一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统，主要应用于激光测量中的激光自动对准角锥中心的过程。所述的基于红外相机与二轴转台的激光对准系统包括激光器及转台端和角锥端两大部分。其中转台端利用二轴转台实现对激光准直器方向的实时控制并与角锥端上位机间建立无线通信；角锥端用于对激光光斑进行图像处理与定位。借助于转台端对准直器方向的控制、角锥端对光斑的位置定位以及两端之间的通信，根据角锥端得到的位置信息实时控制转台的方向，以达到将转台端所发射激光引导至角锥棱镜中心的目的。该系统能解决目前实验室激光测量过程中手动对光过程较为繁琐的问题，提升激光测量过程中的自动化程度。提升激光测量过程中的自动化程度。提升激光测量过程中的自动化程度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统


[0001]本专利技术涉及电机控制领域与激光测量
，一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统。

技术介绍

[0002]对于高精度测量领域而言，激光测量技术由于其精度高、准直性好等优点，备受广大科研人员的关注。在空间激光测量光路中，从激光准直器中出来的激光需要对准待测目标处的角锥(靶标)中心，产生的回光返回至激光准直器中再经过环形器，该回光信号将参与到后续的信号处理过程当中，因此使激光对准角锥的这一步骤(以下简称对光)是激光测距过程中至关重要的一环。
[0003]由于激光测距系统中采用的激光多为不可见光，因此目前主要的实现对光的方案是借助显色卡来进行手动对光，需要一人手拿显色卡，在离激光准直器较近的位置使激光打在显色卡上，然后缓慢移动显色卡的位置并调整准直器的方向来引导激光打在角锥中心。对于几十米量级的对光过程而言，则是先将光源换成可见激光并采用上述类似的方案进行引导来完成。
[0004]上述的对光方案均需在两人及以上参与者来完成，并且对光过程较为繁琐。为了解决这一问题，本文提出了一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决目前实验室激光测量过程中手动对光过程较为繁琐的问题，提升激光测量过程中的自动化程度。本专利技术借助于二轴转台实现对激光准直器方向的实时控制，借助于红外相机对激光光斑进行图像处理与定位，通过扫描捕获、对准两个主要步骤，达到将转台端所发射激光引导至角锥中心的目的。<br/>[0006]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统，包括：
[0007]转台端，所述的转台端包括窄线宽激光器、激光准直器、二轴转台、转台端上位机、无线通讯模块等，利用二轴转台实现对激光准直器方向的实时控制并与角锥端上位机间建立无线通信；
[0008]角锥端，所述的角锥端包括角锥、红外相机，背投幕，角锥端上位机，用于对位于背投幕上的激光光斑进行图像处理与定位。
[0009]所述的一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统的初始标定，需求取角锥在红外相机像素坐标系下的坐标，该过程只需进行一次即可。整个系统的运行过程分为3个步骤，分别是扫描捕获、对准参考点以及对准角锥中心。扫描捕获是使二维转台带着激光准直器沿着一定的轨迹进行扫描，直到光斑打在角锥端背投幕上，也就是当红外相机视场内出现光斑时停止。该步骤的目的是使发射端激光束能打在相机端背投幕上，方便定位光斑位置以进行后续的角锥对准过程。对准参考点是驱动二轴转台带动激光准直器转动，使
得激光光斑位于红外相机视场的中心位置附近的某一固定点。该步骤的目的是避开相机周边存在畸变的位置，并方便后续激光对准角锥的操作。对准角锥中心就是将从参考点到角锥中心的坐标向量分解到二轴转台两轴上，得到二轴转台两轴所需要的脉冲，驱动转台转动相应的脉冲完成对准角锥中心的过程。
[0010]进一步地，所述的一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统的初始标定，需求取角锥在红外相机像素坐标系下的坐标，该过程只需进行一次即可。所述的角锥中心的在像素坐标系下的坐标求取。在相机视场内像素坐标系中选定一个参考点，在参考点附近控制转台仅转动X轴，总共运动300个脉冲，分为30次来运行，每次运行完后采集当前的光斑中心的像素坐标(除去第一组数据共29个坐标)，因此可得到光斑的横纵坐标关于给定脉冲的关系。像素点横坐标关于脉冲呈现出明显的线性关系，可拟合得到图中所示的像素点横坐标x关于给定脉冲w的一次函数曲线。对于像素点纵坐标y关于给定脉冲w的关系，整体上也是成线性的。那么先对准角锥中心，再给定转台X轴某一脉冲使光斑到达参考点，即可根据线性关系反解出角锥中心在像素坐标系下的坐标。
[0011]进一步地，所述的扫描捕获过程中，在完成上位机与转台控制器以及红外相机端上位机的通信连接后，红外相机端上位机不停地向转台上位机传输光斑信息。转台端上位机给定一个较大的步长进行扫描，当激光束未打到背投幕上时，红外相机端则不传输数据。只有在扫描过程中当激光束打在背投幕上时，红外相机端则开始向转台端上位机传递光斑坐标，此时转台端停止扫描，即完成了扫描捕获过程。
[0012]进一步地，所述的对准参考点的过程中，当光斑位置与参考点之间的像素差值较大时，使其以较大的步长来对准，随着差值的减小可以使对准步长也相应的减小。这一过程可以通过比例系数k来实现，给定一个k值，让其实现对准步长与差值的关系转换。当然k值并非唯一确定，不同的距离都有合适的k值，需要通过实验得到。当光斑坐标与参考点之间的差值小到一定时(这里以达到亚像素精度级别为目的)，可认为对准参考点的过程完成。
[0013]进一步地，所述的对准角锥中心的过程中，分别给定X和Y轴一个固定脉冲，可以得到两个基向量X
′
和Y
′
，其中X
′
代表仅移动转台X轴时，光斑运动的方向向量，Y
′
代表仅移动转台Y轴时，光斑运动的方向向量。这两个向量的求取是在程序运行中进行的，在完成参考点对准过程之后，在参考点附近分别只运动X轴和Y轴，采集运动过程中的多个点拟合得到。接下来就到了角锥对准的过程的最后一步，将所需要移动的像素方向向量(参考点O指向角锥中心R的向量)向基向量X
′
和Y
′
上分解即可求得在两个基向量上的投影与两轴所需转动的脉冲w
x
、w
y
，将两个脉冲给定给转台控制器即可完成角锥中心对准。
[0014]本专利技术的有益效果是：本专利技术是一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统，借助于二轴转台实现对激光准直器方向的实时控制，借助于红外相机对激光光斑进行图像处理与定位，通过扫描捕获、对准两个主要步骤，达到将转台端所发射激光引导至角锥中心的目的，从而解决激光测量实验中手动将空间光对准角锥中心过程较为繁琐的问题。
附图说明
[0015]图1：系统整体图；
[0016]附图标注：
[0017]1——转台端；
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2——角锥端；
[0018]101——转台端上位机；
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201——角锥棱镜；
[0019]102——转台控制器；
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202——背投幕；
[0020]103——窄线宽激光器；
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203——光学面包板；
[0021]104——二轴转台；
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204——红外相机；
[0022]105——激光准直器；
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205——角锥端上位机；
[0023]106——无线通信模块；
[0024]图2：仅转动转台X轴时的光斑横纵坐标关于给定脉冲的关系
[0025]图3：扫描捕获过程中的转台扫描轨迹
[0026]图4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统，其特征在于，包括转台端(1)与角锥端(2)两大部分，其中其中转台端包括窄线宽激光器(103)、激光准直器(105)、二轴转台(104)、转台端上位机(101)、转台控制器(102)、无线通信模块(106)等，利用二轴转台(104)实现对激光准直器(105)方向的实时控制并与角锥端上位机(205)间建立无线通信；角锥端主要包括角锥棱镜(201)、红外相机(204)，背投幕(202)，角锥端上位机(205)，用于对激光光斑进行图像处理与定位，在使用该系统进行对光之前，需要进行系统的初始标定，即求取角锥棱镜(201)在红外相机(204)像素坐标系下的坐标，该过程只需进行一次即可，整个系统的运行过程分为3个步骤，分别是扫描捕获、对准参考点以及对准角锥(201)中心，扫描捕获是使二轴转台(104)带着激光准直器(105)沿着一定的轨迹进行扫描，直到光斑打在背投幕(202)上，也就是当红外相机(204)视场内出现光斑时停止，该步骤的目的是使发射端激光束能打在背投幕(202)上，方便定位光斑位置以进行后续的角锥棱镜(201)对准过程；对准参考点是驱动二轴转台(104)带动激光准直器(105)转动，使得激光光斑位于红外相机(204)视场的中心位置附近的某一固定点，该步骤的目的是避开红相机(204)周边存在畸变的位置，并方便后续激光对准角锥棱镜(201)的操作；对准角锥(201)中心就是将从参考点到角锥中心的坐标向量分解到二轴转台(104)两轴上，得到二轴转台(104)两轴所需要的脉冲，并驱动转台(104)转动相应的脉冲完成对准角锥(201)中心的过程。2.根据权利要求1所述的一种基于红外相机与二轴转台的激光自动对准系统的初始标定过程，其特征在于，角锥棱镜(201)中心的在像素坐标系下的坐标求取，在红外相机(204)视场内像素坐标系中选定一个参考点，在参考点附近控制二轴转台(104)仅转动X轴，总共运动300个脉冲，分为30次来运行，每次运行完后采集当前的光斑中心的像素坐标(除去第一组数据共29个坐标)，因此可得到光斑的横纵坐标关于给定脉冲的关系，像素点横坐标关于脉冲呈现出明显的线性关系，可拟合得到图中所示的像素点横坐标x关于给定脉冲w的一次函数曲线，对于像素点纵坐标y关于给定脉冲w的关系，整体上也是成线性的，那么先对准角锥棱镜(201)中心，再给定转台...

【专利技术属性】
技术研发人员：年炬，张福民，郑继辉，黄浩珍，梁晓博，贾琳华，宋明宇，马鑫，曲兴华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：