[发明专利]高精度视觉导引激光跟踪方法

摘要

本发明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。

主权项

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。