CN102607457A - 基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法，包括激光跟踪仪、便携式手持测量终端和计算机，便携式手持测量终端包括手持支架，其中高精度CCD摄像机固定在手持支架的上部，图像处理与通讯单元位于手持支架的中部，半导体激光投射器夹持在手持支架的下部，惯性导航单元夹持在手持支架的上部，计算机与通讯单元和激光跟踪仪相连，本发明结合惯性导航技术和激光跟踪仪的单点跟踪测量技术以及线激光扫描技术，系统可实现最大80米测量空间内的三维测量，具有严谨的逻辑性，工程实现简单，精度可靠，在现有激光跟踪仪的基础之上无需很高成本即可实现超大尺寸工件三维点云数据的快速，高精度获取，具有较好好的经济使用性。

Description

基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法

技术领域

本发明涉及三维轮廓测量技术领域，特别涉及基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法。

背景技术

随着超大尺寸、极端制造技术的发展，相应的大尺寸三维物体表面轮廓测量技术是目前国内外三维传感与测量研究的热点之一，它被广泛应用于航空航天、船舶汽车、在线检测与质量控制、机械制造、计算机辅助设计/制造、机器人视觉系统等领域。

当前主流的大尺寸三维测量设备包括大型龙门和桥式三坐标测量系统、便携式关节臂测量系统以及激光跟踪仪等。大型三坐标测量机测量精度较高，但是体积庞大、便携性、灵活性差；便携式关节臂柔性较好，但对于超大型物件的测量，需要统一多台关节臂的坐标系。

激光跟踪仪、经纬仪等大尺寸定位检测设备可以实现在大空间内的精确定位，但是对于局部空间的特征测量效率低下。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法，结合惯性导航技术和激光跟踪仪的单点跟踪测量技术以及线激光扫描技术，可实现最大80米测量空间内，快速、柔性、高精度的三维测量，具有严谨的逻辑性，工程实现简单，精度可靠，在现有激光跟踪仪的基础之上无需很高的成本即可实现超大尺寸工件三维点云数据的快速，高精度获取，具有较好的经济使用性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，包括激光跟踪仪11和便携式手持测量终端13，便携式手持测量终端13具体包括激光跟踪仪靶球1、高精度CCD摄像机2、半导体激光投射器6、手持支架7、图像处理与通讯单元8和惯性导航单元9，其中高精度CCD摄像机2固定在手持支架7的上部，图像处理与通讯单元8位于手持支架7的中部，半导体激光投射器6夹持在手持支架7的下部，惯性导航单元9夹持在手持支架7的上部，便携式手持测量终端13与计算机12之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元8来进行，激光跟踪仪11数据输出端与计算机12相连，激光跟踪仪靶球1设置在手持支架7的顶部，激光跟踪仪靶球1与激光跟踪仪11相适配工作。

基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器6向被测物体4投射光刀5，高精度CCD摄像机2采集光刀5投射在被测物体4上的激光条纹图像，与此同时，安装于便携式手持测量终端13中的惯性导航单元9监控此时便携式手持测量终端13的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球1获取手持测量终端13在以激光跟踪仪11为基准的全局坐标系中的位置坐标；

测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标，如式1所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\\ y_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\end{array}\right.---1$

式1中，

是通过图像处理得到的被测点的像素坐标，x_L，y_L为被测点在光刀坐标系中的坐标，a_i，j和b_i，j采用了虚拟网格映射标定法或实物网格标定法标定出，标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的；

步骤二、进行光刀坐标系到世界坐标系的建模

根据步骤一已经建立的从图像中提取点在光刀坐标系坐标的模型，则整个手持测量终端13获取三维数据，即点在W中的坐标的数学模型如下：

P_W＝^WT_R·^RT_L·^LT_C·P_C其中P_L＝^LT_C*P_C展开即为

$\left(\begin{array}{c}{x}_W\\ y_W\\ z_W\\ 1\end{array}\right)=T_R^W\·T_L^R\·\left(\begin{array}{c}{x}_L\\ y_L\\ 0\\ 1\end{array}\right)---2$

式2即为手持式测头的数学模型，式中^WT_R是通过激光跟踪仪靶球和惯性导航单元确定的坐标系与全局坐标系的转换关系即：

$T_R^W=\left(\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& x\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& y\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& z\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

α，β，γ通过惯性导航单元9读取，x，y，z是新建坐标系和全局坐标系的平移关系，通过激光跟踪仪的靶球1读取，将相应的数据带入上式得到^WT_R，^RT_L是由L到R的刚性转换矩阵，需要通过标定得到；

步骤三、计算机12采用步骤二中建立的光刀坐标系到世界坐标系的转换模型对步骤一获得的被测点在便携式手持测量终端13局部坐标系的三维坐标及便携式手持测量终端13的姿态、位置信息进行融合运算，从而获得被测点在全局坐标系中的三维坐标，移动便携式手持测量终端13对被测物体4进行全面扫描，从而完成大尺寸被测物体高精度的三维形貌测量。

与传统的测量方法相比，本发明具有以下特点：1、测量尺寸大，可实现最大直径为80米范围的测量；2、测量精度高，10m范围内优于0.06mm，4m范围内优于0.035mm；3、便携式测量，由于本装置为便携式设计，可实现大型物体的现场测量，简化了测量过程，提高了效率；4、制造成本低，不随着测量范围的增大，而增加投资；5、可实现生产现场在线测量，测量装置与现场装置不发生干涉，不受现场震动干扰的影响；6、可根据测量对象，方便地置换不同的测量传感器。

附图说明：

附图是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细叙述。

参照附图，基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，包括激光跟踪仪11和便携式手持测量终端13，便携式手持测量终端13具体包括激光跟踪仪靶球1、高精度CCD摄像机2、半导体激光投射器6、手持支架7、图像处理与通讯单元8和惯性导航单元9，其中高精度CCD摄像机2固定在手持支架7的上部，图像处理与通讯单元8位于手持支架7的中部，可以对高精度CCD摄像机2的成像信息实时进行处理，半导体激光投射器6夹持在手持支架7的下部，向被测物体4投射一平面光束5，惯性导航单元9夹持在手持支架7的上部，用于便携式手持测量终端13的姿态角确定，便携式手持测量终端13与计算机12之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元8来进行，激光跟踪仪11数据输出端与计算机12相连，激光跟踪仪靶球1设置在手持支架7的顶部，便携式手持测量终端13的位置坐标通过激光跟踪仪靶球1来获取，激光跟踪仪靶球1与激光跟踪仪11相适配工作，激光跟踪仪靶球1接收来自激光跟踪仪11的激光10。

基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器6向被测物体4投射光刀5，高精度CCD摄像机2采集光刀5投射在被测物体4上的激光条纹图像，投射的光刀5与高精度CCD摄像机2的光轴3以及手持支架7的基线形成三角形，采用的是激光三角法获得的激光条纹坐标，与此同时，安装于便携式手持测量终端13中的惯性导航单元9监控此时便携式手持测量终端13的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球1获取手持测量终端13在以激光跟踪仪11为基准的全局坐标系中的位置坐标；

测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标，如式1所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\\ y_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\end{array}\right.---1$

式1中，

是通过图像处理得到的被测点的像素坐标，x_L，y_L为被测点在光刀坐标系中的坐标，a_i，j和b_i，j采用了虚拟网格映射标定法或实物网格标定法标定出，标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的；

步骤二、进行光刀坐标系到世界坐标系的建模

根据步骤一已经建立的从图像中提取点在光刀坐标系坐标的模型，则整个手持测量终端13获取三维数据，即点在W中的坐标的数学模型如下：

P_W＝^WT_R·^RT_L·^LT_C·P_C其中P_L＝^LT_C*P_C

展开即为

$\left(\begin{array}{c}{x}_W\\ y_W\\ z_W\\ 1\end{array}\right)=T_R^W\·T_L^R\·\left(\begin{array}{c}{x}_L\\ y_L\\ 0\\ 1\end{array}\right)---2$

式2即为手持式测头的数学模型，式中^WT_R是通过激光跟踪仪靶球和惯性导航单元确定的坐标系与全局坐标系的转换关系即：

$T_R^W=\left(\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& x\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& y\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& z\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

α，β，γ通过惯性导航单元9读取，x，y，z是新建坐标系和全局坐标系的平移关系，通过激光跟踪仪的靶球1读取，将相应的数据带入上式得到^WT_R，^RT_L是由L到R的刚性转换矩阵，需要通过标定得到；

另外P_L可以实时计算得到，^RT_L是由L到R的刚性转换矩阵，需要通过标定得到，对于^RT_L的标定，本发明对激光跟踪仪自带球形靶标进行扫描，利用球心空间约束，求解待标定关系；

根据测量的原理模型即式2，想要标定出反映定位器位姿的转换矩阵参数^RT_L，在其它参数已知的情况下，需要知道被测物体空间一点在全局坐标系下的坐标X_W和在激光测头局部坐标系下的坐标X_L。对于线激光扫描仪，由于很难控制激光线精确的投射在空间中某一点上，因此寻找空间中某一点在扫描仪坐标系坐标以及它在全局坐标系下的坐标比较困难。传统的标定方法一般采用经纬仪，利用拉丝法等方来来解决这一问题，需要另外的大型测量仪器配合。本发明利用扫描半径已知的激光跟踪仪自带靶球来解决这一难题，简化了标定方法和步骤。

标定时首先把一半径已知的激光跟踪仪靶球固定在空间中一点并通过跟踪仪读取靶球的在全局坐标系下的球心坐标X_W。然后，通过标定支架固定手持扫描仪扫描靶球，可以利用激光线上的点拟合得到一个空间圆，由于靶球的半径已知，通过几何关系就可求解在扫描测头局部坐标系下的球心坐标X_L。之后改变标定用靶球在空间中的位置，重复以上步骤得到多组数据对就可以精确求解反映定位器位姿的转换矩阵参数^RT_L，从而完成标定。

步骤三、计算机12对获得的被测点在便携式手持测量终端13局部坐标系的三维坐标利用步骤二中获得的便携式手持测量终端13在全局坐标系下的姿态角及位置坐标进行坐标转换运算，从而获得的被测点在全局坐标系中的三维坐标，移动便携式手持测量终端13，对被测物体4进行全面扫描，从而完成大尺寸被测物体高精度的三维形貌测量。

本测量系统的测量原理是：局部测量采用高精度的线结构光传感器，获取物体表面轮廓在测头局部坐标系下的点云坐标。以激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系，通过惯性导航单元可以得到手持测量终端在全局坐标系下的角度姿态，读取测头上激光跟踪仪靶标球心的坐标可以得到手持测量终端在全局坐标系下的位置信息。然后通过计算机实时处理，融合局部坐标系下的点云坐标和相应的姿态位置信息，把测量数据统一到一个坐标系中，从而完成大尺寸的测量，而不是通过机械装置的移动或是测量数据拼接的方式。

Claims (2)

1.基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，其特征在于，包括激光跟踪仪(11)和便携式手持测量终端(13)，便携式手持测量终端(13)包括激光跟踪仪靶球(1)、高精度CCD摄像机(2)、半导体激光投射器(6)、手持支架(7)、图像处理与通讯单元(8)和惯性导航单元(9)，其中高精度CCD摄像机(2)固定在手持支架(7)的上部，图像处理与通讯单元(8)位于手持支架(7)的中部，半导体激光投射器(6)夹持在手持支架(7)的下部，惯性导航单元(9)夹持在手持支架(7)的上部，便携式手持测量终端(13)与计算机(12)之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元(8)来进行，激光跟踪仪(11)数据输出端与计算机(12)相连，激光跟踪仪靶球(1)设置在手持支架(7)的顶部，激光跟踪仪靶球(1)与激光跟踪仪(11)相适配工作。

2.权利要求1所述的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器(6)向被测物体(4)投射光刀(5)，高精度CCD摄像机(2)采集光刀(5)投射在被测物体(4)上的激光条纹图像，与此同时，安装于便携式手持测量终端(13)中的惯性导航单元(9)监控此时便携式手持测量终端(13)的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球(1)获取手持测量终端(13)在以激光跟踪仪(11)为基准的全局坐标系中的位置坐标；

测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标，如式1所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\\ y_L=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}*x_C^i*y_C^j\end{array}\right.---1$

式1中，

是通过图像处理得到的被测点的像素坐标，x_L，y_L为被测点在光刀坐标系中的坐标，a_i，j和b_i，j采用了虚拟网格映射标定法或实物网格标定法标定出，标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的；

步骤二、进行光刀坐标系到世界坐标系的建模

根据步骤一已经建立的从图像中提取点在光刀坐标系坐标的模型，则整个手持测量终端13获取三维数据，即点在W中的坐标的数学模型如下：

P_W＝^WT_R·^RT_L·^TT_C·P_C其中P_L＝^LT_C*P_C

展开即为

$\left(\begin{array}{c}{x}_W\\ y_W\\ z_W\\ 1\end{array}\right)=T_R^W\·T_L^R\·\left(\begin{array}{c}{x}_L\\ y_L\\ 0\\ 1\end{array}\right)---2$

式2即为手持式测头的数学模型，式中^WT_R是通过激光跟踪仪靶球和惯性导航单元确定的坐标系与全局坐标系的转换关系即：

$T_R^W=\left(\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& x\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& y\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& z\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

α，β，γ通过惯性导航单元(9)读取，x，y，z是新建坐标系和全局坐标系的平移关系，通过激光跟踪仪的靶球(1)读取，将相应的数据带入上式得到^WT_R，^RT_L是由L到R的刚性转换矩阵，需要通过标定得到；

步骤三、计算机(12)采用步骤二中建立的光刀坐标系到世界坐标系的转换模型对步骤一获得的被测点在便携式手持测量终端(13)局部坐标系的三维坐标及便携式手持测量终端(13)的姿态、位置信息进行融合运算，从而获得的被测点在全局坐标系中的三维坐标，移动便携式手持测量终端(13)，对被测物体(4)进行全面扫描，从而完成大尺寸被测物体高精度的三维形貌测量。

Images