CN101403606B - 基于线结构光的大视场两轴测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线结构光的大视场两轴测量装置。其特征是被测物体数控回转台和设置有线结构光测头的测头数控回转台被固定在作为参考平面的基座平板上，且两个数控回转台的转轴都近似垂直于基座平板，即两转轴相对于基座平板的倾斜角在88°～92°范围内，两转轴之间的距离在390mm～410mm范围内。其利用两个数控回转台的转动，使线结构光测头的结构光平面扫过被测物体一周来测量复杂物体的全貌，而得到整个被测物体在世界坐标系中的三维数据。本发明视场大、精度高、结构简单、成本低，克服了现有的三轴测量机构无法测量到物体的侧面和背面，以及四轴测量机构视场小、结构复杂、成本高的缺点。

Description

基于线结构光的大视场两轴测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量物体三维形貌的光机电一体化技术领域，具体说是一种基于线结构光的大视场两轴测量装置。

背景技术

逆向工程在现代制造业中正发挥着越来越重要的作用，三维数字化测量是逆向工程的首要环节。完整精确的测量数据直接影响后续曲面重构的效率和所加工工件的精度。而线结构光视觉检测因其具有大量程、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中的优点而被广泛应用于三维数字化测量领域。目前常用的线结构光扫描测量设备有三轴测量机构和四轴测量机构。三轴测量机构是目前国内外最常见的扫描测量机构，它能在三个垂直的方向做直线扫描运动，但只能测量激光能照射到的部位，无法测量到物体的侧面和背面；四轴测量机构在三轴测量机构的基础上增加了一个数控回转台，通过被测物体在转台带动下的转动，该机构能测量被测物体的一周(360度)全貌，但视场小、结构复杂、成本高。总之现有的三轴和四轴测量机构不能完成对物体大视场、高精度、低成本的全貌测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线结构光的大视场两轴测量装置，以克服现有技术的不足。

本发明的基本结构是利用两个数控回转台的转动，使线结构光测头的结构光平面扫过被测物体一周来测量复杂物体的全貌，而得到整个被测物体在世界坐标系中的三维数据。

本发明的解决方案是包括被测物体数控回转台、设置有线结构光测头的测头数控回转台，且两个数控回转台被固定在作为参考平面的基座平板上，两个数控回转台的转轴都近似垂直于基座平板，即两个数控回转台的转轴相对于基座平板的倾斜角在88°～92°范围内，两转轴之间的距离在390mm～410mm范围内。

本发明的测量方法是——首先将已有的线结构光测头模型公式(I)代入到变换公式(II)中建立了所述测量装置从二维摄像机像面坐标系O′uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀变换的数学模型，以得到被测物体的三维世界坐标的计算公式；再利用标准球作为标定器具，通过测量标准球确定了球心所对应的“共轭对”，再将此“共轭对”代入到变换公式(II)中并利用小二乘法求出其中的未知参数l_x0、n_x0、l_z0、n_z0、L、l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z、a、b、c，即实现了标定；最后控制两个数控回转台的转动而使线结构光测头发出的结构光平面扫过其摄像机视场内的被测物体的一周，期间结构光平面与被测物体相交得到一条条的光条，将每条光条已知的摄像机像面坐标(u，v)和对应的两转台转角(φ，θ)代入公式(I)、(II)就求得了被测物体的在三维世界坐标系中的坐标，即实现了测量。

本发明的“共轭对”是指在测量空间中一固定点——标准球的球心时，所得的结构光光面坐标(y_L′，z_L′)和对应的两个数控转台的读数(φ′，θ′)；“共轭对”是对变换公式(II)采用最小二乘法求解模型的未知参数步骤中所必备的已知信息。

其中“共轭对”的确定方法是在某一个被测物体数控回转台的角度φ＝φ′下，通过控制测头数控回转台转动，使线结构光测头扫描被放置在被测物体数控回转台上的标准球，以分别得到标准球球面上的两条圆弧轮廓线(其中两条圆弧轮廓线分别用下标1、2表示)上全部点的摄像机像面坐标(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，将(u₁，v₁)、(u₂，v₂)分别代入到线结构光测头模型公式(I)中，即得到上述两圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)，对该两条圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)分别进行拟合圆处理，又得到的该两条圆弧轮廓线的半径r₁、r₂，将得到的r₁、r₂与测量该两条圆弧轮廓线对应的测头数控回转台的转角θ₁、θ₂代入到标准球球心所在的测头数控回转台转角的计算公式(III)中，即得到标准球球心所在的测头数控回转台的转角θ′，将测头数控回转台转到该转角，记录该标准球球心的结构光光面坐标和对应的两个数控转台的读数，即(y_L′，z_L′)和(φ′，θ′)就得到了其中的一个“共轭对”。通过多次改变被测物体数控回转台的转角φ′，可以得到多个球心所对应的“共轭对”。

所述测量装置从二维摄像机像面坐标系O′_uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀变换的数学模型是由公式(I)、(II)所表述的。

所述的公式(I)是已有的线结构光测头模型公式，即是从摄像机像面坐标系O′_uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的关系式：

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}f{N}_x{r}_2+r_8{u}_0& f{N}_x{r}_3+r_9{u}_0& f{N}_x{t}_x+t_z{u}_0\\ f{N}_y{r}_5+r_8{v}_0& f{N}_y{r}_6+r_9{v}_0& f{N}_y{t}_y+t_z{v}_0\\ r_8& r_9& t_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_L\\ z_L\\ 1\end{array}\right]---\left(I\right)$

式中，u、v表示被测点在摄像机像面坐标系O′_uv中的坐标，可由线结构光测头中摄像机拍得的图像获得；y_L、z_L表示被测点在结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L中的坐标；f、N_x、N_y、u₀、v₀、r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉、t_x、t_y、t_z为已知的线结构光测头的内参数，其中f为摄像机的焦距，N_x、N_y、u₀、v₀为摄像机像面的固有参数，r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉为从摄像机像面坐标系O′_uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的旋转量，t_x、t_y、t_z为其平移量；ρ是求解y_L、z_L过程中可以消去的中间参数。

所述的变换公式(II)是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式：

公式①是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向测头转台坐标系Oxyz转换的关系式。θ为测头数控回转台的转角，为已知量；l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z为旋转量，a、b、c为平移量，它们都是可求已知量，标定后可以确定。

公式②是从测头转台坐标系Oxyz向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式。φ为被测物体数控回转台的转角，为已知量；l_x0、n_x0、l_z0、n_z0为旋转量，L为平移量，它们都是可求已知量，标定后可以确定。将公式①代入②就能得到从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式。

将公式(I)代入变换公式(II)即得从摄像机像面坐标系O′_uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式，即被测点三维世界坐标x₀、y₀、z₀的计算公式。

标准球球心所在的测头数控回转台转角的计算公式(III)如下。

$\mathrm{\θ}\′=\mathrm{arctg}\left[\frac{A\sin 2{\mathrm{\θ}}_2-B\sin 2{\mathrm{\θ}}_1+2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\sqrt{\mathrm{AB}}}{A\cos 2{\mathrm{\θ}}_2-B\cos 2{\mathrm{\θ}}_1-C}\right]$

其中 $\left\{\begin{array}{c}A=R^2-{r_1}^2\\ B=R^2-{r_2}^2\\ C={r_1}^2-{r_2}^2\end{array}\right.---\left(\mathrm{III}\right)$

式中R为标定用的标准球的半径，为已知量；

θ₁、θ₂为被测物体数控回转台在某一角度φ＝φ′时，测头数控回转台转动使结构光平面扫过标准球球面分别得到的两条圆弧轮廓线所对应的测头数控回转台的转角；

r₁、r₂为在上述的θ₁、θ₂的情况下计算出的的两条圆弧轮廓线的半径，具体是分别将标准球球面上两条圆弧轮廓线上全部点的摄像机像面坐标(u₁，v₁)、(u₂，v₂)代入到线结构光测头模型公式(I)中，即分别得到该两圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)，分别对该两条圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)进行拟合圆处理，即得到的该两条圆弧轮廓线的半径r₁、r₂。

θ′为被测物体数控回转台在某一角度φ＝φ′下结构光平面穿过标准球球心时测头数控回转台应转到的角度。

本发明的核心在于建立了从摄像机像面坐标系O′_uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的数学模型以及确定“共轭对”并实现该模型未知参数标定的方法。首先建立了公式(I)、(II)所示的数学模型；再在被测物体数控回转台的某一角度下，通过控制测头数控回转台转动，使安装在其上的线结构光测头扫描作为标定器具用的标准球，并利用公式(III)确定标定用的其中一个“共轭对”，这样被测物体数控回转台在不同的角度下就可以得到至少25个“共轭对”；最后将这些“共轭对”代入公式(II)并使用最小二乘法就实现了该模型未知参数的标定。测量时控制两个数控回转台的转动而使线结构光测头发出的结构光平面扫过其摄像机视场内的被测物体的一周，期间结构光平面与被测物体相交得到一条条的光条，将每条光条已知的摄像机像面坐标(u，v)和对应的两转台转角(φ，θ)代入公式(I)、(II)就求得了被测物体的在三维世界坐标系中的坐标，即实现了测量。

本发明的视场大、精度高、结构简单、成本低，且能测量物体的一周全貌。克服了三轴测量机构无法测量物体的侧面和背面，以及四轴测量机构视场小、结构复杂、成本高的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明的基本结构示意图。

其中，1、测头数控回转台 2、线结构光测头 3、被测物体数控回转台 4、被测物体 5、基座平板 6、结构光平面 7、标准球。

图2、本发明的坐标系示意图。

其中

(1)结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L，该坐标系在结构光平面6内，是二维坐标系，在本发明中是已知的。

(2)世界坐标系O₀x₀y₀z₀(也称为3D世界坐标系)，是一转动坐标系。随着被测物体数控回转台3的转动，该坐标系绕被测物体数控回转台3转轴转过相应的角度，以保持放置在被测物体数控回转台3上的被测物体4上的各点统一在该坐标系下。z₀轴为被测物体数控回转台3转轴方向，原点O₀为两个转台轴线的公垂线在被测物体数控回转台3转轴上的垂足，转动初始位置的y₀轴为两个转台轴线的公垂线方向。

(3)测头转台坐标系Oxyz，也是一转动坐标系。随着测头数控回转台1的转动，该坐标系绕测头数控回转台1转轴转过相应的角度。z轴为测头数控回转台1转轴方向，原点O为两个转台轴线的公垂线在测头数控回转台1转轴上的垂足，转动初始位置的y轴为两个转台轴线的公垂线方向。

图3、本发明的结构光平面与标准球相交得到的圆弧轮廓线拟合出的圆示意图。

其中，箭头所示的“θ”方向指的是本发明中线结构光测头2在测头数控回转台1带动下的转动扫描方向；O＂为线结构光测头2中结构光的出光点；O为标准球7的球心；R为标准球7的半径，是已知量。被测物体数控回转台3在某一角度下，测头数控回转台1转动使结构光平面6扫过标准球7球面的两个位置，得到了球面上的两条圆弧轮廓线，在结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L中对该两条圆弧轮廓线进行拟合圆处理得到的圆弧的半径为r₁、r₂。

图4、本发明的球面上两条圆弧轮廓线与测头数控回转台转角的对应关系示意图。

其中，O为标准球7的球心。本图是在被测物体数控回转台3在某一角度下的测头数控回转台1转角的示意图。

上述的公式(III)是参照图4按以下步骤推出的：

线结构光测头2在测头数控回转台1的带动下沿θ箭头方向转动，当转动到θ₁时对应的结构光平面6为O＂A，该光面与标准球7交出一条圆弧轮廓线，利用圆弧上的点拟合圆得到圆心A和半径r₁，球的半径R是已知参数，则有

$\mathrm{OA}={(R^2-r_1^2)}^{\frac{1}{2}}$

表明结构光平面6到球心的距离可直接由结构光平面6和球面相交所得的圆的半径确定。

线结构光测头2继续在测头数控回转台1的带动下沿θ转向转动，当测头转动到θ₂时，对应的结构光平面6为O＂B，拟合圆得到的圆心为B，对应的圆的半径为r₂，球心到圆的距离为OB，同理可得

$\mathrm{OB}={(R^2-r_2^2)}^{\frac{1}{2}}$

由图中所示的三角几何关系可得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{OA}}{\mathrm{OO}\′\′}=\left|\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ}\′)\right|\\ \frac{\mathrm{OB}}{\mathrm{OO}\′\′}=\left|\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ}\′)\right|\end{array}\right.$

将OO＂消去，并将OA、OB代入可得

${\left(\frac{R^2-{r_1}^2}{R^2-{r_2}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}=\left|\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ}\′)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ}\′)}\right|$

整理上式便可得公式(III)。

具体实施方式

两个数控回转台1和3被固定在作为参考平面的基座平板5上，且两个数控回转台1和3的转轴都近似垂直于基座平板5，即相对于基座平板5的倾斜角在88°～92°范围内，两个数控回转台1和3转轴之间的距离在390～410mm范围内。两个数控回转台1和3的转轴相对于基座平板5的最佳倾斜角为90°；线结构光测头2发出的结构光平面6与测头数控回转台1的最佳距离为0mm。

两个数控回转台1和3的转动是采用通常的步进电机驱动蜗轮蜗杆机构实现的。

本发明的线结构光测头2中的摄像机采用日本Watec公司生产的黑白摄像机WAT-902B，分辨率为752(H)×582(V)，镜头采用日本Computar公司生产的M1208-MP镜头，其焦距是8mm，图像采集部分采用比利时Euresys公司的Picolo pro2采集卡；两个数控回转台角度的计量采用长春三峰传感技术公司生产的光学编码器。

本发明的测量装置是建立在利用标准球7作为标定器具对进行标定的基础上。

标定方法是将标准球7固定在被测物体数控回转台3上，以确保在整个标定过程中固定点(即上述的标准球的球心)在世界坐标系中的位置始终保持不变，即固定点的在世界坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)始终不变，利用下面要阐述的方法确定36个“共轭对”，再将这些“共轭对”代入到变换公式(II)中并利用小二乘法求出其中的未知参数l_x0、n_x0、l_z0、n_z0、L、l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z、a、b、c实现标定。

下面具体阐述确定“共轭对”的详细方法步骤：

确定“共轭对”就是得到关于固定点(即标准球7的球心)的结构光光面坐标(y_L′，z_L′)和对应的两个数控转台3和1的读数(φ′，θ′)。为了得到“共轭对”，首先要使结构光平面6通过固定点，但是通过控制测头数控回转台1带动线结构光测头2转动并观察线结构光平面6很难使其恰好通过固定点，因此本发明使用了以下方法使线结构光平面6通过固定点进而确定“共轭对”：

(1)使被测物体数控回转台3不动，仅控制测头数控回转台1转动，使安装在其上的线结构光测头2扫描标准球7，结构光平面6与标准球7的球面相交出两条圆弧轮廓线，得到两条圆弧轮廓线上点的摄像机像面坐标(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，将(u₁，v₁)、(u₂，v₂)分别代入到线结构光测头模型公式(I)中，即可求得两圆弧轮廓线上点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)，对该两条圆弧轮廓线上点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)分别进行拟合圆处理，又得到该两条圆弧轮廓线的半径r₁、r₂，将得到的r₁、r₂与测量该两条圆弧轮廓线对应的测头数控回转台1的转角θ₁、θ₂代入到标准球球心所在的测头数控回转台1转角的计算公式(III)中，即得到标准球7球心所在的测头数控回转台1的转角θ′。

(2)控制测头数控回转台1转动到第(1)步中得到的θ′处，结构光平面6与标准球7的球面相交出一条圆弧轮廓线，该圆弧轮廓线的圆心就是固定点(标准球7的球心)。将得到的圆弧轮廓线上点的摄像机像面坐标代入到线结构光测头模型公式(I)中，即可求得该圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标，对该圆弧轮廓线上点的结构光光面坐标进行拟合圆处理，得到圆心的结构光光面坐标(y_L′，z_L′)和对应的两个数控转台3和1的读数(φ′，θ′)就是固定点的一个“共轭对”。

(3)控制被测物体数控回转台3以10°为单位进行转动，即改变被测物体数控回转台3的转角φ，每转动一次后重复步骤(1)、(2)，即可得到36个“共轭对”。

利用本发明装置对被测物体4进行测量的具体实例：

将被测物体4固定在被测物体数控回转台3上，根据测量要求，控制被测物体数控回转台3以一定角度(角度越小、测量越精细)为单位进行转动；在被测物体数控回转台3停在一个角度时，根据测量要求和被测物体4的大小，控制测头数控回转台1以一定角度(角度越小，测量越精细)为单位转动，使线结构光测头2发出的结构光平面6扫过被测物体4的一部分区域，与被测物体4相交得到一条条的光条，将每条光条的摄像机像面坐标(u，v)和对应的两转台3和1的转角(φ，θ)代入公式(I)、(II)就求得了被测物体4上的该部分区域在三维世界坐标系中的坐标。最终被测物体数控回转台3转过360°后即可测得由被测物体4的多个不同区域的数据组成的物体4的全貌数据。

Claims (3)

1.一种基于线结构光的大视场两轴测量装置进行测量的方法，其特征在于该测量装置的被测物体数控回转台(3)和设置有带摄像机的线结构光测头(2)的测头数控回转台(1)固定在作为参考平面的基座平板(5)上，两个数控回转台(1、3)的转轴相对基座平板(5)的倾斜角在88°～92°范围内，两转轴之间的距离在390mm～410mm范围内；

利用上述测量装置进行测量的方法：首先将已有的线结构光测头模型公式(I)代入到变换公式(II)中建立所述测量装置从二维摄像机像面坐标系O′uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀变换的数学模型，以得到被测物体的三维世界坐标的计算公式；再利用标准球(7)作为标定器具，通过测量标准球(7)确定球心所对应的“共轭对”，再将此“共轭对”代入到变换公式(II)中并利用最小二乘法求出其中的未知参数l_x0、n_x0、l_z0、n_z0、L、l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z、a、b、c，即实现了标定；最后控制两个数控回转台(1、3)的转动而使线结构光测头(2)发出的结构光平面(6)扫过其摄像机视场内的被测物体(4)的一周，期间结构光平面(6)与被测物体(4)相交得到一条条的光条，将每条光条已知的摄像机像面坐标(u，v)和对应的两转台(3、1)的转角(φ，θ)代入公式(I)、(II)就求得了被测物体(4)在三维世界坐标系中的坐标，即实现了测量；其中所述的公式(I)是已有的线结构光测头模型公式，即是从摄像机像面坐标系O′uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的关系式：

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{fN}}_x{r}_2+r_8{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{r}_3+r_9{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{t}_x+t_z{u}_0\\ {\mathrm{fN}}_y{r}_5+r_8{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{r}_6+r_9{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{t}_y+t_z{v}_0\\ r_8& r_9& t_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_L\\ z_L\\ 1\end{array}\right]---\left(I\right)$

式中，u、v表示被测点在摄像机像面坐标系O′uv中的坐标，由线结构光测头(2)中摄像机拍得的图像获得；y_L、z_L表示被测点在结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L中的坐标；f、N_x、N_y、u₀、v₀、r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉、t_x、t_y、t_z为已知的线结构光测头的内参数，且f为摄像机的焦距，N_x、N_y、u₀、v₀为摄像机像面的固有参数，r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉为从摄像机像面坐标系O′uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的旋转量，t_x、t_y、t_z为其平移量；ρ是求解y_L、z_L过程中能够消去的中间参数；

所述的变换公式(II)是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式：

上述公式①是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向测头转台坐标系Oxyz转换的关系式；θ为测头数控回转台(1)的转角，为已知量；l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z为旋转量，a、b、c为平移量，在标定后确定；

上述公式②是从测头转台坐标系Oxyz向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式；φ为被测物体数控回转台(3)的转角，为已知量；l_x0、n_x0、l_z0、n_z0为旋转量，L为平移量，在标定后确定；将公式①代入②就能得到从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式；

将公式(I)代入变换公式(II)即得从摄像机像面坐标系O′uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式，即被测点三维世界坐标x₀、y₀、z₀的计算公式；

所述的结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L是处在结构光平面(6)内的已知二维坐标系；

所述的世界坐标系O₀x₀y₀z₀是一转动坐标系；随着被测物体数控回转台(3)的转动，该坐标系绕被测物体数控回转台(3)转轴转过相应的角度，以保持放置在被测物体数控回转台(3)上的被测物体(4)上的各点统一在该坐标系下；其中z₀轴为被测物体数控回转台(3)转轴方向，原点O₀为两个转台(1、3)轴线的公垂线在被测物体数控回转台(3)转轴上的垂足，转动初始位置的y₀轴为两个转台(1、3)轴线的公垂线方向；

所述的测头转台坐标系Oxyz是一转动坐标系；随着测头数控回转台(1)的转动，该坐标系绕测头数控回转台(1)转轴转过相应的角度；其中z轴为测头数控回转台(1)转轴方向，原点O为两个转台(1、3)轴线的公垂线在测头数控回转台(1)转轴上的垂足，转动初始位置的y轴为两个转台(1、3)轴线的公垂线方向。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征是上述“共轭对”是指在测量空间中一固定点——标准球(7)的球心时，所得的结构光光面坐标(y_L′，z_L′)和对应的两个转台(3、1)的读数(φ′，θ′)；

所述“共轭对”的确定方法是在某一个被测物体数控回转台(3)的角度φ＝φ′下，通过控制测头数控回转台(1)转动，使线结构光测头(2)扫描被放置在被测物体数控回转台(3)上的标准球(7)，以分别得到标准球(7)球面上的两条圆弧轮廓线上全部点的摄像机像面坐标(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，其中两条圆弧轮廓线分别用下标1、2表示，再将(u₁，v₁)、(u₂，v₂)分别代入到线结构光测头模型公式(I)中，即得到上述两条圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)，对该两条圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)分别进行拟合圆处理，又得到该两条圆弧轮廓线的半径r₁、r₂，将得到的r₁、r₂与测量该两条圆弧轮廓线对应的测头数控回转台(1)的转角θ₁、θ₂代入到标准球(7)球心所在的测头数控回转台(1)转角的计算公式(III)中，即得到标准球(7)球心所在的测头数控回转台(1)的转角θ′，将测头数控回转台(1)转到该转角θ′，记录该标准球(7)球心的结构光光面坐标和对应的两个数控转台(3、1)的读数，即(y_L′，z_L′)和(φ′，θ′)，就得到了其中的一个“共轭对”；通过多次改变被测物体数控回转台(3)的转角φ′，得到多个标准球(7)球心所对应的“共轭对”；其中所述的标准球(7)球心所在的测头数控回转台(1)转角的计算公式(III)如下

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\mathrm{atctg}\left[\frac{A\sin {2\mathrm{\θ}}_2-B\sin {2\mathrm{\θ}}_1+2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\sqrt{\mathrm{AC}}}{A\cos {2\mathrm{\θ}}_2-B\cos {2\mathrm{\θ}}_1-C}\right]$

其中 $\left\{\begin{array}{c}A=R^2{r_1}^2\\ B=R^2-{r_2}^2\\ C={r_1}^2-{r_2}^2\end{array}\right.---\left(\mathrm{III}\right)$

式中R为标定用的标准球(7)的半径，为已知量；θ₁、θ₂为被测物体数控回转台(3)在某一角度φ＝φ′时，测头数控回转台(1)转动使结构光平面扫过标准球(7)球面分别得到的两条圆弧轮廓线所对应的测头数控回转台(1)的转角；r₁、r₂为在上述的θ₁、θ₂的情况下计算出的的两条圆弧轮廓线的半径，具体是分别将标准球(7)球面上两条圆弧轮廓线上全部点的摄像机像面坐标(u₁，v₁)、(u₂，v₂)代入到线结构光测头模型公式(I)中，即分别得到两圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)，分别对该两条圆弧轮廓线上全部点的结构光光面坐标(y_L1，z_L1)、(y_L2，z_L2)进行拟合圆处理，即得到的该两条圆弧轮廓线的半径r₁、r₂；θ′为被测物体数控回转台(3)在某一角度φ＝φ′下结构光平面穿过标准球(7)球心时测头数控回转台(1)应转到的角度。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征是改变被测物体数控回转台(3)的转角φ′是通过控制被测物体数控回转台(3)以6°～14.4°范围内一个确定的角度进行转动实现的。

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