具有運動補償的激光投影系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有運動補償的激光投影系統及方法。一種把激光圖像圖案精確地投影在工作表面上并且連續地補償激光器與工作表面之間的相對動態移動的方法，其包括：通過在攝影機圖像中定位各個目標而確立攝影機在三維中相對于工作表面的位置；利用激光器相對于攝影機的固定位置而確立激光器相對于工作表面的位置；以及響應于由攝影機確定的激光投影儀相對于工作表面的動態移動，利用計算機連續地調節激光投影儀反射鏡的旋轉。在一個實施例中，計算機連續地跟蹤激光投影儀相對于工作表面的至少兩個先前位置并且預測激光器的下一個位置，從而補償激光器相對于工作表面的移動。
【專利說明】具有運動補償的激光投影系統及方法
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2013年I月28日提交的臨時專利申請序列號61/757，412的優先權。

【技術領域】
[0003]本申請涉及一種把激光圖像精確地投影在目標或工作表面上并且連續地補償激光投影儀與目標的表面之間的相對動態移動的方法。

【背景技術】
[0004]當前，激光投影儀被利用來在工作表面上組件各個部件，比如組件桁架(truss)的各個部件，正如在本發明人的美國專利號5，646，859中所公開的那樣。至少四個目標(其通常是反光目標)相對于工作表面被固定，并且激光投影儀周期性地掃描各個目標以便校準工作表面與激光投影儀之間的相對位置。這在當前是通過測量相對于工具的坐標系的目標坐標并且隨后利用后方交會(resect1n)處理(即計算去到目標的已知激光射線在該處經過已知3-D目標坐標的投影儀位置)定位投影儀相對于工具的位置而實現的。一旦確立了激光投影儀的相對位置，就可以計算激光投影儀掃描反射鏡的所需偏轉角度，以便描記激光點經過工具或工作表面的已知三維輪廓上的所期望的模板圖案。模板圖案被投影為一系列矢量移動，其中激光順序地描記經過所述圖案的各項特征。如果描記經過圖案特征的操作以足夠高的頻率發生，則可以在沒有可見的閃爍偽像的情況下顯示所述圖案。
[0005]通過在目標的表面上的格柵圖案中掃描激光點來確立反光校準目標的精確位置。通過定位四個或更多目標的位置允許校準相對投影儀位置。在傳統的處理中，主計算機計算投影儀位置和所需的掃描矢量反射鏡移動以便描記經過所定義的3-D模板圖案，并且隨后把所得到的兩個軸掃描反射鏡的移動的矢量顯示列表傳送到連續地回描所期望的掃描序列的投影儀中的內嵌計算機。周期性地停止掃描序列并且定位目標，以便檢查由于投影儀相對于目標或工具表面的位置的改變而導致的投影圖案位置的變化，或者補償其他因素，比如由于環境中的溫度變化而導致的漂移。如果檢測到變化，則重新定位各個目標，計算新的掃描序列并且將其傳送到投影儀。
[0006]但是必須順序地施行利用投影儀掃描目標位置的操作，并且每秒最多可以掃描很少幾個目標。其結果是只能間歇性地施行針對投影漂移的測試，并且對于投影儀圖案的校正導致所投影圖案中的明顯的中斷。雖然這種傳統的方法可以有效地補償緩慢改變的環境條件或者間歇性發生的情況(比如刻意重新定位目標或工具表面)，但是其無法校正更加動態的改變，比如隨著裝料吊車移動或者響應于陣風或打開進料臺的門導致的氣壓改變發生的建筑物移動而導致的天花板安裝的激光投影儀的振動。
[0007]現有技術確實包括提出利用攝影機來采集系統相對于目標的表面的姿態，從而補償投影儀相對于目標表面的移動。利用攝影機來跟蹤投影儀具有兩個重要優點，即(i)現今的攝影機可以在高速下操作從而每秒數百次定位目標，以及(ii)目標檢測與投影無關并且不會與所投影圖像的動態運動發生干擾。但是一般來說，在現有技術中公開的投影儀是視頻投影儀(即在例如每秒30或60幀的固定刷新速率下顯示光柵圖像)。與此相對，本發明的方法對通過掃描激光產生的動態顯示的矢量圖像進行校正。雖然整個激光圖案可能僅僅更加緩慢地被刷新(例如每秒40次)，但是所描記的單獨各點則被每秒更新超過10000次，正如后面進一步描述的那樣。在Keitler等人的已公布PCT申請W0201213645中公開了一種例外，該申請聲明其所公開的動態跟蹤方法可以被用于視頻或激光投影儀；但是其所公開的方法依賴于特別對于激光投影儀來說在商業上尚未被證明是可行的獨特地配置的目標。


【發明內容】

[0008]所述把激光圖像圖案精確地投影在目標或工作表面上并且連續地補償激光投影儀與工作表面之間的相對動態移動的方法包括一種激光投影儀和攝影機系統，所述系統具有:至少一臺激光投影儀，其具有激光束源和把激光束重定向到工作表面上的旋轉反射鏡；相對于激光投影儀固定的至少一臺高分辨率攝影機；處在相對于工作表面的固定位置處的各個目標；以及與激光投影儀和攝影機通信的計算機。本發明的方法隨后包括:通過在攝影機圖像中定位各個目標，確立攝影機在三維中相對于工作表面的位置。所述方法隨后包括:利用激光投影儀相對于攝影機的固定位置，確立激光投影儀相對于工作表面的位置。在一個優選實施例中，本發明的方法隨后包括:響應于由攝影機確定的激光投影儀相對于工作表面的動態移動，利用計算機連續地調節激光投影儀反射鏡的旋轉，從而連續地校正工作表面上的激光束的位置。在一個優選實施例中，本發明的方法包括:在三維中連續地跟蹤激光投影儀相對于工作表面的至少兩個先前位置并且預測激光投影儀的下一個位置，所述計算機從而補償激光投影儀相對于工作表面的移動；也就是激光投影儀相對于工作表面的相對速度。還可以通過連續地跟蹤激光投影儀相對于工作表面的至少三個先前位置并且隨后預測激光投影儀的下一個位置來確定三維中的激光投影儀相對于工作表面的加速度(即速度改變)，從而補償激光投影儀相對于工作表面的加速度。
[0009]本發明的方法可以包括:通過首先利用激光投影儀掃描各個目標并且隨后當激光投影儀相對于目標穩定時利用攝影機定位所述目標來確立攝影機相對于激光投影儀的位置。當所述方法包括把閃光導向反光目標并且利用攝影機定位被照明的反光目標，以便相對于激光投影儀和攝影機系統非常精確地定位反光目標和所述目標的表面時，所述目標可以是反光目標，并且所述系統可以包括例如LED閃光燈組件之類的閃光組件。正如前面所闡述的那樣，所述目標處在相對于工作表面的固定位置處，并且在該實施例中發射或反射光源。本發明的方法還可以包括:在工作表面上描記校正后的圖案時，通過利用計算機把三維圖案坐標轉換成激光投影儀中的投影矢量反射鏡定義坐標來確定激光投影儀相對于工作表面的位置。本發明的方法還可以包括:利用攝影機直接觀察激光投影儀的元件，比如由激光投影儀投影的斑點或一系列斑點，并且利用計算機來計算攝影機相對于激光投影儀的位置。
[0010]通過前面對于本發明的方法的描述將會理解，本發明的方法特別適用于部件的精確組裝，比如在動態條件下要求至少0.50mm (0.0197英寸)的精度的飛機碳纖維布局的組裝。如前所述，激光投影每秒刷新在圖案中描記的單獨各點超過10000次。因此，通過在每一個圖案內而不是在圖案之間進行卷曲(warping)，有可能利用本發明的方法以高得多的保真度進行校正(例如如果必須對于50cm/秒的移動校正投影，則50hz的校正在圖案中產生Icm的誤差，而10000Hz則校正到0.005cm (或者大約0.002英寸)，這是察覺不到的誤差并且可以被用于例如飛機碳纖維布局之類的精確組裝任務)?！熬砬睂τ?-D透視是校正，對于二維是伸展。動態地局部校正所描記的激光投影儀矢量圖案是本發明的一項重要特征。
[0011 ] 如前所述，動態跟蹤是本發明的一項重要特征，也就是說，本發明的方法把激光投影儀與工作表面的相對移動擬合到被描述為時間的函數的測量，并且隨后預測在實際對所投影的顯示應用校正的精確未來時刻對象將位于何處(以便例如校正幾毫秒的處理延遲)。這樣就允許其中所施加的力是合理地連續的非常自然的移動。但是如果所述相對移動碰到固定對象，則其將立即停止，并且所投影的圖案將以千分之幾秒“彈”過該位置。
[0012]通過后面對于本發明的優選實施例的描述，本發明的把激光圖像圖案精確地投影在工作表面上的方法的其他優點和有利特征將會得到更加全面的理解。但是應當理解的是，除了如在所附權利要求書中所闡述的那樣，該方法不限于所描述的實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]參照后面結合附圖考慮的詳細描述將會更容易認識到并且會更好地理解本發明的其他優點，其中:
[0014]圖1是把激光模板投影在工作表面上的現有技術商用方法的示意圖；
[0015]圖2是精確地投影激光圖像的一種改進的方法的示意圖；
[0016]圖3是針對投影激光圖像的方法的進一步改進的示意圖；
[0017]圖4進一步示出了圖3中所示的方法的實施例；
[0018]圖5示出了包括激光投影儀的一個優選實施例的本發明的方法；以及
[0019]圖6是攝影機的一個實施例的端視圖，其示出了本發明的方法的另一個實施例。

【具體實施方式】
[0020]如前所述，在【背景技術】部分和本發明人的美國專利號5，646，859中，當前的商用組件激光投影系統包括激光投影儀20和處在相對于工件或工作表面24的固定位置處的多個(至少四個)目標(其通常是反光目標)22，正如圖1中所示出的那樣。激光投影儀20周期性地掃描各個目標22，以便通過后方交會處理定位激光投影儀相對于工具的位置?？梢詫す馔队皟x掃描反射鏡進行計算，以便將激光點描記經過工具的已知三維輪廓上的所期望的模板圖案。但是這種方法存在幾個缺點，其中包括必須中斷在工具上的模板的投影以便確認激光投影儀與工具表面的相對位置，并且其無法校正激光投影儀相對于所述目標的表面的更加動態的改變或移動。
[0021]圖2中所示的本發明的激光投影系統的一個實施例包括激光投影儀26、相對于激光投影儀26固定或者被集成到激光投影儀外罩中的高分辨率或高清晰度攝影機28，正如圖中所示出的那樣。目標30相對于工件32固定。在該實施例中，激光投影儀26和攝影機被用來確立固定攝影機28位置與激光投影儀之間的相對位置。最初，所述系統利用激光投影儀26和攝影機28來定位目標30，以便確立固定攝影機位置與投影儀系統坐標原點之間的相對對應性。這是通過在系統穩定時掃描所述目標或者通過補償激光目標的掃描位置而實現的，其中補償激光目標的掃描位置是通過在每一個所掃描的目標之間的間隔期間監測攝影機之間的相對位置而實現的。一旦確立了激光器與攝影機之間的相對對應性，就可以完全基于攝影機位置來計算激光投影儀26相對于工作工具32的相對位置而不會有所顯示的激光投影的任何中斷。通過基于更新后的攝影機位置修改激光投影位置允許對校正后的投影列表進行評估，以便獨立于激光投影儀26或工作工具32的移動而保持光學模板在工具表面上的固定位置。圖2中所示的激光投影系統的優選實施例提供了兩種方法來更新相關聯的矢量顯示列表，從而允許與現有的激光投影系統集成，并且利用為了直接支持校正處理而開發的增強的投影儀來提供優化的性能。
[0022]圖3示出了利用動態補償來增強現有的激光投影裝置的激光器和攝影機投影系統。在這種配置中，外部攝影機36通過物理方式附著到現有的激光投影儀34。攝影機36具有利用高速通信鏈接的集成LED閃光燈38 (后面關于圖7討論)，例如可以從Basler AG獲得的工業攝影機型號acA2500-14gm通過千兆字節以太網進行通信，以便從遠離主計算機的距離提供高速分辨率圖像的快速傳送。所檢測到的位置42隨后可以被用來計算激光投影儀34的相對位置。主計算機40隨后可以基于當前所投影的模板的3-D范圍來計算相對掃描矢量偏移量。所述矢量偏移量可以被發送到投影儀34，并且在描記當前存儲的矢量顯示列表時被動態地應用，以便校正投影儀相對于目標表面或工具(未示出)的運動。但是圖3中所示的系統并不是最優的，這是因為矢量顯示的簡單變換例如不允許相對于工具的復雜動態運動，并且只能近似對于所顯示模板的所需校正。舉例來說，對于精確的補償，顯著地更加靠近投影儀的模板的分量將需要更大的矢量角度校正。
[0023]圖4中所示的增強的投影儀設計允許更加靈活的性能。圖4中所示的投影系統的實施例包括激光投影儀44和高分辨率攝影機46。如圖所示，通過記錄所顯示模板的源3-D坐標而強化了矢量顯示列表48。所嵌入的處理器隨后在利用激光點描記矢量圖案時動態地應用當前評估的投影儀變換50以便把矢量顯示列表48轉換成校正后的矢量顯示列表52，從而在存在任意相對運動的情況下提供經過完全校正的模板投影54。相對投影的圖像處理和計算可以在主計算機中發生，或者優選的是，攝影機46和用以定位反光目標及評估攝影機姿態的圖像處理軟件被直接集成到投影儀中。
[0024]為了計算作為激光投影儀的兩個掃描反射鏡(圖5中的60和62)的旋轉角度的矢量，首先確定激光投影儀44相對于將激光投影到其上的工作表面的位置。一旦確定了投影儀相對于工作表面的位置，計算機就計算掃描反射鏡的必要旋轉以便把投影儀位置改變到使得激光被投影到所述表面上的期望點，正如后面進一步討論的那樣。一旦如前面所討論的那樣通過觀察所述目標相對于工作表面定位了攝影機46，就通過已知的機械關系或者通過需要所計算的激光投影儀相對于所述表面的位置的掃描來確定激光投影儀44相對于攝影機的位置。當計算出激光投影儀相對于所述表面的位置時，所述位置被用來確定所需的反射鏡旋轉矢量。
[0025]主計算機監測所計算的矢量相比于初始計算的矢量的改變，并且發出以2-D增量偏移所投影的圖案的針對反射鏡旋轉角度的校正，作為第二更加先進的實例，所述校正是3-D坐標的更新后的數值，正如后面進一步描述的那樣。
[0026]圖5示出了適用于本發明的把激光圖像圖案精確地投影在工作表面上的方法的激光投影儀和攝影機組件56。所述組件包括激光器或激光源58，分別安裝在旋轉電流計電動機64、66上的旋轉反射鏡60、62。激光束68被旋轉電流計反射鏡60、62重定向，其把激光束偏轉到圓柱形工件72上，從而在該工件上描記圖案70。所述工件包括至少四個目標74，其優選地是處在圓柱形工件72上的預定位置處的反光目標。應當理解的是，工件72可以具有任何形狀并且不限于圓柱形。所述組件還包括高清晰度攝影機78，并且目標74由光源76照明，其優選地是LED光源或LED閃光燈陣列76。處理板80檢測攝影機78的圖像中的各個目標位置和攝影機以便計算投影儀關于目標72的相對位置，并且確定在部件上的恒定位置處描記所述圖案必要的經過修改的反射鏡偏轉，而不管由于目標72、投影儀或全部二者的移動所導致的投影儀相對于目標的表面的任何移動。因此，攝影機78連續地更新組件56相對于工件72的位置而不會中斷激光投影。在一個優選實施例中，計算機連續地調節激光投影反射鏡60和62的旋轉，這是通過響應于由攝影機78確定的激光投影儀相對于工作表面的動態移動來控制旋轉電流計電動機64、66來實現的。計算機可以被用來連續地跟蹤激光投影儀78相對于工作表面72的至少兩個先前位置，并且預測激光投影儀的下一個位置，從而補償激光投影儀與工作表面72的相對移動。本發明的方法還可以被利用來補償激光投影儀58相對于工作表面72的加速度(即速度改變)，這是通過在三維中連續地跟蹤激光投影儀58相對于工作表面的至少三個先前位置，預測激光投影儀的下一個位置，并且針對激光投影儀相對于工作表面的移動而對其進行補償。本發明的方法還可以被利用來跟蹤激光投影儀或者激光投影儀和攝影機組件56相對于工作表面72的加速度(速度改變)。本領域技術人員將理解的是，激光投影儀和攝影機組件56通常被安裝在高架起重機、橫梁和橋式臺架上，從而會受到由于風或地面移動而導致的不規則移動。類似地，工件72相對于激光投影儀可能是可移動的。在其中精度至關重要的某些應用中，比如用于構造特定飛機的飛機碳纖維布局，激光投影中的誤差必須小于0.5mm或者0.01968英寸。即使在動態條件下，利用本發明的方法也可以達到這一精度。
[0027]圖6是圖5(和圖3)中所示的攝影機78的端視圖，其中攝影機78被LED閃光燈陣列76圍繞。如前所述，LED閃光燈陣列76照明由攝影機78觀看的圖5中的反光目標74，從而改進了測量或確定攝影機和激光投影儀相對于工作表面的相對位置的精度。
[0028]本領域技術人員將理解的是，在所附權利要求書的范圍內，可以對本發明的把激光圖像圖案投影在工作表面上的方法的各個實施例做出許多修改。僅僅作為舉例，在本發明的方法中可以利用兩臺或更多臺攝影機，并且可以通過任意措施把攝影機相對于激光投影儀固定，其中包括如圖5中所示把攝影機放置在激光投影儀的外罩內，或者利用托架或條桿把攝影機與激光投影儀間隔開。前面描述了本發明的方法，后面將申明所述方法的保護范圍。
【權利要求】
1.一種利用激光投影儀和攝影機系統把激光圖像圖案精確地投影在工作表面上并且連續地補償激光投影儀與工作表面之間的相對動態移動的方法，所述激光投影儀和攝影機系統包括至少一臺激光投影儀、相對于激光投影儀固定的至少一臺高分辨率攝影機、處在相對于工作表面的固定位置處的各個目標以及與激光投影儀和攝影機通信的計算機，其中所述至少一臺激光投影儀具有激光束源以及把激光束重定向到工作表面上的旋轉反射鏡，所述方法包括: 通過在攝影機圖像中定位所述目標而確立攝影機在三維中相對于工作表面的位置； 利用激光投影儀相對于攝影機的固定位置而確立激光投影儀相對于工作表面的位置；以及 響應于由攝影機確定的激光投影儀相對于工作表面的動態移動，利用計算機連續地調節激光投影儀反射鏡的旋轉，從而連續地校正工作表面上的激光束的位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中，計算機在三維中連續地跟蹤激光投影儀相對于工作表面的至少兩個先前位置并且預測激光投影儀的下一個位置，從而補償激光投影儀相對于工作表面的移動。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括:通過利用激光投影儀掃描所述目標并且當激光投影儀相對于所述目標穩定時利用攝影機定位所述目標來確立攝影機相對于激光投影儀的位置。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述目標是反光目標，并且所述系統包括導向所述反光目標的閃光組件，所述方法包括:把閃光導向反光目標并且利用攝影機定位被照明的反光目標，以便精確地定位所述反光目標和目標表面。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述攝影機包括LED閃光燈陣列，并且所述方法包括JELED閃光燈陣列導向工作表面上，并且攝影機通過在攝影機圖像內定位被照明的反光目標而在三維中精確地確立攝影機相對于工作表面的位置。
6.如權利要求1所述的方法，其中，通過以下操作確立攝影機相對于激光投影儀的位置:利用激光投影儀掃描所述目標，并且通過同時利用攝影機定位激光投影儀來單獨地補償每一項掃描。
7.如權利要求1所述的方法，其中，處在相對于目標表面的固定位置處的所述目標各自發射一個光源，所述方法包括:利用攝影機對被照明的目標進行成像，并且利用攝影機定位激光投影儀。
8.如權利要求1所述的方法，其中，在工作表面上描記校正后的激光圖案時，激光投影儀相對于工作表面的位置被計算機利用來把三維圖案坐標轉換成激光投影儀中的投影矢量反射鏡偏轉坐標。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括:通過利用攝影機直接觀察激光投影儀的元件來精確地確立攝影機相對于激光投影儀的位置。
10.如權利要求9所述的方法，其中，由攝影機觀察的激光投影儀的所述元件是由激光投影儀投影的斑點，并且所述方法包括:利用攝影機觀察由激光投影儀投影的斑點，并且利用計算機計算攝影機相對于投影儀的位置。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述方法包括:通過利用攝影機觀察由激光投影儀投影在工作表面上的斑點來確定攝影機相對于激光投影儀的位置。
12.一種利用激光投影儀和攝影機系統把激光圖像圖案精確地投影在工作表面上并且連續地補償激光投影儀與工作表面之間的相對動態移動的方法，所述激光投影儀和攝影機系統包括至少一臺激光投影儀、相對于激光投影儀固定的至少一臺高分辨率攝影機、處在相對于工作表面的固定位置處的多個反光目標以及與激光投影儀和攝影機通信的計算機，其中所述至少一臺激光投影儀具有激光束源以及把激光束重定向到工作表面上的旋轉反射鏡，所述方法包括: 把閃光光源導向所述反光目標上； 通過在攝影機圖像中定位被照明的反光目標而確立攝影機在三維中相對于工作表面的位置； 利用激光投影儀相對于攝影機的固定位置而確立激光投影儀相對于工作表面的位置；以及 修改由激光投影儀投影的圖案以便補償激光投影儀相對于工作表面的所計算位置。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述攝影機包括LED閃光燈陣列，并且所述方法包括JELED閃光燈陣列導向工作表面上，利用攝影機對被照明的反光目標進行成像，以及通過在攝影機圖像內定位被照明的反光目標而精確地確立激光投影儀在三維中相對于工作表面的位置。
14.如權利要求12所述的方法，其中，所述方法包括:響應于由攝影機確定的激光投影儀相對于工作表面的動態移動，利用計算機連續地調節激光投影儀反射鏡的旋轉，從而連續地校正工作表面上的激光束的位置。
15.如權利要求14所述的方法，其中，計算機在三維中連續地跟蹤激光投影儀相對于工作表面的至少兩個先前位置并且預測激光投影儀的下一個位置，從而補償激光投影儀相對于工作表面的移動。
【文檔編號】G01B11/25GK104180792SQ201410040404
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2013年1月28日
【發明者】K·D·魯博 申請人:維蒂克影像國際公司