本發(fā)明涉及一種物體測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種物體表面點三維坐標(biāo)測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

物體的三維測量技術(shù)在工業(yè)設(shè)計與制造、質(zhì)量檢測與控制、地形測量與勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，目前市場上的三維測量設(shè)備復(fù)雜，且造價成本較高，不利于廣泛推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提出一種結(jié)構(gòu)簡單的物體表面點三維坐標(biāo)測量裝置。此外，本發(fā)明還提供一種物體表面點三維坐標(biāo)測量方法。

一種測量裝置，用于非接觸性地測量一待測物體表面各點的三維坐標(biāo)。該測量裝置包括：一存儲器，用于預(yù)先存儲一計算待測物表面點的三維坐標(biāo)的算法，該算法所需的參數(shù)包括：參考坐標(biāo)系參數(shù)、距離傳感器的位置參數(shù)、距離傳感器與待測點之間的距離；一驅(qū)動裝置；一距離傳感器，安裝在所述驅(qū)動裝置上，用于測量該距離傳感器與待測點之間的距離；所述驅(qū)動裝置用于給所述距離傳感器提供動力并驅(qū)動所述距離傳感器移動到多個不同的測量位置；所述距離傳感器在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下能測量到一待測物體表面上多個待測點之間的距離；一位置傳感器，附著在所述距離傳感器上，用于測量所述距離傳感器處于每一測量位置時的位置參數(shù)值；及一處理器，與所述距離傳感器、位置傳感器及存儲器進(jìn)行通訊連接，用于確定一參考坐標(biāo)系參數(shù)的值，并根據(jù)該確定的參考坐標(biāo)系參數(shù)的值、所述距離傳感器在每一測量位置測量其到的其與待測點之間的距離及所述位置傳感器測量到的所述距離傳感器處于每一測量位置的位置參數(shù)值，從所述存儲器中調(diào)用所述三維坐標(biāo)點的算法計算出每一待測點的三維坐標(biāo)值。

一種測量方法，用于非接觸性地測量一待測物體表面各點的三維坐標(biāo)。所述方法包括步驟：在一存儲器中預(yù)先存儲一計算待測物表面點的三維坐標(biāo)的算法，該算法所需的參數(shù)包括：參考坐標(biāo)系參數(shù)、距離傳感器的位置參數(shù)、距離傳感器與待測點之間的距離；控制一驅(qū)動裝置給安裝在該驅(qū)動裝置上的一距離傳感器提供動力并驅(qū)動該距離傳感器移動到多個不同的測量位置，所述距離傳感器在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下能測量到其與一待測物體表面上多個待測點之間的距離；獲取所述距離傳感器在每一測量位置測量到的其與待測點之間的距離及附著在所述距離傳感器上的一位置傳感器測量到的所述距離傳感器處于每一測量位置時的位置參數(shù)值；及確定一參考坐標(biāo)系參數(shù)的值，并根據(jù)該確定參考坐標(biāo)系參數(shù)的值及所述獲取到的數(shù)據(jù)從所述存儲器中調(diào)用所述三維坐標(biāo)點算法計算出每一待測點的三維坐標(biāo)值。

本發(fā)明的測量裝置及方法能對待測物體表面進(jìn)行重組及還原，可用于記錄人臉面部特征、測量物體尺寸、勘測地形等。結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且方便批量制造及廣泛推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施方式中測量裝置的應(yīng)用環(huán)境示意圖。

圖2是本發(fā)明一實施方式中測量裝置的功能模塊示意圖。

圖3是本發(fā)明一實施方式中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖3中所示測量裝置的驅(qū)動裝置的俯視圖。

圖5是本發(fā)明一實施方式中測量裝置計算三維坐標(biāo)的工作原理示意圖。

圖6是本發(fā)明一實施方式中測量方法的步驟流程圖。

主要元件符號說明

測量裝置 100

存儲器 10

距離傳感器 20

驅(qū)動裝置 30

馬達(dá) 31

轉(zhuǎn)子 32

底板 321

上殼 322

滑槽 3221

彈性件 33

第一端 331

第二端 332

位置傳感器 40

處理器 50

顯示單元 60

輸入裝置 70

測量系統(tǒng) 80

存儲模塊 81

控制模塊 82

獲取模塊 83

計算模塊 84

重組模塊 85

待測物體 200

測量方法 6

步驟 S601-S605

如下具體實施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

具體實施方式

如圖1所示，是本發(fā)明一實施方式中的測量裝置100的應(yīng)用環(huán)境示意圖。該測量裝置100用于非接觸性地測量待測物體200表面各點的相對三維坐標(biāo)，并能根據(jù)所測量出的待測物體200表面各點的相對三維坐標(biāo)對該待測物體200的表面進(jìn)行重組及還原。該待測物體200可以是任何待測量的物體，例如路面，人臉等。

請參閱圖2，是本發(fā)明一實施方式中測量裝置100的功能模塊示意圖。在本實施方式中，該測量裝置100包括，但不限于，存儲器10、距離傳感器20、驅(qū)動裝置30、位置傳感器40、處理器50、顯示單元60及輸入裝置70。

所述存儲器10可以是所述測量裝置100本身的內(nèi)存，也可以是與所述測量裝置100相互獨立并能與所述測量裝置100進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的存儲單元，如安全數(shù)字卡、智能媒體卡、快閃存儲器卡等。所述存儲器10用于存儲所述測量裝置100中安裝的程序代碼以及各類數(shù)據(jù)。

所述距離傳感器20用于測量所述測量裝置100與待測物體200表面上待測點之間的距離。所述距離傳感器20測量距離的原理屬于現(xiàn)有技術(shù)范疇，在此不再贅述。所述距離傳感器20的測量精度及靈敏度與其發(fā)射頻率、輸出功率等有關(guān)，具體地，所述距離傳感器20的發(fā)射頻率越高，測量精度越高；輸出功率越高，靈敏度越高。此外，所述距離傳感器20的測量精度也會受到待測物體屬性(例如材質(zhì))的影響，例如金屬物質(zhì)對距離傳感器20的發(fā)射波具有良好的反射效果，而人體皮膚會吸收部分發(fā)射波，如此一來，對于同頻率同功率的距離傳感器20，其測量金屬的精度比測量人體皮膚的精度高。實際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)待測物體的具體屬性等相應(yīng)調(diào)整所述距離傳感器20的發(fā)射頻率及輸出功率等以達(dá)到較為理想的測量精度。所述距離傳感器20可以是電磁波距離傳感器、激光距離傳感器、超聲波距離傳感器等，各種不同類型的距離傳感器各有優(yōu)缺點，用戶可以根據(jù)待測物體的屬性進(jìn)行相應(yīng)的考量。在本實施方式中，所述距離傳感器20為超聲波距離傳感器。

請一并參閱圖3，是本發(fā)明一實施方式中測量裝置100的結(jié)構(gòu)示意圖。所述距離傳感器20安裝在所述驅(qū)動裝置30上，所述驅(qū)動裝置30用于給所述距離傳感器20提供動力，所述距離傳感器20在所述驅(qū)動裝置30的動力驅(qū)動下可移動到不同的測量位置。如此，距離傳感器20可測量距離傳感器20與所述待測物體200表面上不同測量位置處的待測點之間的距離。

具體地，請一并參閱圖4，是本發(fā)明一實施方式中的驅(qū)動裝置30的俯視圖。所述驅(qū)動裝置30包括一馬達(dá)31、一轉(zhuǎn)子32及一彈性件33。所述轉(zhuǎn)子32安裝在所述馬達(dá)31上，并在所述馬達(dá)31的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。在本實施方式中，所述轉(zhuǎn)子32安裝在所述馬達(dá)31的轉(zhuǎn)軸上，故該轉(zhuǎn)子32可在所述馬達(dá)31的驅(qū)動下與馬達(dá)31做同軸運動。所述轉(zhuǎn)子32包括一底板321及固定于底板321上的一上殼322。所述底板321固定于所述馬達(dá)31上。所述上殼322呈半球形，其上開設(shè)有一滑槽3221。所述彈性件33收容并固定在所述滑槽3221內(nèi)。具體地，所述滑槽3221為開設(shè)于所述上殼322的弧面端且經(jīng)過所述半球形轉(zhuǎn)子32球心的半圓形滑槽。所述彈性件33的第一端331固定在轉(zhuǎn)子32的底板321的中心位置，即所述馬達(dá)31、轉(zhuǎn)子32與彈性件33可同軸轉(zhuǎn)動，所述彈性件33的第二端332可滑動地容置在所述滑槽3221內(nèi)。所述距離傳感器20固定在所述彈性件33的第二端332上，當(dāng)所述馬達(dá)31驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子32轉(zhuǎn)動時，所述彈性件33隨著轉(zhuǎn)子32轉(zhuǎn)動并能在不同的向心力作用下滑動到所述滑槽3221內(nèi)的不同位置，從而帶動距離傳感器20移動到不同的測量位置。在本實施方式中，所述彈性件33為一彈簧。

所述距離傳感器20上還附著有一位置傳感器40。在本實施方式中，所述位置傳感器40通過粘膠附著在距離傳感器20的外表面上。所述位置傳感器40用于測量所述距離傳感器20處于每一測量位置時的位置參數(shù)值。所述位置參數(shù)包括所述轉(zhuǎn)子32相對于一轉(zhuǎn)子初始位置的偏轉(zhuǎn)角度θ、所述距離傳感器20相對于一距離傳感器初始位置的偏轉(zhuǎn)角度α及所述距離傳感器20轉(zhuǎn)動時的向心加速度a。在本實施方式中，為了保證測量精度，所述位置傳感器40設(shè)置于所述距離傳感器20上遠(yuǎn)離所述彈性件33的第二端332的位置處。所述轉(zhuǎn)子初始位置為轉(zhuǎn)子32靜止時所處的一位置，所述距離傳感器初始位置為所述轉(zhuǎn)子32靜止且所述彈性件33處于自然狀態(tài)時所述距離傳感器20所處的一位置。

所述處理器50與位置傳感器40及距離傳感器20進(jìn)行通訊連接，用于運行所述存儲器10中存儲的程序代碼及運算各類數(shù)據(jù)，以執(zhí)行相應(yīng)的功能。在本實施方式中，所述存儲器10中存儲有一測量系統(tǒng)80，所述測量系統(tǒng)80被所述處理器50所執(zhí)行，用來實現(xiàn)所述測量裝置100的部分功能。所述顯示單元60受所述處理器50的控制，用于顯示各類信息。顯示單元60可以是觸摸屏、顯示器等，所述輸入裝置70為鍵盤、鼠標(biāo)等，用于供用戶輸入信息。

在本實施方式中，所述測量系統(tǒng)80可以被分割為一個或多個模塊，所述一個或多個模塊被存儲在所述存儲器中，并被配置成由一個或多個處理器(本實施方式為所述處理器50)執(zhí)行，以完成本發(fā)明。例如，如圖2所示，所述測量系統(tǒng)80被分割成存儲模塊81、控制模塊82、獲取模塊83、計算模塊84及重組模塊85。本發(fā)明所稱的模塊是指一種能夠完成特定功能的一系列程序指令段，比程序更適合于描述軟件在所述測量裝置100中的執(zhí)行過程。

所述存儲模塊81預(yù)先將一計算待測物表面點的三維坐標(biāo)的算法存儲于所述存儲器10中，該算法所需的參數(shù)包括：參考坐標(biāo)系參數(shù)m、距離傳感器的位置參數(shù)、距離傳感器與待測點之間的距離。

請一并參閱圖5，是本發(fā)明一實施方式中測量裝置計算三維坐標(biāo)的工作原理示意圖。在本實施方式中，所述參考坐標(biāo)系的位置由所述參考坐標(biāo)系參數(shù)m確定。具體地，所述參考坐標(biāo)系的z軸為所述距離傳感器20處于初始位置時所述彈性件33所在的直線，xy平面為垂直于該z軸的一參考平面且該xy平面的x軸為所述滑槽3221投影在該xy平面的直線，所述xy平面的具體位置由所述參考坐標(biāo)系參數(shù)m確定，所述參考坐標(biāo)系參數(shù)m為所述轉(zhuǎn)子32的底板321到該xy平面的距離。所述參考坐標(biāo)系參數(shù)m可以為所述底板321(或所述彈性件33第一端331)到所述待測物體200表面最低點之間的距離，也可以為用戶根據(jù)需要設(shè)置的數(shù)值。即所述xy平面可以為經(jīng)過所述待測物體200表面最低點的一平面，也可以為根據(jù)用戶的設(shè)置的m值而確定的一平面。

在所述參考坐標(biāo)系中，假定所述距離傳感器20處于所述距離傳感器初始位置時測量到的所述待測物體200表面的點P0的坐標(biāo)為P0(x0，y0，z0)，其中，x0＝0；y0＝0；z0＝m-kx-lx。

如圖5所示，可根據(jù)該P0點及相應(yīng)的參數(shù)確定任意點P(x，y，z)的位置，具體算法如下：

x＝R*cosθ＝(kx+lx)*sinαcosθ

y＝R*sinθ＝(kx+lx)*sinαsinθ

z＝m-(kx+lx)cosα

其中，kx為所述距離傳感器20到所述彈性件33第一端331的距離。具體的，該kx所述彈性件33的自身長度L加上所述彈性件33隨所述轉(zhuǎn)子32轉(zhuǎn)動時被拉升時的拉伸長度k*a，即kx＝L+k*a，其中k為所述彈性件33的勁度系數(shù)，與彈性件33的屬性有關(guān)，但同一彈性件33的勁度系數(shù)k不變，為一定量。a為所述距離傳感器20的向心加速度，為變量，由所述位置傳感器40測量；即kx為根據(jù)所述位置傳感器40測量的加速度a確定的一變量。

lx為所述距離傳感器20與待測點P之間的距離，為變量，由所述距離傳感器20測量。α為所述距離傳感器20相對于所述距離傳感器初始位置的偏轉(zhuǎn)角度，為一變量，由所述位置傳感器40測量；θ為所述轉(zhuǎn)子32相對于所述轉(zhuǎn)子32的初始位置的轉(zhuǎn)角，為一變量，由所述位置傳感器40測量。

所述控制模塊82控制所述驅(qū)動裝置30驅(qū)動所述距離傳感器20移動到多個不同的測量位置，以測量所述距離傳感器20與所述待測物體200表面上多個待測點之間的距離。具體地，所述控制模塊82通過發(fā)送不同的電流脈沖信號控制所述馬達(dá)31以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，從而帶動所述距離傳感器20偏轉(zhuǎn)到多個不同的測量位置。

所述獲取模塊83獲取所述距離傳感器20在每一測量位置測量到的其與每一測量位置的待測點之間的距離及所述位置傳感器40測量到的所述距離傳感器20處于每一測量位置的位置參數(shù)值。

所述計算模塊84確定一參考坐標(biāo)系參數(shù)m的值，并根據(jù)該確定的參考坐標(biāo)系參數(shù)m的值及獲取模塊83所獲取到的距離傳感器20及位置傳感器40所測量到的數(shù)據(jù)，從所述存儲器10中調(diào)用預(yù)設(shè)的三維坐標(biāo)點的算法計算出每一待測點的三維坐標(biāo)值。所述參考坐標(biāo)系參數(shù)m的值可為預(yù)先存儲在所述存儲器10中的一預(yù)設(shè)值，也可以是用戶根據(jù)自己的需求通過所述輸入裝置70輸入的一數(shù)值。

所述重組模塊85根據(jù)所述計算模塊84計算出的所述待測物體200的表面每一待測點的三維坐標(biāo)值繪制該待測物體200的3D圖像，并將所繪制出的待測物體200的3D圖像顯示于所述顯示單元60上。

請參閱圖6，是本發(fā)明一實施方式中物體表面點三維坐標(biāo)測量方法6的流程圖。根據(jù)不同的需求，圖6所示的流程圖中步驟的執(zhí)行順序可以改變，某些步驟可以省略。

步驟S601，在一存儲器中預(yù)先存儲一計算待測物表面點的三維坐標(biāo)的算法，該算法所需的參數(shù)包括：參考坐標(biāo)系參數(shù)m、距離傳感器的位置參數(shù)及距離傳感器與待測點之間的距離。在一些實施方式中，如果存儲器中已經(jīng)存儲有該算法，則不需要再次存儲，該步驟S601可以省略。

步驟S602，控制一驅(qū)動裝置驅(qū)動與安裝在該驅(qū)動裝置上的一距離傳感器移動到多個不同的測量位置，以測量所述距離傳感器與一待測物體表面上多個待測點之間的距離。

步驟S603，獲取所述距離傳感器在每一測量位置測量到的其與每一測量位置的待測點之間的距離及附著在所述距離傳感器上的一位置傳感器測量到的所述距離傳感器處于每一測量位置時的位置參數(shù)值。

步驟S604，確定一參考坐標(biāo)系參數(shù)m的值，并根據(jù)所述確定參考坐標(biāo)系參數(shù)參數(shù)m的值及所述獲取到的數(shù)據(jù)從所述存儲器中調(diào)用所述三維坐標(biāo)點算法計算出每一待測點的三維坐標(biāo)值。

步驟S605，根據(jù)計算出的所述待測物體的表面每一待測點的三維坐標(biāo)值繪制該待測量物體的3D圖像，并將所繪制出的待測物的3D圖像顯示于所述顯示單元上。

本發(fā)明的物體表面點三維坐標(biāo)測量裝置及方法通過控制一距離傳感器移動到不同的位置對待測物體表面的多個測量點進(jìn)行測量，并根據(jù)距離傳感器所處的位置及其測量的數(shù)據(jù)以及一預(yù)設(shè)算法計算出待測物體表面點的三維坐標(biāo)，最后根據(jù)計算出的三維坐標(biāo)對待測物體表面進(jìn)行重組并顯示，可用于記錄人臉面部特征、測量物體尺寸、勘測地形等。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，造價成本較低，方便批量制造及廣泛推廣。

最后應(yīng)該說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。