CN103900489A - 一种线激光扫描三维轮廓测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线激光扫描三维轮廓测量方法及相应的装置，一字线激光器在磁致伸缩微位移控制器的控制下摆动，形成对被检测物体的扫描面，摆动角度ω由物体的大小决定，保证一字线激光器完整扫描被检测物体的轮廓；然后，获取各轮廓点的高度信息，重建物体的三维表面轮廓，有益之处在于：本方法中，物体无需运动，利用磁致伸缩微位移控制器控制激光器摆动从而对物体轮廓进行完整扫描，经物体表面轮廓漫反射后的光线由成像模块接收后即可得到物体表面轮廓上各点的高度信息进而重构物体表面的表面三维轮廓，激光扫描面的范围及角度都可以根据物体大小灵活变化，测量准确快速精度高，适用范围广，而且本发明的三维轮廓测量装置结构简单，操作方便。

Description

一种线激光扫描三维轮廓测量方法及装置

技术领域

本发明涉及三维轮廓测量技术领域，具体地是一种利用磁致伸缩微位移器控制线激光对物体进行扫描从而实现物体三维轮廓测量的方法以及基于该方法的装置。

背景技术

目前，在众多的工业应用领域，比如航空航天、仿形加工、机器视觉等，都需要获得物体的三维轮廓信息。三维轮廓测量技术一般可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量一般是利用探针进行测量，由于其精度会受到探针尺寸的限制，而且探针易磨损、探针对测量物体也会造成损伤，所以在工业应用中越来越倾向于利用非接触式轮廓测量方法。利用光电检测实现物体三维轮廓的非接触式测量方法又可分为莫尔条纹法、飞行时间法、激光三角法等。

传统的线激光三角法三维轮廓测量装置一般包含一个线激光器、相机和带动物体运动的电机导轨等，激光器与相机成固定角度，投射到物体表面的线激光经反射或散射后在相机成像面上成像，根据与基准面成像的偏差，得到物体的深度信息。但是在实际应用中，很多情况下物体并不能自由运动，或者利用电机等带动物体运动也会带来机械误差，影响测量精度与效率，增加不稳定性，限制了其应用范围。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种灵活、结构简单、精度高、速度快、效率高、适用范围广的线激光扫描三维轮廓测量方法及相应的装置。 

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种线激光扫描三维轮廓测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将物体置于水平参考面上，一字线激光器在磁致伸缩微位移控制器的控制下摆动，形成对被检测物体的扫描面，摆动角度ω由物体的大小决定，保证一字线激光器完整扫描被检测物体的轮廓；

S2、获取各轮廓点的高度信息，重建物体的三维表面轮廓，包括如下子步骤：

a、将激光器和相机的位置固定，对激光器以及相机进行位置和角度关系的标定，确定激光器和相机相对于水平参考面的距离以及激光器和相机之间的位置关系；

b、跟踪垂直于水平参考面的光线OAF：光线OAF经水平参考面漫反射后，其反射光经成像透镜中心在成像平面上成像于点C，OAF与CF之间的夹角为α；

c、一字线激光器转过θ角，光线OD经物体轮廓漫反射后，经成像透镜中心在成像平面上成像于点E；

d、从点B向线OD作垂线交OD于点J，根据标定关系得到角θ、α，再由标定关系结合E、C两点在成像面上的距离差|EC|，得到角β、γ，激光器与水平参考面之间的距离|OF|=h1，相机的成像透镜中心与水平参考面之间的距离|BL|=h2，J点与水平参考面之间的距离|JK|=h3，h1、h2、h3均为已知的，B点与J点之间的距离记为|BJ|=H（B），则由几何关系，点D与参考面之间的距离差，即|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3- H（B）tan（β+γ）cos（θ），根据系统各参数标定后的结果，提取该点绝对高度信息；

e、重复步骤子步骤a-d，得到表面轮廓的其他各点的高度信息，重建物体的三维表面轮廓。

前述方法中，磁致伸缩微位移控制器控制一字线激光器匀速沿同一方向摆动，形成激光线扫描面，确保激光线完整横扫描过物体表面轮廓。

进一步地，在步骤S2中，光线经物体表面轮廓漫反射后，由相机拍摄接收，相机的光轴与一字线激光器之间的位置和角度关系根据扫描范围变化，确保经物体表面轮廓漫反射的激光都能被相机接收。

更进一步地，磁致伸缩微位移控制器控制一字线激光器摆动的速度与相机的拍摄速度一致。

本发明还公开了一种线激光扫描三维轮廓测量方法的装置，包括：线激光发射模块、控制线激光发射模块运动的磁致伸缩微位移控制器以及成像模块，所述线激光发射模块发出的线激光沿同一方向摆动形成激光线扫描面，横扫过物体表面轮廓，成像模块接收经物体轮廓面漫反射的光线。

前述线激光发射模块为一字线激光器，所述成像模块为相机。

本发明的有益之处在于：本发明的线激光扫描三维轮廓测量方法，物体无需运动，利用磁致伸缩微位移控制器控制激光器摆动从而对物体轮廓进行完整扫描，反射后的光线由成像模块接收后即可得到物体表面轮廓上各点的高度信息进而重构物体表面的表面三维轮廓，激光扫描面的范围及角度都可以根据物体大小灵活变化，测量准确快速精度高，适用范围广，而且本发明的三维轮廓测量装置结构简单，操作方便。 

附图说明

图1是本发明的一种线激光扫描三维轮廓测量方法的原理示意图；

图2是使用本发明的方法的装置的结构示意图。 

图中附图标记的含义：1、一字线激光器，2、磁致伸缩微位移控制器，3、物体，4、成像透镜，5、成像平面，6、相机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，将物体3置于水平参考面上，一字线激光器1在磁致伸缩微位移控制器2的控制下摆动，形成对被检测物体3的扫描面，摆动角度ω由物体3的大小决定，摆动角度的选取原则是确保一字线激光器1完整扫描被检测物体3的轮廓。扫描过程中，装置获取到物体3的表面各轮廓点的高度信息，即可重建物体3的三维表面轮廓。

具体来说，如图1所示，假设垂直于水平参考面所在光线OAF经水平参考面漫反射后（理想状态下），经成像透镜4中心在成像平面5上成像于点C；然后，将物体3置于水平参考面上，控制一字线激光器1转过θ角，光线OD经物体3轮廓反射后，经成像透镜4中心在成像平面5上成像于点E；根据标定可得到一字线激光器1与水平参考面之间的距离差，相机6与水平参考面之间的距离差和一字线激光器1与相机6之间的位置关系，由成像平面5上的偏差E、C之间的距离，以及已知角度θ、α、β、γ，得到物体3表面轮廓上点D与水平参考面之间的垂直距离差Δh=|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3- H（B）tan（β+γ）cosθ，由此方法得到表面轮廓的其他各点的高度信息，当一字线激光器1对物体3轮廓整个扫描完全后，便可重建物体3的三维表面轮廓。

作为一种优选，磁致伸缩微位移控制器2控制一字线激光器1匀速沿同一方向摆动，形成激光线扫描面，确保激光线完整横扫描过物体表面轮廓。磁致伸缩微位移控制器2可以精确控制激光器摆动的方向和角度，驱动操作简单，扫描速度快，无滞后响应等，有利于快速处理计算。

具体地，如图2所示，本发明的测量装置结构简单，包括：线激光发射模块、控制线激光发射模块运动的磁致伸缩微位移控制器2以及成像模块，如前所述，线激光发射模块发出的线激光以一定的速度沿同一方向摆动，形成激光线扫描面，确保激光线完整横扫描过物体表面轮廓。成像模块接收经物体3轮廓面漫反射的光线。优选地，线激光发射模块为一字线激光器1，成像模块为相机6。光线经物体3表面轮廓反射后，由相机6拍摄接收成像，相机6的光轴与一字线激光器1之间的位置和角度关系根据扫描范围变化，确保经物体3轮廓面发射的激光都能被相机6接收。在拍摄过程中，由磁致伸缩微位移控制器2控制一字线激光器1摆动的速度与相机6的拍摄速度一致，进而提高测量的稳定性和精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种线激光扫描三维轮廓测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将物体置于水平参考面上，一字线激光器在磁致伸缩微位移控制器的控制下摆动，形成对被检测物体的扫描面，摆动角度ω由物体的大小决定，保证一字线激光器完整扫描被检测物体的轮廓；

S2、获取各轮廓点的高度信息，重建物体的三维表面轮廓，包括如下子步骤：

a、将激光器和相机的位置固定，对激光器以及相机进行位置和角度关系的标定，确定激光器和相机相对于水平参考面的距离以及激光器和相机之间的位置关系；

b、跟踪垂直于水平参考面的光线OAF：光线OAF经水平参考面漫反射后，其反射光经成像透镜中心在成像平面上成像于点C，OAF与CF之间的夹角为α；

c、一字线激光器转过θ角，光线OD经物体轮廓漫反射后，经成像透镜中心在成像平面上成像于点E；

d、从点B向线OD作垂线交OD于点J，根据标定关系得到角θ、α，再由标定关系结合E、C两点在成像面上的距离差|EC|，得到角β、γ，激光器与水平参考面之间的距离|OF|=h1，相机的成像透镜中心与水平参考面之间的距离|BL|=h2，J点与水平参考面之间的距离|JK|=h3，h1、h2、h3均为已知的，B点与J点之间的距离记为|BJ|=H（B），则由几何关系，点D与参考面之间的距离差，即|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3- H（B）tan（β+γ）cos（θ），根据系统各参数标定后的结果，提取该点绝对高度信息；

e、重复步骤子步骤a-d，得到表面轮廓的其他各点的高度信息，重建物体的三维表面轮廓。

2.根据权利要求1所述的一种线激光扫描三维轮廓测量方法，其特征在于，磁致伸缩微位移控制器控制一字线激光器匀速沿同一方向摆动，形成激光线扫描面，确保激光线完整横扫描过物体表面轮廓。

3.根据权利要求1所述的一种线激光扫描三维轮廓测量方法，其特征在于，步骤S2中，光线经物体表面轮廓漫反射后，由相机拍摄接收，相机的光轴与一字线激光器之间的位置和角度关系根据扫描范围变化，确保经物体表面轮廓漫反射的激光都能被相机接收。

4.根据权利要求3所述的一种线激光扫描三维轮廓测量方法，其特征在于，磁致伸缩微位移控制器控制一字线激光器摆动的速度与相机的拍摄速度一致。

5.适用于权利要求1的一种线激光扫描三维轮廓测量方法的装置，其特征在于，包括：线激光发射模块、控制线激光发射模块运动的磁致伸缩微位移控制器以及成像模块，所述线激光发射模块发出的线激光沿同一方向摆动形成激光线扫描面，横扫过物体表面轮廓，成像模块接收经物体轮廓面漫反射的光线。

6.根据权利要求5所述的一种线激光扫描三维轮廓测量方法的装置，其特征在于，所述线激光发射模块为一字线激光器，所述成像模块为相机。

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