一种新型激光扫描投影方法

摘要

本发明公开了一种新型激光扫描投影方法，首先进行双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间坐标转换关系的自动解算和标定，依据推导出的坐标系转换关系，计算各背向反射合作目标圆心相对于双轴扫描振镜坐标系的转角，双轴扫描振镜模块自动控制光束完成各背向反射合作目标的光学扫描，根据被投影目标物体位置和姿态信息，重新解算坐标转换关系，实现对投影图形的位置偏差的实时校正能够实现对被投影目标物体位置和姿态的实时自动检测，最后上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型并通过数据采集处理及控制模块驱动双轴扫描振镜模块循环转动，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓线框图形。

权利要求

1.一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间坐标转换关系的自动解算和标定：

S11.在被投影目标物体(11)上设置多个背向反射合作目标(10)；

S12.视觉测量模块(5)对被投影目标物体(11)上设置的背向反射合作目标(10)进行图像获取；

O O O

S13.定义被投影目标物体(11)的坐标系为被投影目标物体坐标系O‑XY Z ；定义视觉C C C C C C

测量模块(5)的坐标系为相机坐标系C‑X YZ ；解算得出相机坐标系C‑XYZ 与被投影目标O O O

物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换；

P P P

S14.定义双轴扫描振镜模块(4)的坐标系为双轴扫描振镜坐标系P‑XY Z ；视觉测量模P P P

块(5)设置于双轴扫描振镜模块(4)一侧并使双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与相机坐标系C‑C C C

XYZ的某一轴共线或某两轴共面；

P P P C C C

S15.建立双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ 与相机坐标系C‑XYZ的数学模型，并确定两坐标系的转换关系；

P P P C C C

S16.依据双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ 与相机坐标系C‑XYZ的坐标系转换关系，推导P P P O O O

得出双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换关系；

步骤二、对被投影目标物体上设置的多个背向反射合作目标进行实时自动光学扫描：依据步骤一推导出的坐标系转换关系，计算各背向反射合作目标圆心相对于双轴扫描振镜坐标系的转角；双轴扫描振镜模块(4)自动控制光束完成各背向反射合作目标的光学扫描，并将各背向反射合作目标(10)反射的激光光强信息送入光强反馈探测模块(6)；

步骤三、根据步骤二获取的各圆心位置坐标与对应的转角关系，重新解算双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间新的、实时的、精准坐标转换关系，实现对被投影目标物体位置和姿态变动信息的实时、自动监测；

步骤四、上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型并通过数据采集处理及控制模块(7)驱动双轴扫描振镜模块(4)循环转动，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓线框图形，实现由被投影目标物体发生不可避免的位置和姿态变动导致投影图形位置偏差的实时、自动校正。

2.如权利要求1所述的一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤S13中解算C C C O O O

得出的相机坐标系C‑XYZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换关系为：C C C

其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑X YZ下各背向反射合作目标(10)的三维坐标值，(X1,O O O

Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XYZ下背向反射合作目标(10)的三维坐标值，R1和T1分C C C O O O

别为相机坐标系C‑XYZ到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋转矩阵和平移矩阵。

3.如权利要求1所述的一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤S15中得到P P P C C C

的双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与相机坐标系C‑XYZ的转换关系为：C C C

其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑XY Z下背向反射合作目标(10)的三维坐标值，(X2,P P P

Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ下背向反射合作目标(10)的三维坐标值，R2和T2分别C C C P P P

为视觉测量模块(5)的相机坐标系C‑XYZ到双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ的旋转矩阵和平移矩阵。

4.如权利要求1所述的一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤S16中推导P P P O O O

得出双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换关系为：O O O

其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XYZ 下背向反射合作目标(10)的三维坐P P P

标值，(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ下背向反射合作目标(10)的三维坐标值，C C C P P P

R2和T2分别为视觉测量模块(5)的相机坐标系C‑XY Z到双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ的旋C C C O O O

转矩阵和平移矩阵，R1和T1分别为相机坐标系C‑XY Z到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋转矩阵和平移矩阵。

5.如权利要求1所述的一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤二重新解算双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间精准坐标转换关系包括以下步骤：S21.数据采集处理及控制模块(7)依据步骤一解算得出的双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系坐标转换关系，计算各个背向反射合作目标(10)圆心位置相对于双轴扫描振镜坐标系的相应转角；

S22.数据采集处理及控制模块(7)控制双轴扫描振镜模块(4)中的两个反射镜自动将激光光束入射并定位至各个背向反射合作目标(10)，并依据预先设置好的扫描范围、扫描路径和扫描速度，自动完成对各个背向反射合作目标(10)的光学扫描操作；

S23.光学扫描过程中，由各个背向反射合作目标(10)反射的激光光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块(4)入射至激光分束模块(3)，激光分束模块(3)将反射光强信息送入在激光分束模块(3)反射分光光路正前方的光强反馈探测模块(6)，实现反馈光强信号的探测和转换；

S24.光强反馈探测模块(6)将接收的反射光强信息转换为电压信号，转换后的电压信号再送入数据采集处理及控制模块(7)中，通过最小二乘圆心求解算法计算各背向反射合作目标(10)的圆心位置以及与各圆心位置相对应的双轴扫描振镜模块(4)中两反射镜的旋转角度。

6.如权利要求1所述的一种新型激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤四包括：上位机控制器(8)完成待投影CAD数模文件的导入，进行CAD数模文件中图形特征的解析、扫描投影参数设置、扫描路径优化工作，并再次将投影图形各节点的坐标位置信息送入数据采集处理及控制模块(7)，数据采集处理及控制模块(7)依据步骤三解算出的双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间的精准坐标转换关系，驱动双轴扫描振镜模块(4)完成各投影坐标位置对应角度的循环转动，最终实现CAD数模文件中零部件图形在被投影目标物体(11)坐标系中的激光扫描投影，并实时自动校正由被投影目标物体发生不可避免位置和姿态变动引起的投影图形位置偏差。

说明书

一种新型激光扫描投影方法

技术领域

[0001] 本发明属于先进光电测试仪器领域，尤其涉及一种新型激光扫描投影方法，具体应用于先进制造装配领域中的智能辅助装配定位等。

背景技术

[0002] 激光扫描投影仪主要应用于先进智能制造装配领域，该仪器可依据待加工或待装配零部件的三维CAD数模驱动双轴扫描振镜进行高精度偏转，使激光器出射的光线被快速
转折，从而在三维空间中的目标投影位置处显示出由激光光线快速循环扫描形成的零部件
外形轮廓线框。该激光轮廓线框明亮、清晰可见，并能够准确地显示在零部件待安装或加工
的空间三维位置上。利用激光三维扫描投影仪器的这一特性，能够解决技术操作人员在制
造装配现场难于找出精准参考位置的重要难题，使原本仅标记于CAD数模图纸上的相关制
造装配信息更直观、准确、实用地呈现于制造装配现场的目标操作位置，有效地将CAD数模
与制造、装配工艺衔接起来，从而实现智能化的辅助加工和装配指导。

[0003] 在进行投影操作前，需要建立投影仪器与被投影目标物体间准确的坐标转换关系，才能将CAD数模中任意点或任意坐标值转换为双轴振镜的转角值，进而控制双轴振镜完
成对应角度的偏转，最后在被投影目标物体的准确位置上扫描投影出CAD数模中零部件的
准确形状。

[0004] 现阶段的激光扫描投影装置，大多需要通过键盘、鼠标或遥控器等装置人工手动控制激光光束的偏转，将激光扫描光束引导至被投影目标物体上的合作目标附近，再控制
激光扫描投影系统对至少六个合作目标进行扫描，依次对合作目标完成扫描后，方可建立
起投影仪器与被投影目标物体间的坐标转换关系。该坐标转换关系建立和求解的操作耗时
长、操作复杂、降低装配效率以及产品质量。

[0005] 更严重的问题是，在制造装配现场，被投影目标物体不可避免的会产生位置和姿态的变动，位置和姿态的变动会导致投影图形位置出现偏差，也就无法依据激光扫描投影
图形实现准确的零部件安装定位等操作。现有技术均需要人为介入再次使用遥控装置对合
作目标进行上述引导、扫描过程，以重新建立激光扫描投影仪器与被投影目标物体间的坐
标转换关系，才能重新完成准确位置上的激光扫描投影。

发明内容

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种新型激光扫描投影方法，能够实现对被投影目标物体位置和姿态的实时自动检测，能够自动获取新的位置和姿态信息后重新解算坐
标转换关系，从而实现对投影图形的位置偏差实现实时校正。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图：

[0008] 一种新型激光扫描投影方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一、双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间坐标转换关系的自动解算和标定：

[0010] S11.在被投影目标物体11上设置多个背向反射合作目标10；

[0011] S12.视觉测量模块5对被投影目标物体11上设置的背向反射合作目标10进行图像获取；

[0012] S13.定义被投影目标物体11的坐标系为被投影目标物体坐标系O‑XOYOZO；定义视C C C C C C
觉测量模块5的坐标系为相机坐标系C‑X YZ ；解算得出相机坐标系C‑X YZ 与被投影目标
O O O
物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换；

[0013] S14.定义双轴扫描振镜模块4的坐标系为双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP；视觉测量P P P
模块5设置于双轴扫描振镜模块4一侧并使双轴扫描振镜坐标系P‑X Y Z与相机坐标系C‑
C C C
XYZ的某一轴共线或某两轴共面；

[0014] S15.建立双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与相机坐标系C‑XCYCZC的数学模型，并确定两坐标系的转换关系；

[0015] S16.依据双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与相机坐标系C‑XCYCZC的坐标系转换关系，P P P O O O
推导得出双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ 与被投影目标物体坐标系O‑X YZ间的坐标转换关
系；

[0016] 步骤二、对被投影目标物体上设置的多个背向反射合作目标进行实时自动光学扫描：依据步骤一推导出的坐标系转换关系，计算各背向反射合作目标圆心相对于双轴扫描
振镜坐标系的转角；双轴扫描振镜模块4自动控制光束完成各背向反射合作目标的光学扫
描，并将各背向反射合作目标10反射的激光光强信息送入光强反馈探测模块6；

[0017] 步骤三、根据步骤二获取的各圆心位置坐标与对应的转角关系，重新解算双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间新的、实时的、精准坐标转换关系，实现对被投影
目标物体位置和姿态变动信息的实时、自动监测；

[0018] 步骤四、上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型并通过数据采集处理及控制模块7驱动双轴扫描振镜模块4循环转动，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓
线框图形，实现由被投影目标物体发生不可避免的位置和姿态变动导致投影图形位置偏差
的实时、自动校正。

[0019] 进一步地，所述步骤S13中解算得出的相机坐标系C‑XCYCZC与被投影目标物体坐标O O O
系O‑XYZ间的坐标转换关系为：

[0020]

[0021] 其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑XCYCZC下各背向反射合作目标10的三维坐标值，O O O
(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XYZ 下背向反射合作目标10的三维坐标值，R1和T1
C C C O O O
分别为相机坐标系C‑XYZ到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋转矩阵和平移矩阵。

[0022] 进一步地，所述步骤S15中得到的双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与相机坐标系C‑C C C
XYZ的转换关系为：

[0023]

[0024] 其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑XCYCZC下背向反射合作目标10的三维坐标值，P P P
(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ下背向反射合作目标10的三维坐标值，R2和T2分
C C C P P P
别为视觉测量模块5的相机坐标系C‑XYZ到双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ的旋转矩阵和平
移矩阵。

[0025] 进一步地，所述步骤S16中推导得出双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与被投影目标物O O O
体坐标系O‑XYZ间的坐标转换关系为：

[0026]

[0027] 其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XOYOZO下背向反射合作目标10的三维P P P
坐标值，(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ下背向反射合作目标10的三维坐标值，
C C C P P P
R2和T2分别为视觉测量模块5的相机坐标系C‑XY Z到双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ的旋转
C C C O O O
矩阵和平移矩阵，R1和T1分别为相机坐标系C‑XY Z到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋
转矩阵和平移矩阵。

[0028] 进一步地，所述步骤二重新解算双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间精准坐标转换关系包括以下步骤：

[0029] S21.数据采集处理及控制模块7依据步骤一解算得出的双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系坐标转换关系，计算各个背向反射合作目标10圆心位置相对于双轴扫
描振镜坐标系的相应转角；

[0030] S22.数据采集处理及控制模块7控制双轴扫描振镜模块4中的两个反射镜自动将激光光束入射并定位至各个背向反射合作目标10，并依据预先设置好的扫描范围、扫描路
径和扫描速度，自动完成对各个背向反射合作目标10的光学扫描操作；

[0031] S23.光学扫描过程中，由各个背向反射合作目标10反射的激光光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4入射至激光分束模块3，激光分束模块3将反射光强信息送入
在激光分束模块3反射分光光路正前方的光强反馈探测模块6，实现反馈光强信号的探测和
转换；

[0032] S24.光强反馈探测模块6将接收的反射光强信息转换为电压信号，转换后的电压信号再送入数据采集处理及控制模块7中，通过最小二乘圆心求解算法计算各背向反射合
作目标10的圆心位置以及与各圆心位置相对应的双轴扫描振镜模块4中两反射镜的旋转角
度。

[0033] 进一步地，所述步骤四包括：上位机控制器8完成待投影CAD数模文件的导入，进行CAD数模文件中图形特征的解析、扫描投影参数设置、扫描路径优化工作，并再次将投影图
形各节点的坐标位置信息送入数据采集处理及控制模块7，数据采集处理及控制模块7依据
步骤三解算出的双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐标系间的精准坐标转换关系，驱
动双轴扫描振镜模块4完成各投影坐标位置对应角度的循环转动，最终实现CAD数模文件中
零部件图形在被投影目标物体11坐标系中的激光扫描投影，并实时自动校正由被投影目标
物体发生不可避免位置和姿态变动引起的投影图形位置偏差。

[0034] 本发明带来的技术效果和优点：

[0035] 本发明能够实现对被投影目标物体位置和姿态的实时自动检测，能够自动获取新的位置和姿态信息后重新解算坐标转换关系，从而实现对投影图形的位置偏差的实时校
正。

[0036] 同时，本发明还能够解决现存激光扫描投影技术仍采用人工手动引导完成激光光束对各个背向反射合作目标的对准和目标圆心扫描操作的问题。本发明融合了视觉测量模
块的摄影测量手段，能够自动、快捷地解算建立双轴扫描振镜坐标系与被投影目标物体坐
标系间坐标转换关系，简化了坐标转换关系建立的过程，提升了激光扫描投影技术在制造
装配现场应用的普适性和实际可操作性。

附图说明

[0037] 图1是一种新型激光扫描投影装置组成原理框图；

[0038] 图2是本发明一种新型激光扫描投影方法流程图；

[0039] 图3是本发明实施例1组成原理框图；

[0040] 图中：1‑激光器；2‑激光调谐单元；21‑激光扩束准直模块；22‑自动聚焦模块；3‑激光分束模块；31‑分光棱镜；4‑双轴扫描振镜模块；5‑视觉测量模块；51‑单目摄影测量相机；
6‑光强反馈探测模块；61‑光强反馈聚焦透镜；62‑雪崩光电二极管探测器；7‑数据采集处理
及控制模块；71‑图像采集和控制板卡；72‑数据采集和控制板卡；8‑上位机控制器；9‑激光
扫描投影图形；10‑背向反射合作目标；11‑被投影目标物体。

具体实施方式

[0041] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明公开了一种新型自激光扫描投影装置，下面将结合附图对本发明公开的实施方式进一步详细描述。以下结合实施
例和附图对本发明的保护范围不构成任何限制，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示
例性的描述，而不能对本发明的保护范围构成任何限制，所包含在本发明的发明宗旨范围
内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

[0042] 如图1所示，一种新型激光扫描投影装置，包括激光器1、激光调谐单元2、激光分束模块3、双轴扫描振镜模块4、视觉测量模块5、光强反馈探测模块6、数据采集处理及控制模
块7、上位机控制器8、激光扫描投影图形9、背向反射合作目标10、被投影目标物体11。

[0043] 激光器1出射的激光束进入设置于其光路前方的激光调谐单元2，完成激光光束的扩束、准直，以及激光光束在不同投影距离和不同投影位置上的自动聚焦；经激光调谐单元
2出射的已调谐的激光光束入射至安装于光路正前方的激光分束模块3，完成光束的透射入
射；由激光分束模块3出射的激光光束继续向前入射至位于其光轴方向正前方的双轴扫描
振镜模块4中，激光光束经双轴扫描振镜模块4中的两个高速反射镜实现快速偏转，从而在
被投影目标物体11上实现激光扫描投影图形9的循环扫描绘制投影。

[0044] 上述为激光扫描投影装置的基本构成。由于被投影目标物体11在实际工况中经常发生不可预期的位置和姿态变动，位置和姿态的变动会导致投影图形位置出现偏差，就需
要对被投影目标物体11的位置和姿态进行实时自动检测，获取新的位置和姿态信息后重新
解算坐标转换关系，从而对投影图形的位置偏差实现实时校正。同时，为实现无人工手动引
导的背向反射合作目标10对准和合作目标圆心扫描等操作，本发明提出的全新技术特性如
下所述。

[0045] 被投影目标物体11上设置至少6个随机均匀分布的背向反射合作目标10，视觉测量模块5设置于双轴扫描振镜模块4附近，且视觉测量模块5与双轴扫描振镜模块4尽量靠
P P P C C C
近，尽量保证双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与相机坐标系C‑XYZ的某一轴共线或某两轴共
面。视觉测量模块5与数据采集处理及控制模块7通讯连接，数据采集处理及控制模块7控制
视觉测量模块5对被投影目标物体11上设置的至少6个随机均匀分布的背向反射合作目标
10进行多角度、多位置的图像获取。

[0046] 在建立双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与被投影目标物体11坐标系O‑XOYOZO间坐标转换关系的各背向反射合作目标10横向光学扫描过程中，由各个背向反射合作目标10反射
的激光光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4再入射至激光分束模块3，激光分
束模块3的反射分光能力将反射光强信息送入在激光分束模块3反射分光光路正前方的光
强反馈探测模块6，实现反馈光强信号的探测和转换，转换后的电压信号再送入数据采集处
理及控制模块7中计算处理，实现各个背向反射合作目标10的圆心位置坐标的自动提取和
定位。

[0047] 数据采集处理及控制模块7与上位机控制器8通讯连接，数据采集处理及控制模块7接收光强反馈探测模块6送回的电压信号后发送至上位机控制器(8)，上位机控制器8依据
数据采集处理及控制模块7发送的电压信号判断激光光束是否达到最佳汇聚效果，并通过
数据采集处理及控制模块7向激光调谐单元2发送控制信号，完成镜组间距的调整实现光束
的最佳聚焦。

[0048] 上位机控制器8与数据采集处理及控制模块7通讯连接，完成数据采集处理及控制模块7中数据的存储，将待投影零部件CAD数模文件的导入和存储之上位机控制器8，上位机
控制器8对导入的CAD数模文件中投影特征图形元素进行解析及扫描投影参数设置等工作；
同时，上位机控制器8还要将计算出的投影图形各节点的坐标位置信息和扫描振镜转角信
息发送至数据采集处理及控制模块7，通过数据采集处理及控制模块7驱动双轴扫描振镜模
块4中的两个平面反射镜进行高速循环的精准角度旋转，从而完成待投影零部件的轮廓线
O O O
框图形在被投影目标物体11坐标系O‑XYZ中的精准尺寸形状还原和准确三维位置激光扫
描投影。

[0049] 所述激光调谐单元2用于激光光束的扩束、准直与聚焦，其包括激光扩束准直模块21及设置于激光扩束准直模块21光路正前方的自动聚焦模块22，激光器1出射的激光束进
入激光扩束准直模块21，完成激光光束的扩束、整形、准直，尽可能减小激光光束发散角，随
后再入射至自动聚焦模块22，用于完成激光光束在不同投影距离和不同投影位置上的自动
聚焦和调整。

[0050] 所述激光分束模块3为偏振分光棱镜、普通分光棱镜等同时具有透射与反射分光能力的光学器件。

[0051] 所述视觉测量模块5具体可为一个或多个分别带有定焦镜头的CCD相机。视觉测量模块5对被投影目标物体11上设置的至少6个随机均匀分布的背向反射合作目标10进行多
角度、多位置的图像获取。

[0052] 所述光强反馈探测模块6包括位于分光棱镜31反射分光光路正前方的光强反馈聚焦透镜61，以及位于光强反馈聚焦透镜61像方焦点的雪崩光电二极管探测器62。反射的光
强信息被光强反馈聚焦透镜61汇聚于雪崩光电二极管探测器62，雪崩光电二极管探测器62
完成反馈光强信号的探测和光电转换，转换后的电压信号发送至数据采集和控制板卡72
中。

[0053] 数据采集处理及控制模块7包括数据采集和控制板卡72以及图像采集和控制板卡71，数据采集和控制板卡72以及图像采集和控制板卡71同时与上位机控制器8通讯连接。数
据采集和控制板卡72接收雪崩光电二极管探测器62送回的反馈电压信号并发送至上位机
控制器8进行存储；图像采集和控制板卡71控制视觉测量模块5对被投影目标物体11上设置
的背向反射合作目标10进行摄影测量，获取图像信息后再送入图像采集和控制板卡71进行
存储和处理；上位机控制器8将计算出的投影图形各节点的坐标位置信息和扫描振镜转角
信息发送至数据采集和控制板卡72，通过数据采集和控制板卡72向自动聚焦模块22发送控
制信号，实现依据反馈电压信号的强度信息控制自动聚焦模块22中的镜组间距，保证激光
光束达到最佳汇聚效果。

[0054] 如图2所示，一种新型激光扫描投影方法，包括以下步骤：

[0055] 步骤一、激光扫描投影装置各坐标系及坐标系转换关系的自动解算和标定：

[0056] S11.在被投影目标物体11上设置至少6个随机均匀分布的背向反射合作目标10。O O O
其中，各背向反射合作目标10在被投影目标物体11坐标系O‑XYZ 下的三维坐标位置值已
知。

[0057] S12.数据采集处理及控制模块7控制视觉测量模块5首先对被投影目标物体11上设置的至少6个随机均匀分布的背向反射合作目标10进行多角度、多位置的图像获取。

[0058] S13.定义被投影目标物体11的坐标系为被投影目标物体坐标系O‑XOYOZO；定义视C C C
觉测量模块5的坐标系为相机坐标系C‑XYZ。

[0059] 数据采集处理及控制模块7解算得出相机坐标系C‑XCYCZC与被投影目标物体坐标O O O
系O‑XYZ间的坐标转换关系为：

[0060]

[0061] 其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑XCYCZC下各背向反射合作目标10的三维坐标值，O O O
(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XYZ 下背向反射合作目标10的三维坐标值，R1和T1
C C C O O O
分别为相机坐标系C‑XYZ到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋转矩阵和平移矩阵；

[0062] S14.定义双轴扫描振镜模块4的坐标系为双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP。

[0063] 其中，视觉测量模块5具体可为一个或多个分别带有定焦镜头的CCD相机，其设置于双轴扫描振镜模块4一侧，且视觉测量模块5与双轴扫描振镜模块4尽量靠近，保证双轴扫
P P P C C C
描振镜坐标系P‑XYZ 与相机坐标系C‑XYZ的某一轴共线或某两轴共面。双轴扫描振镜坐
P P P C C C
标系P‑XYZ与相机坐标系C‑XYZ的坐标系转换关系可通过结构设计和校准等方式确定。

[0064] S15.建立双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与相机坐标系C‑XCYCZC的数学模型，并得到两坐标系的转换关系为：

[0065]

[0066] 其中，(x1,y1,z1)为相机坐标系C‑XCYCZC下背向反射合作目标10的三维坐标值，P P P
(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ下背向反射合作目标10的三维坐标值，R2和T2分
C C C P P P
别为视觉测量模块5的相机坐标系C‑XYZ到双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ的旋转矩阵和平
移矩阵；

[0067] S16.依据上述已知的双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与相机坐标系C‑XCYCZC的坐标P P P O O O
系转换关系，推导得出双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ 与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间的
坐标转换关系为：

[0068]

[0069] 其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O‑XOYOZO下背向反射合作目标10的三维P P P
坐标值，(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ下背向反射合作目标10的三维坐标值，
C C C P P P
R2和T2分别为视觉测量模块5的相机坐标系C‑XY Z到双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ的旋转
C C C O O O
矩阵和平移矩阵，R1和T1分别为相机坐标系C‑XY Z到被投影目标物体坐标系O‑XYZ的旋
转矩阵和平移矩阵；

[0070] 步骤二、对被投影目标物体上设置的多个背向反射合作目标进行实时自动光学扫描，获取各坐标系间更精准的坐标转换关系：：

[0071] S21.数据采集处理及控制模块7依据上述已解算得出的坐标转换关系，计算得出P P P
各个背向反射合作目标10圆心位置相对于双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ的相应旋转角度。

[0072] S22.数据采集处理及控制模块7控制双轴扫描振镜模块4中的两个反射镜自动将激光光束入射并定位至各个背向反射合作目标10，并依据数据采集处理及控制模块7中预
先设置好的扫描范围、扫描路径和扫描速度等自动完成对各个背向反射合作目标10的光学
扫描操作。

[0073] S23.光学扫描过程中，由各个背向反射合作目标10反射的激光光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4再入射至激光分束模块3，激光分束模块3的反射分光能力将
反射光强信息送入在激光分束模块3反射分光光路正前方的光强反馈探测模块6，实现反馈
光强信号的探测和转换。

[0074] S24.光强反馈探测模块6将接收的反射光强信息转换为电压信号，转换后的电压信号再送入数据采集处理及控制模块7中，通过最小二乘圆心求解算法等实现自动、无人为
干预的各个背向反射合作目标10圆心位置坐标提取和定位。进而得出更精确的各背向反射
合作目标10的圆心位置以及与各圆心位置相对应的双轴扫描振镜模块4中两反射镜的精准
旋转角度。

[0075] .步骤三、依据上述已获得的各圆心位置坐标与对应的转角关系，上位机控制器8P P P O O O
可自动解算出双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间新的、实时
的、精准的坐标转换关系，进而实现对被投影目标物体位置和姿态变动信息的实时、自动监
测。

[0076] 步骤四、上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型并通过数据采集处理及控制模块7驱动双轴扫描振镜模块4循环转动，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓
线框图形，实现由被投影目标物体发生不可避免的位置和姿态变动导致投影图形位置偏差
的实时、自动校正。

[0077] 上位机控制器8完成待投影CAD数模文件的导入，进行CAD数模文件中图形特征的解析、扫描投影参数设置、扫描路径优化等工作，并再次将投影图形各节点的坐标位置信息
送入数据采集处理及控制模块7，数据采集处理及控制模块7依据上述自动、实时解算出的
P P P O O O
双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间精准坐标转换关系，驱动
双轴扫描振镜模块4完成各投影坐标位置对应角度的精准、高速、循环转动。最终实现任意
O O O
CAD数模文件中零部件图形在被投影目标物体11坐标系O‑X YZ中的精准尺寸形状和三维
位置的激光扫描投影，并能够实时自动校正由被投影目标物体发生不可避免位置和姿态变
动引起的投影图形位置偏差。

[0078] 实施例1

[0079] 如图3所示，一种新型激光扫描投影装置，包括：激光器1、激光扩束准直模块21、自动聚焦模块22、分光棱镜31、双轴扫描振镜模块4、单目摄影测量相机51、光强反馈聚焦透镜
61、雪崩光电二极管探测器62、图像采集和控制板卡71、数据采集和控制板卡72、上位机控
制器8、激光扫描投影图形9、背向反射合作目标10、被投影目标物体11。

[0080] 激光器1出射的激光束进入设置于其光路前方的激光扩束准直模块21完成激光光束的准直和扩束，尽可能减小激光光束发散角。随后再入射至设置于激光扩束准直模块21
光路正前方的自动聚焦模块22，用于完成激光光束在不同投影距离和不同投影位置上的自
动聚焦和调整。由自动聚焦模块22出射的激光光束入射至光路正前方放置的分光棱镜31，
由分光棱镜31透射分光光路出射的激光光束再入射至位于其光路正前方的双轴扫描振镜
模块4中，激光光束经双轴扫描振镜模块4中的两个高速反射镜实现快速偏转，从而在被投
影目标物体11上实现激光扫描投影图形9的循环扫描绘制投影。

[0081] 单目摄影测量相机51设置于双轴扫描振镜模块4附近，且单目摄影测量相机51与P P P C C C
双轴扫描振镜模块4距离较近，且双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ 与相机坐标系C‑X YZ的某
P P P C C C
一轴尽可能共线或某两轴尽可能共面，双轴扫描振镜坐标系P‑X YZ与相机坐标系C‑XY Z
的坐标系转换关系事先通过结构设计和校准等操作确定为已知参数。

[0082] 被投影目标物体11上设置有6个随机均匀分布的背向反射合作目标10，单目摄影测量相机51由图像采集和控制板卡71控制，对被投影目标物体11上设置的背向反射合作目
标10进行摄影测量，获取图像信息后再送入图像采集和控制板卡71进行存储和处理，从而
C C C O O O
得出相机坐标系C‑XYZ与被投影目标物体坐标系O‑XYZ间的坐标转换关系。

[0083] 在建立双轴扫描振镜坐标系P‑XPYPZP与被投影目标物体坐标系O‑XOYOZO间坐标转换关系的各背向反射合作目标10横向光学扫描过程中，由各个背向反射合作目标10反射的
激光光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4再入射至分光棱镜31，分光棱镜31的
反射分光将反射光强信息送入放置在分光棱镜31反射分光光路正前方的光强反馈聚焦透
镜61，反射的光强信息被光强反馈聚焦透镜61汇聚于位于光强反馈聚焦透镜61像方焦点的
雪崩光电二极管探测器62，雪崩光电二极管探测器62完成反馈光强信号的探测和光电转
换，转换后的电压信号再送入数据采集和控制板卡72中计算处理，实现各个背向反射合作
目标10的圆心位置坐标的自动提取和定位。

[0084] 上位机控制器8与数据采集和控制板卡72相联通，数据采集和控制板卡72接收雪崩光电二极管探测器62送回的反馈电压信号，并向自动聚焦模块22发送控制信号，主要实
现依据反馈电压信号的强度信息控制自动聚焦模块22中的镜组间距，保证激光光束达到最
佳汇聚效果。

[0085] 上位机控制器8与图像采集和控制板卡71、数据采集和控制板卡72相联通，上位机控制器8完成数据存储，待投影零部件CAD数模文件的导入和存储，CAD数模文件中投影特征
图形元素的解析，扫描投影的参数设置等工作。同时，上位机控制器8还要将投影图形各节
点的坐标位置信息和扫描振镜转角信息等送入数据采集和控制板卡72，通过数据采集和控
制板卡72驱动双轴扫描振镜模块4中的两个平面反射镜进行高速循环的精准角度旋转，从
O O O
而完成待投影零部件的轮廓线框图形在被投影目标物体11坐标系O‑XYZ中的精准尺寸形
状还原和准确三维位置激光扫描投影。

[0086] 实施例1所述的一种新型激光扫描投影装置，其自标定扫描投影过程包括如下步骤：

[0087] 步骤1，激光扫描投影技术中，各个背向反射合作目标10在被投影目标物体11坐标O O O
系O‑X YZ中是随机分布的，并通过结构设计和工艺装配保证或经激光跟踪仪测量标定在
O O O
被投影目标物体坐标系O‑XYZ下各个背向反射合作目标10的三维坐标位置信息；

[0088] 步骤2，单目摄影测量相机51通过HALCON软件进行坐标转换关系的建立和标定，定C C C
义为C‑XYZ；

[0089] 步骤3，单目摄影测量相机51对被投影目标物体11上背向反射合作目标10进行图C C C O O O
像获取，通过最小二乘算法解算出C‑XYZ和O‑XYZ之间的旋转矩阵R1和平移矩阵T1，并得
到的以下关系式：

[0090]

[0091] 其中，(x1,y1,z1)为单目摄影测量相机51坐标系C‑XCYCZC下被投影目标物体11上背O O O
向反射合作目标10的三维坐标值，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体11坐标系O‑XYZ下背向反
射合作目标10的三维坐标值，R1和T1为单目摄影测量相机51到被投影目标物体11的旋转和
平移矩阵；

[0092] 步骤4，在激光扫描投影装置中，对双轴扫描振镜坐标系进行标定，定义为P‑P P P
XYZ ；因双轴振镜与单目摄影测量相机的位置关系是相对固定的，所以通过结构设计和校
P P P C C C
准等方式对双轴扫描振镜坐标系P‑XY Z与单目摄影测量相机坐标系C‑XYZ 的转换关系
进行标定，并将旋转矩阵定义为R2，将平移矩阵定义为T2；

[0093] 步骤5，根据上述标定的旋转矩阵R2和平移矩阵T2，可建立单目摄影测量相机51坐C C C P P P
标系C‑XYZ和双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ转换关系的数学模型，并得到以下关系式：

[0094]

[0095] 其中，(x1,y1,z1)为单目摄影测量相机51坐标系C‑XCYCZC下被投影目标物体11上背P P P
向反射合作目标10的三维坐标值，(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑XYZ下背向反射合
C C C P P P
作目标10的三维坐标值，R2和T2为C‑XYZ到P‑XYZ的旋转和平移矩阵；

[0096] 步骤6，建立双轴扫描振镜模块4和被投影目标物体11的位姿转换关系的数学模型，并用最小二乘算法对其进行解算，求解出双轴扫描振镜模块4和被投影目标物体11的位
姿转换关系，如下式所示：

[0097]

[0098] 其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体11坐标系O‑XOYOZO背向反射合作目标10的三维P P P
坐标值，(X2,Y2,Z2)为双轴扫描振镜坐标系P‑XY Z下被投影目标物体11上背向反射合作目
C C C P P P C C C
标10的三维坐标值，R2和T2为C‑XY Z到P‑XY Z的旋转和平移矩阵，R1和T1为C‑XY Z到O‑
O O O
XYZ的旋转和平移矩阵；

[0099] 步骤7，当被投影目标物体11发生不可预期更不可避免的位置和姿态的变动时，上P P P
位机控制器8能够依据上述步骤自动解算出双轴扫描振镜坐标系P‑XY Z与被投影目标物
O O O
体坐标系O‑XY Z间新的、实时的、精准的坐标转换关系，进而实现对被投影目标物体位置
和姿态变动信息的实时、自动监测。

[0100] 上位机控制器8还能够通过数据采集处理及控制模块7控制单目摄影测量相机51完成图像拍摄和图像储存，能够储存被投影目标物体11的背向反射合作目标10的三维坐标
位置信息和双轴扫描振镜模块4中两个平面反射镜的转角信息，以及基于上述数据完成各
坐标系转换关系的自动解算等。

[0101] 步骤8，上位机控制器8完成待投影零部件CAD数模文件的导入和存储、并解析数模文件中投影特征图形元素和设置扫描投影的参数，最后在准确三维位置处投影出精准零部
件的轮廓线框图形。，实现对因被投影目标物体发生不可避免位置和姿态变动引起投影图
形位置偏差的自动校正。

[0102] 以上所述，仅为本发明揭露的技术范围内，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明表面做出的多处修改，都涵盖在本发明的保护范围
之内。

[0103] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。