基于视觉引导的激光全站仪精确测量方法
发布时间：2021-07-05 19:20
为了降低制造成本和提高测量效率,提出了基于视觉引导的激光全站仪测量系统。此系统由非正交激光全站仪和一台变焦相机组成。介绍了此系统的结构设计,分析了基于视觉的精确引导策略,最后通过与激光跟踪仪的对比测量实验,验证了该测量系统方法简单有效,并有毫米级的测量精度。在隧道、建筑与室内等空间测量方面有很高的实用价值。
【文章来源】：光电子·激光. 2019,30(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１全站仪测量和视觉引导系统Ｆｉｇ．１Ｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅａｎｄｖｉｓｉｏｎｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ
图２非正交激光全站仪结构Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｎｏｎ－ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎＲ′＝ｑ?Ｒ?ｑ－１（２）其中ｑ＝［ｃｏｓθ２，ｎ｜ｎ｜ｓｉｎθ２］，其中符号“?”为四元数乘法运算。在非正交模型中，水平转台绕轴Ｖ旋转θ之后，ｑ１＝［ｃｏｓθ２，Ｖ｜Ｖ｜ｓｉｎθ２］，各标定量如下：Ｐ１＝ｑ１?Ｐ?ｑ－１１Ｌ１＝ｑ１?Ｌ?ｑ－１１Ｃ１＝ｑ１?Ｃ?ｑ１Ｈ１＝ｑ１?Ｈ?ｑ烅烄烆１（３）竖直转台绕Ｈ１旋转φ之后，相应法向量和点坐标通过以下计算得到：Ｐ２＝ｑ２?（Ｐ１－Ｃ１）?ｑ－１２＋Ｃ１Ｌ２＝ｑ２?Ｌ１?ｑ－１２Ｃ２＝Ｃ烅烄烆１（４）其中ｑ２＝［ｃｏｓθ２，Ｈ｜Ｈ１｜ｓｉｎφ２］，通过标定已知点Ｐ的测距值为ｋ１，目标点Ｇ的测距值为ｋ２，根据测距仪实时测距值就可以解算出目标点Ｇ的三维空间坐标：Ｇ＝Ｐ２＋（ｋ２－ｋ１）Ｌ２（５）其中Ｇ代表目标点Ｇ的空间坐标。至此，激光全站仪可以测量空间任一点的三维坐标。４视觉精确引导４．１图像预处理由图１结构可知，激光测距仪旁边安装有可自动聚焦的相机，用来引导转台转动，使激光测距仪的激光点指引到靶点中心。因为该引导方法是根据靶点和激光点相对位置为前提，所以首先提取靶标和激光点在图像中的位置
激光点不断逼近靶点，直到两者的像素距离ｄ在Ｔ个像素内。其中ｄ＝（ｘｌ－ｘｔ）２槡＋（ｙｌ－ｙｔ）２，Ｔ根据转台和测距仪精度确定，一般可为０．２～１。算法实现框图如图４所示。图３图像预处理流程Ｆｉｇ．３Ｉｍａｇｅｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ图４视觉引导算法流程图Ｆｉｇ．４Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｖｉｓｉｏｎｇｕｉｄａｎｃｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ如框图所示当ｆ＝０时，说明是首张采集图像，水平转台和竖直转台的初始角度为ｏｒｉｇｉｎ，根据激光点和靶标在图像中的位置，控制转台的方向由以下四种情形：（１）当ｘｌ＜ｘｔ，ｙｌ＜ｙｔ时，控制转台转动使激光点向右上方向移动。（２）当ｘｌ＞ｘｔ，ｙｌ＜ｙｔ时，控制转台转动使激光点向左上方向转动。（３）当ｘｌ＜ｘｔ，ｙｌ＞ｙｔ时，控制转台转动使激光点向右下方向转动。（４）当ｘｌ＞ｘｔ，ｙｌ＞ｙｔ，时，控制转台转动使激光点向左下方向转动。此后的引导策略根据帧间图像提取到的激光点和靶标位置确定。记上一帧采集图像的激光点坐标（ｘｌａｓｅｒ，ｙｌａｓｔ＿ｌａｓｅｒ），靶标坐标为（ｘｌａｓｔ＿ｔａｒ，ｙｌａｓｔ＿ｔａｒ），转台的旋转角度和方向分别为ａ和ｃ。控制策略如下：算法条件说明：ａｎｇｌｅ：转台应旋转角度。ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ：转台旋转方向。（ｘｌａｓｅｒ，ｙｌａｓｅｒ）：激光点图像坐标。（ｘｔａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]全站仪测量技术在矿山测量中的应用技术研究[J]. 沈一峰,梁贵. 世界有色金属. 2018(12)
[2]全站仪中间法三角高程测量在滑坡变形监测中的应用探讨[J]. 宋文强. 测绘与空间地理信息. 2018(07)
[3]一种视觉引导经纬仪自动测量方法[J]. 王欣宇,范百兴,于英,阮国伟,刘浩淼. 测绘工程. 2018(06)
[4]矿山测量在复杂施工条件下溜井贯通中的应用实践[J]. 杨毅,张志和,朱煜峰. 铀矿冶. 2017(02)
[5]四元数在刚体姿态运动可视化仿真中的应用（英文）[J]. 黄金阳,辛长范,马云建,贾意弦. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2017(01)
[6]激光经纬仪精确交会的实现方法研究[J]. 吴斌,李俊军. 光电子·激光. 2015(12)
[7]非正交轴系激光经纬仪测量技术研究[J]. 吴斌,杨松. 激光技术. 2015(05)
[8]非正交轴系“激光经纬仪”视准轴校正方法[J]. 吴斌,谢胜文. 光电子·激光. 2015(09)
[9]基于扫描线模型的电子激光经纬仪自动瞄准方法研究[J]. 王芃芃,周虎. 光电工程. 2012(01)
[10]激光电子经纬仪动态跟踪引导系统的设计[J]. 周虎,邾继贵,张滋黎,叶声华. 光学精密工程. 2011(11)
本文编号：3266670
【文章来源】：光电子·激光. 2019,30(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１全站仪测量和视觉引导系统Ｆｉｇ．１Ｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅａｎｄｖｉｓｉｏｎｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ
图２非正交激光全站仪结构Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｎｏｎ－ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎＲ′＝ｑ?Ｒ?ｑ－１（２）其中ｑ＝［ｃｏｓθ２，ｎ｜ｎ｜ｓｉｎθ２］，其中符号“?”为四元数乘法运算。在非正交模型中，水平转台绕轴Ｖ旋转θ之后，ｑ１＝［ｃｏｓθ２，Ｖ｜Ｖ｜ｓｉｎθ２］，各标定量如下：Ｐ１＝ｑ１?Ｐ?ｑ－１１Ｌ１＝ｑ１?Ｌ?ｑ－１１Ｃ１＝ｑ１?Ｃ?ｑ１Ｈ１＝ｑ１?Ｈ?ｑ烅烄烆１（３）竖直转台绕Ｈ１旋转φ之后，相应法向量和点坐标通过以下计算得到：Ｐ２＝ｑ２?（Ｐ１－Ｃ１）?ｑ－１２＋Ｃ１Ｌ２＝ｑ２?Ｌ１?ｑ－１２Ｃ２＝Ｃ烅烄烆１（４）其中ｑ２＝［ｃｏｓθ２，Ｈ｜Ｈ１｜ｓｉｎφ２］，通过标定已知点Ｐ的测距值为ｋ１，目标点Ｇ的测距值为ｋ２，根据测距仪实时测距值就可以解算出目标点Ｇ的三维空间坐标：Ｇ＝Ｐ２＋（ｋ２－ｋ１）Ｌ２（５）其中Ｇ代表目标点Ｇ的空间坐标。至此，激光全站仪可以测量空间任一点的三维坐标。４视觉精确引导４．１图像预处理由图１结构可知，激光测距仪旁边安装有可自动聚焦的相机，用来引导转台转动，使激光测距仪的激光点指引到靶点中心。因为该引导方法是根据靶点和激光点相对位置为前提，所以首先提取靶标和激光点在图像中的位置
激光点不断逼近靶点，直到两者的像素距离ｄ在Ｔ个像素内。其中ｄ＝（ｘｌ－ｘｔ）２槡＋（ｙｌ－ｙｔ）２，Ｔ根据转台和测距仪精度确定，一般可为０．２～１。算法实现框图如图４所示。图３图像预处理流程Ｆｉｇ．３Ｉｍａｇｅｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ图４视觉引导算法流程图Ｆｉｇ．４Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｖｉｓｉｏｎｇｕｉｄａｎｃｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ如框图所示当ｆ＝０时，说明是首张采集图像，水平转台和竖直转台的初始角度为ｏｒｉｇｉｎ，根据激光点和靶标在图像中的位置，控制转台的方向由以下四种情形：（１）当ｘｌ＜ｘｔ，ｙｌ＜ｙｔ时，控制转台转动使激光点向右上方向移动。（２）当ｘｌ＞ｘｔ，ｙｌ＜ｙｔ时，控制转台转动使激光点向左上方向转动。（３）当ｘｌ＜ｘｔ，ｙｌ＞ｙｔ时，控制转台转动使激光点向右下方向转动。（４）当ｘｌ＞ｘｔ，ｙｌ＞ｙｔ，时，控制转台转动使激光点向左下方向转动。此后的引导策略根据帧间图像提取到的激光点和靶标位置确定。记上一帧采集图像的激光点坐标（ｘｌａｓｅｒ，ｙｌａｓｔ＿ｌａｓｅｒ），靶标坐标为（ｘｌａｓｔ＿ｔａｒ，ｙｌａｓｔ＿ｔａｒ），转台的旋转角度和方向分别为ａ和ｃ。控制策略如下：算法条件说明：ａｎｇｌｅ：转台应旋转角度。ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ：转台旋转方向。（ｘｌａｓｅｒ，ｙｌａｓｅｒ）：激光点图像坐标。（ｘｔａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]全站仪测量技术在矿山测量中的应用技术研究[J]. 沈一峰,梁贵. 世界有色金属. 2018(12)
[2]全站仪中间法三角高程测量在滑坡变形监测中的应用探讨[J]. 宋文强. 测绘与空间地理信息. 2018(07)
[3]一种视觉引导经纬仪自动测量方法[J]. 王欣宇,范百兴,于英,阮国伟,刘浩淼. 测绘工程. 2018(06)
[4]矿山测量在复杂施工条件下溜井贯通中的应用实践[J]. 杨毅,张志和,朱煜峰. 铀矿冶. 2017(02)
[5]四元数在刚体姿态运动可视化仿真中的应用（英文）[J]. 黄金阳,辛长范,马云建,贾意弦. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2017(01)
[6]激光经纬仪精确交会的实现方法研究[J]. 吴斌,李俊军. 光电子·激光. 2015(12)
[7]非正交轴系激光经纬仪测量技术研究[J]. 吴斌,杨松. 激光技术. 2015(05)
[8]非正交轴系“激光经纬仪”视准轴校正方法[J]. 吴斌,谢胜文. 光电子·激光. 2015(09)
[9]基于扫描线模型的电子激光经纬仪自动瞄准方法研究[J]. 王芃芃,周虎. 光电工程. 2012(01)
[10]激光电子经纬仪动态跟踪引导系统的设计[J]. 周虎,邾继贵,张滋黎,叶声华. 光学精密工程. 2011(11)
本文编号：3266670
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