專利名稱：一種基于空間無線定位的手持式線激光三維測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測試計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間無線定位的手持式 線激光三維測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代制造技術(shù)向著自動化、集成化、智能化和柔性化的方向發(fā)展的今天， 三維測量技術(shù)已經(jīng)在航空航天、造船、汽車、大型模具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 它在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、消化國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品方面發(fā)揮著越來越重要 的作用。在工程實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)體形位尺寸掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度、掃描數(shù)據(jù)的
完整程度、CAD曲面重構(gòu)和曲面誤差分析等環(huán)節(jié)都取決于三維測量設(shè)備。
當(dāng)前主流的三維測量設(shè)備中主流測量設(shè)備主要有接觸式和非接觸式兩大 類。接觸式測量方法具有精度高、噪聲小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。但需要人工干預(yù)， 一般測量效率較低、不適用于測量較軟的工件。在非接觸式測量方法中，又包 括光學(xué)方法和其它方法。其中光學(xué)方法包括相位測量法、結(jié)構(gòu)光法、飛行時(shí)間 法、數(shù)字全息法、雙目視覺法等。在諸多的測量方法中，光學(xué)方法中的結(jié)構(gòu)光 法由于具有無接觸、原理簡單、測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用到測量 設(shè)備中。
三維激光掃描測頭作為線結(jié)構(gòu)光測量設(shè)備在三維測量技術(shù)發(fā)展史中扮演 著重要角色。在實(shí)際的工程中，為了測量整個工件三維形貌，激光掃描頭都是 從各個視點(diǎn)進(jìn)行掃描測量，測量得到的數(shù)據(jù)即為各個局部坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云 數(shù)據(jù)，因此必須將各個局部坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到一個全局坐標(biāo)系下， 完成三維數(shù)據(jù)拼接形成最終的工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
3如果按照局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系下的定位方式來劃分的話，目前市場上 出現(xiàn)激光掃描測量設(shè)備主要有第一代基于三坐標(biāo)測量機(jī)的激光掃描系統(tǒng)、第 二代基于柔性測量關(guān)節(jié)臂的激光掃描系統(tǒng)。第一代激光掃描系統(tǒng)是將三維激光 掃描測頭固定于三坐標(biāo)測量機(jī)上。測量時(shí)三維激光掃描測頭從工件正上方進(jìn)行 掃描，通過三坐標(biāo)測量機(jī)將三維激光掃描測頭掃描得到的局部測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到 全局坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。當(dāng)三坐標(biāo)測量機(jī)存在著對工作空間要求苛刻，難以做 到加工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)測量。第二代在第一代的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這 兩代測量設(shè)備均采用機(jī)械定位裝置，都存在誤差源多，誤差補(bǔ)償困難等諸多弊 端。因此，開發(fā)一種具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、柔性好、效率高、便攜性好等顯 著的優(yōu)點(diǎn)的測量系統(tǒng)是當(dāng)前市場的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于空間無線定位的手持式線激光三維測量 系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)具有測量空間不受限制、測量速度快、柔性好、精度較高和 便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供的基于空間無線定位的手持式線激光三維測量系統(tǒng)，其特征在 于它包括室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)和手持式測量子系統(tǒng)兩部分；
手持式測量子系統(tǒng)包括兩個CCD攝像機(jī)和線激光投射器；兩個CCD攝 像機(jī)與線激光投射器封裝在手持支架內(nèi)，且各CCD攝像機(jī)的光軸與線激光投 射器發(fā)射出的激光平面夾角均在10至30度之間；線激光投射器向被測工件投 射一條線激光，兩個CCD攝像機(jī)同步拍攝被測工件表面的激光條紋，并將拍 攝的數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)；
室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、至少四個信號發(fā)射器、至少三個接收器; 各信號發(fā)射器均勻分布在室內(nèi)的天花板上，各接收器均勻安裝在手持支架上， 用于接收各信號發(fā)射器發(fā)射的射頻信號和超聲波信號，并通過無線數(shù)據(jù)采集卡與所述計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)接收的各接收器的全局坐標(biāo)計(jì)算得到手持支架的全
局坐標(biāo)；
計(jì)算機(jī)根據(jù)手持支架的全局坐標(biāo)，對兩個攝像機(jī)拍攝的兩幅激光條紋圖像 進(jìn)行處理，得到工件表面的三維坐標(biāo)。
本發(fā)明結(jié)合了室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)和線激光掃描子系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，由于 采用了室內(nèi)無線定位技術(shù)對線激光掃描測量子系統(tǒng)進(jìn)行定位，相對于前兩代激 光掃描系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的定位概念，不受機(jī)械定位裝置的限制，使得整個系 統(tǒng)具有簡單、靈活和測量空間大的優(yōu)點(diǎn)。在大范圍的工作測量空間內(nèi)，本測量 系統(tǒng)無自由度約束，能做到隨地測量且輕巧便攜。


圖l為本發(fā)明測量系統(tǒng)的工作原理示意圖2為室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)的工作原理示意圖3為手持式測量子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖4為線激光掃描測量子系統(tǒng)的雙目立體視覺原理示意圖5為本發(fā)明測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明測量系統(tǒng)的工作原理是將手持式線激光掃描子系統(tǒng)作為測量終 端，通過雙目立體視覺三維測量原理精確測量工件在局部掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo) 系下復(fù)雜曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；同時(shí)由基于室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)，在工作空間中實(shí) 時(shí)跟蹤線激光掃描測量子系統(tǒng)在全局世界坐標(biāo)系下的6自由度位姿信息，計(jì)算 得到線激光掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo)系與全局世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而將測量 得到的局部線激光掃描子系統(tǒng)坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換到全局世界坐標(biāo)系 下，從而實(shí)現(xiàn)手持式移動測量?？臻g無線定位手持式線激光掃描測量系統(tǒng)包括室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)和手 持式測量子系統(tǒng)兩部分，如圖1所示。其具體組成元件包括至少四個信號發(fā)射
器、至少三個接收器、兩個CCD攝像機(jī)、 一個線激光投射器、 一個手持支架、 一臺計(jì)算機(jī)。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
下面以四個信號發(fā)射器和三個接收器為例，說明本發(fā)明系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)8，四個信號發(fā)射器11、 12、 13和14，三個接收器21、 22和23和一個無線數(shù)據(jù)采集卡7。四個信號發(fā)射 器ll、 12、 13和14均勻分布在室內(nèi)的天花板上發(fā)射射頻信號和超聲波信號， 三個接收器21、 22和23在手持支架上呈三角形分布，用于接收四個信號發(fā)射 器的射頻信號和超聲波信號,各接收器通過無線數(shù)據(jù)采集卡7與計(jì)算機(jī)8連接。
如圖3所示，手持式線激光掃描測量子系統(tǒng)包括兩個CCD攝像機(jī)41和 42和線激光投射器5。 CCD攝像機(jī)41、 42與線激光投射器5固定在手持支架 3上，兩個CCD攝像機(jī)的光軸與激光發(fā)射器發(fā)射出的激光平面夾角在10至30 度之間，并且封裝在手持支架3內(nèi)，這樣手持式線激光掃描設(shè)備便可自由的在 測量空間中進(jìn)行移動測量。
該子系統(tǒng)中三個接收器21、 22和23固定在手持支架3頂部(可最大限度 的保證三個接收器能方便的接收到由信號發(fā)射器發(fā)出的信號)，并且三個接收 器的位置不能在同一直線上。
測量時(shí)，首先標(biāo)定手持式線激光掃描測量子系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)和室內(nèi)無 線定位子系統(tǒng)中各信號發(fā)射器在全局世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。測量時(shí)，線激光投 射器5向被測工件投射一條線激光，兩個CCD攝像機(jī)41和42同步拍攝，拍
攝完成后將數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對兩個攝像機(jī)拍攝的兩幅激光條紋圖像 進(jìn)行處理，得到工件表面的三維坐標(biāo)。如圖1所示，計(jì)算機(jī)具體處理過程如下:
一、手持式線激光掃描子系統(tǒng)的工作原理
l.激光條紋的預(yù)處理 CCD拍攝激光條紋圖像的預(yù)處理采用最優(yōu)閾值分割法根據(jù)迭代求圖像最佳分割閾值的方法求出最佳閾值T，然后根據(jù)(l)式對圖像進(jìn)行二值化 2.激光條紋中心的提取
激光條紋中心的提取采用重心法，其定位精度是亞像素級的。二值化圖像 的每一行中，灰度值不為O的像素即為激光條紋上的點(diǎn)，將它們代入重心法公 式(2)求取該行的激光條紋中心
f = ^-
j =附
其中，/,為該行第i列像素的灰度值； 3.激光條紋圖像匹配
利用極線約束原理可以快速地找到空間點(diǎn)在左右兩幅圖像中的同名像點(diǎn)。 即對于空間工件表面任意一點(diǎn)P，它在左圖像h上的像點(diǎn)Pi可以在右圖像12 的極線12上找到對應(yīng)的像點(diǎn)P2，如圖4所示。
這樣根據(jù)像點(diǎn)P冴卩P2的圖像坐標(biāo)，利用雙目立體視覺三維測量原理計(jì)算出 空間點(diǎn)P在線激光掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。假設(shè)將所測工件表面上一 點(diǎn)P在線激光掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)記為Xp-(AA,ZJ，在圖
像坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)記為"=(&,};)，兩者可以用如下關(guān)系表示
Zc xw= Mxxp (3) 式中，投影矩陣M為3X4攝像機(jī)投影矩陣。
這樣，在線激光掃描測量子系統(tǒng)中,根據(jù)左右兩個攝像機(jī),就可以得到所測 工件表面的任意一點(diǎn)P在左右兩幅圖像平面上的投影位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下 Zcl u, = M, xp (4) Zc2u2=M2xp (5) 式中，Xn為點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，u，、 u,分別為空間點(diǎn)P在左
7右攝像機(jī)中同名像點(diǎn)的圖像齊次坐標(biāo)，M, 、 M2分別為左右攝像機(jī)的投影矩 陣。通過方程(4)、 (5)便可以通過左右兩幅圖片上同名像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)求得被 測點(diǎn)在線激光掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo)下的空間三維坐標(biāo)。 二、無線空間定位子系統(tǒng)的工作原理
室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)的核心算法是多邊測距定位算法，測距方法為到達(dá)時(shí) 間差法(Time Difference Of Arrival)。其測量的實(shí)施步驟如下
(l)在室內(nèi)的三維空間中，先將布置4個信號發(fā)射器的無線接收器在室內(nèi) 的天花板上并對各個信號發(fā)射器無線接收器作好標(biāo)定工作。標(biāo)定工作主要任務(wù) 是確定各信號發(fā)射器在全局世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
(2) 信號發(fā)射器到接收器節(jié)點(diǎn)之間的距離是通過以射頻信號和超聲波信號 的到達(dá)時(shí)間差來計(jì)算的。計(jì)算的公式為
<formula>formula see original document page 8</formula>(6)
其中Q、 ^分別為超聲波、射頻信號從信號發(fā)射器到接收器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間； 、、vv分別為超聲波和射頻信號的傳播速度。由于射頻信號的傳播速度^"3 X108m/s，考慮到室內(nèi)的空間較小，所以在實(shí)際的工程應(yīng)用中可以將^"0作 為初始條件，且i"344m/s，即v》1。因此，
<formula>formula see original document page 8</formula>(7)
(3) 在某一測量時(shí)刻，某一接收器接收到4個已知信號發(fā)射器的坐標(biāo)信息 Pi(xi，yi，z!)、 P2(x2,y2，z2)、 P3(x3，y3，z3)、 P4(x4,y4，z4)，而接收器的坐標(biāo)為未知，假 定為P(x，y，z)，且該接收器到信號發(fā)射器P。 P2 、 P3 、 P4的距離分別為山、d2、 d3、 d4。則根據(jù)公式(9)計(jì)算出該接收器的空間坐標(biāo)位置P(x，y,z)。
<formula>formula see original document page 8</formula> (9)
其中，i=l、 2、 3、 4。為了提高精度，可以采用多于四個信號發(fā)射器帶入式(9)解出 一組P(x,y，z)， 然后利用最小二乘法計(jì)算接收器坐標(biāo)P(x,y,z)的最優(yōu)解。
通過室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)對線激光掃描測量子系統(tǒng)上的三個接收器進(jìn)行 精確定位后，即可在全局坐標(biāo)系下對線激光掃描測量子系統(tǒng)進(jìn)行定位進(jìn)而推導(dǎo) 出線激光掃描測量子系統(tǒng)坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終可以將線激光 掃描測量子系統(tǒng)局部坐標(biāo)系下的測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)下，最終得到被 測工件表面形貌的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和 附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修 改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于空間無線定位的手持式線激光三維測量系統(tǒng)，其特征在于它包括室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)和手持式測量子系統(tǒng)兩部分；手持式測量子系統(tǒng)包括兩個CCD攝像機(jī)和線激光投射器；兩個CCD攝像機(jī)與線激光投射器封裝在手持支架內(nèi)，且各CCD攝像機(jī)的光軸與線激光投射器發(fā)射出的激光平面夾角均在10至30度之間；線激光投射器向被測工件投射一條線激光，兩個CCD攝像機(jī)同步拍攝被測工件表面的激光條紋，并將拍攝的數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)；室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、至少四個信號發(fā)射器、至少三個接收器；各信號發(fā)射器均勻分布在室內(nèi)的天花板上，各接收器均勻安裝在手持支架上，用于接收各信號發(fā)射器發(fā)射的射頻信號和超聲波信號，并通過無線數(shù)據(jù)采集卡與所述計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)接收的各接收器的全局坐標(biāo)計(jì)算得到手持支架的全局坐標(biāo)；計(jì)算機(jī)根據(jù)手持支架的全局坐標(biāo)，對兩個攝像機(jī)拍攝的兩幅激光條紋圖像進(jìn)行處理，得到工件表面的全局三維坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于空間無線定位的手持式線激光三維測量系統(tǒng)，包括室內(nèi)無線定位子系統(tǒng)和手持式測量子系統(tǒng)；前者包括兩個CCD攝像機(jī)和線激光投射器；后者包括計(jì)算機(jī)、至少四個信號發(fā)射器、至少三個接收器；兩個CCD攝像機(jī)與線激光投射器封裝在手持支架內(nèi)；各信號發(fā)射器均勻分布在室內(nèi)的天花板上，各接收器均勻安裝在手持支架上，計(jì)算機(jī)接收的各接收器的全局坐標(biāo)計(jì)算得到手持支架的全局坐標(biāo)；再對兩個攝像機(jī)拍攝的兩幅激光條紋圖像進(jìn)行處理，得到工件表面的三維坐標(biāo)。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的定位概念，不受機(jī)械定位裝置的限制，使得整個系統(tǒng)具有簡單、靈活和測量空間大等優(yōu)點(diǎn)。在大范圍的工作測量空間內(nèi)，本系統(tǒng)無自由度約束，能做到隨地測量且輕巧便攜。
文檔編號G01B11/25GK101504275SQ20091006108
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者余立華, 史玉升, 鋼 周, 李中偉, 王從軍, 秦大輝, 凱 鐘, 奎 黃 申請人:華中科技大學(xué)