本发明涉及换能器声场测试，更具体的说是涉及基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置及方法。
背景技术：
1、目前对于超声换能器(以下简称被测传感器)声场检测的主流方法是水听器法，即通过使用水听器(以下简称探测传感器)对垂直于被测传感器声轴线(一般为几何中轴线)的平面进行扫描，获取被测传感器在水中的辐射声场。测试时需要保持探测传感器中轴线与被测传感器中轴线平行，当前采取的方法主要依靠目视，来调整探测传感器与被测传感器中轴平行且中心对齐。但是在水下环境中，传感器位置通常是三维的，包括水平位移、垂直位移和姿态。由于水中存在折射，肉眼观察难以精确判断传感器在三维空间中的位置和朝向，且观察者的主观判断、视角限制、疲劳等因素可能导致位置观察的不准确性。但是被测传感器的声场检测对测试精度存在较高的要求，高频阶段的声波，以5mhz为例，波长仅为0.3mm。此外，对于某些聚焦型的被测传感器，其焦域直径也仅为几个毫米，因此单纯依靠肉眼目视对齐探测传感器与被测传感器难度较大，实际操作效率也十分低下。
2、因此，如何提供能够实现被测传感器和探测传感器的相对位置的高精度校准的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置及方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种能够实现被测传感器和探测传感器的相对位置的高精度校准的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置及方法。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，包括：相机a、相机b、上位机、被测传感器三维姿态调整机构和探测传感器三维姿态调整机构；
4、所述相机a和所述相机b均安装在支架上，并位于水下，且二者的摄像方向垂直布置，用于对被测传感器和探测传感器进行拍摄，所述被测传感器固定在所述被测传感器三维姿态调整机构上，所述探测传感器固定在所述探测传感器三维姿态调整机构上；
5、所述上位机均与所述相机a和所述相机b电连接，用于实时采集所述相机a和所述相机b的图像，并对图像进行实时分析处理；
6、所述上位机均与所述被测传感器三维姿态调整机构和所述探测传感器三维姿态调整机构电连接，用于分别调整所述被测传感器和所述探测传感器的相对位置。
7、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，该装置通过两台垂直放置的水下相机，对两台被矫对象(被测传感器和探测传感器)进行成像，获得其在各自投影平面内的位置及姿态，再通过上位机拟合出两台被矫对象的中轴线及其在对应投影平面中的二维直线方程，通过比较两台被矫对象的二维直线方程确定他们之间的相对偏转角度及相对偏移距离，使用被测传感器三维姿态调整机构和探测传感器三维姿态调整机构调整被矫对象的位置及姿态，最终使其实现对准。因此，水下定位技术能够在三维空间中准确测量被矫对象的位置和朝向，包括水平位移、垂直位移和姿态信息，比肉眼观察更可靠。这有助于确保被矫对象的相对位置准确性；通过上位机和被测传感器三维姿态调整机构和探测传感器三维姿态调整机构自动完成位置矫准过程，减少了人为误差的可能性；水下定位技术能够提供实时或几乎实时的位置信息，使用户能够随时监测被矫对象的相对位置，适应快速变化的水下环境。且在位置姿态调整过程中可以进行实时监测，以负反馈调节的形式使被矫对象达到最佳位置。
8、进一步的，所述支架包括：支柱、第一悬臂安装板和第二悬臂安装板，所述支柱底端固定有支板，所述第一悬臂安装板一端与所述支柱顶端固定连接，所述相机a固定在所述第一悬臂安装板另一端上，所述第二悬臂安装板一端与所述支柱顶端固定连接，且与所述第一悬臂安装板垂直布置，所述相机b固定在所述第二悬臂安装板另一端上。
9、进一步的，所述支柱为高度可调的伸缩式结构。
10、所述支柱包括下支柱和上支柱，所述下支柱底端与所述支板固定连接，所述上支柱顶端与所述第一悬臂安装板和所述第二悬臂安装板均固定连接，所述下支柱顶部上开设有多个第一高度调节孔，所述上支柱底部上开设有多个第二高度调节孔，对应的所述第一高度调节孔和所述第二高度调节孔中穿设有连接螺栓。
11、采用上述技术方案产生的有益效果是：高度调节的目的是为了能使相机a、相机b与对被测传感器和探测传感器处在接近的高度，让对被测传感器和探测传感器能出现在相机a、相机b的视野范围内，被相机拍到。
12、本发明提供的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准方法，采用所述的校准装置进行如下步骤：
13、s1：两台垂直安装的所述相机a和所述相机b对所述被测传感器和所述探测传感器进行成像；
14、s2：所述上位机根据所述相机a和所述相机b的图像，对图像进行实时分析处理，并提取图像的边缘的直线来拟合二者的中轴线，得到其在对应投影平面中的二维直线方程；
15、s3：根据二维直线方程确定所述被测传感器和所述探测传感器的相对偏转角度及相对偏移距离；
16、s4：所述上位机根据相对偏转角度及相对偏移距离，分别控制被测传感器三维姿态调整机构和探测传感器三维姿态调整机构调整所述被测传感器和所述探测传感器的位置及姿态，实现所述被测传感器和所述探测传感器的中轴线的对准。
17、进一步的，步骤s2具体是：在世界坐标系中，所述被测传感器和所述探测传感器的中轴线与z轴的交点均作为原点o(0,0,0)，所述被测传感器和所述探测传感器的顶点的坐标均为p(x,y,z)，其中均为所述被测传感器和所述探测传感器在世界坐标系的向量，所述相机a将所述被测传感器和所述探测传感器均投影到xoz平面中并对其进行成像得到向量在xoz平面的投影为二维直线方程表达式为z＝tanα·x，其中α为与x轴的夹角；所述相机b将所述被测传感器和所述探测传感器均投影到yoz平面中并对其进行成像，得到向量在yoz平面的投影为二维直线方程表达式为z＝tanβ·y，其中β为与y轴的夹角。
18、进一步的，步骤s3具体是：根据所述相机a拍摄的图像，取所述被测传感器和所述探测传感器在xoz平面的投影的长度均为a，与x轴以及z轴的夹角为ε、α；根据所述相机b拍摄的图像，取所述被测传感器和所述探测传感器在yoz平面的投影的长度均为b，与y轴以及z轴的夹角为λ、β，根据上述信息可以得出所述被测传感器和所述探测传感器在相机平面的坐标均为：
19、的长度c为：
20、
21、
22、与的夹角θ为：
23、
24、
25、
26、与的夹角μ为：
27、
28、
29、与y轴的夹角λ，与的夹角μ即为所述被测传感器和所述探测传感器的相对偏转角度，根据上述信息可以修正其轴心调整至与z轴平行；
30、对于相对偏移距离，具体地，在已知相对偏转角度的基础上，所述被测传感器和所述探测传感器在xoy平面上的投影均为一个点，并分别为a点和b点；
31、a点的坐标为：
32、
33、b点的坐标为：
34、
35、a点与b点之间的距离l为：
36、
37、a点与b点之间的距离l即为所述被测传感器和所述探测传感器中轴线之间的相对偏移距离。
1.基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，其特征在于，包括：相机a(1)、相机b(2)、上位机(3)、被测传感器三维姿态调整机构(4)和探测传感器三维姿态调整机构(5)；
2.根据权利要求1所述的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，其特征在于，所述支架(6)包括：支柱(61)、第一悬臂安装板(62)和第二悬臂安装板(63)，所述支柱(61)底端固定有支板(611)，所述第一悬臂安装板(62)一端与所述支柱(61)顶端固定连接，所述相机a(1)固定在所述第一悬臂安装板(62)另一端上，所述第二悬臂安装板(63)一端与所述支柱(61)顶端固定连接，且与所述第一悬臂安装板(62)垂直布置，所述相机b(2)固定在所述第二悬臂安装板(63)另一端上。
3.根据权利要求2所述的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，其特征在于，所述支柱(61)为高度可调的伸缩式结构。
4.根据权利要求3所述的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准装置，其特征在于，所述支柱(61)包括下支柱(612)和上支柱(613)，所述下支柱(612)底端与所述支板(611)固定连接，所述上支柱(613)顶端与所述第一悬臂安装板(62)和所述第二悬臂安装板(63)均固定连接，所述下支柱(612)顶部上开设有多个第一高度调节孔(6121)，所述上支柱(613)底部上开设有多个第二高度调节孔(6131)，对应的所述第一高度调节孔(6121)和所述第二高度调节孔(6131)中穿设有连接螺栓。
5.基于水下视觉定位的传感器相对位置校准方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的校准装置进行如下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准方法，其特征在于，步骤s2具体是：在世界坐标系中，所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)的中轴线与z轴的交点均作为原点o(0，0，0)，所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)的顶点的坐标均为p(x，y，z)，其中均为所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)在世界坐标系的向量，所述相机a(1)将所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)均投影到xoz平面中并对其进行成像得到向量在xoz平面的投影为二维直线方程表达式为z＝tanα·x，其中α为与x轴的夹角；所述相机b(2)将所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)均投影到yoz平面中并对其进行成像，得到向量在yoz平面的投影为二维直线方程表达式为z＝tanβ·y，其中β为与y轴的夹角。
7.根据权利要求6所述的基于水下视觉定位的传感器相对位置校准方法，其特征在于，步骤s3具体是：根据所述相机a(1)拍摄的图像，取所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)在xoz平面的投影的长度均为a，与x轴以及z轴的夹角为ε、α；根据所述相机b(2)拍摄的图像，取所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)在yoz平面的投影的长度均为b，与y轴以及z轴的夹角为λ、β，根据上述信息可以得出所述被测传感器(7)和所述探测传感器(8)在相机平面的坐标均为：
