CN102818535B - 一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置及方法。本发明包括测量单元架、拼接单元架、圆形载物台、支撑柱和基台，圆形载物台的上表面有1个槽，槽的底面有1个通孔。本发明拼接装置结构简洁，仅凭借载物台的旋转与升降即可实现多视角测量，而且基本可测量到被测物的各个局部。本发明设计被测物移动(运动坐标系)、编码光三维测量系统固定(静止坐标系)的方案，有利于减小拼接装置的体积、复杂性，对结构强度要求低。本发明兼顾回转拼接和垂直方向(y方向)拼接，能够更全面地测量被测物。

Description

一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置及方法

（一）技术领域

本发明涉及编码光三维测量领域，尤其涉及一种多视角点云数据的高精度、快速拼接方法。 

（二）背景技术

典型的编码光三维测量系统包括一个投影机和一个摄像机，投影机将编码光投射在被测表面，摄像机同时拍摄被测表面的图像。将图像信息与投影机、摄像机之间的方位参数相结合，即可计算出被测表面的形状数据。 

编码光三维测量系统单次只能测量物体的部分表面，要得到物体完整的形状数据，需要从不同角度(多视角)测量。由于在不同角度进行测量时的坐标系不同，必须将各角度测得的点云数据进行坐标转换，合成为同一坐标系的数据，即点云拼接。点云拼接的关键在于其精度、速度，以及对被测表面的影响。 

目前，用于编码光三维测量系统的点云拼接方法及装置主要可归纳为如下两类：①将编码光三维测量系统与精密机械或精密光学仪器刚性连接，由精密机械或精密光学仪器确定各坐标系间的转换关系。这类方法的优点是拼接精度高(取决于精密机械或精密光学仪器的定位精度)。不足是精密机械或精密光学仪器调整速度慢，即拼接速度慢。②在被测表面上或被测表面附近的靶标上设置标志点，以标志点为媒介确定各坐标系间的转换关系。这类方法的优点是拼接速度相对较快(根据测量图像即可完成拼接)。不足是拼接过程依靠图像处理，其中必须用到拟合、迭代算法，因此拼接精度低。此外，被测表面上的标志点还会对被测表面产生影响。 

综上，现有拼接方法及装置未能结合拼接精度和拼接速度的各自优势，未能使两者同时达到现有最高水平。 

（三）发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服现有的拼接方法及装置未能使拼接精度和拼接速度同时达到现有最高水平的不足，实现了编码光三维测量系统真正的实时拼接，电磁定位精度为0.00x mm ～ 0.0x mm之间的编码光三维测量的电磁定位拼接装置。 

本发明的目的是这样实现的：它包括测量单元架1、拼接单元架2、圆形载物台3和基台5，测量单元架1、拼接单元架2、圆形载物台3均设置在基台5上，测量单元架1上安装有编码光三维测量系统，拼接单元架2上安装有电磁定位主机，圆形载物台3上放置被测物，圆形载物台3通过支撑柱4安装在基台5上，圆形载物台3的上表面设置有1个安装定位测 头的槽6，槽6的底面设置有1个通孔7，槽6中安装有定位测头，定位测头与电磁定位主机通过数据电缆8电连接，数据电缆8由通孔7穿过。 

本发明还有这样一些技术特征： 

1、所述的支撑柱4由上下两段构成，上段与圆形载物台3下端面连接固定，下段固定在基台5上，上段与下段之间通过可调整上段与下段相对角度和高度的旋钮活动连接； 

2、所述的编码光三维测量系统包括一个投影机和一个摄像机，投影机固定在测量单元架1下部，摄像机通过旋钮活动连接在测量单元架1上部，摄像机在测量单元架1上的垂直高度(y方向)和绕垂直轴(回转方向t)的角度可通过旋钮调节并锁紧，投影机、摄像机通过数据线电连接完成编码光三维测量系统控制和数据运算的ARM9系统； 

3、所述的编码光三维测量的电磁定位拼接装置所有部件均由非金属型材制成。 

本发明中支撑柱4通过调节旋钮可锁紧固定圆形载物台3的角度及高度，并可以调节圆形载物台3升降。圆形载物台、定位测头、载物台上的被测物构成了运动坐标系；静止坐标系与运动坐标系之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系，由电磁定位主机与定位测头共同测得。本发明中所有机构均由非金属型材制成。 

本发明的另一目的在于提供一种编码光三维测量的电磁定位拼接方法，其具体方案为：它包括编码光三维测量系统和电磁定位系统，电磁定位系统由电磁定位主机与定位测头两部分组成，电磁定位系统通过数据电缆8传输和无线通信确定电磁定位主机与定位测头之间的相对位置关系，编码光三维测量系统、电磁定位主机、基台5处于同一静止坐标系中，圆形载物台3、圆形载物台3上的被测物、定位测头处于同一运动坐标系中，电磁定位主机与定位测头之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系，被测物在圆形载物台3的带动下旋转、升降，被测物的各个被测局部与编码光三维测量系统之间方位关系均可由电磁定位系统测得。 

本发明还有这样一些技术特征： 

1、所述的编码光三维测量系统以M表示，被测物的各个被测局部以Di  (i=1,2,3,4,5,6……)表示，则M与D1之间的方位关系记为M-D1，M与D2之间的方位关系记为M-D2，以静止的M为参考，可获得两个被测局部的方位关系D1-D2，M-D1具体可用旋转矩阵R1、平移矩阵T1表示，即M=R1·D1+T1；M-D2具体可用旋转矩阵R2、平移矩阵T2表示，即M=R2·D2+T2；因此D1-D2具体可记为D2=R2^-1·R1·D1+R2^-1·(T1-T2)。(此关系式为该领通用的关系式，只是各参考资料的具体写法略有差别) 

2、现有的拼接方法及装置，例如前述的精密机械\精密光学仪器法、标志点法，多为将被测物固定(静止坐标系)，将编码光三维测量系统移动(运动坐标系)以实现多视角测量。而 本发明方法及装置的运动方式与之相反，即被测物移动(运动坐标系)，编码光三维测量系统固定(静止坐标系)。安装了编码光三维测量系统的测量单元架1、安装了电磁定位主机的拼接单元架2、基台5构成了静止坐标系；圆形载物台3、定位测头、载物台上的被测物构成了运动坐标系。静止坐标系与运动坐标系之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系。该方位关系由电磁定位主机与定位测头共同测得，可实现点云拼接。本发明通过调整圆形载物台3的旋转与升降，改变被测物与编码光三维测量系统之间的方位关系，实现多视角测量。 

本发明的有益效果有： 

1. 本发明的拼接装置结构简洁，仅凭借载物台的旋转与升降即可实现多视角测量，而且基本可测量到被测物的各个局部。本发明设计被测物移动(运动坐标系)、编码光三维测量系统固定(静止坐标系)的方案，有利于减小拼接装置的体积、复杂性，对结构强度要求低。本发明兼顾回转拼接和垂直方向(y方向)拼接，能够更全面地测量被测物。 

2. 本发明的所有机构均由非金属型材制成，不会对电磁定位系统产生电磁干扰，不会产生额外的由电磁干扰带来的定位误差。 

3. 通过调整测量单元架1在基台5上的放置位置，可以调整编码光三维测量系统与被测物之间的距离。 

4.本发明定位测头与电磁定位主机之间的数据电缆由通孔穿过，数据电缆柔软且具有足够长度，在360°范围内和高度范围内，不会制约载物台的旋转、升降。 

5.本发明定位测头安装在载物台上表面的槽中，不会影响被测物在载物台上的放置。

6.本发明是由电磁定位主机与定位测头共同测得编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系。电磁定位时间为毫秒级，直接获取坐标转换关系，相对于编码光三维测量系统的单视角测量时间，定位时间可忽略，因此相对于现有拼接方法，本发明实现了编码光三维测量系统真正的实时拼接；电磁定位精度为0.00x mm ～ 0.0x mm之间，与前述精密机械或精密光学仪器的定位精度近似，因此拼接精度达到现有最高水平且能进一步提高。综上，本发明拼接方法及装置可使拼接精度和拼接速度同时达到现有最高水平。 

编码光三维测量系统的体积和重量远大于被测物，编码光三维测量系统和被测物的相对运动关系为编码光三维测量系统作圆周运动、被测物在圆心转动。基于上述两点原因，本发明的相对运动方式有利于减小拼接装置的体积、复杂性，对结构强度要求低。现有的拼接方法及装置，基本仅考虑360°回转拼接，而本发明方法和装置同时兼顾回转和垂直方向(y方向)的高度拼接，能够更全面地测量被测物。 

（四）附图说明

图1为本发明拼接装置的结构示意图。 

（五）具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明： 

结合图1，本实施例编码光三维测量的电磁定位拼接装置包括测量单元架1、拼接单元架2、圆形载物台3、支撑柱4、基台5。载物台5的上表面有1个槽6，槽6的底面有1个通孔7。本实施例所有机构均由非金属型材制成。拼接过程中，电磁定位主机与定位测头之间的数据电缆8由通孔穿过。静止坐标系与运动坐标系之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系，由电磁定位主机与定位测头共同测得。电磁定位系统由电磁定位主机与定位测头两部分组成。电磁定位系统通过数据电缆8传输和无线通信确定电磁定位主机与定位测头之间的相对位置关系。本实施例拼接装置使用过程中，安装了编码光三维测量系统的测量单元架1、安装了电磁定位主机的拼接单元架2同时放置在基台5上，且保持位置固定，因此编码光三维测量系统、电磁定位主机、基台5处于同一静止坐标系中；而圆形载物台3、圆形载物台3上的被测物、定位测头处于同一运动坐标系中。因此，电磁定位主机与定位测头之间的方位关系，即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系。被测物在圆形载物台3的带动下旋转、升降，被测物的各个被测局部与编码光三维测量系统之间方位关系均可由电磁定位系统测得。本实施例以M表示编码光三维测量系统，以Di (i=1,2,3,4,5,6……)表示被测物的各个被测局部，则M与D1之间的方位关系记为M-D1，M与D2之间的方位关系记为M-D2，因此以静止的M为参考，可获得两个被测局部的方位关系D1-D2，以此类推。 

本实施例作实验对比了本发明方法、精密机械法、标志点法的拼接速度和拼接精度： 

三种方法中，精密机械法的拼接调整时间最长(数十秒)，因此无法实现实时拼接。本发明方法和标志点法的拼接信息获取时间均为毫秒级，少于编码光三维测量系统单视角测量时间(x秒)，因此初步实现实时拼接。但本发明方法获取的拼接信息为各视角之间的方位关系(坐标转换)，可直接用于拼接，因此实现了真正的实时拼接；而标志点法获取的拼接信息为拼接图像，需通过图像处理转化为各视角之间的方位关系，转化时间接近甚至超过了编码光三维测量系统单视角测量时间(具体时间视拼接图像复杂程度而异)，因此标志点法未实现严格意义的实时拼接。②三种方法中，标志点法受图像处理过程中拟合、迭代等近似运算的影响，拼接精度最低，约0.3mm～0.7mm，这与编码光三维测量系统的测量精度相近(约0.6mm)，因此拼接精度影响了测量精度。本发明方法和精密机械法的拼接精度相近(约0.01mm)，高于编码光三维测量系统的测量精度至少一个数量级，因此拼接精度不会影响测量精度。就目前的编码光三维测量系统而言，本发明方法和精密机械法的拼接精度满足要求。进一步而言，精密机械定位精度发展成熟很难有质的飞跃，而电磁定位技术正在飞速发展中，能够适应日益提 高的编码光三维测量系统测量精度。 

综上两点，本发明拼接方法及装置可实现真正的实时拼接，拼接精度达到现有最高水平且有提高前景。 

电磁定位系统的主要不足在于，大面积的金属物会对电磁定位系统产生电磁干扰，导致较大的定位误差(毫米级)，其它拼接方法则不存在这个弱点。因此本拼接装置机构均由非金属型材制成，克服了上述不足。 

在前期实验中，所有机构均由金属型材制成，在拼接过程中会出现不规律的粗大误差(毫米级)，这甚至超过了编码光三维测量系统的测量误差(约0.6mm)，导致本拼接方法及装置失效。后经误差分析，确定粗大误差来源于金属型材对电磁定位系统产生电磁干扰，即电磁定位主机与定位测头之间无线通信数据错误。据此，将金属型材改为非金属型材(如有机玻璃)，消除了额外的由电磁干扰带来的定位误差。 

支撑柱4可以调节圆形载物台3以支撑柱4为轴360°转动(图1中的回转方向t)，编码光三维测量系统单视角测量范围约为60°，则至少进行6次单视角测量(载物台转动6次)，可获得360°回转的全部点云数据。 

若被测物高度过大，在垂直方向(图1中的y方向)超过编码光三维测量系统的单视角测量范围，则支撑柱(4)可以调节载物台(3)升降，改变被测物与编码光三维测量系统之间的高度位置关系。例如编码光三维测量系统在垂直方向的测量范围约为0.5m，被测物高度1m，则垂直方向至少进行2次单视角测量，可获得垂直方向的全部点云数据。 

本实施例支撑柱4由上下两段构成，上段与圆形载物台3下端面连接固定，下段固定在基台5上，上段与下段之间可通过旋钮锁紧。放松旋钮后，可调整上段与下段的相对角度和高度，从而调整圆形载物台3旋转和升降。 

电磁定位主机与定位测头之间的数据电缆8由通孔7穿过，数据电缆8柔软且具有足够长度，不会制约圆形载物台3旋转、升降。 

本实施例拼接装置的支撑柱4的下端固定在基台5上，通过调整测量单元架1在基台5上的放置位置，可以调整编码光三维测量系统与被测物之间的距离。编码光三维测量系统与被测物之间的距离大，则单视角测量范围大；编码光三维测量系统与被测物之间的距离小，则单视角测量范围小。适当的距离视被测物的体积而定。 

本实施例编码光三维测量系统包括一个Infocus82 3DLP投影机和一个HV-F22F 3CCD摄像机。Infocus82 3DLP投影机固定在测量单元架1下部，采用螺钉固定。HV-F22F 3CCD摄像机通过旋钮活动连接在测量单元架1的一个立杆上，HV-F22F 3CCD摄像机在测量单元架1的立杆上的垂直高度(y方向)和绕垂直轴(回转方向t)的角度可通过旋钮调节并锁紧，因此可调 节Infocus82 3DLP投影机和HV-F22F 3CCD摄像机之间的位置关系(即垂直高度关系和主光轴夹角关系)，从而调节编码光三维测量系统的测量范围。本实施例的Infocus82 3DLP投影机和HV-F22F 3CCD摄像机之间的高度差调节范围为0～400mm，HV-F22F 3CCD摄像机绕垂直轴(回转方向t)的角度调节范围为0～360°。 

本实施例采用ARM9系统完成编码光三维测量系统控制和数据运算，Infocus82 3DLP投影机、HV-F22F 3CCD摄像机与ARM9系统之间通过数据线电连接。 

Claims (5)

1.一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置，其特征在于它包括测量单元架、拼接单元架、圆形载物台和基台，测量单元架、拼接单元架、圆形载物台均设置在基台上，测量单元架上安装有编码光三维测量系统，拼接单元架上安装有电磁定位主机，圆形载物台上放置被测物，圆形载物台通过支撑柱安装在基台上，圆形载物台的上表面设置有1个安装定位测头的槽，槽的底面设置有1个通孔，槽中安装有定位测头，定位测头与电磁定位主机通过数据电缆电连接，数据电缆由通孔穿过，电磁定位系统由电磁定位主机与定位测头两部分组成，电磁定位系统通过数据电缆传输和无线通信确定电磁定位主机与定位测头之间的相对位置关系，编码光三维测量系统、电磁定位主机、基台处于同一静止坐标系中，圆形载物台、圆形载物台上的被测物、定位测头处于同一运动坐标系中，电磁定位主机与定位测头之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系，被测物在圆形载物台的带动下旋转、升降，被测物的各个被测局部与编码光三维测量系统之间方位关系均可由电磁定位系统测得。

2.根据权利要求1所述的一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置，其特征在于所述的支撑柱由上下两段构成，上段与圆形载物台下端面连接固定，下段固定在基台上，上段与下段之间通过可调整上段与下段相对角度和高度的旋钮活动连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置，其特征在于所述的编码光三维测量系统包括一个投影机和一个摄像机，投影机固定在测量单元架下部，摄像机通过旋钮活动连接在测量单元架上部，摄像机在测量单元架上的垂直高度和绕垂直轴的角度可通过旋钮调节并锁紧，投影机、摄像机通过数据线电连接完成编码光三维测量系统控制和数据运算的ARM9系统。

4.根据权利要求3所述的一种编码光三维测量的电磁定位拼接装置，其特征在于所述的编码光三维测量的电磁定位拼接装置所有部件均由非金属型材制成。

5.一种利用权利要求1所述的编码光三维测量的电磁定位拼接装置实现编码光三维测量的电磁定位拼接方法，其特征在于它包括编码光三维测量系统和电磁定位系统，电磁定位系统由电磁定位主机与定位测头两部分组成，电磁定位系统通过数据电缆传输和无线通信确定电磁定位主机与定位测头之间的相对位置关系，编码光三维测量系统、电磁定位主机、基台处于同一静止坐标系中，圆形载物台、圆形载物台上的被测物、定位测头处于同一运动坐标系中，电磁定位主机与定位测头之间的方位关系即编码光三维测量系统与被测物之间的方位关系，被测物在圆形载物台的带动下旋转、升降，被测物的各个被测局部与编码光三维测量系统之间方位关系均可由电磁定位系统测得，编码光三维测量系统以M表示，被测物的各个被测局部以Di(i=1,2,3,4,5,6……)表示，则M与D1之间的方位关系记为M-D1，M与D2之间的方位关系记为M-D2，以静止的M为参考，可获得两个被测局部的方位关系D1-D2，M-D1具体可用旋转矩阵R1、平移矩阵T1表示，即M=R1-D1+T1；M-D2具体可用旋转矩阵R2、平移矩阵T2表示，即M=R2-D2+T2；因此D1-D2具体可记为D2=R2^-1×R1×D1+ R2^-1×(T1-T2)。