CN102176211A - 一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，该方法能够规划大尺寸三维形貌测量中的传感器测量路径。本发明基于投影栅相位法，首先计算传感器最佳测量角度；再利用高斯球原理，进行姿态规划，从而确定传感器旋转测量姿态；然后利用聚类方法进行位置规划，划分视场，计算视场中心；最后，将视场中心投影，得到传感器测量路径规划结果。本发明可以规划出基于投影栅相位法测量系统的测量路径，保证测量的高效性、准确性和完整性。

Description

一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，包括规划测量系统的姿态和路径，用于大尺寸三维形貌测量。

背景技术

路径规划指规划测量传感器的运动路径和测量姿态，保证测量的高效性、准确性和完整性，实现快速自动化测量。它在提高生产效率，改善系统运行的安全性能和节约生产成本等方面都具有非常积极的影响。其典型应用是数控机床加工。

在测量路径规划方面，主要有两种情况，一是未知物体CAD(计算机辅助设计，Computer Aided Design)模型，二是已知物体CAD模型。1)未知物体CAD模型。主要应用于逆向工程，规划方法是基于当前测量视场信息规划下一测量位置，不能全局规划和离线规划，不能满足整体测量要求；2)已知物体CAD模型。规划方法首先进行体素划分，再规划路径，不能完全反映全部三角面片的最佳测量，信息易丢失，另外利用体素划分再规划路径增加一次误差累计，规划较复杂。目前，测量系统主要应用于机械臂或三坐标机，价格昂贵，不宜推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，解决非接触式路径规划使用场合受限等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1、计算传感器最佳测量角度；

传感器最佳测量角度是传感器能够正确测量被测表面的角度姿态范围，用传感器中心轴线与被测表面法线之间的夹角来表示，等效于传感器所能够正确测量被测表面的范围，用被测表面法线范围来描述。首先建立光学条纹正弦性与被测表面的法线关系，再根据测量需求，设定条纹正弦性阈值范围，从而计算得到左右相机最佳测量角度，并以左右相机最佳测量角度的交集作为传感器最佳测量角度。

步骤2、根据传感器最佳测量角度，进行基于高斯球原理的姿态规划，确定传感器旋转测量姿态；

(1)根据传感器可能的测量姿态和传感器最佳测量姿态，在高斯球上均匀规划出m个测量姿态的锥群

每个圆锥的中心轴线方向对应一个传感器测量姿态；

(2)将所有面元的法向量映射到高斯球上，面元总数为n。设三角面元的法向量其映射到高斯球的球面上点坐标P(P_x，P_y，P_z)，则

$\left\{\begin{array}{c}{P}_x=V_x\\ P_y=V_y\\ P_z=V_z\end{array}\right.$ ①

(3)建立高斯球面上点坐标与测量姿态锥群的数学关系，用矩阵M表示。M大小为(m+1)×(n+1)，则坐标

与测量姿态的关系矩阵M可表示为：

②

$a_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}1,& P_j\∈S_i\\ 0,& P_j\∉S_i\end{array}\right.,$ ③

$a_{m+1,j}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j},$ ④

$a_{i,n+1}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}.$ ⑤

式中，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n，P_j表示第j个坐标，a_i，j表示P_j是否在第i个圆锥S_i内，a_m+1，j表示能够包含点P_j的圆锥数目，a_i，n+1表示圆锥S_i中包含的点数。

(4)因圆锥之间有部分重叠，所以点P_j可能分布于多个圆锥内，即a_m+1，j＞1，需要去除冗余，保证一个点只与一个圆锥姿态相对应。冗余去除方法为：选取有效圆锥{S_i|a_i，j＝1，i＝1，2，…，m}中包含点数a_i，n+1最多的圆锥作为此点对应的测量圆锥，去除其他圆锥与此点的关联，重新设置a_i，j。

(5)重新计算a_m+1，j，并得到测量圆锥集合{S_i|a_m+1，j＞0，i＝1，2，…，m}，有效圆锥S_i对应的高斯球面上点集为{P_j|a_i，j＝1，j＝1，2，…，n}

步骤3、利用聚类方法进行位置规划，计算视场中心；

(1)初始规划。根据三角面元分布范围和传感器测量范围，等间隔均匀规划测量位置，计算每个视场能够测量的三角面元，统计视场个数。初始规划能测到全部面元，但可能含有冗余视场；

(2)将三角面元坐标、初始测量位置和视场个数，输入K-Means聚类算法，进行迭代优化；

(3)根据聚类优化结果，计算每个视场的利用率，其表征每个视场的利用效率。设视场利率F，被测三角面元范围V，传感器测量范围T，则

$F=\frac{V}{T}\×100\%.$ ⑥

(4)根据所有视场利用率，判断是否终止迭代循环。

循环与终止条件：若所有视场的F都小于1，则视场个数减1，并将F最小的视场去掉，重新执行步骤2。若有一个视场的F大于1，则将最近一次步骤2执行前的初始规划作为位置规划结果。

步骤4、将视场中心投影，得到传感器测量位置；

设视场中心坐标为P_ij(X_ij，Y_ij，Z_ij)，其所对应测量系统测量方向的单位向量为投影后坐标为P_ij(X_ij，Y_ij，Z_ij)，测量系统工作距离为D，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ij}}=X_{\mathrm{ij}}+D\×X_{\mathrm{ij}}^{\′}\\ Y_{\mathrm{ij}}=Y_{\mathrm{ij}}+D\×Y_{\mathrm{ij}}^{\′}\\ Z_{\mathrm{ij}}=Z_{\mathrm{ij}}+D\×Z_{\mathrm{ij}}^{\′}\end{array}\right.$ ⑦

其中，i表示旋转规划的第i个测量姿态，j表示第i个测量姿态下第j个视场中心。

步骤5、深孔深槽特殊规划.

根据传感器最佳测量角度，计算系统测量孔径比，进行深孔深槽特殊规划。规划方法是沿深孔上表面圆周均分，设置测量系统最佳测量位置。

到此为止，基于投影栅相位法测量系统的测量路径规划完毕。

本发明一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其优点在于：根据被测物CAD模型，计算传感器最佳测量角度，以最佳姿态测量所有三角面元，提高测量精度；计算所有视场的利用率，使测量视场数降到最低，提高测量效率；针对深孔深槽类特征进行特殊规划，得到更多关于深孔深槽类三维形貌数据，使测量更全面；可以离线规划，应用于在线测量系统，不占用加工时间，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明中实施例的被测工件几何模型。

图2为本发明中路径规划整体方案流程图。

图3为本发明中基于投影栅相位法测量系统的传感器最佳测量角度示意图。

图4为本发明中光学条纹正弦性测量示意图。

图5为本发明中光学条纹正弦性与光屏旋转角度关系。

图6为本发明中实施例的被测工件所有三角面片法向量在高斯球内的映射分布图。

图7为本发明中实施例的被测工件所有三角面片法向量在高斯球内的旋转规划结果。

图8为本发明中实施例的被测工件路径规划结果示意图。

图中，1为深孔，2为左相机，3为光栅投射器，4为右相机，5为投射器光轴与相机光轴夹角，6为圆锥顶角β，7为左相机最佳测量角度，8为右相机最佳测量角度，9为传感器最佳测量角度，10为相机视场半角，11为光栅投射器视场半角。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细的描述。

本实施例所选被测工件参照附图1，尺寸750mm×140mm×60mm，包含所有几何特征，测量工件的上表面和所有侧面。本实施例利用加工设备(机床)控制传感器平移和旋转。

基于投影栅相位法测量系统，包括传感器和数控机床，传感器安装于数控机床上，由数控机床带动传感器完成大尺寸三维形貌测量。传感器需要运动的测量路径需要提前发给数控机床，此测量路径的规划即为路径规划。一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，参照附图2，包含如下步骤：

1.计算传感器最佳测量角度。

传感器最佳测量角度是传感器能够正确测量被测表面的角度姿态范围，用传感器中心轴线与被测表面法线之间的夹角来表示。附图3所示为基于双目结构的传感器，左侧为左相机2，中间为光栅投射器3，右侧为右相机4。传感器最佳测量角度范围可等效于传感器所能够正确测量被测表面的范围，用被测表面法线范围来描述。

附图3中，传感器坐标系O-xyz位于传感器中心，x轴与左右相机连线平行，z轴与传感器中心轴线方向一致。如附图3所示，左相机最佳测量角度7与右相机最佳测量角度8的交集为传感器最佳测量角度9。在XOZ平面内传感器最佳测量角度的范围最小，因此，为后续计算方便，将传感器最佳测量角度9缩小并简化为一个顶角为β的圆锥。

左相机最佳测量角度7与右相机最佳测量角度8的计算与传感器的测量原理密切相关。在投影栅相位法中，以相位解算为基础，因此，最佳测量角度判断标准是：在左相机或右相机最佳测量角度范围内，条纹图像能否满足相位解算精度的要求。而相位解算精度与条纹正弦性有着直接的量化关系。因此，首先建立光学条纹正弦性与被测表面的法线关系，再根据测量需求，设定条纹正弦性阈值范围，从而计算得到左右相机最佳测量角度，并以左右相机最佳测量角度的交集作为传感器最佳测量角度。光学条纹正弦性评测方法参见专利申请号为200910236216.7，名称为一种光学条纹正弦性评测方法。

测量附图3所示的传感器最佳测量角度为例，传感器配置参数为：相机分辨率2048×2048，左右相机光轴与投射器光轴夹角都为15度，相机视场角为30度，视场半角10为15度，光栅条纹投射器的视场角为30度，视场半角11为15度。以评测左相机最佳测量角度7为例，如图5所示，光屏围绕旋转轴线转动不同角度，在每个角度下测量条纹正弦性。旋转轴线位于YOZ平面内，与Oz垂直，位于相机视场的中心，顺时针旋转时角度为正，光屏与左相机光轴垂直时旋转角度为0度。光学条纹正弦性误差与光屏旋转角度的关系测试结果如图5所示。由于相机与投射器光轴之间存在15度夹角，因此，旋转角度负方向的极限值为75度。根据精度需求，设定条纹正弦性误差阈值范围为2.5％，则最佳测量角度范围区间为[-65°，80°]。当光屏的旋转轴线位于左右视场边缘时，受相机和投射器的视场角影响，最佳测量角度范围分别为[-50°，95°]和[-80°，65°]，因此，左相机在全视场内都能保证的最佳测量角度范围是这三者的交集，即[-50°，65°]。同理，右相机的最佳测量角度范围是[-65°，50°]，那么表征传感器最佳测量角度的圆锥顶角为β＝2×(65-15)＝100度，即传感器中心轴线与被测表面法线在小于50°范围内时，都视为传感器最佳测量角度。

2、基于高斯球原理的姿态规划。

设将被测工件模型三角化，把所有三角面片法向量映射到高斯球表面，参照附图6、7，由高斯球原理得到路径规划双目系统姿态结果。附图6中，实点表示所有三角面片在高斯球面上点的表示，虚线表示高斯球。附图7中，实线圆圈表示规划后的传感器姿态。选取双目系统主轴与待测工件XOY平面成60°角的测量姿态，利用旋转规划算法可知，采用5个测量姿态可以将被测物上表面和侧面三维形貌完全复现。

3、利用聚类方法进行位置规划，计算视场中心。

在所有测量姿态下，根据被测区域范围和传感器测量范围，规划传感器的位置参量，利用基于聚类的迭代算法，优化传感器位置规划。每个测量姿态得到4个视场，并计算视场中心。

4、将视场中心投影，得到传感器测量位置。

在所有测量姿态下，依据投影公式⑦将视场中心沿传感器测量方向投影，得到系统最佳测量位置。

5、深孔深槽特殊规划，得到深孔深槽的测量路径结果。

根据传感器最佳测量角度，计算系统测量孔径比为1.2∶1，则深孔深槽特殊规划时双目系统旋转角度为θ＝90°-θt＝40°，进行深孔深槽特殊规划。规划方法是沿深孔上表面圆周均分四份，间隔90°，以此四个方位设置测量系统测量位置，从而得到深孔深槽路径规划结果。

参照图8，为被测零件路径规划结果，其中，测量路径L1测量工件上表面，测量路径L2、L3、L4和L5测量工件边缘。

本实施例利用加工设备(机床)控制传感器移动，故利用所得路径，生成机床NC程序，可以完成对零件的测量。

到此为止，基于双目视觉技术的工件路径规划完毕。

Claims (5)

1.一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算传感器最佳测量角度；

(2)根据传感器最佳测量角度，进行基于高斯球原理的姿态规划，确定传感器旋转测量姿态；

(3)利用聚类方法进行位置规划，计算视场中心；

(4)将视场中心投影，得到传感器测量位置；

(5)深孔深槽特殊规划，得到深孔深槽的测量路径结果。

2.根据权利要求1所述一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于：所述步骤(1)计算传感器最佳测量角度，传感器最佳测量角度是传感器能够正确测量被测表面的角度姿态范围，用传感器中心轴线与被测表面法线之间的夹角来表示。

3.根据权利要求1所述一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于：所述步骤(2)根据传感器最佳测量角度，进行基于高斯球原理的姿态规划，确定传感器旋转测量姿态，步骤为：

①根据传感器可能的测量姿态和传感器最佳测量姿态，在高斯球上均匀规划测量姿态的锥群；

②将所有面元的法向量映射到高斯球上，用点表示；

③建立高斯球面上点坐标与测量姿态锥群的数学关系；

④去除冗余，保证一个点只与一个圆锥姿态相对应；

⑤重新计算点与锥群的数学关系，得到测量圆锥集合，即传感器旋转测量姿态。

4.根据权利要求1所述一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于，所述步骤(3)利用聚类方法进行位置规划，计算视场中心，步骤为：

①初始规划：根据三角面元分布范围和传感器测量范围，等间隔均匀规划测量位置，计算每个视场能够测量的三角面元，统计视场个数；

②将三角面元坐标、初始测量位置和视场个数，输入K-Means聚类算法，进行迭代优化；

③计算每个视场的利用率；

④根据所有视场利用率，判断是否终止迭代循环。

5.根据权利要求1所述一种基于投影栅相位法测量系统的路径规划方法，其特征在于，所述步骤(5)深孔深槽特殊规划，是根据传感器最佳测量角度计算得到系统测量孔径比，并对深孔深槽进行特殊规划，得到测量路径。

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