基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法与流程

本发明涉及太阳能光热发电领域，特别是涉及太阳能聚光器的镜面安装的调节技术，具体是一种基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法。

背景技术：

聚光器是实现太阳光能定向传输与聚集的精密光学装置，是太阳能光热发电系统的重要装备。大型聚光器一般是由若干镜面单元拼接而成，其光学性能取决于镜面单元的面形精度和安装精度，任何环节的误差均会影响聚光器的整个服役周期，对光热电站的发电量及经济性能影响显著。然而，聚光器钢架结构的制造和安装精度远远无法满足光学精度要求，镜面单元安装后的调节(位姿校准，也称镜面调焦)不可避免，是太阳能光热电站建设中有待解决的共性问题。寻求高效率、高精度的镜面单元定量调节方法是关键，是聚光器缩短安装周期和降低建设成本的重要途径。

中国专利(CN 104062743 A)中公开了一种用于太阳能聚光镜片调整的自动调焦系统及其调焦方法，该方法主要是通过观测反射镜的图像颜色来判断倾斜角度的大致方位，并计算碟片上各颜色比例，同时对比预存的经验数据库，来获得操作人员进行相应的调整动作，该技术需要反复的对镜面单元进行调整，不能准确的获得操作人员对镜面单元的调整量及调整顺序，调整效率较低。中国专利(CN 104457610 A)中公开了一种太阳能聚光器镜面测量、调整方法，主要包括采用摄影测量法测量镜面片的安装位置，采用三维扫描仪测量碟式小镜面板面型，并且模拟评估整个聚光系统的聚光效果。摄影测量法得到镜面片上所贴的标识点三维坐标，采用三维刚体运动算法算出镜面片的安装误差,并对镜面片进行相应调整。采用三维扫描仪测量镜面片的面型进行测量，与理论设计比较,计算出实际镜面的斜率误差。结合安装误差的测量结果以及镜面片的斜率误差，模拟评估整个聚光系统的聚光效果。并且可以再次对镜面进行测量，以便进一步减小安装误差,提高聚光效果。但是此技术仍然需要进行反复的视觉测量和镜面调整，不能实现定量的一次性的将镜面单元调整到位，镜面单元的调焦过程耗时长，仍存在调整效率低的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够直接给出镜面单元各球铰支撑-调节结构中球头螺栓的调整量，实现快速的、准确的实施太阳能聚光器镜面单元的安装与位姿调节的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法，包括如下步骤：

1)将聚光器网架结构固定在工作台上，并使其碗形开口朝上，将视觉测量用的棋盘格标靶或十字形标靶固定在聚光器网架结构的碗形底部，并在棋盘格标靶或十字形标靶的表面建立视觉测量的全局坐标系O-xyz，使得坐标系O-xyz与聚光器反射镜面的设计坐标系重合，用于确定待调焦的镜面单元的空间位姿；

2)在待安装的镜面单元的反射镜表面的3个特征上分别粘贴1个视觉测量用的标志，3个特征呈三角形分布，3个标志的中心点作为视觉测量的特征点，分别记为T₁，T₂和T₃；镜面单元位于设计位置时，3个特征点T₁，T₂和T₃在O-xyz坐标系中的空间位置矢量分别为T₁，T₂，T₃，从聚光器的设计图纸中获得；

3)将镜面单元背部的3个球铰支撑-调节结构分别记为支撑1，支撑2和支撑3，镜面单元初步安装完毕后的空间位姿记为位姿1；对镜面单元，棋盘格标靶或十字形标志靶进行图像采集；将采集的图像数据通过数据线传输至数据处理终端，数据处理终端提取各图像中三个特征点的像素坐标，并计算得到镜面单元安装后三个特征点T₁，T₂和T₃在O-xyz坐标系中的空间位置矢量，分别为T_1t，T_2t和T_3t；

4)根据步骤2)和步骤3)获得的3个特征点的空间位置矢量，计算得到镜面单元在位姿1的顶点位置矢量O_t和轴线矢量N_t，以及镜面单元背部支撑1，支撑2和支撑3的球铰中心A，B和C在O-xyz坐标系中的空间位置矢量，分别为A_t，B_t和C_t；

5)计算将镜面单元从位姿1调节到设计位置支撑1，支撑2和支撑3中球头螺杆所需的调节量d_A，d_B和d_C；

6)根据步骤5)计算的各球头螺杆的调节量d_A，d_B和d_C，对支撑1，支撑2和支撑3的球头螺杆实施向上或向下的移动调节，即完成此镜面单元的轴线矢量误差的定量校正。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤2)中的视觉测量用的三个标志通过数控机床精确定位粘贴在镜面单元的表面，将三个标志的中心作为特征点；或采用镜面单元的反射面的边缘线的交点作为特征点。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤3)中图像数据的采集方法如下：采用预先标定内参数和相对位姿外参数的双目视觉装置对镜面单元的三个特征点、棋盘格标靶或十字形标志靶成像一次或从n个角度成像n次对图像数据进行采集；或者采用一个内部参数已经标定的相机从2个及以上的不同角度对镜面单元的三个特征点、棋盘格标靶或十字形标志靶进行图像采集。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤4)具体计算方法如下：

式中，t₁是特征点T₁的位置误差矢量，满足T_1t＝T₁+t₁；轴线矢量N₀和顶点Q的位置矢量Q是镜面单元没有安装误差时的；镜面单元没有安装误差时，聚光器是抛物曲面镜时顶点Q与原点O重合，轴线矢量N₀与z轴重合，即Q＝[0,0,0]，N₀＝[0,0,1]。而镜面单元是平面镜时轴线矢量N₀取平面镜的法线矢量，顶点Q取平面镜的形心；函数R(e,β)为旋转功能矩阵，用于实现任意向量绕任意单位向量e＝[e_x,e_y,e_z]旋转角度β的功能，具体为

旋转角旋转轴单位矢量

旋转夹角为点到轴线T_1tT_3t的距离；旋转轴单位矢量镜面单元位于设计位置时，其支撑1，支撑2和支撑3的球铰中心A，B和C在O-xyz坐标系的位置矢量分布为A，B和C，从聚光器的设计图纸中获得；和分别为镜面单元的整体平移运动，使点T₁从设计位置平移到点T_1t位置时，点T₂和T₃分别平移到的位置；T_3t、分别为镜面单元绕点T_1t旋转角度，旋转轴矢量为n₁时，点运动到的位置；T_2t是镜面单元绕T_1tT_3t轴线旋转角度旋转轴矢量为n₂时，点运动到的位置。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤5)的具体步骤如下：

5.1)将镜面单元由设计位姿经过三转一移刚体运动到达位姿2，步骤如下：(a)；将设计位姿下的镜面单元绕轴线CB旋转角度θ_A；此时点A运动到位置；(b)再将镜面单元绕轴线旋转角度θ_B，此时点B运动到位置；(c)然后镜面单元绕轴线旋转角度θ_C，此时点C运动到位置；(d)最后镜面单元按向量M₁＝[x,y,z]进行平移运动，获得位姿2；此时镜面单元的轴线矢量为顶点位置矢量为由下式计算：

式中，H^ABC为ABC旋转运动顺序的总旋转矩阵，

)计算镜面单元由位姿1调节到设计位姿所需要的旋转角θ_A，θ_B和θ_C；

5.3)计算支撑1，支撑2和支撑3中球头螺杆的调节量d_A，d_B和d_C分别为：

式中，和用于确定球头螺杆的调节方向，的值为1时，球头螺杆向下拉镜面单元，值为-1时，球头螺杆向上顶镜面单元。S为球头螺杆底部螺纹的螺距；n_C～n_A分别为球铰螺杆3～球铰螺杆1调节的转动圈数。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤5.2)的具体步骤如下：

5.2.1)使位姿2与位姿1轴线矢量平行且顶点位置矢量相等，位姿2与位姿1的轴线矢量的平行时，由下式计算旋转角θ_A，θ_B和θ_C：

5.2.2)采用遗传算法对上式循环求解多次，得到多组旋转角θ_A，θ_B和θ_C，并选出使误差角θ最小的一组θ_A，θ_B和θ_C，作为最终的调焦计算值；误差角θ的计算公式如下：

式中，镜面单元调焦后，轴线矢量球铰中心A的位置矢量球铰中心C的位置矢量球铰中心B的位置矢量和分别为和的单位矢量。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤5.2)的具体步骤如下：

5.2.1)基于旋转角θ_A，θ_B和θ_C是微小夹角，可以求解得到旋转角θ_A，θ_B和θ_C满足下式：

式中，[x₁，y₁,z₁]＝(B-C)/||B-C||；[x₂，y₂,z₂]＝(C-A)/||C-A||；[x₃，y₃,z₃]＝(A-B)/||A-B||；N_t＝[a,b,c]；

5.2.2)依次选取θ_A＝0，θ_B＝0和θ_C＝0，分别带入步骤5.2.1)的公式中计算得到3组角θ_A，θ_B和θ_C，将这3组角θ_A，θ_B和θ_C分别计算误差角θ，差角θ的计算公式如下：

式中，镜面单元调焦后，轴线矢量球铰中心A的位置矢量球铰中心C的位置矢量球铰中心B的位置矢量和分别为和的单位矢量；

5.2.3)选取使误差角θ最小的一组θ_A，θ_B和θ_C作为最终的调节计算值。

上述的基于视觉测量的太阳能聚光器镜面定量调焦方法中，步骤3)的双目视觉装置是由两台相机固定在机架上组成，相机采用的是工业CCD相机或数码相机。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明应用摄影测量方法确定镜面单元表面3个特征点的坐标，得到镜面单元在安装位姿的顶点位置矢量O_t和轴线矢量N_t，以及镜面单元背部支撑1，支撑2和支撑3的球铰中心A，B和C在O-xyz坐标系中的空间位置矢量A_t，B_t和C_t，实现了镜面单元安装位姿误差的快速测量。镜面单元只需要粘贴3个标志点，或直接采用镜面单元的反射面的边缘线的交点(即反射面的角点)作为特征点，有效地避免了圆形标志对反射镜面的光学“污染”，且能够有效地减少圆形标志的粘贴工作量。

2、本发明结合镜面单元的调焦过程，采用三次绕轴旋转和一次平移来等效安装位姿，直接可以求解得到镜面单元各支撑的调整量，可以实现镜面单元轴线矢量误差的快速的定量校准，且整个校准过程只需要进行一次，避免了调节，测量，再调节的循环操作过程，有效的提高了镜面调焦的效率和精度。

3、本发明的位姿测量和调焦均不受镜面单元球铰支撑位置和镜面几何形状的限制，只需关注特征点坐标，球铰中心坐标和轴线矢量的变化，可应用到不同形式聚光器镜面的位姿校准，适应性好。

附图说明

图1为镜面单元的支撑-调节结构实施例1的结构示意图。

图2为镜面单元的支撑-调节结构实施例2的结构示意图。

图3为本发明的流程图。

图4为本发明的特征点的空间坐标视觉测量示意图。

图5为镜面单元安装后的位姿1和理想位姿的示意图。

图6为镜面单元的支撑3的调节示意图。

图7为图6中I处的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

首先，为了更为清晰的了解本发明的实施过程，对镜面单元在聚光器中的固定方式进行说明。如图1所示的镜面单元的支撑-调节结构的示意图，镜面单元2是安装在聚光器的桁架结构1上的，球头螺栓3的球头端与镜面单元2的背部球凹面采用球铰结构连接，球头螺栓3的另一端穿过桁架结构1的通孔，并在球头螺栓3的上下两侧配置球形垫片组5和螺母4，镜面单元的一般采用3个或4个球铰支撑-调节结构，拧紧所有支撑-调节结构的两侧的螺母4就可以将镜面单元2固定在桁架结构1上。而镜面单元2的调焦过程是对球头螺栓3的支撑长度调节的过程，需要依次进行。

对于镜面单元2的支撑-调节结构还可以采用如图2所示的螺纹副和球铰副组合的结构，包括连接座6、球头螺杆7、套筒螺柱9、两个球铰垫片组5，螺母4和球铰座8；连接座6固定安装在镜面单元2的背部，连接座6的端部设有球窝，球头螺杆7的上端设有与球窝相配合的球头，球头螺杆7的球头安装在连接座6的球窝内；球头螺杆7的下端与套筒螺柱9上端螺接；球铰座8安装在聚光器网架梁上，球铰座8上设有球窝，套筒螺柱9的中部设有球形体，套筒螺柱9的球形体安装在球铰座8的球窝内组成球铰副；套筒螺柱9上球铰座的上方和下方分别设有球铰垫片组5和螺母4。此支撑-调节结构可以通过控制球头螺杆7的转动角度来精确控制调节量，有效的提高调焦精度和效率。

如图3所示，本发明的实施步骤如下：

1)将聚光器网架结构的碗形开口朝上，并将聚光器网架结构固定在工作台上。将视觉测量用的棋盘格标靶或十字形标靶固定在聚光器网架结构的碗形底部，并在棋盘格标靶或十字形标靶的表面建立视觉测量的全局坐标系O-xyz。且使得坐标系O-xyz与聚光器反射镜面的设计坐标系重合，用于确定待调焦的镜面单元的空间位姿，如图4所示。

2)待安装的镜面单元的反射镜表面设计有3个圆形凸台特征，3个圆形凸台特征呈三角形分布，在各圆形凸台特征的上表面通过数控机床精确定位粘贴1个视觉测量用的圆形标志，3个圆形标志的中心点作为视觉测量的特征点，或采用镜面单元的反射面的边缘线的交点作为特征点，分别记为T₁，T₂和T₃。镜面单元位于设计位置时，3个特征点T₁，T₂和T₃在O-xyz坐标系中的空间位置矢量分别为T₁(即由坐标系原点O指向点T₁的方向，)，T₂，T₃，可从聚光器的设计图纸中获得，如图5所示。

3)镜面单元通过背部的3个球铰支撑-调节结构固定在聚光器网架结构上，3个球铰支撑-调节结构分别记为支撑1，支撑2和支撑3，支撑-调节结构可以采用上述的两种结构形式。镜面单元初步安装完毕后的空间位姿记为位姿1，如图4所示。

采用预先标定内参数和相对位姿外参数的双目视觉装置对镜面单元的3个特征点、棋盘格标靶或十字形标志靶成像1次或从n个角度成像n次对图像数据进行采集，或者采用一个内部参数已经标定的相机从2个及以上的不同角度对镜面单元的三个特征点、棋盘格标靶或十字形标志靶进行图像采集。将采集的图像数据通过数据线传输至数据处理终端，数据处理终端根据现有的图像处理方法提取各图像中3个特征点的像素坐标，并基于现有的双目视觉测量理论或单目视觉测量理论计算，得到镜面单元安装后3个特征点T₁，T₂和T₃在O-xyz坐标系中的空间位置矢量，分别为T_1t，T_2t和T_3t；由于采用了双目视觉测量，可以实时的获知镜面单元表面的特征点的空间坐标，结合后面的步骤4)～步骤6)可以实现实时的镜面单元的调焦，有效的提高了调焦的效率。

所述的双目视觉装置是由两台相机固定在机架上组成，两台相机的内部参数和相互之间的位姿参数都已经标定，相机采用的是工业CCD相机或数码相机。

4)根据步骤2)和步骤3)的3个特征点的空间位置矢量，计算得到镜面单元在位姿1的顶点位置矢量O_t和轴线矢量N_t，以及镜面单元背部支撑1，支撑2和支撑3的球铰中心A，B和C在O-xyz坐标系中的空间位置矢量，分别为A_t，B_t和C_t。位姿1可以看做处于设计位姿下的镜面单元经过一移两转刚体运动(一次平移运动和两次旋转运动)到达的。一移两转刚体运动的运动过程如下：(1)将设计位姿下的镜面单元的整体平移运动，使点T₁平移到点T_1t位置，此时，点T₂和T₃分别平移到和位置；(2)然后将镜面单元绕点T_1t旋转，旋转轴矢量为n₁，旋转的角度为使点运动到点T_3t位置；此时，点运动到位置；(3)最后将镜面单元绕T_1tT_3t轴线旋转角度旋转轴矢量为n₂，使点运动到点T_2t位置，至此镜面单元已经达到位姿1。通过上述的三次刚体运动过程，推导出镜面单元刚体运动的总旋转矩阵和平移矩阵，进而求解出位置矢量O_t和轴线矢量N_t，以及球铰中心A，B和C的位置矢量A_t，B_t和C_t分别为：

式中，t₁是特征点T₁的位置误差矢量，满足T_1t＝T₁+t₁；轴线矢量N₀和顶点Q的位置矢量Q是镜面单元没有安装误差时的。镜面单元没有安装误差时，聚光器是抛物曲面镜时顶点Q与原点O重合，轴线矢量N₀与z轴重合，即Q＝[0,0,0]，N₀＝[0,0,1]。而镜面单元是平面镜时轴线矢量N₀取平面镜的法线矢量，顶点Q取平面镜的形心；函数R(e,β)为旋转功能矩阵，用于实现任意向量绕任意单位向量e＝[e_x,e_y,e_z]旋转角度β的功能，具体为

旋转角旋转轴单位矢量旋转夹角为点到轴线T_1tT_3t的距离；旋转轴单位矢量镜面单元没有安装误差时，其支撑1，支撑2和支撑3的球铰中心A，B和C在O-xyz坐标系的位置矢量分布为A，B和C，可从聚光器的设计图纸中获得；

5)计算出镜面单元从位姿1调节到设计位姿支撑1，支撑2和支撑3中球头螺杆所需的调节量d_A，d_B和d_C；具体计算方法如下：

5.1)将镜面单元由设计位姿经过三转一移刚体运动到达位姿2，步骤如下：(a)；将设计位姿下的镜面单元绕轴线CB旋转角度θ_A；此时点A运动到位置；(b)再将镜面单元绕轴线旋转角度θ_B，此时点B运动到位置；(c)然后镜面单元绕轴线旋转角度θ_C，此时点C运动到位置；(d)最后镜面单元按向量M₁＝[x,y,z]进行平移运动，获得位姿2；此时镜面单元的轴线矢量为顶点位置矢量为由下式计算：

式中，H^ABC为ABC旋转运动顺序的总旋转矩阵，

5.2)使位姿2与位姿1轴线矢量平行且顶点位置矢量相等，位姿2与位姿1的轴线矢量的平行时，由下式计算旋转角θ_A，θ_B和θ_C：

采用遗传算法对上式循环求解多次，得到多组旋转角θ_A，θ_B和θ_C，并选出使误差角θ最小的一组θ_A，θ_B和θ_C，作为最终的调焦计算值；误差角θ的计算公式如下：

式中，镜面单元调焦后，轴线矢量球铰中心A的位置矢量球铰中心C的位置矢量球铰中心B的位置矢量和分别为和的单位矢量；

5.3)计算支撑1，支撑2和支撑3中球头螺杆的调节量d_A，d_B和d_C分别为：

式中，和用于确定球头螺杆的调节方向，的值为1时，球头螺杆向下拉镜面单元，值为-1时，球头螺杆向上顶镜面单元。S为球头螺杆底部螺纹的螺距；n_C～n_A分别为球铰螺杆3～球铰螺杆1调节的转动圈数。

6)根据步骤5)计算的各球头螺杆的调节量d_A，d_B和d_C，按照支撑3，支撑2和支撑1的顺序对各支撑的球头螺杆实施向上或向下的移动调节，即完成此镜面单元的轴线矢量误差的定量校正。以图1的支撑-调节结构来说明支撑3的调焦过程：首先，小幅度的拧松支撑3中球头螺栓3的两侧的螺母(此时，支撑1和支撑2的螺母全部是固定的)，根据计算量d_C来调节球头螺杆进行向上移动或向下移动，定量调节完成后固定支撑3中球头螺栓3的两侧的螺母，调节示意图如图6所示。同理，按照上述的步骤依次调节支撑2和支撑1即可。

以图2的支撑-调节结构来说明支撑3的调焦过程：首先，小幅度的拧松支撑3中套筒螺柱9的两侧的螺母(此时，支撑1和支撑2的螺母全部是固定的)，根据计算量d_C来调节球头螺杆7进行向上移动或向下移动，定量调节完成后固定支撑3中套筒螺柱9的两侧的螺母，调节示意图如图6所示。同理，按照上述的步骤依次调节支撑2和支撑1即可。

步骤5.2)中的旋转角θ_A，θ_B和θ_C还可以采用以下的步骤来进行计算：

5.2.1)一般而言，镜面单元的尺寸要远大于支撑-调节结构的调节量，那么旋转角θ_A，θ_B和θ_C均可看作微小夹角，所以sinθ_A≈θ_A,cosθ_A≈1.0，其他的夹角也是按照同样的近似原则。从而可以求解得到旋转角θ_A，θ_B和θ_C满足下式：

式中，[x₁，y₁,z₁]＝(B-C)/||B-C||；[x₂，y₂,z₂]＝(C-A)/||C-A||；[x₃，y₃,z₃]＝(A-B)/||A-B||；N_t＝[a,b,c]。

5.2.2)依次选取θ_A＝0，θ_B＝0和θ_C＝0，分别带入步骤5.2.1)中公式计算得到3组角θ_A，θ_B和θ_C，将这3组角θ_A，θ_B和θ_C分别带入步骤5.2)的误差角θ的公式中，并选取使误差角θ最小的一组θ_A，θ_B和θ_C作为最终的调节计算值。

本发明采用摄影测量方法确定镜面单元表面3个特征点的坐标，就可以得到镜面单元在安装位姿的顶点位置矢量O_t和轴线矢量N_t，实现了镜面单元安装位姿误差的快速测量。镜面单元只需要粘贴3个圆形标志点，或直接采用镜面单元的反射面的边缘线的交点作为特征点，有效的避免了圆形标志对反射镜面的光学“污染”，能够有效的减少圆形标志的粘贴工作量。通过得到镜面单元各支撑结构的调整量，实现镜面单元轴线矢量误差的快速的定量校准，且整个校准过程只需要进行一次并符合镜面单元的调焦过程，有效的提高了镜面调焦的效率和精度。此外，本发明的镜面单元的位姿测量和调焦方法均不受镜面单元球铰支撑位置和镜面几何形状的限制，只需关注特征点坐标，球铰中心坐标和轴线矢量的变化，可应用到不同形式聚光器镜面的位姿校准，例如多平面聚光器，抛物曲面碟式聚光器，塔式定日镜等。