專利名稱：水下激光差頻掃描三維光學測量裝置的制作方法
一種用于機器人視覺系統(tǒng)的水下激光差頻掃描三維光學測量裝置。
本發(fā)明屬于水下激光觀察測量裝置。
已有的激光二維掃描裝置(激光電視)，如帶寬視角水下激光能量接收器(專利號85106659.3)的激光二維掃描裝置僅適用于二維圖象觀察和激光照明目標位置的二維計算。又目前，機器人在工業(yè)生產(chǎn)、太空探索、水下作業(yè)和軍事設(shè)施等方面發(fā)揮重要作用。在水下機器人能夠完成海底測繪、勘探、打撈、導航、排除水雷等任務(wù)，在海洋研究和開發(fā)中大顯身手。自動化和智能化的發(fā)展，越來越要求機器人能夠感知、識別和適應它所在的環(huán)境，以使執(zhí)行規(guī)定的操作更可靠、安全，其中至關(guān)重要的首要問題是機器人的視覺問題，即解決其三維信息的獲取方法，研究出機器人三維視覺系統(tǒng)。已有技術(shù)大多采用立體視差法，由于存在同各點匹配問題，數(shù)據(jù)量太龐大，速度太慢，使實時測量難以實施。1980年前后用激光同步掃描法和時間間隔法獲取的二維圖象，并實時測出圖象中每點的方向和距離的方法，被認為是機器人三維視覺系統(tǒng)的發(fā)展方向，具體分析上述時間間隔法的優(yōu)點是遠距離測量精度高，但只能對設(shè)定的特定距離前后進行測量，且景深較小，近距離(1米內(nèi))測量難以實現(xiàn);同步掃描法則屬三角測距法，遠距離測量精度差，近距離測量精度較高。上述兩種方法幀頻都不太高，因此實時顯示仍存在困難?？紤]到水下激光的后向散射問題，時間間隔法因發(fā)射和接收同軸，在水下無法使用，而上述同步掃描法則受接收口徑、視場和水下觀察距離等參數(shù)的限制，其基線不能拉得過長，這勢必影響消散射性能而難以實際應用。
本發(fā)明的目的是提供一種寬視場、全景深、信息處理速度快、實時顯示性能好、消散射性能好，測量精度能滿足要求的高性能三維測量裝置，以利發(fā)展新一代水下智能化機器人和水下遙控潛器。
為了便于理解本發(fā)明，給出該裝置的空間坐標示圖(見

圖1)和測量方法的計算法-三角法。圖中S為狹縫掃描鏡軸中心，F(xiàn)為二維掃描裝置幀掃描鏡轉(zhuǎn)軸中心，取F為座標系原點，F(xiàn)X為X軸，幀掃描鏡轉(zhuǎn)軸方向為Y軸，XOZ平面為激光傾角為零度時的水平掃描面，AB為狹縫空間方向，M為狹縫掃描平面，虛線SS′為M平面與XOZ平面交線。設(shè)任意點P恰好被掃描激光照明，其反射光又同時被掃描狹縫接收，則可得P點三座標計算公式如下X= (So tgβ cos α)/(tg β cosα - c ·gν tg β+sinα)Y= (So tgβ tgν)/(tgβ cosα - c ·gν tgβ+sinα) ，Z= (So tgβsinα)/(tg β cosα - c ·gν tg β+sinα) , C= 1/(tgθ)
式中α＝φF-ωFt，ν＝φL-ωLt，β＝φS-ωStωF激光幀水平掃描速度(1/秒)，φFα初始位置(度)ωL激光行垂直掃描速度(1/秒)φLν初始位置(度)ωS狹縫水平掃描速度(1/秒)φSβ初始位置(度)θS狹縫對水平面傾斜角(度)C傾斜系數(shù)So基線長度t時間(秒)本發(fā)明是在已有的激光二維掃描裝置，即一般的激光掃描電視的基礎(chǔ)上研制而成。主要由三部分組成由帶寬視角水下激光能量接收器的激光二維掃描裝置;狹縫能量接收器與同步信號發(fā)生器兩者構(gòu)成的狹縫掃描裝置;以及與之相適配用于處理上述兩裝置提供的信息進行三維計算的數(shù)據(jù)處理裝置(見附圖2)，圖中激光器發(fā)出的激光經(jīng)行、幀掃描鏡對目標在行、幀方向均掃描照明，從目標反射之光束則分別被寬視角激光能量接收器和狹縫能量接收器接收。狹縫能量接收器主要是由狹縫掃描鏡，一個透鏡及其焦面上的狹縫，狹縫后則為光電轉(zhuǎn)換器。圖2中的M1-M5分別為放大各種信號的放大器，由此輸出的A、B、C、D、E分別為行同步信號，幀同步信號，視頻信號，狹縫同步信號和狹縫信號。
本發(fā)明的詳細結(jié)構(gòu)還將結(jié)合附圖給出具體實施例。
附圖1本裝置利用三角計算法的空間坐標示圖;
附圖2本裝置總體結(jié)構(gòu)框示圖;
附圖3光路結(jié)構(gòu)示圖。
其中，1激光二維掃描裝置，2狹縫掃描裝置，3數(shù)據(jù)處理裝置，4激光器，5行掃描鏡，6幀掃描鏡，7光敏二極管，8光敏三極管，9寬視角水下激光能量接收器，10狹縫掃描鏡，11狹縫，12光電轉(zhuǎn)換器件，13光源，14孔欄，15半透半反鏡，16光敏管，17控制顯示器，18目標物。
由圖1和圖3，已有的激光二維掃描裝置〔1〕與狹縫掃描裝置〔2〕可以根據(jù)實際測量精度和使用的方便有一定光軸距So，實現(xiàn)以三角法進行三維計算。這里必須保證激光二維掃描裝置〔1〕中的幀掃描鏡〔6〕的軸與狹縫掃描裝置〔2〕中的狹縫掃描鏡〔10〕的軸相互平行。這也是為便于遠距離、高精度測量時將上述激光二維掃描裝置〔1〕和狹縫掃描裝置〔2〕分別設(shè)置空間相距甚遠時應該保證的條件。
狹縫掃描裝置〔2〕內(nèi)的可調(diào)接收狹縫〔11〕通過狹縫掃描鏡〔10〕對空間目標逐行進行掃描或觀察。其中狹縫能量接收器是由依次排列于同一光軸上的狹縫掃描鏡〔10〕，聚焦透鏡t3，可調(diào)狹縫〔11〕，和光電轉(zhuǎn)換器件〔12〕組成，光電轉(zhuǎn)換器件〔12〕為一高量子效率低噪聲的光電倍增管，其產(chǎn)生的目標反射光的電信號送入數(shù)據(jù)處理裝置〔3〕，狹縫〔11〕位于透鏡t3焦面上，且垂直于激光幀掃描面放置，并使能量接收器光軸通過狹縫〔11〕中心，其光軸應位于狹縫掃描鏡〔10〕的反射鏡面的上部。
狹縫同步信號發(fā)生器，則由光源〔13〕，透鏡t1，孔欄〔14〕，半透半反鏡〔15〕，透鏡t2和兩只反射鏡f、g，狹縫掃描鏡〔10〕以及置于透鏡t2通過半透半反鏡〔15〕反射后的焦點上的光敏管〔16〕依次排列而成，由該光敏管〔16〕產(chǎn)生的狹縫同步信號同時送入數(shù)據(jù)處理裝置〔3〕，透鏡t1和孔欄〔14〕使光源〔13〕成點光源，且透鏡t1前焦點與透鏡t2后焦點重合于孔欄〔14〕中心，反光鏡f和g的位置應保證狹縫同步信號發(fā)生器的光軸垂直于狹縫掃描鏡軸，并位于狹縫掃描鏡〔10〕反射鏡面之下部。
考慮到激光二維掃描裝置〔1〕的行掃描鏡〔5〕，幀掃描鏡〔6〕和狹縫掃描裝置〔2〕的狹縫掃描鏡〔10〕均以一定轉(zhuǎn)速掃描，其結(jié)果是狹縫能量接收器將不能收到完整一行的信號，為了實現(xiàn)接收整行的信號，必須使狹縫掃描裝置〔2〕中的狹縫〔11〕可以在光軸垂直的平面中傾斜一定角度，該狹縫〔11〕傾角由行、幀、縫掃描鏡三者的轉(zhuǎn)速確定。為了提高測量速度，實現(xiàn)實時測量，行掃描鏡〔5〕、幀掃描鏡〔6〕和狹縫掃描鏡〔10〕三者的掃描周期TL、TF和TS與激光掃描每幀的行數(shù)N之間的關(guān)系為TF±KTL=XTS± (Kt2)/(N) ,其中K＞0，X是不為整數(shù)的系數(shù)，該關(guān)系即為本裝置差頻掃描的含義和條件。
綜上所述，根據(jù)上述構(gòu)織而成的本發(fā)明，具有寬視場、全景深、結(jié)構(gòu)簡單、實時性能好、計算機處理系統(tǒng)簡單，并能克服水下激光后向散射等優(yōu)良性能，不僅對第二代智能化機器人機械手操作和水下遙控潛器的發(fā)展具有重要意義，而且也適用于任意空間，長距離、高精度的激光三維觀察和測量。
權(quán)利要求
1.一種水下激光差頻掃描三維光學測量裝置，其特征在于它是由數(shù)據(jù)處理裝置[3]，具有寬視角水下激光能量接收器的激光二維掃描裝置[1]和狹縫掃描裝置[2]組成，且A、激光二維掃描裝置[1]中的幀掃描鏡[6]的軸與狹縫掃描鏡[10]的軸應保證相互平行，激光二維掃描裝置[1]與狹縫掃描裝置[2]根據(jù)需要有一定光軸距So，實現(xiàn)以三角法進行三維計算。B、狹縫掃描裝置[2]由狹縫能量接收器和狹縫同步信號發(fā)生器構(gòu)成，上述狹縫能量接收器是由依次排列于同一光軸上的狹縫掃描鏡[10]，聚焦透鏡t3，可調(diào)狹縫[11]和光電轉(zhuǎn)換器件[12]組成，光電轉(zhuǎn)換器件[12]產(chǎn)生的反射光的電信號送入數(shù)據(jù)處理裝置[3]，狹縫[11]位于透鏡t3焦面上，且垂直于激光幀掃描面放置，并使能量接收器光軸通過狹縫中心，其光軸應位于狹縫掃描鏡[10]的反射鏡面的上部，上述狹縫同步信號發(fā)生器，則由光源[13]，透鏡t1，孔欄[14]，半透半反鏡[15]，透鏡t2和兩只反射鏡f、g，狹縫掃描鏡[10]以及置于透鏡t2通過半透半反鏡[15]反射后的焦點上的光敏管[16]依次排列而成，由該光敏管[16]產(chǎn)生的狹縫同步信號同時送入數(shù)據(jù)數(shù)理裝置[3]，透鏡t1和孔欄[14]使光源[13]成點光源，且透鏡t1前焦點與透鏡t2后焦后重合于孔欄[14]中心，反光鏡f、g的位置應保證狹縫同步信號發(fā)生器的光軸垂直于狹縫掃描鏡軸，并位于狹縫掃描鏡[10]反射鏡面的下部，C、上述數(shù)據(jù)處理裝置為一臺微型計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于狹縫掃描裝置中的狹縫〔11〕可以在與光軸垂直的平面中傾斜一定的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于幀掃描鏡〔6〕，行掃描鏡〔5〕和狹縫掃描鏡〔10〕三者的掃描周期與激光掃描每幀行數(shù)N之間的關(guān)系是TF±KTL=XTS± (Kt2)/(N) ，其中K＞0，X是不為整數(shù)的系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于為便于高精度，遠距離測量，上述激光二維掃描裝置〔1〕和狹縫掃描裝置〔2〕可以分開設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述光電轉(zhuǎn)換器〔12〕為一只低噪聲、高量子效率的光電倍增管。
全文摘要
一種可以用于機器人視覺系統(tǒng)的水下激光差頻掃描三維光學測量裝置。它由具有寬視角水下激光能量接收器的激光二維掃描裝置，狹縫掃描裝置和數(shù)據(jù)處理裝置組成，激光二維掃描裝置和狹縫掃描裝置可以成一體或分開設(shè)置。本發(fā)明的特點是狹縫掃描裝置的設(shè)置和其中的狹縫若在光軸垂直的平面中傾斜一定的角度，則可實現(xiàn)實時三維水下激光的觀察和測定，具有寬視角、全景深、結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)簡單，并能克服水下激光后向散射等性能。
文檔編號G01B11/02GK1056574SQ90103579
公開日1991年11月27日 申請日期1990年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月15日
發(fā)明者鄭國星, 譚銳, 袁君毅 申請人:青島海洋大學