CN105066903A - 一种激光三维测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光三维测量系统及其测量方法，用于三维测量任意形状的待测物体，包括：X运动轴；与X运动轴垂直的多个Y运动轴；固定在X运动轴上的运动控制系统、固定在X运动轴上的图像采集装置和自动旋转运动滑台、固定在自动旋转运动滑台上的激光三维测量装置、固定Y运动轴的夹具，所述夹具用于固定被测物体。本发明通过图像采集装置实现被测物体的图像采集，通过图像采集装置对采集到的图像进行图像处理，获得物体的表面轮廓，通过运动控制系统将被测物体进行精确的平移和旋转定位，实现了实时轮廓跟踪的激光三维测量，整个激光三维测量系统实现了检测的自动化，并且提高了检测效率、检测精度和检测准确度。

Description

一种激光三维测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术，尤其涉及一般实时轮廓跟踪激光三维测量系统及其测量方法。

背景技术

在检测过程中，形状规则的物体可用激光三维测量的方法实现自动检测，但是对于任意形状物体的检测很难实现自动检测。目前，生产大多数厂家采用的检测和测量方式都是人工检验，而人工检验结果往往存在很多不确定性，没有进行量化。检验人员每天重复着高强度的作业工作，要求他们做到对每个产品都能准确的进行判断是不可能的。上述方法一方面这种检验过程中人为造成的客户投诉和退货，会给公司带来很大的金钱和名誉的损失；另一方面检验人员的检验效率很低，需要占用大量的人力和时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时轮廓跟踪、实现了检测的自动化，并且提高了检测效率、检测精度和检测准确度的激光三维测量系统及其测量方法。

本发明提供一种激光三维测量系统，用于三维测量任意形状的待测物体，包括：X运动轴；与X运动轴垂直的多个Y运动轴；固定在X运动轴上的运动控制系统、固定在X运动轴上的图像采集装置和自动旋转运动滑台、固定在自动旋转运动滑台上的激光三维测量装置、固定Y运动轴的夹具，所述夹具用于固定被测物体。

其中，图像采集装置包括位于图像采集装置下端的镜头，并在镜头下设有一光源。

其中，图像采集装置为CCD面阵图像采集装置。

本发明又提供激光三维测量方法，包括如下方法：

步骤101：在夹具内放入并固定任意形状的被测物体；

步骤102：开启激光三维测量系统并对准测量系统零位；

步骤103：将图像采集装置沿X运动轴运动到所述夹具正上方；

步骤104：打开光源；

步骤105：由图像采集装置对所述夹具内的被测物体进行图像采集；

步骤106：对步骤105采集的图像进行处理；

步骤107：找到被测物体的表面轮廓信息；

步骤108：对找到的轮廓上的点进行弧线拟合；

步骤109：找到各个弧线的圆心，计算出每个点的切线方向；

步骤110：将轮廓上每个点的切线方向的运动位置发送给运动控制系统；

步骤111：激光三维测量装置根据运动控制系统内的每个点的切线方向的信息，自动旋转运动滑台将激光三维测量装置运动到被测物体100的法线方向；

步骤112：由激光三维测量装置测量出被测物体轮廓上每个点的三维信息。

步骤113：输出每个点的检测结果。

其中，步骤112的具体方法为：根据计算出的待测物体轮廓上每个点的切线方向，激光三维测量装置发出的激光线方向与轮廓上被测点的切线方向垂直，根据激光三角测量的原理计算出被测点的三维信息。

其中，当激光三维测量装置发出的激光线与被测物体的被测点切线方向垂直时，假设被测物体的被测点为A点，激光线与被测点A点的切线方向垂直，根据计算出被测点A点的切线方向的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线正下方。

其中，当激光三维测量装置发出的激光线与被测物体的被测点切线方向不垂直时，假设被测物体的被测点为B点，激光线与被测点B点的切线方向不垂直，被测点B点的切线方向的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线正下方，被测点B点切线方向与激光线方向不垂直并进行测量。

其中，所述步骤111之前，运动控制系统将装有被测物体的夹具平移至激光三维测量装置的正下方。

其中，步骤105至步骤110包括如下步骤：

步骤A1：图像采集装置对夹具内对被测物体的正面进行图像采集；

步骤A2：对步骤A1采集的图像进行处理；

步骤A3：图像采集装置提取出被测物体的轮廓信息，并将被测物体的轮廓信息输出给运动控制系统；

步骤A4：运动控制系统根据输出的轮廓信息计算出轮廓上每一个点的切线方向；

步骤A5：激光三维测量装置系统根据每个点的切线方向进行测量。

其中，步骤107的具体方法为:根据图像采集装置采集到被测物体表面轮廓的点，可以拟合出n条弧线，找到每条弧线对应的圆心坐标，根据这个圆心坐标计算每条弧上面的点的切线方向。

本发明通过图像采集装置实现被测物体的图像采集，通过图像采集装置对采集到的图像进行图像处理，获得物体的表面轮廓，通过运动控制系统将被测物体进行精确的平移和旋转定位，实现了实时轮廓跟踪的激光三维测量，整个激光三维测量系统实现了检测的自动化，并且提高了检测效率、检测精度和检测准确度。

附图说明

图1所示为用于本发明三维测量任意形状物体的立体图；

图2所示为本发明激光三维测量系统的实施方式结构示意图；

图3所示为本发明实时轮廓跟踪激光三维测量方法的步骤流程图；

图4所示为CCD面阵图像采集装置的提取待测物体表面轮廓的结构示意图；

图5所示为提取被测物体轮廓上点切线方向的结构示意图；

图6所示为本发明激光三维测量装置的激光三角测量原理图；

图7是激光线与被测物体100的被测点切线方向垂直时测量结构示意图；

图8是激光线与被测物体100的被测点切线方向不垂直时测量结构示意图。

具体实施方式

本发明揭示一种实时轮廓跟踪激光三维测量系统及测量方法，图1为用于三维测量任意形状物体的立体图，其为本发明的待测物体100，本发明的目的在于测量被测物体100的尺寸检测、段差测量或平面度检测等。

图2为本发明激光三维测量系统的实施方式结构示意图，激光三维测量系统200包括：X运动轴10；与X运动轴垂直的多个Y运动轴，在本实施例中包括两个Y运动轴：第一Y运动轴20、与第一Y运动轴20平行的第二Y运动轴30；固定在X运动轴10上的运动控制系统40、固定在X运动轴10上的CCD面阵图像采集装置50和自动旋转运动滑台60、固定在自动旋转运动滑台60上的激光三维测量装置70、固定在第一Y运动轴20上的第一夹具80、固定在第二Y运动轴30上的第二夹具90，第一夹具80和第二夹具90均用于固定被测物体100。

其中，CCD面阵图像采集装置50包括位于CCD面阵图像采集装置50下端的镜头51，并在镜头51下设有一光源53，该光源53也固定在X运动轴10上，通过调整，所述镜头51和光源53均对准夹具80、90；所述激光三维测量装置70内设有激光器71(如图4所示)，激光器71对准夹具80、90。

如图3所示为本发明实时轮廓跟踪激光三维测量方法的步骤流程图，本测量方法包括如下步骤：

步骤101：在某一夹具内放入并固定任意形状的被测物体100。

步骤102：开启激光三维测量系统200并对准测量系统零位；

步骤103：将CCD面阵图像采集装置50沿X运动轴10运动到所述夹具正上方；

步骤104：打开光源53；

步骤105：由CCD面阵图像采集装置50对所述夹具内的被测物体100进行图像采集；

步骤106：对步骤105采集的图像进行处理；

步骤107：找到被测物体的表面轮廓信息；

步骤108：对找到的轮廓上的点进行弧线拟合；

步骤109：找到各个弧线的圆心，计算出每个点的切线方向；

步骤110：将轮廓上每个点的切线方向的运动位置发送给运动控制系统40；

步骤111：运动控制系统40将装有被测物体100的夹具平移至激光三维测量装置70的正下方，激光三维测量装置70根据运动控制系统40内的每个点的切线方向的信息，自动旋转运动滑台60将激光三维测量装置70运动到被测物体100的法线方向；

步骤112：由激光三维测量装置70精确的测量出被测物体100轮廓上每个点的三维信息。

步骤113：输出每个点的检测结果。

对于不同的待测物体的边缘，运动轨迹也是不同的。规划运动轨迹的目的是：保证待测物体在移动或转动的过程中，待测物体被测点的切线方向与激光三维测量装置70发出的激光线的方向垂直。

本发明测试方法的第一步，首先将第一夹具80固定在第一Y运动轴20上，再将被测物体固定在第一夹具80内。

图4所示为CCD面阵图像采集装置的镜头51提取任意形状待测物体100表面轮廓的结构示意图。

由于CCD面阵图像采集装置50的镜头51的视野范围有限，如果被测物体100尺寸超过了镜头51的成像范围，通过把被测物体100的正面为几个区域进行拍摄。

本实施例优先选用的被测物体的尺寸没有超过CCD面阵图像采集装置50的镜头51的视野范围。本发明的被测物体不是用来发明限制为这些优选检测物体，而更确切地是使本领域的技术人员能够检测、测量和使用本发明。

光源53为CCD面阵图像采集装置50提供照明，保证CCD面阵图像采集装置50能够采集到清晰的图像。

CCD面阵图像采集装置50与运动控制系统40连接，运动控制系统40与激光三维测量装置70连接。

本发明测试方法的步骤105至步骤110包括如下步骤：

步骤A1：CCD面阵图像采集装置50对第一夹具80内对被测物体100的正面进行图像采集301。

步骤A2：对步骤A1采集的图像进行处理302。

步骤A3：CCD面阵图像采集装置50提取出被测物体100的轮廓信息301，并将被测物体100的轮廓信息303输出给运动控制系统40。

步骤A4：运动控制系统40根据输出的轮廓信息303计算出轮廓上每一个点的切线方向。

步骤A5：激光三维测量装置70系统根据每个点的切线方向进行测量，保证测量的准确性。

图5是提取被测物体100轮廓上点切线方向的结构示意图，本发明测试方法的步骤107的具体方法为:根据CCD面阵图像采集装置50采集到被测物体100表面轮廓的点，可以拟合出n条弧线，并且能够找到每条弧线对应的圆心坐标，根据这个圆心坐标计算每条弧上面的点的切线方向。假设其中一条弧线P，其弧线P的切线方向为304，弧线P的法线方向为305。

将所有轮廓上的点的切线方向全部采集到后发送给运动控制系统40。

步骤112的具体方法为：根据计算出的待测物体100轮廓上每个点的切线方向，激光三维测量装置70根据计算出的轮廓上每个点的切线方向运动到被测量点切线方向的垂直方向，即被测点的法线方向，此时由激光三维测量装置70内的激光器71出射的激光线方向与轮廓上被测点的切线方向垂直，根据激光三角测量的原理计算出被测点的三维信息。

激光三维测量装置是基于激光三角测量原理设计的。

图6是为激光三角测量原理图，激光三维测量装置70的激光器71发出激光光束，经激光器71内的第一光学系统72汇聚投射到被测物体100表面，当被测物体100相对传感器移动时，被测物体100移动的两点(A’和A”)分布为经被测物体100表面散射回的激光束又通过接收CCD面阵图像采集装置50的第二光学系统51成像在CCD成像平面52的不同位置处，从而测出被测物体100的位移量，其中，CCD成像平面52位于CCD面阵图像采集装置50内(如图4所示)。但由于传感器激光光束与被测物体100的被测面垂直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置的成像都处于不同程度的离焦状态。

离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度，为了提高精度，α和β必须满足Schneimplug条件，即：

tanα＝mtanβ

其中：m为横向放大率。

α为激光束光轴与第一光学系统72(接收透镜光轴)之间的夹角。

β为CCD成像平面21与第二光学系统51(接收透镜光轴)之间的夹角。此时一定景深范围内的被测点都能正交成像在探测器上，从而保证了精度。

假设被测物体100在A点处，A为参考平面，被测物体100相对传感器在A点上下移动，分别为A’和A”，A和A’两点、A和A”两点之间的距离均为x，激光束照射到A平面的光点经透镜成像在在CCD成像平面21上的B点，激光束照射到A’平面的光点经透镜成像在CCD成像平面52上的B’点，B点和B’两点之间的距离为x’，激光束照射到A”平面的光点经透镜成像在CCD成像平面21上的B”点，B点和B”两点之间的距离也为x’，即光点在成像面上的位移为x’，则根据几何成像关系可计算出被测平面的位移：

$x=\frac{{\mathrm{Lx}}^{\′}\sin \mathrm{\β}}{L^{\′}\sin \mathrm{\α}-x^{\′}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其中：L为激光束光轴和接收光轴的交点到第二光学系统75(接收透镜)前主面的距离。

L’为第二光学系统12(接收透镜)后主面到CCD成像平面52的距离。

图7是激光线与被测物体100的被测点切线方向垂直时测量结构示意图，假设被测物体100的被测点为A点，该A点的切线方向为306，激光线73与被测点A点的切线方向306垂直，根据计算出被测点A点的切线方向306的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线73正下方，保证被测点A点切线方向306与激光线73方向垂直并进行测量。在图5中采集到的激光线的图像307存在高低差的两点之间的过渡地带非常锐利，结合点非常容易找到，能够保证计算结果的准确性。

图8是激光线与被测物体100的被测点切线方向不垂直时测量结构示意图，假设被测物体100的被测点为B点，该B点的切线方向为308，激光线73与被测点B点的切线方向308不垂直，根据计算出被测点B点的切线方向的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线正下方，被测点B点切线方向308与激光线73方向不垂直并进行测量。在图6中采集到的激光线的图像309存在高低差的两点之间的过渡地带非常平缓，结合点不容易被找到，这样计算出来的结果准确性很难保证。

本发明首先通过CCD面阵图像采集装置50计算被测物体100轮廓上每个点的切线方向，激光三维测量装置70根据计算出的轮廓上每个点的切线方向运动到被测量点切线方向的垂直方向，即被测点的法线方向，此时由激光三维测量装置70出射的激光线方向与轮廓上被测点的切线方向垂直，根据激光三角测量的原理计算出被测点的三维信息。

本发明通过视觉检测装置(CCD面阵图像采集装置50)实现被测物体100的图像采集，通过图像处理软件(CCD面阵图像采集装置50)对采集到的图像进行图像处理，获得物体的表面轮廓，通过运动控制系统将被测物体100进行精确的平移和旋转定位，实现了实时轮廓跟踪的激光三维测量，整个激光三维测量系统实现了检测的自动化，并且提高了检测效率、检测精度和检测准确度。

为了使本发明的目的、技术方案更清楚明白，以上结合附图和实施例，对本发明进行了详细的说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光三维测量系统，用于三维测量任意形状的待测物体，其特征在于，包括：X运动轴；与X运动轴垂直的多个Y运动轴；固定在X运动轴上的运动控制系统、固定在X运动轴上的图像采集装置和自动旋转运动滑台、固定在自动旋转运动滑台上的激光三维测量装置、固定Y运动轴的夹具，所述夹具用于固定被测物体。

2.根据权利要求1所述的激光三维测量系统，其特征在于：图像采集装置包括位于图像采集装置下端的镜头，并在镜头下设有一光源。

3.根据权利要求1或2所述的激光三维测量系统，其特征在于：图像采集装置为CCD面阵图像采集装置。

4.使用权利要求1-3任一所述激光三维测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下方法：

步骤101：在夹具内放入并固定任意形状的被测物体；

步骤102：开启激光三维测量系统并对准测量系统零位；

步骤103：将图像采集装置沿X运动轴运动到所述夹具正上方；

步骤104：打开光源；

步骤105：由图像采集装置对所述夹具内的被测物体进行图像采集；

步骤106：对步骤105采集的图像进行处理；

步骤107：找到被测物体的表面轮廓信息；

步骤108：对找到的轮廓上的点进行弧线拟合；

步骤109：找到各个弧线的圆心，计算出每个点的切线方向；

步骤110：将轮廓上每个点的切线方向的运动位置发送给运动控制系统；

步骤111：激光三维测量装置根据运动控制系统内的每个点的切线方向的信息，自动旋转运动滑台将激光三维测量装置运动到被测物体100的法线方向；

步骤112：由激光三维测量装置测量出被测物体轮廓上每个点的三维信息；

步骤113：输出每个点的检测结果。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤112的具体方法为：根据计算出的待测物体轮廓上每个点的切线方向，激光三维测量装置发出的激光线方向与轮廓上被测点的切线方向垂直，根据激光三角测量的原理计算出被测点的三维信息。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：当激光三维测量装置发出的激光线与被测物体的被测点切线方向垂直时，假设被测物体的被测点为A点，激光线与被测点A点的切线方向垂直，根据计算出被测点A点的切线方向的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线正下方。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：当激光三维测量装置发出的激光线与被测物体的被测点切线方向不垂直时，假设被测物体的被测点为B点，激光线与被测点B点的切线方向不垂直，被测点B点的切线方向的位置将带有被测物体的夹具移动到激光线正下方，被测点B点切线方向与激光线方向不垂直并进行测量。

8.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述步骤111之前，运动控制系统将装有被测物体的夹具平移至激光三维测量装置的正下方。

9.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤105至步骤110包括如下步骤：

步骤A1：图像采集装置对夹具内对被测物体的正面进行图像采集；

步骤A2：对步骤A1采集的图像进行处理；

步骤A3：图像采集装置提取出被测物体的轮廓信息，并将被测物体的轮廓信息输出给运动控制系统；

步骤A4：运动控制系统根据输出的轮廓信息计算出轮廓上每一个点的切线方向；

步骤A5：激光三维测量装置系统根据每个点的切线方向进行测量。

10.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤107的具体方法为:根据图像采集装置采集到被测物体表面轮廓的点，可以拟合出n条弧线，找到每条弧线对应的圆心坐标，根据这个圆心坐标计算每条弧上面的点的切线方向。