一种单相机测量光笔的制作方法

本实用新型涉及摄影测量和定位技术领域，特别涉及一种单相机测量光笔。

背景技术：

在利用摄影技术进行测量和定位的过程中，通常会用到测量光笔。

目前，现有技术中的测量光笔(简称cmmprobe)主要分成两大类，其一是三坐标测量机、六轴或八轴机械臂和测量光笔组成一体，由这些机械运动装置通过电机的转动角度经过数学变换后得到测量光笔的探针的位置；其二是标志点、发光led等(统称靶标)和测量光笔组成一体，用单个相机、双相机或多个相机，跟踪测量光笔上的标志点或发光led，进而解算出测量光笔的探针的位置。

但是，上述两类测量光笔存在以下缺陷：

第一类测量光笔的测量范围受限于机械运动装置的尺寸，且这种装置通常很笨重，不便携带；

第二类测量光笔上的靶标的数量十分有限，且靶标的尺寸有限，大大降低了检测精度；另外，单个相机的跟踪，精度往往不高(主要原因是靶标尺寸有限)，而双相机的跟踪，往往需要两个相机之间有足够长的距离，使得设备的尺寸往往很大，限制携带的便捷性；除此之外，相机的视野范围有限，不论是单相机还是双相机，都需要让相机的位置保持不动，这样测量范围都会受相机视野范围的限制。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种单相机测量光笔，既解决了现有测量光笔不便携带的技术问题，还解决了现有测量光笔的测量范围受限和测量精度不高的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种单相机测量光笔，包括骨架以及设置在所述骨架上端的相机组件、设置在所述骨架下端的探针组件和设置在所述骨架中部的信号传输组件；

所述相机组件与所述信号传输组件电连接。

本实用新型的有益效果是：通过骨架将单个相机组件、探针组件和信号传输组件组合在一起，并与外部的反光标志点和发光led等所构成的靶标相互独立，使得靶标不局限于本实用新型中的单相机测量光笔上，从而可以实现靶标的尺寸和数量均不受局限，进而使得单相机测量光笔的测量范围不受局限，有效提升了本实用新型中的单相机测量光笔的测量精度，并扩大了适用范围；同时，基于单个相机组件，整个单相机测量光笔的结构简单、重量轻和体积小，大大提升了携带的便携性。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：

进一步：所述相机组件包括相机和镜头；

所述相机固定设置在所述骨架的上端，所述镜头固定设置在所述相机的前侧；

所述相机与所述信号传输组件电连接。

上述进一步方案的有益效果是：将相机和镜头分别固定设置在骨架的上端，方便在探针组件扫描过程中，获取外部的反光标志点或发光led的影像，实现了靶标的尺寸和数量均不受局限，进而使得单相机测量光笔的测量范围不受局限，有效提升了测量精度，并扩大了适用范围；同时，提升了携带的便携性。

进一步：所述相机组件还包括光源，所述光源固定设置在所述镜头的前侧。

上述进一步方案的有益效果是：通过设置在镜头前侧的光源，便于获取质量更好的影像数据，从而方便根据该质量更好的影像数据得到相机更加准确的位姿，进一步提高测量精度。

进一步：所述信号传输组件包括导电板、按钮、io控制卡和多个接口；

所述导电板固定设置在所述骨架的中部，所述按钮、所述io控制卡和所有所述接口均固定设置在所述导电板上并与所述导电板电连接；

所述按钮和所述io控制卡均分别与所述相机电连接。

进一步：所述接口包括电源接口和数据接口，所述电源接口通过电源线与外部电源电连接，所述数据接口通过数据线与外部计算机电连接。

上述进一步方案的有益效果是：按钮用于触发相机启动，以使相机开始获取外部的反光标志点或发光led的影像；io控制卡用于接收相机启动的触发信号，并将该触发信号发送至相机，还用于将相机获取的影像数据传输至外部的计算机中，从而便于获取相机的位姿；接口用于接收外部电源供电，还用于与外部计算机进行数据传输；通过导电板将按钮、io控制卡和所有接口固定在一起，并还便于上述部件相互之间的电连接，保证顺利实现测量和定位，结构简单，易于携带。

进一步：所述探针组件包括探针接头和探针；

所述探针接头可拆卸地设置在所述骨架的下端，所述探针固定设置在所述探针接头的下端并伸出所述探针接头外。

进一步：所述探针包括探针金属杆和设置在所述探针金属杆下端的探头。

上述进一步方案的有益效果是：通过可拆卸的探针接头，便于整个探针组件的更换，使用更加灵活，通过探针下端的探头保证对被测物体的扫描的顺利实现，结构简单、重量轻、体积小，易于携带。

进一步：所述探头由红宝石制成。

上述进一步方案的有益效果是：由红宝石制成的探头扫描和测量物体的精度更高。

进一步：所述探头为球形结构。

进一步：所述探头的直径范围为1mm～6mm。

上述进一步方案的有益效果是：由上述球形结构的探头来扫描物体，能适用各种形状和结构的被测物体，适用范围更加广泛，测量更加准确。

附图说明

图1为本实用新型中一种单相机测量光笔的结构示意图；

图2为本实用新型中单相机测量光笔测量过程的场景示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、骨架，2、相机组件，3、探针组件，4、信号传输组件，21、相机，22、镜头，23、光源，31、探针接头，32、探针，41、导电板，42、按钮，43、io控制卡，44、接口，321、探针金属杆，322、探头，441、电源接口，442、数据接口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

下面结合附图，对本实用新型进行说明。

实施例、如图1所示，一种单相机测量光笔，包括骨架1以及设置在所述骨架1上端的相机组件2、设置在所述骨架1下端的探针组件3和设置在所述骨架1中部的信号传输组件4；

所述相机组件2与所述信号传输组件4电连接。

骨架用于探针组件、相机组件和信号传输组件相互之间的刚性连接，探针组件用于扫描被测物体，相机组件用于在探针组件扫描过程中，获取外部的反光标志点或发光led的影像，信号传输组件用于将相机组件获取到的影像数据传输给外部计算机中，通过外部计算机计算得到相机组件的位置和姿态，再根据探针组件和相机组件之间的相对位置关系，通过坐标转换得到探针组件的位置坐标，进而得到被测物体的位置坐标，实现被测物体的定位；其中，计算机根据相机组件获取到的影像数据计算相机组件的位置和姿态为现有技术，不是本实用新型的重点。

本实施例通过骨架将单个相机组件、探针组件和信号传输组件组合在一起，并与外部的反光标志点和发光led等所构成的靶标相互独立，使得靶标不局限于本实用新型中的单相机测量光笔上，从而可以实现靶标的尺寸和数量均不受局限，进而使得单相机测量光笔的测量范围不受局限，有效提升了本实用新型中的单相机测量光笔的测量精度，并扩大了适用范围；同时，基于单个相机组件，整个单相机测量光笔的结构简单、重量轻和体积小，大大提升了携带的便携性。

优选地，如图1所示，所述相机组件2包括相机21和镜头22；

所述相机21固定设置在所述骨架1的上端，所述镜头22固定设置在所述相机21的前侧；

所述相机21与所述信号传输组件4电连接。

将相机和镜头分别固定设置在骨架的上端，方便在探针组件扫描过程中，获取外部的反光标志点或发光led的影像，实现了靶标的尺寸和数量均不受局限，进而使得单相机测量光笔的测量范围不受局限，有效提升了测量精度，并扩大了适用范围；同时，提升了携带的便携性。

具体地，本实施例中的镜头使用视场角不小于40度且不大于100度的镜头，太小的视场角容易导致视野范围太小，会降低定位精度，而太大的市场角一般是有较大的畸变，也会降低定位精度。

优选地，如图1所示，所述相机组件2还包括光源23，所述光源23固定设置在所述镜头22的前侧。

通过设置在镜头前侧的光源，便于获取质量更好的影像数据，从而方便根据该质量更好的影像数据得到相机更加准确的位姿，进一步提高测量精度。

具体地，本实施例中光源的具体参数根据实际操作环境调整。

优选地，如图1所示，所述信号传输组件4包括导电板41、按钮42、io控制卡43和多个接口44；

所述导电板41固定设置在所述骨架1的中部，所述按钮42、所述io控制卡43和所有所述接口44均固定设置在所述导电板41上并与所述导电板41电连接；

所述按钮42和所述io控制卡43均分别与所述相机21电连接。

优选地，如图1所示，所述接口44包括电源接口441和数据接口442，所述电源接口441通过电源线与外部电源电连接，所述数据接口442通过数据线与外部计算机电连接。

按钮用于触发相机启动，以使相机开始获取外部的反光标志点或发光led的影像；io控制卡用于接收相机启动的触发信号，并将该触发信号发送至相机，还用于将相机获取的影像数据传输至外部的计算机中，从而便于获取相机的位姿；接口用于接收外部电源供电，还用于与外部计算机进行数据传输；通过导电板将按钮、io控制卡和所有接口固定在一起，并还便于上述部件相互之间的电连接，保证顺利实现测量和定位，结构简单，易于携带。

优选地，如图1所示，所述探针组件3包括探针接头31和探针32；

所述探针接头31可拆卸地设置在所述骨架1的下端，所述探针32固定设置在所述探针接头31的下端并伸出所述探针接头31外。

优选地，如图1所示，所述探针32包括探针金属杆321和设置在所述探针金属杆321下端的探头322。

通过可拆卸的探针接头，便于整个探针组件的更换，使用更加灵活，通过探针下端的探头保证对被测物体的扫描的顺利实现，结构简单、重量轻、体积小，易于携带。

优选地，所述探头322由红宝石制成。

由红宝石制成的探头扫描和测量物体的精度更高。

优选地，所述探头322为球形结构。

具体地，所述探头322的直径范围为1mm～6mm。

由上述球形结构的探头来扫描物体，能适用各种形状和结构的被测物体，适用范围更加广泛，测量更加准确。

具体地，在本实施例中，整个单相机测量光笔的的工作原理和工作流程如下：

1、预先设置一个匹配的辅助测量场景，辅助测量场景是一个不易变形的大场景，比如室内墙壁、钢结构手脚架、室内支撑柱等，统称为稳定参考体，在稳定参考体表面需要吸附大量的反光标志点作为靶标，靶标的粘贴范围需要大于单目相机的视野范围，例如3～20米的范围，如图2所示；

2、预先标定好相机的内外方位元素和镜头畸变等参数，以及相机摄影中心与探针(或探头)之间的相对位置；

3、预先测量出所有反光标志点的三维物方坐标，并组织成{点序号(x，y，z)}的数据格式；

4、在测量时，将相机始终朝向墙壁，使得相机视野范围内始终有不小于3个反光标志点，按下按钮，由相机拍摄墙上的反光标志点，并将反光标志点的影像传输到电脑端，提取影像中反光标志点的像点坐标，并进行像点与物点的匹配；

具体地，已知内外方位元素(包括线元素和角元素)、镜头畸变参数，反光标志点的像点坐标和三维物方坐标，通过单像空间后方交会(又称p3p或pnp算法，perspective3points或perspectivenpoints)即可计算得到相机在摄影瞬间，相机的位置和姿态；又已知摄影中心和探针(或探头)之间的相对位置，通过坐标转换，即可得到探针(或探头)的三维空间坐标。

单像空间后方交会是以单幅影像为基础，从该影像所覆盖地面范围内若干控制点的已知地面坐标和相应点的像坐标测量值出发，根据共线条件方程解求该影像在航空摄影时刻的6个外方位元素(xs、ys、zs、ω和κ)。由于每一对像方和物方共轭点可列出2个方程，因此若有3个已知地面坐标的控制点，则可列出6个方程，解求6个外方位元素的改正数。

例如，已知下述关系：

其中，k1、k2和k3均为径向畸变参数，p1和p2均为偏心畸变参数，δx和δy分别为像点坐标在x方向和y方向上的畸变的修正值，(x0,y0)是像主点坐标，(x,y)是反光标志点的像点坐标，r为像点的向径且满足

则建立的单像空间后方交会的方程组如下：

其中，f是相机主距，(x,y,z)是反光标志点的三维物方坐标，(xs,ys,zs)为线元素，ω和κ均为角元素，为像片航向倾角，ω为像片旁向倾角，κ为像片旋角，ai、bi和ci(i＝1,2,3)均为旋转因子。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。