高精度视觉导引激光跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种高精度视觉导引激光跟踪方法，所述方法通过激光跟踪装置实现，激光跟踪装置由双目视觉测量系统、旋转双棱镜系统和激光发射器组成。所述双目视觉测量系统由第一相机、第二相机以及用于固定位姿的三脚架组成，所述旋转双棱镜系统包括第一旋转棱镜、第二旋转棱镜、支撑结构和驱动装置，所述激光发射器用于发射激光光束。本发明专利技术充分结合了双目视觉测量系统能在较大范围内进行三维测量的优势和旋转双棱镜系统可以实现高精度跟踪的特点，保证激光光束在双目视觉测量信息的导引下迅速、精确地跟踪动态或静态的三维目标。另外，此方法还可拓展应用至激光测振、激光焊接、激光切割、激光雕刻、激光钻孔和表面处理等其他领域。

【技术实现步骤摘要】
高精度视觉导引激光跟踪方法
本专利技术涉及激光跟踪技术，具体涉及一种激光跟踪系统与双目视觉测量系统相结合的高精度视觉导引激光跟踪方法。
技术介绍
激光跟踪技术在光束指向和成像视轴调整方面具有普遍的应用，如星间激光通信、红外对抗、激光多普勒测振、生物医学成像和复杂结构加工等诸多领域，其中实现三维动静态目标跟踪已经成为激光跟踪技术应用的重要方面，国内外均对此开展了相关研究和应用。以下在先技术给出了几种典型的三维目标跟踪方法。在先技术(王伟国等，“用于三轴转台的卫星跟踪策略”，《光学精密工程》，2015年第23卷第3期，871-878页)针对三轴跟踪架结构无法控制激光光束跟踪半球空域内所有卫星的问题，提出采用地平式跟踪方式与水平式跟踪方式有机结合的卫星跟踪策略，可以保证卫星全程在三轴跟踪架的保精度跟踪范围内。此方法必须建立在卫星运行轨道已知的基础上，需要预先提供精确的在轨参数，因此难以推广至目标沿任意轨迹运动的被动跟踪场合。另外，三轴转台的结构相对复杂、控制要求较高，也是制约其后续发展的关键因素。在先技术(SouvestreF.,etc.,“DMD-basedmulti-targetlasertrackingformotioncapturing”,Proc.ofSPIE,2010,7596:75960B)提出一种基于数字微镜器件和旋转双棱镜系统的目标跟踪方法。借助结构紧凑、转动惯量小、控制较为简单的光学机械装置，激光光束可以在较大的锥形视场内对动态目标进行运动捕获和跟踪。此方法对于跟踪目标的定位是通过光电探测器实现的，即借助探测到的散射光强度变化来判断目标的相对运动情况。但是，由于缺乏目标的空间位置信息，此方法在其他方面的拓展应用受到较大的限制。在先技术(杨荣骞等专利，申请号：201510111218.9，申请日2015年3月13日“大视场下手术器械的自动跟踪定位方法”)提出一种在大视场范围内自动跟踪并定位手术器械的方法。通过机械臂来控制双目视觉测量系统运动，可以在较大的视场内对手术器械进行跟踪和成像；再由双目视觉测量系统对手术器械成像信息的立体匹配，即可精确地定位手术器械。此方法并未涉及激光跟踪领域，但是其利用双目视觉测量系统获取空间位置信息以实现目标跟踪与定位的思路，可以为建立高精度视觉导引激光跟踪方法提供一定的参考依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度视觉导引激光跟踪方法，通过双目视觉测量系统的测量信息引导旋转双棱镜系统控制激光光束的运动，使激光光束偏转至测定的目标位置。此方法充分结合了双目视觉测量系统能够在较大范围内三维测量的优势和旋转双棱镜系统可以实现高精度跟踪的特点，保证激光光束可以在双目视觉测量信息的导引下迅速、精确地跟踪三维动静态目标。作为拓展和延伸，此方法在其他领域也有重要的应用价值，如激光测振、激光焊接、激光切割、激光雕刻、激光钻孔和表面处理等。本专利技术提出的高精度视觉导引激光跟踪方法，所述方法通过激光跟踪装置实现，激光跟踪装置由双目视觉测量系统、旋转双棱镜系统和激光发射器组成，双目视觉测量系统由第一相机1、第二相机2以及用于固定位姿的三脚架组成，第一相机1和第二相机2的图像采集速率必须设置为较高且一致，以便及时地、同步地捕获空间目标3的位置变化情况。第一相机1和第二相机2应当采取合理的布置形式，使其可以在尽可能大的成像视场内观察三维动静态目标；所述旋转双棱镜系统包括第一旋转棱镜4、第二旋转棱镜5、支撑结构和驱动装置；第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5分别固定于支撑结构上，且同轴布置，第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5的布置间距取决于激光跟踪的视场大小，且第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5的相对布置方案应根据实际情况确定。第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5分别连接相应的驱动装置；第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5能够通过各自的驱动装置独立地进行旋转运动。激光光束由激光发射器6发出，激光发射器6的安装位置必须保证激光光束的初始传播方向平行于旋转双棱镜系统的旋转轴；具体步骤如下：(1)采用合适的方法标定双目视觉测量系统，所述合适的方法为直接线性变换方法、Tsai两步标定法、张正友平面标定法或神经网络标定方法中任一种，记录第一相机1和第二相机2的内参数和外参数，并在三维动静态目标跟踪过程中保持第一相机1和第二相机2的相对位置固定不动；(2)第一相机1和第二相机2分别采集空间目标3在某一时刻的图像，并将两幅图像及时传输至上位机；(3)上位机接收第一相机1和第二相机2的采集图像后，对两幅图像进行图像处理和特征匹配，获得空间目标3在第一相机1和第二相机2的图像平面坐标系内的坐标，分别记为(x1,y1)和(x2,y2)；(4)已知空间目标3在第一相机1和第二相机2的图像平面坐标系内的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，上位机可以基于双目视觉测量原理计算出空间目标3在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)；(5)通过适当的坐标变换操作，上位机可以将空间目标3在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)转换为其在统一坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，此处以旋转双棱镜系统坐标系为统一坐标系；(6)针对空间目标3在旋转双棱镜系统坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，上位机通过旋转双棱镜系统逆向算法，求解出与上述空间坐标对应的第一旋转棱镜4的转角位置θ1和第二旋转棱镜5的转角位置θ2；(7)上位机向第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5的运动控制单元发送指令，使第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5分别以合适的转速旋转至指定的转角位置θ1和θ2；(8)在旋转双棱镜系统的偏转作用下，激光发射器6发射的激光光束被指向空间目标3所在的位置；(9)当空间目标3的位置在双目视觉测量系统的有效视场内发生变化时，第一相机1和第二相机2将会及时地捕获到空间目标3的最新位置信息，并按照步骤(1)至(8)的顺序引导第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5进行旋转运动，从而将激光光束的指向调整至空间目标3的最新位置，连续地实现对动态空间目标的大范围和高精度跟踪。本专利技术中，步骤(6)所述的旋转双棱镜系统逆向算法采用迭代法，下面具体介绍如何在给定目标点空间坐标的条件下，采用迭代法逆向求解旋转双棱镜系统中第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5的相应转角位置；为方便描述，预先定义第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5具有相同的折射率n和楔角α。当已知目标点P的空间坐标为(XP,YP,ZP)且求解精度设置为ε时，其中ε为求解得到的实际点与目标点P(XP,YP,ZP)之间的绝对距离偏差，逆向求解过程应当在方程为Z＝ZP的平面上开展，求解步骤如下：(1)假设激光光束在第二旋转棱镜5上的出射点为N0(0,0,D1)，其中D1表示第一旋转棱镜4和第二旋转棱镜5的布置间距；(2)以为第二旋转棱镜5上的出射光束向量，分别按照以下公式计算出射光束的俯仰角ρ0和方位角式中XP、YP和ZP分别表示目标点P的三维坐标；(3)假设初始状态下第一旋转棱镜4保持不动，即θ1＝0，仅令第二旋转棱镜5旋转至某特定的转角位置θ2s，以保证出射光束的俯仰角到达ρ0。此处θ2s的值为式中α为棱镜楔角，b1,b2,m均为中间量，且分别满足：和其中此时计算出射光束的方位角为(4)令第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度视觉导引激光跟踪方法，所述方法通过激光跟踪装置实现，激光跟踪装置由双目视觉测量系统、旋转双棱镜系统和激光发射器组成，其特征在于：双目视觉测量系统由第一相机(1)、第二相机(2)以及用于固定位姿的三脚架组成；第一相机(1)和第二相机(2)的图像采集速率必须设置为较高且一致，以便及时地、同步地捕获空间目标(3)的位置变化情况；第一相机(1)和第二相机(2)应当采取合理的布置形式，使其可以在尽可能大的成像视场内观察三维动静态目标；所述旋转双棱镜系统包括第一旋转棱镜(4)、第二旋转棱镜(5)、支撑结构和驱动装置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别固定于支撑结构上，且同轴布置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的布置间距取决于激光跟踪的视场大小，且第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的相对布置方案应根据实际情况确定；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别连接相应的驱动装置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)能够通过各自的驱动装置独立地进行旋转运动；激光光束由激光发射器(6)发出，激光发射器(6)的安装位置必须保证激光光束的初始传播方向平行于旋转双棱镜系统的旋转轴；高精度视觉导引激光跟踪方法的具体实现步骤如下：(1)采用合适的方法标定双目视觉测量系统，所述合适的方法为直接线性变换方法、Tsai两步标定法、张正友平面标定法或神经网络标定方法中任一种，记录第一相机(1)和第二相机(2)的内参数和外参数，并在三维动静态目标跟踪过程中保持第一相机(1)和第二相机(2)的相对位置固定不动；(2)第一相机(1)和第二相机(2)分别采集空间目标(3)在某一时刻的图像，并将两幅图像及时传输至上位机；(3)上位机接收第一相机(1)和第二相机(2)的采集图像后，对两幅图像进行图像处理和特征匹配，获得空间目标(3)在第一相机(1)和第二相机(2)的图像平面坐标系内的坐标，分别记为(x1,y1)和(x2,y2)；(4)已知空间目标(3)在第一相机(1)和第二相机(2)的图像平面坐标系内的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，上位机可以基于双目视觉测量原理计算出空间目标(3)在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)；(5)通过适当的坐标变换操作，上位机可以将空间目标(3)在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)转换为其在统一坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，此处以旋转双棱镜系统坐标系为统一坐标系；(6)针对空间目标(3)在旋转双棱镜系统坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，上位机通过旋转双棱镜系统逆向算法，求解出与上述空间坐标对应的第一旋转棱镜(4)的转角位置θ1和第二旋转棱镜(5)的转角位置θ2；(7)上位机向第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的运动控制单元发送指令，使第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别以合适的转速旋转至指定的转角位置θ1和θ2；(8)在旋转双棱镜系统的偏转作用下，激光发射器(6)发射的激光光束被指向空间目标(3)所在的位置；(9)当空间目标(3)的位置在双目视觉测量系统的有效视场内发生变化时，第一相机(1)和第二相机(2)将会及时地捕获到空间目标(3)的最新位置信息，并按照步骤(1)至(8)的顺序引导第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)进行旋转运动，从而将激光光束的指向调整至空间目标(3)的最新位置，连续地实现对动态空间目标的大范围和高精度跟踪。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度视觉导引激光跟踪方法，所述方法通过激光跟踪装置实现，激光跟踪装置由双目视觉测量系统、旋转双棱镜系统和激光发射器组成，其特征在于：双目视觉测量系统由第一相机(1)、第二相机(2)以及用于固定位姿的三脚架组成；第一相机(1)和第二相机(2)的图像采集速率必须设置为较高且一致，以便及时地、同步地捕获空间目标(3)的位置变化情况；第一相机(1)和第二相机(2)应当采取合理的布置形式，使其可以在尽可能大的成像视场内观察三维动静态目标；所述旋转双棱镜系统包括第一旋转棱镜(4)、第二旋转棱镜(5)、支撑结构和驱动装置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别固定于支撑结构上，且同轴布置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的布置间距取决于激光跟踪的视场大小，且第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的相对布置方案应根据实际情况确定；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别连接相应的驱动装置；第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)能够通过各自的驱动装置独立地进行旋转运动；激光光束由激光发射器(6)发出，激光发射器(6)的安装位置必须保证激光光束的初始传播方向平行于旋转双棱镜系统的旋转轴；高精度视觉导引激光跟踪方法的具体实现步骤如下：(1)采用合适的方法标定双目视觉测量系统，所述合适的方法为直接线性变换方法、Tsai两步标定法、张正友平面标定法或神经网络标定方法中任一种，记录第一相机(1)和第二相机(2)的内参数和外参数，并在三维动静态目标跟踪过程中保持第一相机(1)和第二相机(2)的相对位置固定不动；(2)第一相机(1)和第二相机(2)分别采集空间目标(3)在某一时刻的图像，并将两幅图像及时传输至上位机；(3)上位机接收第一相机(1)和第二相机(2)的采集图像后，对两幅图像进行图像处理和特征匹配，获得空间目标(3)在第一相机(1)和第二相机(2)的图像平面坐标系内的坐标，分别记为(x1,y1)和(x2,y2)；(4)已知空间目标(3)在第一相机(1)和第二相机(2)的图像平面坐标系内的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，上位机可以基于双目视觉测量原理计算出空间目标(3)在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)；(5)通过适当的坐标变换操作，上位机可以将空间目标(3)在双目视觉测量系统坐标系内的空间坐标(X1,Y1,Z1)转换为其在统一坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，此处以旋转双棱镜系统坐标系为统一坐标系；(6)针对空间目标(3)在旋转双棱镜系统坐标系内的空间坐标(X2,Y2,Z2)，上位机通过旋转双棱镜系统逆向算法，求解出与上述空间坐标对应的第一旋转棱镜(4)的转角位置θ1和第二旋转棱镜(5)的转角位置θ2；(7)上位机向第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)的运动控制单元发送指令，使第一旋转棱镜(4)和第二旋转棱镜(5)分别以合适的转速旋转至指定的转角位置θ1和θ2；(8)在旋转双棱镜系统的偏转作用下，激光发射器(6)发射的激光光束被指向空间目标(3)所在的位置；(9)当空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安虎，刘兴盛，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31