CN101666629B - 测量曲面的系统和方法 - Google Patents

Abstract

曲面测量系统，包括装有十字激光测量装置并沿三轴移动十字激光测量装置的托台；移动控制器，其控制十字激光测量装置的移动；边界跟踪控制器，其根据曲面的顶点信息及曲面的边界测量结果确定边界测量移动方向；边界测量数据生成器，其通过使用十字激光测量装置输出的测量值和托台的位置信息计算曲面边界的三维测量数据；内部路径生成器，其根据曲面的边界测量数据生成沿曲面内的两轴线的路径；内部高度跟踪控制器，其根据内部测量路径和内测量结果判定测量移动方向；内部测量数据生成器，其通过使用十字激光测量装置输出的测量值和托台的位置信息计算曲面内的三维测量数据；及三维曲线生成器，其通过使用边界测量数据和内部测量数据生成曲面的三维形状数据。

Description

测量曲面的系统和方法

技术领域

本发明涉及测量曲面，尤其涉及一种使用十字形激光束来测量曲面的系统和方法。

背景技术

为了减小推进阻力并且有效地航行，船只的外板一般由10～30mm厚的具有复杂的不可展开之曲面的曲面板部件组成。为了形成这些曲面外板，一般采用称为线性退火的处理方法，该方法中，采用气体燃烧器等对钢板的表面进行局部的退火。所导致的包括面外角变形或面内收缩的塑性变形可用于将钢板处理成所需的形状。

如前所述，对于船只之类的曲面板部件的组成，必须测量该组成是否已精确处理成所需的形状。在这些用于船只的曲面板部件的制造过程中，采用卷尺、手持工具、木质模板等进行手工的测量。

这些曲面板的测量可用于评估处理操作的完成、形成退火线以及在处理完成后标识切割线。

然而，依靠手工测量大尺寸的曲面板会导致多种问题，包括测量需要花费很长时间以及所获得的测量数据的精度较低。特别地，在船只的船头和船尾处使用的曲面板部件的形状有更多的变化，由此需使用用于船的不同部位的不同预制模板来对它们进行处理和测量。大多数情况下，模板由木质材料构成，并且在曲面板部件成为所需的形状之前，会多次重复使用所述模板以达成精确处理。由此，例如环境温度以及工人的疏忽之类的多种因素会导致曲面板部件的塑性变形，而所述曲面板部件处发生这些偏差会使得精确处理和测量变得更加困难。

为了解决手工测量技术所带来的问题，已经提出了不直接接触而对物体进行测量的非接触的测量装置和方法。

非接触测量方法的例子包括使用将激光垂直地照射到曲面然后根据反射激光的到达时间测量高度的激光距离传感器(LDS)的方法、使用沿着一条轴线照射激光然后进行拍摄以分析所拍图像且获得三维高度值的激光影像系统的方法、以及使用将传感器放置为与曲面直接物理接触并且沿曲面移动传感器以测量高度值的位移传感器的方法。

图1示出了使用激光影像系统对曲面板部件的测量，所述系统为现有技术 中非接触测量装置的一种。

为了测量曲面板部件10的边界，当对四边形或类似形状的曲面板部件10进行测量的时候，激光生成器20首先沿着曲面板部件10的一侧照射出线形激光束21，同时使用相机(未示)对照射到曲面板部件10上的激光束图像进行拍摄。然后，随着激光生成器20进行机械旋转，线形激光束21沿着曲面板部件10的另一侧从激光生成器20照射出，同时使用相机(未示)对照射到曲面板部件10上的激光束图像进行拍摄。在此，旋转激光生成器20涉及机械地旋转包括激光生成器20和相机在内的激光影像模块。

通过以此方式从相机获得的图像，可提取某些测量点的数据，这些测量点处的数据可通过建模运算表示为曲面，并且与激光影像模块的旋转信息一起用于生成曲面板部件10的三维形状测量数据。

发明内容

现有的测量曲面板形状的方法中，为了拍摄较大面积的曲面，相机放置在离曲面距离较远处。这可能导致曲面照片的分辨率下降，由此降低测量数据的精度。

而且，现有的激光影像系统沿一条轴线移动(X轴)。若被测物体以一条边界平行于Y轴来放置，激光平行于物体的该边界照射，因而边界的测量可能不精确。具体地，在要求用于后续处理的边界提取数据非常精确的改进部件中，边界的不精确测量会在后续处理过程中导致严重问题。

本发明的一个方面采用了一种十字激光测量装置，通过跟踪曲面与十字激光测量装置之间的高度来获得边界处以及边界内的测量数据，这样，测量的精度得以改进。

本发明的一个方面提供了一种测量曲面的系统。所述系统包括装有十字激光测量装置并且配置成沿X轴、Y轴和Z轴移动所述十字激光测量装置的托台。所述系统还包括：移动控制器，其可对所述十字激光测量装置通过托台的移动而沿X轴、Y轴和Z轴的移动进行控制；边界跟踪控制器，其形成为根据所述曲面的顶点信息以及所述曲面的边界测量结果确定边界测量移动方向；边界测量数据生成器，其可通过使用所述十字激光测量装置输出的测量值和所述托台在由所述移动控制器根据所述边界跟踪控制器确定的边界测量移动方向进行控制时的托台位置信息计算所述曲面的边界的三维测量数据；内部路径生成器，其形成为根据所述曲面的边界测量数据来生成沿所述曲面内的两条轴线(所述X轴和Y轴)的路径；内部高度跟踪控制器，其可根据所述内部测量路径和内测量结果判定内测量移动方向；内部测量数据生成器，其可通过使用所述十字激光测量装置所输出的测量值和所述托台在由所述移动控制器根据所述边界跟踪控制器确定的边界测量移动方向进行控制时的托台位置信息计算所述曲面内的三维测量数据；及三维曲线生成器，其可通过使用所述边界测量数据和所述内部测量数据生成所述曲面的三维形状数据。

本发明的另一方面提供了一种使用测量系统来测量曲面的方法，所述测量系统具有装有十字激光测量装置并且沿X轴、Y轴和Z轴移动所述十字激光测量装置的托台。所述方法包括测量所述曲面的顶点；根据所述曲面的顶点和所述曲面的边界测量结果确定边界测量移动方向；通过使用所述十字激光测量装置输出的测量值和在所述托台根据所述边界测量移动方向移动之后所述托台的位置信息计算所述曲面的边界的三维测量数据；通过使用所述三维边界测量数据生成内部测量路径；根据所述内部测量路径和测量结果的高度值判定内测量移动方向；通过根据所述内测量移动方向移动所述十字激光测量装置并测量来生成三维内部测量数据；并且通过使用所述三维边界测量数据和所述三维内部测量数据来生成所述曲面的三维曲线形状。

根据本发明的某些方面，可使用十字激光测量装置测量曲面的形状，这样可更精确地测量曲面。

附图说明

图1示出了使用现有非接触测量装置对曲面进行的测量；

图2示出了根据本发明实施例的测量曲面的控制装置；

图3示出了根据本发明实施例的测量曲面的系统；

图4为如本发明实施例所使用的十字激光测量装置的立体图；

图5为示出根据本发明实施例的曲面测量过程的流程图；

图6a～6g示出了依照本发明实施例的曲面测量过程进行的曲面测量。

<元件符号表>

200：预测量单元                202：边界跟踪控制器

204：边界测量数据生成器        206：移动控制器

208：十字激光测量装置          210：内部路径生成器

212：内部高度追踪控制器        214：内部测量数据生成器

216：曲线模型生成器            218：托台

具体实施方式

下文将参考附图更详细地描述本发明的某些实施例。本发明的描述中，在不造成本发明实质不充分公开的情况下，省略了相关领域的某些详细说明。

图2示出了根据本发明实施例的测量曲面的控制装置，图3示出了根据图2所示的本发明实施例的测量曲面的系统。

如图2所示，曲面测量系统的控制装置包括预测量单元200、边界跟踪控制器202、边界测量数据生成器204、移动控制器206、十字激光测量装置208、内部路径生成器210、内部高度追踪控制器212、内部测量数据生成器214、三维曲线生成器216及托台218。

预测量单元200为对曲面进行预测量的装置，以获得曲面的顶点信息。预测量单元200的例子包括现有的激光影像模块(图1)、室内GPS测量装置等。通过使用激光影像模块或室内GPS测量装置对曲面板进行预测量，可生成预测量数据并且将所述数据提供至边界跟踪控制器202。

边界跟踪控制器202根据从预测量单元200所提供的预测量数据中提取的顶点以及边界测量数据生成器204提供的测量结果判定实时边界跟踪的移动方向，并且将所述移动方向提供至移动控制器206。

内部高度追踪控制器212根据内部路径生成器210所提供的内部测量路径和内部测量数据生成器214所提供的测量高度值判定内移动和高度跟踪的移动方向，并且将所述移动方向提供至移动控制器206。

移动控制器206沿着边界跟踪控制器202和内部高度追踪控制器212所提供的移动方向推进十字激光测量装置208。即，移动控制器206沿X轴、Y轴和Z轴移动托台218，以移动十字激光测量装置208。

使用边界测量数据生成器204所提供的该曲面三维边界数据，内部路径生成器210生成沿两轴线(X轴和Y轴)的内测量移动路径，所述两条轴线在曲面边界以内横穿曲面的内部。

如图3所示，十字激光测量装置208安装在托台218上，以随着托台218沿X轴和Y轴移动而沿X轴和Y轴移动。十字激光测量装置208亦可沿着Z轴进行上下移动。此处，十字激光测量装置208的移动由移动控制器206控制。当提取曲面边界的数据时，十字激光测量装置208在装备在托台218上的同时对曲面进行测量，并且保持离开曲面一定的高度。

当提取曲面的边界数据时，十字激光测量装置208在装备在托台218上的同时对曲面进行测量，并且保持离开曲面一定的高度。此处，通过移动安装在托台218上的十字激光测量装置208而实现沿X轴的移动，通过移动托台218而实现沿Y轴的移动，通过移动十字激光测量装置208而实现沿Z轴的移动。

根据本发明的一个方面，边界测量数据生成器204将十字激光测量装置208的测量结果加入到其上安装有十字激光测量装置208的托台218的位置信息中，以生成曲面的三维边界测量数据。

边界跟踪控制器202根据预测量单元200所提供的预测量数据中提取的顶 点以及十字激光测量装置208所测得的边界测量数据判定测量装置的移动方向，并且将所述移动方向提供至移动控制器206。即，为了测量曲面的边界，在某个顶点开始边界跟踪控制器202的控制，并且朝向相邻顶点继续进行。从该测量结果提取与曲面边界相应的点，并且后续的移动方向确定为使得该测量装置保持离开边界表面一定的高度并且允许十字形激光束的交点落在曲面的边界上。然后将这一方向信息提供至移动控制器206，并且在十字激光测量装置208的位置控制中使用。

通过移动控制器206移动本发明实施例中使用的十字激光测量装置208，以在相应位置测量曲面。十字激光测量装置208可安装在托台218上，所述托台沿着X轴、Y轴和Z轴移动十字激光测量装置208。即，十字激光测量装置208根据移动控制器206的控制沿X轴、Y轴和Z轴移动，并且在相应位置处测量曲面以生成三维测量数据。

现参考图4进一步详述十字激光测量装置208。

如图4所示，本发明实施例使用的十字激光测量装置208包括将十字形激光束311照射到被测物体上的激光生成器310、一对相机320和330，所述相机对由照射到该被测物体上的十字形激光束311产生的激光束图像321和331进行拍摄，以及将激光生成器310和一对相机320和330安装在其上的单个固定装置340。激光生成器310以这样一种方式安装在与固定装置340形成为整体的壳体中，即激光生成器310能够绕十字形激光束311的交点旋转。一对相机320和330这样安装在固定装置340上，即它们的光轴互相正交。

使用结构如前所述的十字激光测量装置208，通过激光生成器310将十字形激光束311照射到被测物体上，即曲面。此处，从激光生成器310照射出来的十字形激光束311可分为垂线光束和水平线光束，一对相机320和330中的一个用于从垂线光束获得激光束图像，而另一个相机用于从水平线光束获得激光束图像。为了完成这样的操作，可对垂线光束分量和水平线光束分量中的一个进行选择过滤操作。

可通过将过滤装置定位在图像行进至相机320和330的路径上，或者通过对从相机320和330所获得的图像数据进行过滤操作而进行过滤。

本发明中，一对相机320和330安装在固定装置340上，而它们的光轴互相正交。因此，若一对相机320和330中的一个将十字形激光束311的垂线光束获得作为垂直图像分量而将水平线光束获得作为水平图像分量，那么另一个相机将十字形激光束311的垂线光束获得为水平图像分量而将水平线光束获得作为垂直图像分量。

由此，当对从一对相机320和330所获得的图像数据进行过滤时，分别从一对相机320和330过滤和去除垂直图像分量，以从该曲面的三维测量数据中 获得Z轴坐标值。

内部路径生成器210根据边界测量数据生成器204所提供的边界测量数据生成内部测量路径。内部路径生成器210根据在先前步骤中提取的边界数据并且考虑表面边沿的曲率信息，来生成曲面内的测量路径，若曲率大，则对该区域进行递归分割，这样内部测量路径就能够均匀地横穿曲面的完整区域。内路径可由X轴信息和Y轴信息构成，并且将该路径提供至内部高度跟踪控制器212。

内部高度跟踪控制器212根据内部路径生成器210所提供的测量路径数据和十字激光测量装置208测得的内部测量数据推导该测量装置的移动方向，并将该移动方向提供至移动控制器206。即，为了测量曲面的内部，内部高度跟踪控制器212根据内部测量路径沿X轴和Y轴移动该测量装置并且进行激光拍摄、分析摄到得的图像来测量高度值，然后将确定该测量设备的下一移动方向使得该测量装置保持离开曲面一定的高度。将这一方向信息提供至对十字激光测量装置208的位置进行控制的移动控制器206。

随着根据内部测量路径移动十字激光测量装置208、执行激光摄影、及沿高度方向调节十字激光测量装置208这些步骤的重复，与该内部测量路径相对应的高度值以及托台218的位置信息被提供给内部测量数据生成器214。内部测量数据生成器214使用该托台位置信息和高度值计算出与该内部测量路径相对应的三维内部测量数据。

曲线模型生成器216使用该三维内部测量数据和该三维边界测量数据进行数学建模运算，以生成曲面的数学曲线形状。这使得可以与曲面的CAD数据进行比较，并且还可进行精确计算。

下文将参考图5以及图6a～6f描述结构如上的曲面测量装置的工作过程。

图5为示出本发明实施例的曲面测量过程的流程图，图6a～6f示出了依照本发明实施例的曲面测量过程进行的曲面测量。

如图5所示，预测量单元200首先进行测量曲面的顶点(A、B、C、D)，如图6a所示的顶点，的操作步骤(S500)。

接着，边界跟踪控制器202使用曲面的这些顶点(A、B、C、D)确定边界测量的初始移动方向(S502)。如图6b所示，从顶点A开始到顶点B结束的方向设为第一移动方向600，从顶点B开始到顶点C结束的方向设为第二移动方向602，从顶点C开始到顶点D结束的方向设为第三移动方向604，从顶点D开始到顶点A结束的方向设为第四移动方向606。

此后，如图6c所示，边界跟踪控制器202如前所述地确定初始移动方向，然后在移动十字激光测量装置208的同时通过对所获得测量结果的图像处理来计算边界点。然后，边界跟踪控制器202确定下一移动方向为，使得十字激光 测量装置208的两个轴向激光束的交点照射在边界上并且保持预定的高度值，并且将该下一移动方向提供至移动控制器206。换言之，在根据该初始移动方向移动托台218的同时进行边界测量。即，利用根据该初始移动方向移动后的托台218的位置信息以及由十字激光测量装置208测量得到的测量结果来进行边界测量(S504)，并且然后判定边界测量是否完成(S506)。然后，若S506的判定结果显示边界测量未完成，则根据该边界测量结果决定下一移动方向(S508)、将该下一移动方向提供给移动控制器206、并且再执行操作S504。

若S506的判定结果显示边界测量已完成，边界测量数据生成器204根据S504中测得的边界数据，即已判定的移动方向，来移动托台218，如图6d所示。使用托台218的结果位置信息和十字激光测量装置208提供的测量结果，可生成曲面边界的三维测量数据。

此后，内部路径生成器210使用该三维边界测量数据生成曲面的内部测量路径(L)(S510)，如图6e所示。此处，在确定边界的曲率度之后，在曲面的边界内生成该内部测量路径(L)，若曲率大，则对该区域进行递归分割，这样内部测量路径(L)就能够均匀地横穿曲面的完整区域。

随着由移动控制器206根据S510中得到的内部测量路径(L)来移动十字激光测量装置208和托台218以进行曲面内部的测量，可根据内部测量路径(L)生成三维测量数据(S512)，如图6f所示。即，根据内部测量路径(L)，沿X轴和Y轴移动托台218。由此，十字激光测量装置208通过所拍摄的激光图像测量高度值，并且将该高度值提供至内部高度跟踪控制器212。然后，内部高度跟踪控制器212计算出使得所述测量装置保持离开曲面一定高度的移动方向，并且将所述移动方向提供至移动控制器206。

内部测量数据生成器214根据托台218的位置信息以及测得的高度值生成与内部测量路径(L)相对应的三维测量数据。

曲线模型生成器216可过滤该边界测量数据和该内部测量数据，然后执行曲线建模以生成以曲线形状表示的三维形状数据(S514)，如图6g所示。

尽管参考特定的实施例来详述本发明的精神，但实施例仅是说明性的而非限制本发明。应理解，本技术领域的技术人员可对实施例作出改变和修改，而不脱离所附权利要求所揭露的本发明的范围和精神。

Claims (7)

1.一种测量曲面的系统，所述系统具有装有十字激光测量装置并且配置成沿X轴、Y轴和Z轴移动所述十字激光测量装置的托台，所述系统包括：

移动控制器，其配置成为对所述十字激光测量装置通过托台的移动而沿X轴、Y轴和Z轴的移动进行控制；

边界跟踪控制器，其配置成为根据所述曲面的顶点信息以及所述曲面的边界测量结果确定边界测量移动方向；

边界测量数据生成器，其配置成为通过使用所述十字激光测量装置输出的测量值和所述托台的位置信息计算所述曲面的边界的三维测量数据，所述托台由所述移动控制器根据由所述边界跟踪控制器确定的所述边界测量移动方向来控制；

内部路径生成器，其配置成为根据所述曲面的边界测量数据来生成沿所述曲面内的所述X轴和Y轴的路径；

内部高度跟踪控制器，其配置成为根据所述内部测量路径和内测量结果确定内测量移动方向；

内部测量数据生成器，其配置成为通过使用所述十字激光测量装置所输出的测量值和所述托台的位置信息计算所述曲面内的三维测量数据，所述托台由所述移动控制器根据由所述边界跟踪控制器所确定的所述边界测量移动方向来控制；及

三维曲线生成器，其配置成为通过使用所述边界测量数据和所述内部测量数据生成所述曲面的三维形状数据。

2.如权利要求1所述的测量曲面的系统，其中所述边界跟踪控制器形成为：

通过使用所述曲面的顶点信息确定初始移动方向，

从由所述边界测量数据生成器计算得到的边界测量结果中提取边界点，以将所述十字激光测量装置的激光束交点照射到所述曲面的边界，并且

将所述边界测量移动方向调整为使得所述十字激光测量装置与所述曲面之间的距离等于预定值。

3.如权利要求1所述的测量曲面的系统，其中所述内部高度跟踪控制器形成为：

根据通过沿所述内部测量路径移动所述托台而获得的内测量结果来计算所述十字激光测量装置的高度值，并且

将所述内测量移动方向调整为使得所述十字激光测量装置与所述曲面之间的距离等于预定值。 

4.一种使用测量系统来测量曲面的方法，所述测量系统具有所述系统具有装有十字激光测量装置的托台，并且所述托台配置成沿X轴、Y轴和Z轴移动所述十字激光测量装置的托台，所述方法包括：

测量所述曲面的顶点；

根据所述曲面的顶点和所述曲面的边界测量结果确定边界测量移动方向；

通过使用所述十字激光测量装置输出的测量值和所述托台根据所述边界测量移动方向移动之后所述托台的位置信息计算所述曲面的边界的三维测量数据；

通过使用所述三维边界测量数据生成内部测量路径；

根据所述内部测量路径和测量结果的高度值判定内测量移动方向；

通过根据所述内测量移动方向移动所述十字激光测量装置并测量来生成三维内部测量数据；并且

通过使用所述三维边界测量数据和所述三维内部测量数据来生成所述曲面的三维曲线形状。

5.如权利要求4所述的测量曲面的方法，其中生成所述内部测量路径包括：

通过根据所述边界测量数据判定所述曲面的边沿的曲率度并且若所述曲率为大时对区域进行递归分割，在所述曲面的内部生成所述内部测量路径以均匀地横穿整个所述曲面。

6.如权利要求4所述的测量曲面的方法，其中生成所述边界测量数据包括：

通过使用由所述十字激光测量装置在测量所述边界时输出的高度值修正所述十字激光测量装置的高度，使得所述十字激光测量装置与所述曲面之间的距离等于预定值。

7.如权利要求4所述的测量曲面的方法，其中生成所述内部测量数据包括：

通过使用由所述十字激光测量装置输出的高度值修改所述十字激光测量装置的高度，使得所述十字激光测量装置与所述曲面之间的距离等于预定值。 

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