[发明专利]一种结构光三维垂线测量装置及方法

说明书

本发明提出了一种结构光三维垂线测量装置及方法。本发明方法通过张正友相机标定法对CCD相机参数进行标定；通过基于棋盘格的线结构光标定方法对激光平面参数进行标定；通过竖直放置两个姿态的棋盘格的方法，计算得到垂线方向向量标定参数；计算机控制CCD相机采集全景图像，提取水平方向的激光平面与垂线相交的光点和小球中心点的图像坐标，结合标定参数，构建垂线的解析方程和小球中心点投影成像的光线方程，联立求解得到小球中心点坐标，小球中心点坐标的变化量即为垂线在X、Y、Z三个方向上的位移。本发明的优点无需分别在三个方向配置相同结构的三套光源和传感器，简化结构，提高稳定性；使用高分辨率的相机和镜头，充分利用视场，可以提高测量精度和测量范围。

技术领域

本发明方法属于计算机视觉领域，尤其涉及一种结构光三维垂线测量装置及方法。

背景技术

垂线坐标仪是一种测量大型工程结构水平位移和(垂直位移)的传统仪器，广泛用于大坝、建筑物的水平位移和挠度监测，是确保大坝安全运行的重要仪表设备。为实现垂线仪观测数据实时采集、准确可靠、在线监控和快速反馈的目标，要求采用自动化测量方式。随着传感器技术的发展，采用自动遥测方式替代传统的人工观测模式，已经成为安全监测的一共重要发展方向。

垂线坐标仪根据工作原理可以分为电容式、涡流式、光电式等类型。传统电容式垂线坐标仪可以实现对垂线大量程、高灵敏度、高精度的测量，但当测量环境潮湿多尘时，电容极板间介电常数容易发生缓慢变化，导致测量结果失真。CCD传感器由于体积小、重量轻、集成度高以及功耗低、线性好、动态范围大、寿命长和抗干扰能力强等优点在垂线坐标仪中得到广泛使用，现有自动化垂线坐标仪大多采用基于线阵CCD传感器的位移测量技术。基于CCD的垂线坐标仪的设计方法制了基于线阵CCD的垂线坐标仪用于矿井井壁变形观测。新型光电式垂线坐标仪的研制方法研制了一种大量程无透镜CCD垂线坐标仪。但仍存在只能测量平面两个方向、测量装置重复、量程小、测量精度受平行光源质量影响等问题。在此基础上，基于CCD的三维垂线坐标仪设计方法在水平方向的垂直基准线上固定一个与其垂直的圆盘，作为竖直方向的垂直基准，设计出三维垂线坐标仪。为扩大垂线仪的测量范围，大量程步进式垂线坐标仪的研制方法采用步进式测量原理，由步进电机驱动光电探头实现平面二维位移测量激光发射接收进行位置检测，采用对步进电机的驱动脉冲进行计数，通过丝杠导程来计算运动距离给出位移值。高速高精垂线坐标仪采用类似的思路研制了一种高速高精度垂线坐标仪，该仪器使用光栅尺进行位移测量。基于步进式测量原理的垂线仪由于仪器中包含电机及丝杠机构，结构较复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提出了一种结构光三维垂线测量装置及方法，本发明不依赖高精度的平行光源和电机丝杠机构，结构简单，实时性好，对不同环境适应性强。

本发明装置的技术方案为一种结构光三维垂线测量装置，包括：计算机、CCD相机、线激光发射器、待测量垂线、支架、小球；

所述CCD相机与所示计算机连接；

所述线激光发射器放置于所述CCD相机下方，朝向所述待测量垂线，并发射水平方向的激光平面；

所述小球固定在所述待测量垂线上，所述待测量垂线通过所述支架悬挂于所述CCD相机前方；

本发明方法的技术方案为一种结构光三维垂线测量方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机通过张正友相机标定法对CCD相机主点、CCD相机焦距、CCD相机畸变参数进行标定，得到标定后相机主点、标定后相机焦距、标定后相机畸变参数；

步骤2：计算机通过基于棋盘格的线结构光标定方法对激光平面参数进行标定，得到激光平面方程参数；