CN104964656A - 基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置，包括双目结构光扫描单元、惯性导航单元、LED和触发器；双目结构光扫描单元包括第一、第二工业相机和一个结构光投射器，第一和第二工业相机光轴的夹角为60°，以第一、第二工业相机之间的连线为基线，基线的长度为L，结构光投射器布置在过该基线中点的垂线上、且与第一工业相机光轴与第二工业相机光轴交点的距离为0.8～1L；通过触发器控制装置的通断电状态。本发明无需固定，且无需机械臂、跟踪仪等外部辅助定位设备，同时，利用惯性导航单元实现了自定位，可以将所有数据都统一在一个世界坐标系下，提高了测量精度，增加了灵活性，提高了测量速度。

Description

基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于惯性导航和扫描测量的自定位流动式快速扫描测量装置。

背景技术

常用的三维形貌测量方法有使用三坐标测量机或关节臂、经纬仪等测量方法，但是由于现在越来越多的产品依据功能和尺寸要求设计为各种复杂曲面或者大尺寸型面，常用测量方法存在测量空间受限、效率低、工作量大等缺点，其应用领域受到限制，所以扫描测量得到应用和发展。

扫描测量是目前最常用的快速三维形貌测量方法，但是目前主要的扫描测量方式和市场销售的产品都是固定式扫描方式或增加各种机构约束的有导轨和限位的扫描方式，对于目前大量出现的复杂曲面及其组合形貌的测量极为不便，甚至无法实现。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于惯性导航和扫描测量的自定位流动式快速扫描测量装置。本发明可以避免外界硬约束的测量限制，显著提高测量的效率。同时，在任何位置都可以自主定位，降低对被测表面的破坏，覆盖全部被测型面。满足工业现场便捷式使用的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置，包括用于实施密集点云三维坐标扫描测量的双目结构光扫描单元，所述双目结构光扫描单元包括第一工业相机、第二工业相机和一个结构光投射器，所述第一工业相机和第二工业相机光轴的夹角为60°，分别围绕所述第一工业相机和第二工业相机光轴的法线方向布置有多个LED，所述第一工业相机和第二工业相机均分别安装有干涉滤光片；以所述第一工业相机和第二工业相机之间的连线为基线，所述基线的长度为L，所述结构光投射器布置在过该基线中点的垂线上、且与所述第一工业相机光轴与第二工业相机光轴交点的距离为0.8～1L；所述结构光投射器的正上方设有惯性导航单元，所述结构光投射器的正下方设有触发器，所述双目结构光扫描单元和惯性导航单元及LED均与该触发器连接，通过所述触发器控制上述所有器件的通电、断电状态。

利用上述基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置进行测量的方法，其步骤是：通过所述触发器给装置上电；利用所述结构光投射器投射固定模式的结构光线到被测物体上，所述第一工业相机和第二工业相机同时对被测物体及其投射在被测物体上的固定模式的结构光线进行拍照，与此同时，所述惯性导航单元实时测量所述双目结构光扫描单元的位姿，将所述第一工业相机和第二工业相机采集到得图像传输到一计算机中，利用双目视觉原理解算当前拍摄位姿下的被测物体的三维坐标，根据所述惯性导航单元得到的双目结构光扫描单元的实时位姿数据，将当前位姿下的所述双目结构光扫描单元得到的被测物体的测量数据通过坐标转换到同一坐标系下，实现被测物体当前位姿下的三维形貌扫描数据；以此类推，直至获得整个被测物体的三维形貌扫描数据的密集点云。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相对于传统三坐标测量方法和固定式扫描测量方法，本发明可以实现无需固定，且无需机械臂、跟踪仪等外部辅助定位设备的手持式扫描技术，同时，利用惯性导航单元实现了自定位，可以将所有数据都统一在一个世界坐标系下，提高了测量精度，增加了灵活性，提高了测量速度。

附图说明

图1(a)是本发明自定位流动式快速扫描测量装置的俯视图；

图1(b)是本发明自定位流动式快速扫描测量装置的主视图；

图2是实现本发明自定位流动式快速扫描测量一实施例中触发器状态控制图；

图3是本发明定位流动式快速扫描测量方法原理框图；

图4是实施例封头三维坐标点云。

图中：1-第一工业相机，2-第二工业相机，3-结构光投射器，4-惯性导航单元，5-触发器，6-LED

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1(a)和图1(b)所示，本发明提出的一种基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置，包括用于实施密集点云三维坐标扫描测量的双目结构光扫描单元，所述双目结构光扫描单元包括第一工业相机1、第二工业相机2和一个结构光投射器3，所述第一工业相机1和第二工业相机2光轴的夹角为60°，分别围绕所述第一工业相机1和第二工业相机2光轴布置有多个LED，所述LED 6用于照明，以增强整个环境的亮度，消除拍摄周围环境的白光影响，增加采集定位回光反射标记点的对比度。所述第一工业相机1和第二工业相机2均分别安装有干涉滤光片，所述干涉滤光片可以削弱其它波长的干扰光，保留LED的光源波长；以所述第一工业相机1和第二工业相机2之间的连线为基线，所述基线的长度为L，所述结构光投射器3布置在过该基线中点的垂线上、且与所述第一工业相机1光轴与第二工业相机2光轴交点的距离为0.8～1L，所述结构光投射器3的正上方设有惯性导航单元4，所述结构光投射器3的正下方设有触发器5，所述双目结构光扫描单元和惯性导航单元及LED 6均与该触发器5连接，通过所述触发器5控制上述所有器件的通电、断电状态，以保证第一、第二工业相机和惯性导航单元同时采集数据，避免引入噪声，保证匹配的最佳精度。

利用上述基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置的测量方法，如图3所示，其步骤如下：

首先，将本发明自定位流动式快速扫描测量装置与一上位机相连，该上位机中安装有基于双目视觉原理进行物体三维坐标解算的软件，该软件的编程设计属于本领域内公知常识，在此不再赘述。然后，通过所述触发器5给装置上电；利用所述结构光投射器3投射固定模式的结构光线到被测物体上，所述第一工业相机1和第二工业相机2同时对被测物体及其投射在被测物体上的固定模式的结构光线进行拍照，与此同时，所述惯性导航单元实时测量所述双目结构光扫描单元的位姿，将所述第一工业相机1和第二工业相机2采集到得图像传输到一上位机进行存储和后续的计算，利用双目视觉原理解算当前拍摄位姿下的被测物体的三维坐标，根据所述惯性导航单元4得到的双目结构光扫描单元的实时位姿数据；将当前位姿下的所述双目结构光扫描单元得到的被测物体的测量数据通过坐标转换到同一坐标系下，从而实现坐标的全局统一，得到被测物体当前位姿下的三维形貌扫描数据，屏幕实时显示扫描结果；以此类推，直至获得整个被测物体的三维形貌扫描数据的密集点云。

如图2所示，通过编程设计本测量装置能够实现三种工作模式，分别是：睡眠模式、预览模式和扫描模式。用户可以通过按压触发器5选择所需的工作状态，以此控制测量过程。短按一下触发器5，按压时间小于100ms，测量系统启动，通过第一、第二工业相机1和2短暂的曝光和获取的数据序列对所述双目结构光扫描单元进行校准，并根据周围环境调整结构光投射器3激光强度。这一启动过程需几秒时间。然后正常工作，进入预览模式。在预览模式下，系统可以获取被测物体的原始图像数据，这些数据可以经过系统处理并显示出来。长按触发器5，按压时间大于100ms，可以进入实际扫描阶段，获得的数据可以被处理、显示并储存，与此同时，处理的结果与之前储存的数据进行融合更新，从而获得整个被测物体的三维形貌扫描数据的密集点云。

实施例：以一种封头作为被测物体，其中，以所述第一工业相机1和第二工业相机2之间的连线的长度即基线长度L为200mm，并将所述结构光投射器3布置在与所述第一工业相机1光轴与第二工业相机2光轴交点的距离为180mm处。

扫描前，在该封头上粘贴测量标记点，将本发明自定位流动式快速扫描测量装置与一上位机相连，该上位机中安装有基于双目视觉原理进行物体三维坐标解算的软件，该软件的编程设计属于本领域内公知常识，在此不再赘述。装置上电后预热几分钟，打开软件界面，将所述第一工业相机2和第二工业相机3布置在与封头具有300～400mm测量距离的位置处，长压触发器5，进入扫描模式，此时，结构光投射器1发出红色十字光线投射到扫描工件上，第一、第二工业相机2和3实时对封头进行拍照，根据双目视觉原理和红色十字光线的变形来解算工件的三维坐标。在扫描过程中不断移动本发明装置扫描工件的不同位置，移动过程中要求动作平稳缓慢，而且保证第一、第二工业相机拍到的当前图像和上一时刻拍摄的图像有较大的重合度，同时，保证惯性导航单元4实时监测第一、第二工业相机2和3的位姿，所获得的数据传到在上位机中进行实时运算和存储，最后在软件界面显示出获得的该封头扫描三维坐标点云，如图4所示，并可以将其三维坐标保存成txt格式，如表1所示。

表1封头扫描三维坐标数据

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置，包括用于实施密集点云三维坐标扫描测量的双目结构光扫描单元，所述双目结构光扫描单元包括第一工业相机(1)、第二工业相机(2)和一个结构光投射器(3)，其特征在于：

所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)光轴的夹角为60°，分别围绕所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)光轴布置有多个LED(6)，所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)均分别安装有干涉滤光片；以所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)之间的连线为基线，所述基线的长度为L，所述结构光投射器(3)布置在过该基线中点的垂线上、且与所述第一工业相机(1)光轴与第二工业相机(2)光轴交点的距离为0.8～1L；所述结构光投射器(3)的正上方设有惯性导航单元(4)，所述结构光投射器(3)的正下方设有触发器(5)，所述双目结构光扫描单元和惯性导航单元(4)及LED(6)均与该触发器(5)连接，通过所述触发器(5)控制上述所有器件的通电、断电状态。

2.一种基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于惯性导航的自定位流动式快速扫描测量装置，并包括以下步骤：

通过所述触发器(5)给装置上电；利用所述结构光投射器(3)投射固定模式的结构光线到被测物体上，所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)同时对被测物体及其投射在被测物体上的固定模式的结构光线进行拍照，与此同时，所述惯性导航单元实时测量所述双目结构光扫描单元的位姿，将所述第一工业相机(1)和第二工业相机(2)采集到得图像传输到一计算机中，利用双目视觉原理解算当前拍摄位姿下的被测物体的三维坐标，根据所述惯性导航单元(4)得到的双目结构光扫描单元的实时位姿数据，将当前位姿下的所述双目结构光扫描单元得到的被测物体的测量数据通过坐标转换到同一坐标系下，实现被测物体当前位姿下的三维形貌扫描数据；以此类推，直至获得整个被测物体的三维形貌扫描数据的密集点云。