转动的x信号、y信号。在控制信号下的控制下，两个电机3分别带动x镜1、y镜2发生转动，从而对入射激光束进行偏转，输出一道具有确定方位的出射激光束。而本实施例提供的标定方法则用于标定控制信号与系统发出的出射激光束的方位之间的关系，如图2所示，该标定方法包括以下步骤：
49.s1、构建表示控制信号与系统发出的出射激光束的方位之间的关系的标定模型，标定模型包括：
50.α＝a1x a2x2 a3x3ꢀꢀꢀ
(式1)；
51.β＝b1y b2y2 b3y3ꢀꢀꢀ
(式2)；
52.r
x
＝matrix(cosα u sinα)
ꢀꢀꢀ
(式3)；
53.ry＝matrix(cosβ v sinβ)
ꢀꢀꢀ
(式4)；
54.l＝r
yrxmꢀꢀꢀ
(式5)；
55.q＝ry(r
x
(p-x) x-y) y
ꢀꢀꢀ
(式6)；
56.其中，x、y分别表示x镜的转轴、y镜的转轴上的三维坐标点，u、v分别表示x镜的转轴、y镜的转轴的单位方向矢量，p、m分别表示初始状态下出射激光束上的三维坐标点、单位方向矢量，α表示x镜在x信号下相对于初始状态的转动角度，β表示y镜在y信号下相对于初始状态的转动角度，r
x
、ry分别表示x镜、y镜对光线的旋转，l表示出射激光束的方向，q表示出射激光束的点坐标位置，所述初始状态为x信号和y信号均为零的状态。
57.上述公式中，(式1)表示的是x信号对x镜的偏转角度，当x为0时，α也为0，即x镜未发生偏转，同理(式2)也是如此。根据光线反射原理，当x镜在初始状态下偏转α角度时，入射激光束被偏转2α角度，同理，当y镜在初始状态下偏转β角度时，入射激光束被偏转2β角度，因此，可通过四元数生成的旋转矩阵r
x
、ry来分别表示x镜和y镜对入射激光束的旋转，即有(式3)-(式5)。对应的，出射激光束的位置通过上述参数即可表达，如(式6)所示。
58.s2、在系统的激光束出射方向一侧设置幕布4，并使幕布4相对于系统的距离可变。
59.其中幕布4用于遮挡出射激光束从而形成光斑，本实施例中优选黑色幕布，幕布4可通过支架以悬挂的方式进行布置，通过调整支架的位置能够使幕布4相对于系统的距离可变，即幕布4相对于系统的位置可变，而根据两点确定一条直线的原理，幕布4相对于系统的位置至少有两个，在各位置上，幕布4与系统之间的距离各不相同。例如本实施例配置幕布4相对于系统有三个距离不同的位置。
60.s3、在幕布4相对于系统处于至少两个不同距离的位置上，分别向系统输入同一组控制信号，从而在幕布4的每个位置上各获得一组激光光斑。
61.本实施例中，在幕布4的每个位置上各获得一组激光光斑称为一帧数据，如图3所示，共有三帧数据。
62.s4、通过双目相机确定每组激光光斑的坐标，获得多组光斑坐标。
63.幕布4上的每一个激光光斑，都能够通过双目相机确定其坐标位置，对于每一帧数据中多个激光光斑，都对应一组具有确定坐标位置的光斑坐标，而多帧数据则对应多组光斑坐标。可以理解的是，上述所有的光斑坐标均为同一双目相机坐标系下测量得到的，即保持双目相机相对于系统的位置不变。
64.s5、提取对应同一控制信号的光斑坐标，用主成分分析法拟合空间直线，得到控制信号与出射激光束的方向l之间的对应关系。
65.对于同一控制信号，由于幕布4有三个距离位置，因此会有三个光斑坐标，三个光斑坐标的连线即认为与对应的出射激光束重合；同理，多个控制信号对应多个出射激光束；经过计算，即可初步得到表示控制信号与出射激光束的方向l之间的对应关系。
66.s6、根据对应关系，提取初始状态下出射激光束的单位方向矢量m和三维坐标点p。
67.其中，初始状态指的是控制信号中的x信号和y信号均为0的情况，将x信号和y信号均为0带入s5中确定的对应关系，即可计算获得初始状态下出射激光束的方向，从而得到初始状态下出射激光束的单位方向矢量m。再结合幕布4的距离位置即可确定出射激光束上的一个三维坐标点p。
68.s7、选取多个控制信号及其对应的光斑坐标，通过对光斑坐标进行计算而获得多个出射激光束的方向l，再将计算获得的代入s1中的公式中，计算获得x、y、u、v、a1、a2、a3、b1、b2、b3，从而确定所述标定模型，实现激光振镜扫描系统的标定。
69.可以理解的是，通过s4中测量获得的光斑坐标，能够计算出一系列出射激光束的方向l，同时在p和m已知的情况下，将相关的控制信号带入(式1)-(式5)，通过解多元方程即可求得x、y、u、v、a1、a2、a3、b1、b2、b3，从而确定所述标定模型，实现激光振镜扫描系统的标定。标定完成后，即可根据所需的出射激光束的方位，直接通过标定模型计算所需的控制信号，再由系统执行后，即可发出所需的出射激光束。
70.本实施例中，通过初始状态的设置，使得(式1)和(式2)的常数项得以省略，进一步简化标定模型的复杂程度。并且本实施例提供的标定模型与入射激光束没有关联，也不含有与镜片初始布置角度相关的参数，从而进一步简化模型复杂程度，提高了标定精度。另外，标定模型与激光振镜扫描系统的几何模型紧密关联，通过振镜转动角度和初始出射激光束来计算其他位置的出射激光束，不需要测量或计算入射光束的方位。
71.实施例二
72.其中，由于本方法所应用的系统通常是已经搭建完成的，因此部分参数不需要计算，只需要简单测量即可获得。例如当x、y分别选取为转轴的轴心处时，x、y、u、v四个参数均为不随着控制信号的变化而变化的固定参数，只需要通过事先在设备cad模型中测量以及简单的计算即可。
73.并且，在双目相机坐标系下，单位方向矢量有2个自由度，可以用2个球面角参数来计算，因此u可通过以下公式计算获得：
74.其中，为u与z轴的夹角，θ为u在xy平面上的投影与x轴的夹角。其中，xy平面指的是由x镜的旋转轴线和y镜的旋转轴线构成的平面，x镜的旋转轴线为x轴方向，y镜的旋转轴线为y轴方向，z轴方向则指的是同时垂直于x轴和y轴的方向，并且x轴、y轴、z轴相交于原点。
75.同理，v也是如此。
76.实施例三
77.其与实施例一的区别在于：本实施例中，设置x、y分别表示x镜的转轴与y镜的转轴上距离最近的两点，并且两者之间的距离为d，d的数值直接测量即可，通常有厂家提供。
78.在此情况下，有公式y＝x d(u
×
v)。
79.如此设置，使得s7中的计算参数减少，从而能够提高标定精度。
80.实施例四
81.本实施例中，控制信号通过以下方式获得：保持y信号不变，使x信号发生变化而获得多个第一控制信号；保持x信号不变，使y信号发生变化而获得多个第二控制信号。
82.相应的，在s7中，通过以下步骤分别计算标定模型的参数：
83.将多个第一控制信号带入模型后计算获得a1、a2、a3和u；
84.将多个第二控制信号带入模型后计算获得b1、b2、b3和v。
85.如此设置，能够有效提高标定模型中各参数的计算速度，从而提高标定效率。
86.实施例五
87.本实施例中，标定方法还包括参数优化步骤，如图4所示，参数优化步骤包括：
88.s8、取目标函数为由标定模型计算出的出射激光束的方向与实测的出射激光束的方向间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化u、v、m；
89.s9、取目标函数为由标定模型计算出的出射激光束的点坐标位置与实测的出射激光束的点坐标位置间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化x、y、p；
90.s10、取目标函数为标定模型计算出的出射激光束的点坐标位置与实测的出射激光束的点坐标位置间的差值的平方和，通过非线性优化算法优化a1、a2、a3、b1、b2、b3。
91.如此设置，使得标定模型的参数得到优化，从而进一步提高标定精度。
92.相应的，实施例三中的参数d，也能够通过s9的步骤对其进行优化，从而降低d的测量误差对标定模型的影响。
93.实施例六
94.一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述任一实施例的方法步骤。
95.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
96.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
97.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
98.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。