用于全视角扫描测量系统的靶标空间交会测量方法技术方案

本发明专利技术公开了全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法。全视角扫描测量系统包括至少两个测量站，每个测量站以多棱镜鼓作为扫描转镜同步扫描获取测量站所面向的测量场的整体空间内的同一被测靶标的图像，该方法包括：对获取的图像进行处理得到同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标；根据图像像素坐标计算同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息；标定系统外部参数，通过外部参数修正测量模型，对同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息进行三维坐标解算，得到被测靶标在系统空间坐标系下的经系统外参标定后的空间三维坐标值。该方法用外参补偿测量模型，测量得到的靶标的三维坐标精度较高。

Target space intersection measurement method for full view scanning measurement system

The invention discloses an external parameter space intersection measuring method for full view scanning measuring system. Full view scanning measurement system includes at least two measuring stations, each station with prism drum as a scanning mirror for synchronous scanning measurement station for measuring field of whole space within the same measured target image, the method includes: the acquired images were treated to the same measured target image pixel coordinate coordinates at each measuring station; according to the image pixel coordinates calculated with a measured target relative to each measurement station azimuth angle information; calibration system of external parameters through the external parameter measurement model, measured on the same target relative to each measurement station azimuth angle information for 3D coordinate calculation, three-dimensional coordinates the system parameters calibration space after measured the target in the space coordinates of the value system. The method uses external parameters to compensate the measurement model, and the measured target has a higher three-dimensional coordinate accuracy.

【技术实现步骤摘要】
用于全视角扫描测量系统的靶标空间交会测量方法
本专利技术涉及空间三维坐标的测量
，尤其涉及一种用于全视角扫描测量系统的靶标空间交会测量方法。
技术介绍
随着大型飞机、载人航天和大型雷达等国家重要工程的快速推进，对大型零件设备的变形和大空间内物体的运动状态的实时监测技术得到了快速发展。计算机技术、电子技术、光学技术的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步已逐渐为大型构件和设备状态信息的监测提供一定支持。目前，大型构件和设备状态检测主要包括接触式和非接触式两种。接触式状态检测技术主要包括：人工采用卡具测量和三坐标测量机。人工采用卡具测量的操作简单、成本低，是目前生产中较多采用的一种测量方法，但测量效率低、精度差。三坐标测量机是完成三坐标测量的通用设备，具有很好的测量精度，但测量范围有限。非接触式检测技术主要有激光跟踪仪、3D激光测距仪、全站仪、经纬仪、视觉检测技术等。激光跟踪仪、3D激光测距仪、全站仪及经纬仪适于一般现场条件，但普遍存在视场角小、测量效率低，一次只能实现单点测量，无法实现大型构件或设备的表面信息测量。而且，要利用现有的三维测量系统进行全视角的测量，则要进行多次不同角度的图像采集，采集完毕后要通过对多次采集到的图像进行拼接才能形成一幅水平全视角的图像，这个过程采集较为繁琐，图像拼接过程耗时耗力，从而使得空间三维坐标的求取过程非常耗时，且由于拼接图片过程存在误差，使得空间三维坐标精度较低。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，该方法适应于以多棱镜鼓作为扫描转镜的测量站，而且，通过本方法测量得到的靶标所处的三维坐标精度较高。专利技术方案：全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，所述全视角扫描测量系统包括靶标、测量站、空间三维坐标获取模块，其测量站由八棱镜鼓、单轴转台、线阵相机、f-θ光学镜头、图像处理模块构成，全视角扫描测量系统至少包含两个测量站，其特征在于，建立测量坐标系，建立测量坐标系，以左侧测量站的中心为测量坐标系原点O，线阵相机光轴为X轴，单轴转台的旋转轴线为Z轴，方向向上，Y轴方向通过右手法则得到，标定获取全视角扫描测量系统的外部参数，通过外部参数修正测量模型，利用空间交会测量方法得到被测靶标在测量坐标系下空间三维坐标值。全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量计算方法如下：其中，X、Y、Z表示被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标，Xl＝cotαA,Xr＝cotαB,Zl＝tanβA/sinαA,Zr＝tanβB/sinαB，(αA,βA)表示同一被测靶标相对左侧测量站的水平角度和垂直角度，(αB,βB)表示同一被测靶标相对右侧测量站的水平角度和垂直角度，以左侧测量站的坐标系为测量坐标系，右侧测量站的坐标系到测量坐标系的旋转矩阵表示为R，位移矢量为T，则通过如下步骤获取旋转矩阵R和位移矢量T：在空间中选取M个空间点，利用激光测量仪或全站仪，获得M个空间点的位置信息，将已知位置的空间点设为控制点，空间点数量M≥7。通过单测量站对控制点的角度测量，得到控制点的水平角和垂直角的数值，借助控制点与单测量站、激光测量仪或全站仪的关系，解算出单测量站与激光测量仪或全站仪关系，最终得到单测量站与站的旋转矩阵R和位移矢量T。在所述测量站的扫描转镜为八棱镜鼓时，在计算同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息的步骤中，基于同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标确定同一被测靶标相对各测量站的垂直角度；基于同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标确定所述八棱镜鼓的与所述图像像素坐标对应的镜鼓等效扫描角度，从而确定同一被测靶标相对各测量站的水平角度。利用所述八棱镜鼓的镜鼓转动角度与镜鼓等效扫描角度关系，确定靶标对应的水平角度，表达式如下：其中，α表示八棱镜鼓的镜鼓等效扫描角度，即靶标对应的水平角度，θ转动表示八棱镜鼓的镜鼓转动角度，L表示扫描物面到八棱镜鼓反射面中心点的距离，D表示八棱镜鼓的棱长。根据如下表达式计算同一被测靶标相对各测量站的垂直角度：β＝(y1-y0)/f其中，β表示垂直角度，y1表示所述靶标在测量站图像像素坐标中的纵坐标，单位：像素；y0表示相机主点纵坐标值，单位：像素；y1-y0若为正值，表示靶标在Z轴的正半轴方向，若为负值，表示靶标在Z轴的负半轴方向,f表示f-θ光学镜头的焦距。与现有技术相比，上述方案具有如下优点或有益效果：本专利技术首先提供了全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，该方法适应于以多棱镜鼓作为扫描转镜的测量站，而且，本方法采用外参补偿测量模型，测量得到的靶标三维坐标精度较高。附图说明图1是本专利技术全视角扫描测量系统的测量站结构图；图2是本专利技术应用于全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法的流程图；图3是本专利技术全视角扫描测量系统的测量坐标系示意图；图4是本专利技术八棱镜鼓反射面反射模型的示意图；图5是图4所示的八棱镜鼓旋转情况造成的反射坐标差的示意图；图6是图4所示的八棱镜鼓转动角度与镜鼓等效扫描角度曲线图；图7是图4所示的八棱镜鼓转动角度与等效反射角度差的曲线图；图8是不同L对应的等效反射角度差变化曲线图；具体实施方式下面将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的具体实施方式。全视角扫描测量系统包括靶标、测量站、空间三维坐标获取模块。图1表示本专利技术实施例的全视角扫描测量系统的结构图。如图1所示，测量站由八棱镜鼓103、单轴转台104、线阵相机102、f-θ光学镜头101、图像处理模块构成。由于每个测量站可以扫描到水平方向90度、垂直方向90度范围内的测量场，因此需要至少两个扫描测量工作站。在布置这些工作站时，需要仔细调整它们的位置，使得它们放置成正好可以扫描到测量工作站所面向的测量场的整体空间内的同一靶标的图像，而没有盲区或者重合区。全视角扫描测量系统的各个测量站之间，它们的工作需要很精确的同步，以防止各自获得的靶标图片没有对应到同一个靶标上。接下来，在各个测量站内部，需要根据所获取的靶标图片处理得到靶标相对于各自测量工作站的方位坐标信息。一般地，方位坐标信息通常包括靶标相对于工作站水平方向的方向角以及垂直方向的方向角。空间三维坐标获取模块用以接收上述测量工作站发送来的方位坐标信息，并将其解算为靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值。本专利技术实施例的全视角三维测量系统主要根据视场内测量点在多幅图像中的投影匹配关系，从而计算被测点如靶标的空间三维坐标值。而为了实现大视场内的高精度测量，系统需要获取高分辨率的图像，并根据图像特征匹配结果进行空间交会测量计算。有关靶标的具体形式、图像特征检测、特征匹配等具体的实施细节不在本专利技术的讨论范围之内。通常情况下，现有技术中也有一些知识可以被利用来完成上述功能，因此为不模糊本专利技术起见，这里对此暂不进行详述。一般地，在光线不足情况下，可以增加照明源。照明源可以是任意发光装置，例如比较常见的LED光源，其用以将所发出的光线投射到被测目标的靶标上。图2表示本专利技术实施例的应用于全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法的流程图。在图像采集与处理阶段，进行靶标图像的采集与处理，得到同一被测靶标在各测量工作站坐标系下的图像像素坐标(步骤201)，然后，根据同一本文档来自技高网...

【技术保护点】
全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，所述全视角扫描测量系统包括靶标、测量站、空间三维坐标获取模块，其测量站由八棱镜鼓、单轴转台、线阵相机、f‑θ光学镜头、图像处理模块构成，全视角扫描测量系统至少包含两个测量站，其特征在于，建立测量坐标系，以左侧测量站八棱镜鼓的中心为测量坐标系原点O，线阵相机光轴为X轴，单轴转台的旋转轴线为Z轴，方向向上，Y轴方向通过右手法则得到，标定获取全视角扫描测量系统的外部参数，通过外部参数修正测量模型，利用空间交会测量方法得到被测靶标在测量坐标系下空间三维坐标值，全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量计算方法如下：

【技术特征摘要】
1.全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，所述全视角扫描测量系统包括靶标、测量站、空间三维坐标获取模块，其测量站由八棱镜鼓、单轴转台、线阵相机、f-θ光学镜头、图像处理模块构成，全视角扫描测量系统至少包含两个测量站，其特征在于，建立测量坐标系，以左侧测量站八棱镜鼓的中心为测量坐标系原点O，线阵相机光轴为X轴，单轴转台的旋转轴线为Z轴，方向向上，Y轴方向通过右手法则得到，标定获取全视角扫描测量系统的外部参数，通过外部参数修正测量模型，利用空间交会测量方法得到被测靶标在测量坐标系下空间三维坐标值，全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量计算方法如下：其中，X、Y、Z表示被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标，Xl＝cotαA,Xr＝cotαB,Zl＝tanβA/sinαA,Zr＝tanβB/sinαB，(αA,βA)表示同一被测靶标相对左侧测量站的水平角度和垂直角度，(αB,βB)表示同一被测靶标相对右侧测量站的水平角度和垂直角度，以左侧测量站的坐标系为测量坐标系，右侧测量站的坐标系到测量坐标系的旋转矩阵表示为R，位移矢量为T，则2.根据权利要求1所述的全视角扫描测量系统的外部参数空间交会测量方法，其特征在于，通过如下步骤获取旋转矩阵R和位移矢量T：在空间中选取M个空间点，利用激光测量仪或全站仪，获得M个空间点的位置信息，将已知位置的空间点设为控制点，空间点数量M≥7；通过单测量站...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，张卫攀，马燕飞，张华，黄勇，麻彦轩，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所，中航高科智能测控有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11