CN101363716A - 一种组合式空间精密测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式空间精密测量系统，包括CCD相机、DLP投影仪、三脚架和计算机，以及至少四个红外激光发射器、至少三个传感器和接收器；传感器接收红外激光发射器发射的红外信号，分别将光信号传输给接收器，然后接收器将信号转化为数字角度信息传输给计算机进行处理。本发明结合了室内GPS定位技术和结构光测量技术的优势，将基于数字光学投影的结构光测量子系统作为测量终端，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据；同时由基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统，对大范围全局坐标系进行监控，实时跟踪结构光测量子系统在工件全场坐标系下的精确坐标，将得到密集点云数据自动融合到同一坐标下，实现超大尺寸工件的完整精密测量。

Description

一种组合式空间精密测量系统

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种组合式空间精密测量系统，它尤其适用于超大尺寸零件。

背景技术

随着三维测量技术在航空航天、造船、汽车、大型模具等行业的广泛应用，对以飞机外壳为代表的超大尺寸零件进行高精度三维测量的需求越来越大。

目前，在大尺寸检测技术方面，电子经纬仪、全站仪、激光空间跟踪仪和室内GPS系统四种系统目前已得到广泛应用。电子经纬仪工业测量系统以空间交会三角测量原理为基础，采用多个经纬仪组合，结合精密定向技术，当前电子经纬仪的测角精度已达0.5＂，理论上可以实现优于1um/m的测长精度。经纬仪系统有很好的便携性，可以在工业现场组建，但存在测量效率低、需人工瞄准，工作强度大、测量精度随测量距离增加而下降等局限性，不适合大工作量的现场测量。全站仪极坐标测量系统是由高精度的全站仪构成的极坐标测量系统，系统基于极坐标法原理。极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便灵活，测程较远，实际上在100m范围内的精度可达到0.5mm左右，因此特别适用于钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。目前，全站仪有多种不同型号，分别具有各种不同的功能，马达驱动式的全站仪测角精度高，且具有自动目标识别功能，自动化和智能化性能都很高，在极坐标测量系统中被广泛应用，Leica公司已经推出各种满足用户需要的TCA/TC系列的马达驱动式全站仪。这种自动极坐标测量系统非常适用于变形监测。激光空间跟踪仪是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统，具有快速、动态、精度高等优点，在航空航天、机械制造、核工业等测量领域得到广泛地应用。该系统的最大测量距离为60m，可实现对空间目标进行静态与跟踪测量，无需导轨，适合现场加工装配测量，主要用于大尺寸测量、准直以及实时装配(如对大型飞机、火箭、导弹等的外形轮廓进行测量与装配定位)。室内GPS测量技术具有高精度、高可靠性和高效率等优点，主要用于解决大尺寸空间的测量与定位问题。该系统使用红外脉冲激光发射器代替卫星的作用，接收器根据发射器投射来的光线时间特征参数，计算接收器所在点的角度和位置，并将模拟信号转换成数字脉冲信号，通过无线网络发送给中央控制室的服务器，最后通过数据处理软件计算获得高精度的三维坐标。

与其它三种大尺寸检测技术相比，室内GPS拥有相当多的优势。室内GPS测量技术的最大优点是其测量误差达到一定值后不会随着测量范围的增大而增大，这一优点使得室内GPS测量技术能够用于超大尺寸工件的高精度测量。在大尺寸工件测量现场，使用室内GPS系统成本低廉而且耐用，在保持70-100μm的精度下，室内GPS系统可以在更大的空间里使用，在大于10米的测量空间里，室内GPS是精度最高的测量系统。室内GPS系统的另一个优点是可以围绕着被测物进行360度空间测量，而不需要转换坐标系，从而降低或消除坐标转换造成的误差。这一点是激光跟踪仪或者其他照相测量系统无法达到的。此外，此测量技术可允许多名操作人员手持传感器独立而并行的进行测量，这将大大提高超大尺寸工件的测量效率。

在局部精密测量方面，使用最为广泛的测量设备主要有以下四种：接触式坐标测量系统、三维激光扫描测量系统、柔性三坐标测量系统和结构光测量子系统。其中结构光测量子系统由于具有便携、测量空间大、测量速度快、测量精度高等优点，在20世纪90年代初就开始引起各国工业界和学术界的高度重视，并很快成为CAD/CAM领域的一个研究热点。德国Technical University ofBraunschweig的Reinhold Ritter教授，从90年代初开始将近景摄影测量领域的相关技术引入到工业测量中，并注册成立了GOM公司，针对工业测量的特殊需求开发出ATOS系列结构光测量子系统，该系统采用外差式多频相移三维光学测量技术，与传统的格雷码加相移方法相比，测量精度更高，抗干扰能力更强、受被测工件表面明暗度的影响更小，零件一般不需要喷显影剂，而且能够测量表面剧烈变化的零件，测量精度最高可达0.005mm，代表了国际先进水平。

综上所述：电子经纬仪、全站仪、激光空间跟踪仪和室内GPS系统等大尺寸定位检测技术可以完成实现大空间内的精确定位，但无法对测量空间内的局部特征进行测量；三维激光测量技术和结构光测量技术虽然在局部空间的高精度测量上具有良好的表现，但其测量空间有限，无法完成超大尺寸零件的三维测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式超大尺寸空间精密测量装置，该装置具有测量空间不受限制、测量速度快、柔性好、精度高和便于携带的优点。

本发明提供的组合式空间精密测量系统，其特征在于：它包括CCD相机、DLP投影仪、三脚架和计算机，以及至少四个红外激光发射器、至少三个传感器和至少三个接收器；

所述红外激光发射器均匀分布，并位于所述传感器的上方，所述传感器、CCD相机与DLP投影仪均固定在所述三脚架上，CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，并且均位于所述各传感器的下方；

所述各接收器分别与分述的各传感器相连，所述CCD相机、DLP投影仪和各接收器均与所述计算机相连；

所述传感器接收红外激光发射器发射的红外信号，分别将光信号传输给三个对应的接收器，然后接收器将信号转化为数字角度信息传输给计算机进行处理。

本发明结合了室内GPS定位技术和结构光测量技术的优势，将基于数字光学投影的结构光测量子系统作为测量终端，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据；同时由基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统，对大范围全局坐标系进行监控，实时跟踪结构光测量子系统在工件全场坐标系下的精确坐标，从而将测量得到的局部范围的密集点云数据自动融合到同一坐标下，从而实现超大尺寸工件的完整精密测量。具体而言，本发明系统具有以下技术特点：

(1)本发明为组合式超大尺寸空间精密测量装置，该装置使用基于数字光学投影的结构光测量子系统作为测量终端，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据；同时由基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统，对大范围全局坐标系进行监控，实时跟踪结构光测量子系统在工件全场坐标系下的精确坐标，从而将测量得到的局部范围的密集点云数据自动融合到同一坐标下，实现超大尺寸工件的完整精密测量。

(2)本发明系统利用相位移测量原理和双目立体视觉原理测量小范围测量空间内被测零件的密集三维点云数据，测量同时利用基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统对三个传感器进行实时跟踪定位。

(3)本发明系统利用传感器获得的在整个测量空间的三维坐标，计算出基于数字光学投影的结构光测量子系统在进行局部测量时系统在整个测量空间的位姿，并利用该位姿将测量得到的局部数据转换到整个测量空间的全局坐标系下，从而实现超大尺寸的精密测量。

附图说明

图1为组合式超大尺寸空间精密测量装置的一个实例的结构示意图；

图2为基于数字光学投影的结构光测量子系统的结构示意图；

图3为基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统的结构示意图；

图4为计算机进行数据处理的流程图；

图5为外差原理示意图；

图6为相位展开原理示意图；

图7为匹配的原理图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。

本发明系统包括基于数字光学投影的结构光测量子系统和基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统，它包括至少四个红外激光发射器、至少三个传感器、至少三个接收器、以及一个CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)相机、一个DLP(Digital Light processing，数字光学处理器)投影仪、一个三脚架和一台计算机。如图1所示，本实例是以包括四个红外激光发射器11、12、13和14，三个传感器21、22和23，三个接收器31、32和33为例说明本发明的结构。

如图2所示，基于数字光学投影的结构光测量子系统包括CCD相机4、DLP投影仪5、三脚架6和三个传感器21、22和23。其中CCD相机4和DLP投影仪5固定在同一块金属板上，CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，并且上面用外壳封装，金属板下面由三脚架支撑，这样整个设备便可自由的在室内移动测量。该子系统中三个传感器21、22和23固定在外壳顶部(可最大限度的保证三个传感器能方便的接收到红外信号)，并且三个传感器的位置不能在同一直线上。

如图3所示，基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统包括计算机7，四个红外激光发射器11、12、13和14，三个接收器31、32和33。四个红外激光发射器11、12、13和14均匀分布在室内的天花板上发射红外信号，安装在数字光学投影的结构光测量子系统中的三个传感器21、22和23接收红外信号，并分别将光信号传输给三个对应的接收器31、32和33，然后接收器将信号转化为数字角度信息传输给计算机。

计算机按照如图4所示的流程对数据进行处理，得到所获的数据。测量时使用DLP投影仪5向被测物体投射一组由计算机生成的频率分别为1/74、1/68和1/63正旋光栅图像，并由CCD相机4同步拍摄，拍摄完成后将数据提供给计算机。计算机首先通过四步相移法进行解相，DLP投影仪5投射出正弦光栅，当投影编码光栅到被测物体表面时，在物体表面上形成变形光栅，假设投影光强是标准正弦分布，则变形光栅图像的光强分布函数为：

其中为I(x，y)物体(x，y)点上的光强，a(x，y)和b(x，y)为与背景相关的光波振幅，K＝2π/λ称为波系数，

为(x，y)的相位。四步相移法将光栅在栅线的垂直方向上平移栅距的1/4，则式(1)的光强表达式中相位将移动2π/4，等距离平移3次，获得4幅图像，其第i幅图像的光强函数为：

进行四步相移后，各步光强函数为：

由式(3)至(6)可得：

这样就可以在记录图像中的每个像素可以得到一个相对相位(又称相位主值)，在一个相位周期内它是唯一的，但是在整个测量空间中该值不唯一，因此必须对空间点的相对相位值进行展开。这里通过外差原理进行展开。

外差原理是指将两种不同频率的相位函数

和

叠加得到一种频率更低相位函数Φ_b(x)，如图5所示，其中λ₁，λ₂，λ_b分别为相位函数

对应的频率。

展开包括三个外差过程，其目的是降低相位主值的精度要求。须选用的一组频率为λ₁＝1/74，λ₂＝1/68和λ₃＝1/63的正弦光栅进行投影，在全场范围进行相位展开，将λ₁，λ₂和λ₂，λ₃分别进行叠加，则可得到频率为λ₁₂＝1/6，λ₂₃＝1/5的相位Φ₁₂和Φ₂₃，然后再将这两个频率的正弦光进行叠加，得到频率为λ₁₂₃＝1的相位Φ₁₂₃的必须选择合适的λ₁和λ₂值，使得λ_b＝1。如图2所示，在图像的全场范围内，tanα₁，tanα_b的比值等于投影图像的周期数比(设为R₁，是个常量)，可采用下式对φ₁(x)进行相位展开：

Φ_m＝φ₁+O₁(x)×2π                      (9)

其中： $O_1\left(x\right)=\frac{\mathrm{\Φ}\left(x\right)\×R_1-{\mathrm{\φ}}_1\left(x\right)}{2\mathrm{\π}}.$

这样就可以将由DLP投影仪5投射出的一组光栅和投影到被测物体表面变形后的一组光栅分别进行解相并展开。

数字光学投影的结构光测量子系统中，匹配的过程如下：

由DLP投影仪5投射出的一组光栅经解相展开后，可以得到具有相同相位的垂直线，投射出去后便可以得到相位相同的面；由CCD相机4采集的在被测物体上变形的光栅经解相展开后，该图像上每个点都可以找到与之有相等的相位的垂直线，由该点沿着光路引出一条射线与先前的由相同相位的垂直线投射出的面交于被测物体表面一点，这样只要能知道具有相同相位的垂直线和点在CCD相机图像上的坐标，便可以求出被测物表面点的三维坐标，如图7。

匹配完成后要进行点云重构才能计算出被测物体表面的三维点云坐标，设DLP投影仪5坐标系为O_aX_aY_aZ_a’有效焦距为f_a，CCD摄像机4坐标系为O_bX_bY_bZ_b，有效焦距为f_b，空间点P(X_w，Y_w，Z_w)在DLP投影仪5坐标系和CCD摄像机4坐标系中的坐标分别为(X_a，Y_a，Z_a)和(X_b，Y_b，Z_b)，在DLP投影仪5的投射图像坐标系和CCD相机4图像坐标系中的坐标分别是(i_a，j_a)和(i_b，j_b)其中i_a可以通过该处的相位值求出。则有：

$\left[\begin{array}{ccc}{f}_a& 0& 0\\ 0& f_a& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ Y_a\\ Z_a\end{array}\right]={\mathrm{\ρ}}_a\×\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ j_a\\ 1\end{array}\right]---\left(13\right)$

$\left[\begin{array}{ccc}{f}_b& 0& 0\\ 0& f_b& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]={\mathrm{\ρ}}_b\×\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& b_{13}\\ b_{21}& b_{22}& b_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_b\\ j_b\\ 1\end{array}\right]---\left(14\right)$

根据坐标系的转换关系，可相应得到DLP投影仪5和CCD相机坐标系间的转换关系：

$\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]=R_{\mathrm{ab}}\×\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ Y_a\\ Z_a\end{array}\right]+T_{\mathrm{ab}}---\left(15\right)$

其中，R_ab和T_ab分别是坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，联立式(13)、(14)、(15)可以得到空间点在CCD像机4坐标系下的坐标。

测量同时利用基于GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统对三个传感器进行实时跟踪定位；然后根据三个传感器在世界坐标系下的三维坐标确定结构光测量子系统在整个测量空间的位姿；最后利用该位姿将测量得到的局部数据转换到整个测量空间的全局坐标系下，从而实现超大尺寸的精密测量。

测量过程中红外激光发射器不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光，传感器接收到来自红外激光发射器的红外激光信号后，将其放大并转换为数字信号发送给接收器，然后由接收器将接收到的数字信号转化为角度数据信息并发送给数据处理软件，最后由Metrics公司提供的第三方数据处理软件(SA、MAYA、MetrologII或Rhino)计算出传感器在整个测量空间中的三维坐标。为了保证传感器坐标的精度，传感器至少要同时接收到四个红外激光发射器的信号。

使用GPS原理的大范围光电跟踪定位子系统对结构光测量子系统上的三个传感器进行精确定位后，即可计算出结构光测量子系统在全局坐标系下的坐标，进而可以自动的将结构光测量子系统测量的局部密集点云数据转换到全局坐标系下，通过多次测量可以得到大尺寸零件在全局坐标系下的完整点云数据。

上述具体实施方式的内容只是本发明的一个具体实例，本发明的内容并不局限于上述实例的内容。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1、一种组合式空间精密测量系统，其特征在于：它包括CCD相机、DLP投影仪、三脚架和计算机，以及至少四个红外激光发射器、至少三个传感器和至少三个接收器；

所述红外激光发射器均匀分布，并位于所述传感器的上方，所述传感器、CCD相机与DLP投影仪均固定在所述三脚架上，CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，并且均位于所述各传感器的下方；

所述各接收器分别与分述的各传感器相连，所述CCD相机、DLP投影仪和各接收器均与所述计算机相连；

所述传感器接收红外激光发射器发射的红外信号，分别将光信号传输给三个对应的接收器，然后接收器将信号转化为数字角度信息传输给计算机进行处理。

2、根据权利要求1所述的组合式空间精密测量系统，其特征在于：它包括四个红外激光发射器，且均匀分布在室内天花板上。

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