CN106338245B - 一种工件非接触移动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种工件非接触移动测量方法，测量原理为首先控制测量小车到达指定位置，利用工业测量相机，对被测工件及其编码标志点进行拍照采集，确定工件的摆放角度；然后根据所获得的图像信息，结合预先输入的待测参数位置信息，确定待测区域的大致位置和范围；引导机械臂上的激光扫描仪对待测区域进行扫描，对点云数据处理后计算被测参数，如长度、孔心距、圆心、半径、曲率等。本发明将激光扫描仪、机械臂等装置架构在测量小车上，构建了一个可移动的非接触测量平台，能够满足对同一工厂内多类型复杂工件及其各类参数的测量，适用性广，工作效率高。

Description

一种工件非接触移动测量方法

技术领域

本发明涉及图像处理、机器视觉以及传感器等技术，应用于工业生产自动化领域，属于一种多信息融合的可移动非接触测量方法及系统。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产规模的扩大和自动化程度的不断提高，非接触测量在现代化生产过程中的应用越来越广。非接触测量是指利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如声、光、电磁等来获取物体表面的三维坐标信息。随着机器视觉和光电技术的发展，采用光电方法的非接触测量技术迅速发展。它以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体。目前较为常用的非接触测量方式包括经纬仪测量系统，全站仪测量系统，激光跟踪测量系统，室内GPS等。经纬仪测量系统的优点是测量范围大，测量精度比较高，其不足是一般采用手动照准目标，逐点测量，测量速度慢、自动化程度不高；全站仪测量系统的测程较远，但测量精度非常低；激光跟踪测量系统的整体性能和精度要优于全站仪测量系统，但在单项指标上，如测角精度要比全站仪的要低，测量范围也比全站仪要小；室内GPS是采用室内激光发射器来模拟卫星，通过角度交汇的方法来测量三维坐标，测量精度高，但是设备组成复杂，移动不方便。

传统的非接触测量方法为工业测量与检测提供了诸多方便，但也还存在一些待解决的问题：1）对测量环境要求严格，如测量平台的稳定性要高，否则测量精度会大打折扣。2）通用性差，在测量不同尺寸的工件时需要重新设定各种参数。3）灵活性差，传统的测量仪器一般都固定安装，移动起来非常不方便。另外还存在测量速度慢，自动化程度低等问题，可见适用性非常差。如何最大化的提高生产技术和节约运营成本成为各大企业发展的重点。综上，开发出一种兼具通用性、灵活性和稳定性的非接触测量系统对于提高效率、降低成本具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺点，利用生产现场具备的AGV及其轨道，提供一种工件非接触移动测量方法, 用于快速准确的测量工件三维参数，如尺寸、孔心距、圆心、半径、表面平整度等，在一定程度上克服了传统非接触测量方式通用性和灵活性差、测量不稳定等问题，有效地提高了测量平台的使用效率。

为了解决以上技术问题，本发明提供的一种工件非接触移动测量方法，包括以下步骤：

第1步、测量小车到达指定位置，利用测量小车上安装的工业测量相机对工件进行拍摄，将拍摄采集到的图像信息进行处理，确定工件的摆放角度；

第2步、根据拍摄采集到的图像信息和相机的位置信息，将工件图像的像空间坐标系转换至物空间坐标系；通过预设的参数信息，处理终端计算出被测区域的相对位置和范围，所述参数信息为测量半径和被测区域中心至工件两个指定边缘的距离；

第3步、处理终端根据被测区域范围估算出被测区域的面积，待测区域的面积与激光扫描仪的单次扫描面积阈值进行比较，根据比较的结果采取相应的扫描策略；

第4步、利用测量小车上安装的三维激光扫描仪对待测区域进行扫描，将数据信息返回至处理终端，经过处理终端的处理，得到测量数据。

为了进一步解决以上技术问题，本发明还具有以下特征：

1、所述小车具有伺服控制的机械手臂，机械手臂由液压可伸缩的下测量臂和上测量臂、测量臂间可水平转动的电动转盘轴承、光栅编码度盘和光栅尺位移传感器组成，所述机械手臂安装在小车上与小车行进方向垂直的电控轨道上，上测量臂的转动角通过光栅编码度盘实时反馈，机械手臂在轨道上的位移量和两测量臂的伸缩量由光栅尺位移传感器实时反馈，在机械手臂的上测量臂前端的固定位置分别安装工业测量相机和三维激光扫描仪。

2、所述步骤1执行过程如下：测量小车根据运动控制单元发出的指令进行移动；工业测量相机利用测量臂的伸缩和小车的移动对工件进行拍照采集；对拍摄到的工件图像进行边缘直线检测并求取边缘直线的斜率，确定工件的摆放角度。

3、所述步骤2中，在工件四角粘贴可供图像采集的编码标志点，将采集到的图像信息利用数字近景摄影测量技术进行处理，生成多个包含编码标志点坐标的像空间坐标系，通过相同编码标志点的整合将所有像空间坐标系转换为物空间坐标系，即三维全局坐标系。

4、所述步骤2中，根据所述参数信息生成圆形区域，所述圆形区域外接一个矩形区域，该矩形区域的面积为被测区域的面积。

5、所述第2步完成之后，处理终端判断所得到的待测区域是否确定，如果确定则待测区域相对位置明确，执行第3步；否则对工业测量相机拍摄到的工件图像进行图像处理，识别粘贴于工件表面特征点处编码标志点，结合生成的三维全局坐标系，确定该编码标志点的中心位置坐标，结合预设的测量半径，得到明确的被测区域的相对位置，然后再执行第3步；所述编码标志点预先粘贴于工件表面待测区域的中心附近。

6、若待测区域面积小于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则利用测量小车的三维激光扫描仪直接对待测区域进行扫描；若待测区域面积大于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则先由预先设定的一次扫描面积值估算需要扫描的次数，结合工件的摆放角度规划扫描路径，再对工件的待测区域按照预划的扫描路径进行分次扫描。

7、所述第4步中，进行初始扫描时，控制终端调节三维激光扫描仪到达初始扫描位置；激光扫描数据实时传输回处理终端；进行多次扫描时，进行三维点云模型的拼接。

8、所述测量小车为AGV小车。

本发明，通过AGV小车的引导，辅助以机械手臂的控制，实现了对工件的移动式非接触测量，尤其适用一些传统测量仪因为测量环境和工件尺寸问题而无法测量的场合，适用性广。能够利用工厂原有的AGV生产线进行改装，成本较低，在非接触测量生产中具有广泛的应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明以AGV为平台的工件非接触移动测量方法流程示意图。

图2是本发明以AGV为平台的工件非接触测量系统的结构组成示意图。

图3是本发明实施例中AGV测量平台结构概略图。

图中示意如下：

1-工业测量相机，2-激光扫描仪，3-上测量臂，4-测量臂间可水平旋转的电动转盘轴承，5-下测量臂，6-电控轨道，7-引导小车路径的黑色磁带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种以AGV为平台的工件非接触移动测量方法。如图3所示，小车具有伺服控制的机械手臂，机械手臂由液压可伸缩的下测量臂5和上测量臂3、测量臂间可水平转动的电动转盘轴承4、光栅编码度盘和光栅尺位移传感器组成，机械手臂安装在小车上与小车行进方向垂直的电控轨道6上，上测量臂1的转动角通过光栅编码度盘实时反馈，机械手臂在轨道上的位移量和两测量臂的伸缩量由光栅尺位移传感器实时反馈，在机械手臂的上测量臂3前端的固定位置分别安装工业测量相机1和三维激光扫描仪2。图3中，7为引导小车行走路线的磁带。

工件非接触移动测量方法，首先获取工件的包含各标志点的图像信息，确定工件的摆放角度；利用所输入的被测区域位置信息，处理终端计算出被测区域相对位置和范围，与激光扫描阈值进行比较，采取不同的扫描策略；三维激光扫描仪对被测区域进行扫描，获取工件被测区域的所需参数信息。

图1是本发明实施例中以AGV为平台的工件非接触测量流程示意图，具体包括以下步骤：

S1：AGV小车到达指定位置，利用AGV小车上安装的工业测量相机对工件进行拍摄，将拍摄采集到的图像信息进行处理，确定工件的摆放角度。本步骤中，AGV小车根据运动控制单元发出的指令进行移动；工业测量相机利用测量臂的伸缩和小车的移动对工件进行拍照采集；对拍摄到的工件图像进行边缘直线检测并求取边缘直线的斜率，确定工件的摆放角度。

S2：根据输入的被测区域位置信息，处理终端计算出被测区域的相对位置。

根据拍摄采集到的图像信息和相机的位置信息，将工件图像的像空间坐标系转换至物空间坐标系；通过预设的参数信息，处理终端计算出被测区域的相对位置和范围，所述参数信息为测量半径和被测区域中心至工件两个指定边缘的距离。本步骤中，在工件四角预先粘贴可供图像采集的编码标志点，将采集到的图像信息利用数字近景摄影测量技术进行处理，生成多个包含编码标志点坐标的像空间坐标系，通过相同编码标志点的整合将所有像空间坐标系转换为物空间坐标系，即三维全局坐标系。根据所述参数信息生成圆形区域，所述圆形区域外接一个矩形区域，该矩形区域的面积为被测区域的面积。

S3：处理终端根据被测区域相对位置的明确程度进行判断，若明确，直接进行S5步；

S4：若待测区域相对位置不明确，则对工业测量相机拍摄到的工件图像进行图像处理，识别粘贴于工件表面特征点处编码标志点，结合生成的三维全局坐标系，确定该编码标志点的中心位置坐标，结合预设的测量半径，得到明确的被测区域的相对位置，然后再执行S5步；所述编码标志点预先粘贴于工件表面待测区域的中心附近；

S5：处理终端根据被测区域范围估算出被测区域的面积，待测区域的面积与激光扫描仪的单次扫描面积阈值进行比较，根据比较的结果采取相应的扫描策略；

S6：若待测区域面积小于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则利用AGV小车的三维激光扫描仪直接对待测区域进行扫描；

S7：若待测区域面积大于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则先由预先设定的一次扫描面积值估算需要扫描的次数，结合工件的摆放角度规划扫描路径;

关于扫描路径规划，下面进行简单说明。

实际上影响激光扫描阈值T的关键因素是激光扫描的宽度W，扫描时，扫描光线的宽度是有限的，而沿着长度方向上扫描仪可以一直运动不受影响，所以软件在做自动路径规划时只要根据待测区域的宽度并进行相关比较和判断即可进行下面的步骤。（此宽度即为2R（R为事先输入的待测区域半径））。

处理终端对待测区域的大小进行判断。若待测区域宽度大于激光扫描宽度W（扫描激光投射到工件上是一个宽度为W的矩形面），处理终端先根据已知的待测区域宽度2R，当扫描仪从待测区域的一端到另一端扫描结束后，利用上述扫描激光投射到工件上为矩形面的特点，上测量臂带动扫描仪在工件宽度方向上伸出1/2W后继续沿相反方向进行扫描（相当于对每次被扫的区域进行两次的重复扫描，确保扫描精度），反复进行上述扫描步骤，直到扫描仪的位置超出待测区域的宽度位置，进行最后一次扫描，扫描结束。若待测区域宽度小于等于激光扫描宽度W，即可从待测区域的一端扫描至另一端，扫描仪前进1/2W后再扫描一次即可结束。扫描仪的初始扫描位置应定位在待测矩形区域的一顶点处（扫描仪中心与矩形顶点对齐）。

S8：在S7步的基础上，按照设定的路径对待测区域进行多次扫描；

S9：扫描仪将扫描获得的数据返回至处理终端；

S10：处理终端对扫描仪返回的数据进行处理；

S11：处理终端在显示屏中输出所需的被测参数；

S12：处理终端判断所有待测参数是否全部处理完毕。若处理完毕，则结束测量过程；若未处理完毕，则返回S2步进行下一个参数的测量。

对S1作进一步说明：

操作人员根据被测工件所在厂房内的工位位置，从处理终端向AGV小车发出移动指令，指挥AGV小车到达初始位置以进行图像采集，该位置大概位于工件左（右）前方处；AGV小车上安装了伺服控制的机械手臂；机械手臂安装在小车上一个与小车行进方向垂直的电控轨道上；上测量臂的水平转动角可通过光栅编码度盘实时反馈，机械手臂在轨道上的位移量和两测量臂的伸缩量都可用光栅尺实时反馈。在机械手臂的上测量臂前端固定位置安装工业测量相机（如图3）；工业测量相机利用测量臂的伸缩和小车的移动对工件进行拍照采集；待小车行至工件右（左）前方大概位置，从控制终端发出停止采集信号，采集结束。根据获得的工件图像信息，利用边缘直线检测和斜率求取可确定工件摆放的角度，该角度用于后续激光扫描的路径规划。

对S2作进一步说明：

将采集到的图片信息使用数字近景摄影测量技术处理。根据小孔成像等原理和各编码标志点的分布信息来对采集到的图像进行处理，从而确定各标志点和相机的像空间坐标；最后根据相同编码标志点的整合拼接这些图像，生成三维全局坐标系。操作人员事先在终端输入被测区域中心至工件某两个特定边缘（可根据四个角的编码标志点确定）的距离和测量半径，利用这些信息生成的圆形区域可以计算出被测区域的相对位置。

其中，数字近景摄影测量是通过在不同位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到标志点精确的三维坐标。数字近景摄影测量基于光学的基本原理：像点、摄影中心点以及物方点位于一条直线上，用数学方法来表示就是共线条件方程式。

利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程，能够解算出物方点和摄影中心点坐标，构建像空间坐标系，即可得到编码标志点以及相机位置的精确坐标；设定第一张图像的像空间坐标系为参考坐标系，最后进行同名编码标志点的整合，构建物方空间坐标系，得到包含整个工件被测范围的三维全局坐标系。

对S3作进一步说明：

处理终端根据之前计算出的被测区域相对位置明确程度进行判断，若相对位置明确，直接进行S5步，否则，进行S4步。

对S4作进一步说明：

当被测区域的相对位置不明确时，则需利用CCD的辅助进行相对位置的确定。利用CCD获取的特征点处的图像信息，结合已知的三维全局坐标系，能够确定待测参数所在特征处的标志点坐标，从而求得被测区域的相对位置。

对S5作进一步说明：

处理终端根据前述待测区域的圆形区域，外接一个正方形，计算出此矩形区域的面积作为待测区域的范围。按照所测得的工件摆放角度，矩形的一边应与工件的一边平行。终端接着对待测区域范围大小与激光扫描阈值T进行比较，从而采取不同的扫描策略。

对S9作进一步说明：

三维激光扫描仪（如图3）安装在上测量臂前端固定位置。激光扫描仪的位置和相机的位置相对固定，由此，激光扫描仪的坐标值也可确定（相机坐标值已知）。初次扫描时，控制终端通过测量臂的伸缩和旋转，自动调节扫描仪到达初始扫描位置（由软件自动规划的路径决定）。当上测量臂伸出的长度不够时，可以自动控制轨道带动机械臂的移动以进行长度上的补充。激光扫描测量时，将测量数据实时传输回处理终端，直到扫描结束；

对S10，S11作进一步说明：

处理终端接收来自扫描仪所获得的数据信息，进行进一步处理，得到工件被测区域的三维测量面图像，以及所需要的如长度、孔心距、圆心、半径、曲率等参数信息，并显示在控制屏中。

实施例还提供了一种以AGV为平台的工件非接触测量系统，如图2所示，该系统包括：

AGV运动控制单元：用于控制小车的运动行为；

机械手臂单元：用于调整并控制工业测量相机和激光扫描仪的姿态和位置；

数据采集单元：用于采集工件的图像信息和激光扫描信息；

数据处理终端：用于计算机统筹各模块，进行决策判断和处理整个测量工件的过程。

其中，AGV运动控制单元与机械手臂单元用于控制数据采集单元的位置移动，以满足数据采集的需要。数据处理终端接收来自AGV运动控制单元与机械手臂单元的位置反馈信息，进而通过终端的计算和处理，给上述两个单元发送控制信息，控制小车和机械臂的动作。数据采集单元将采集的数据信息发送回数据处理终端，终端通过对数据采集单元中的相机快门、焦距和激光扫描仪工作状态的控制，使整个系统协调运作。

AGV运动控制单元包括：磁条检测模块；速度检测和反馈模块；位移传感器模块；车轮运动模块；数据传输模块。

机械手臂单元包括：上测量臂运动模块；下测量臂运动模块；光栅尺模块；轨道运动模块；测量臂间转盘轴承运动模块；码盘模块；数据传输模块。

数据采集单元包括：相机快门控制模块；相机变焦距模块；激光扫描模块；数据传输模块。

数据处理终端包括：图片处理模块；判断模块；激光扫描数据处理模块；小车和机械手臂运动数据处理模块；信息存储模块；显示模块；数据传输模块。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种工件非接触移动测量方法，包括以下步骤：

第1步、测量小车到达指定位置，利用测量小车上安装的工业测量相机对工件进行拍摄，将拍摄采集到的图像信息进行处理，确定工件的摆放角度；

第2步、根据拍摄采集到的图像信息和相机的位置信息，将工件图像的像空间坐标系转换至物空间坐标系；通过预设的参数信息，处理终端计算出被测区域的相对位置和范围，所述参数信息为测量半径和被测区域中心至工件两个指定边缘的距离；

第3步、处理终端根据被测区域范围估算出被测区域的面积，待测区域的面积与激光扫描仪的单次扫描面积阈值进行比较，根据比较的结果采取相应的扫描策略；

第4步、利用测量小车上安装的三维激光扫描仪对待测区域进行扫描，将数据信息返回至处理终端，经过处理终端的处理，得到测量数据。

2.根据权利要求1所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述小车具有伺服控制的机械手臂，机械手臂由液压可伸缩的下测量臂和上测量臂、测量臂间可水平转动的电动转盘轴承、光栅编码度盘和光栅尺位移传感器组成，所述机械手臂安装在小车上与小车行进方向垂直的电控轨道上，上测量臂的转动角通过光栅编码度盘实时反馈，机械手臂在轨道上的位移量和两测量臂的伸缩量由光栅尺位移传感器实时反馈，在机械手臂的上测量臂前端的固定位置分别安装工业测量相机和三维激光扫描仪。

3.根据权利要求2所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述步骤1执行过程如下：测量小车根据运动控制单元发出的指令进行移动；工业测量相机利用测量臂的伸缩和小车的移动对工件进行拍照采集；对拍摄到的工件图像进行边缘直线检测并求取边缘直线的斜率，确定工件的摆放角度。

4.根据权利要求2所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述步骤2中，在工件四角粘贴可供图像采集的编码标志点，将采集到的图像信息利用数字近景摄影测量技术进行处理，生成多个包含编码标志点坐标的像空间坐标系，通过相同编码标志点的整合将所有像空间坐标系转换为物空间坐标系，即三维全局坐标系。

5.根据权利要求2所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述步骤2中，根据所述参数信息生成圆形区域，所述圆形区域外接一个矩形区域，该矩形区域的面积为被测区域的面积。

6.根据权利要求4所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述第2步完成之后，处理终端判断所得到的待测区域是否确定，如果确定则待测区域相对位置明确，执行第3步；否则对工业测量相机拍摄到的工件图像进行图像处理，识别粘贴于工件表面特征点处编码标志点，结合生成的三维全局坐标系，确定该编码标志点的中心位置坐标，结合预设的测量半径，得到明确的被测区域的相对位置，然后再执行第3步；所述编码标志点预先粘贴于工件表面待测区域的中心附近。

7.根据权利要求1所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：若待测区域面积小于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则利用测量小车的三维激光扫描仪直接对待测区域进行扫描；若待测区域面积大于激光扫描仪的单次扫描面积阈值，则先由预先设定的一次扫描面积值估算需要扫描的次数，结合工件的摆放角度规划扫描路径，再对工件的待测区域按照预划的扫描路径进行分次扫描。

8.根据权利要求7所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述第4步中，进行初始扫描时，控制终端调节三维激光扫描仪到达初始扫描位置；激光扫描数据实时传输回处理终端；进行多次扫描时，进行三维点云模型的拼接。

9.根据权利要求1-7任一项所述一种工件非接触移动测量方法，其特征在于：所述测量小车为AGV小车。