CN106705879B - 利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维形状测量仪及利用该三维形状测量仪的物体测量方法。具体是，利用可垂直、水平旋转的三维形状测量仪读取车辆上的特定物体时，向X轴方向一次和按照物体数量向Y轴方向分别扫描而缩短作业时间，使用可垂直、水平旋转的旋转装置不需要设置多个二维测距仪而节省成本，且所述旋转装置可精确地控制旋转角度而精密性高，同时赋予便利性而扩大经济效率。

Description

利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三 维形状测量仪

技术领域

本发明涉及利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪。具体地，利用可水平、垂直旋转的三维测量仪向X轴扫描获取物体的位置和物体的Y轴中心坐标，通过该坐标扫描Y轴，将物体和三维形状测量仪设置高度、测量距离、测量角度转换成数据，并演算出物体的X、Y、Z轴坐标值而提高将物体装车、卸车时作业的准确性和便利性，且缩短作业时间的利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪。

背景技术

三维形状测量方法一般包括使用价格高昂的形状测量仪：或者在激光测距仪的光轴上设置倾斜45度的旋转镜，根据镜子旋转角测定对象的距离，然后基于该测量值测量对象物体的三维形状；或者将两台二维测距仪向X坐标、Y坐标方向设置，使之以测量物体为中心上下倾斜(Tilting)或者左右旋转(Panning)，进而基于跟随其移动角度的二维形状测量仪距离值测量三维形状的方法。

如今随着工业界各个领域技术的迅猛发展，半导体、MEMS、平板显示器、光配件等领域产生了微细加工需求，进一步对纳米单位超精细制造技术产生了需求。

这些加工所需的加工形状也从二维图形向复杂的三维形状变化，随之三维微细形状测量技术的重要性也日益突出。

下面先叙述传统技术。

注册编号10-0379948(专)涉及三维形状测量方法，作为利用平行立体相机和激光测量距离后将测量物体的形状模型输入电脑的方法，该方法包括：将激光线束照射到被测量物体，然后使用并行模型获得左侧和右侧图像的第一步骤；在左侧和右侧图像的极线中利用特征信息找出激光线的位置并求出匹配点的第二步骤；检查匹配点的有效性的除去错误的匹配值，根据有效匹配值通过插值法演算无效匹配值的第三步骤；用数式演算模型坐标，根据相邻的模型坐标制定四边形面(facet)信息和具有面属性值的模型表的第四步骤；驱动步进电机使被测量物体旋转一定角度的第五步骤； 360度扫描完成以后储存模型表，然后退出程序，否则反复实施步骤1的第六步骤。

注册编号10-0956854(专)涉及超高速形状测量方法，作为利用以压电驱动器驱动基准反射镜而获得基准光的干涉仪的三维物体形状测量方法，包括：由光源发出光的步骤；将所述发出的光分光，分为基准光和由所述物体反射的反射光的步骤；使所述基准光和反射光干涉而获得多个干涉条纹的步骤；所述干涉条纹获得步骤是在驱动所述基准反射镜的驱动时间内反复实施输出多个图像捕捉指令的步骤而获得多个干涉条纹，所述图像捕捉指令是在所述压电驱动器驱动以后发生最大超调量之前首次到达稳定状态(ds1至ds4)区段的时点输出。

注册编号10-0489431(专)是涉及扫描式相移三维形状测量方法，作为利用相移的干涉条纹测量对象三维形状的方法，包括：使以测量光源和在对象上面形成图像的至少一个以上的格栅以及经由所述至少一个以上格栅形成的干涉条纹而测量对象三维形状的多个单元图像传感器阵列结构组成的图像传感器包括在内的三维形状测量装置整体地移动，或者使所述对象移动并进行扫描的步骤；通过所述图像传感器测量使所述三维形状测量装置移动或者使对象移动而相移的干涉条纹的步骤；利用通过所述图像传感器测量的干涉条纹运算对象三维形状信息的步骤。

从传统技术上来看，大部分都是利用多个相机测量三维形状，其成本比较高，结构多，使装置的安装费用增多而使经济效率下降，并捕捉图像作业而使内存的容量增大，且扫描物体即三维形状进行测量的方法比较精细，但作业所需时间较多，故实际利用起来并不是很适用的一项技术。

因此，作为三维形状的测量方法，需要开发一种可以迅速准确地测量，进一步缩短作业时间的技术。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是，提供一种利用可垂直、水平旋转的三维形状测量仪测量物体的方法，以准确地掌握装在车辆上的物体形状、数量和位置并迅速准确地卸下物体，进而掌握车辆的装载空间，将物体准确地装到所需的位置，同时提供用于测量物体方法的三维形状测量仪。

技术方案

本发明采用的技术方案是提供利用将物体装、卸到车辆时使用的可垂直、水平旋转的三维形状测量仪的物体测量方法，该方法包括：将所述三维形状测量仪固定安装在拟测量的物体所处位置上部的步骤(S100)；使所述物体位于所述三维形状测量仪下部以后，使所述三维形状测量仪的水平方向保持0°的状态下向垂直方向旋转扫描X 轴而演算物体Y轴中心坐标的X轴测量步骤(S200)；使所述三维形状测量仪向水平方向旋转90°以后，通过所述X轴测量步骤(S200)求出中演算的物体Y轴中心坐标向垂直方向旋转而扫描Y轴的Y轴测量步骤(S300)；将在所述X、Y轴测量步骤 (S200，S300)获取的物体和三维形状测量仪的设置高度、测量距离、测量角度转换成数据并演算物体的X、Y、Z轴坐标值的演算步骤(S400)。

本发明采用的技术方案是提供用于所述物体测量方法的三维形状测量仪，包括：水平旋转装置(10)，下部形成有第一旋转轴(12)，内部形成有使所述第一旋转轴(12) 旋转的第一电机(11)；水平旋转导板(20)，上部连接于所述水平旋转装置(10)的第一旋转轴(12)，两侧形成贯通槽(21)；垂直旋转装置(30)，连接形成于所述水平旋转导板(20)的一侧端部，且一侧形成有第二电机(31)，并且，形成有在所述贯通槽(21)两侧夹入结合并连接于所述第二电机(31)而旋转的第二旋转轴(32)；激光指示器(45)，形成于所述水平旋转导板(20)的一侧，且在未连接于所述第二电机(31)的第二旋转轴(32)的外周面上形成；垂直旋转导板(40)，形成于所述水平旋转导板(20)的内部，两侧形成连接槽(41)而与所述第二旋转轴(32)结合，并且，内部形成空间部(42)；二维测距仪(50)，在所述垂直旋转导板(40)的内部夹入结合；控制装置(60)，形成于所述水平旋转装置(10)的内部，并分别控制所述水平旋转装置(10)、垂直旋转装置(30)、激光指示器(46)、二维测距仪(50)。

有益效果

根据本发明的利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪，其有益效果在于，读取物体时向X轴方向扫描三次，按物体的数量向Y 轴方向分别进行扫描而缩短作业时间，使用可垂直、水平旋转的旋转装置不需要设置多个二维测距仪而节省成本，利用所述旋转装置可以精确地控制旋转角度而精密性高，且准确测量物体而提升装、卸物体时的便利性的同时扩大经济效率。

附图说明

图1是显示本发明优选实施例的顺序图；

图2是显示本发明优选实施例的结构图；

图3是本发明的物体被装到车上的状态下测量X、Y轴的示意图；

图4是本发明的物体未被装到车上的状态下测量X、Y轴的示意图；

图5是显示本发明的扫描X轴和Y轴测量的2D形状的示意图；

图6是本发明的求物体长度的示意图；

图7是本发明的求物体长度的示意图；

图8是本发明的演算物体(测量对象)高度(厚度T)的示意图；

图9是显示本发明的演算物体(测量对象)高度(厚度T)的示意图；

图10是显示本发明优选实施例的透视图；

图11是显示本发明优选实施例的透视图；

图12是显示本发明优选实施例的分解图；

图13是显示本发明优选实施例的剖视图；

图14是显示本发明优选实施例的运行状态图；

图15是显示本发明优选实施例的运行状态图；

图16是显示本发明优选实施例的运行状态图。

符号说明

10:水平旋转装置 11:第一电机

12:第一旋转轴 20:水平旋转导板

21:贯通槽 22:结合槽

30:垂直旋转装置 31:第二电机

32:第二旋转轴 40:垂直旋转导板

41:连接槽 42:空间部

50:2维测距仪 45:激光指示器

60:控制装置 S100:设置步骤

S200:X轴扫描步骤 S300:Y轴扫描步骤

S400:演算步骤

具体实施方式

通常将卸下车辆上装载的物体或将需装载的物体装到车辆的货厢时，为加快速度和提高准确性和作业效率，先测量物体后进行装卸。

从传统技术上来看，大致利用三维形状测量仪测量物体(车辆上装载的物体或者车辆的货厢)，而且为了提高准确性，连非常细微的部分也进行测量而导致所消耗时间较大的问题。

为此本发明提供利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪。根据本发明，利用可水平、垂直旋转的三维测量仪向X轴扫描获得物体的位置和物体的Y轴中心坐标，通过该坐标扫描Y轴，将物体和三维形状测量仪设置高度、测量距离、测量角度转换成数据演算出物体的X、Y、Z轴的坐标值，从而在车辆的货厢上装、卸物体时可以提高作业的准确性和便利性并缩短作业时间。

为实现上述目的，下面结合图1至图16说明将车辆货厢的物体卸车或装车时本发明优选的物体测量方法。

首先叙述本发明的以将物体准确装、卸车为目的的物体测量方法的各个步骤，如图1至图2所示实施将所述三维形状测量仪固定设置在拟测量的物体所处位置上部的步骤(S100)，根据所述设置步骤(S100)，三维形状测量仪一般被设置在建筑物的室内上部面，对停下来的车辆(平板挂车、ET车、普通车辆、其它)货厢上装的物体或车辆货厢(物体)的X轴和Y轴进行扫描。

所述设置步骤(S100)以后，如图2至图3所示实施使所述物体被装上的车辆位于所述三维形状测量仪的下部，使三维形状测量仪的水平方向保持0°，然后使所述三维形状测量仪向垂直方向旋转扫描物体的X轴而演算物体Y轴中心坐标的X测量步骤(S200)。

如上所述，实施X轴测量步骤(S200)以后实施如图2或图5所示使所述三维形状测量向水平方向旋转90°，然后通过X轴测量步骤(S200)中求出的物体Y轴中心坐标使三维形状测量仪向垂直方向旋转扫描Y轴的Y轴测量步骤(S300)，就可以如图5所示获取物体X轴和Y轴的2D形状。

在所述X轴测量步骤(S200)如图3所示，将所述三维形状测量仪的垂直方向角度分别设定为0°、10°、-10°，通过三次扫描掌握物体的位置和数量，并根据所述Y轴测量步骤(S300)获取的物体的位置和数量扫描各个Y轴，掌握物体的准确位置，可以迅速准确地测量车辆货厢上装的物体而实现迅速卸车。

按上述方法将物体装到车辆货厢时，如图4所示，所述货厢(拟测量的物体)的 X轴以0°、10°、-10°分别扫描1-1、1-2、1-3Line，就是说，从车辆上卸货同时扫描X轴测量，所述Y轴也是一同测量，迅速掌握车辆的货厢结构，然后操作三维形状测量仪准确掌握拟装物体的货厢，因此装车时可以使物体准确位于任意位置。

重复地说，通常是，为了提高作业的便利性和准确性，在建筑物内部画出车辆停放的线条，但为了弥补决由于车辆驾驶人员的习惯或驾驶技术不熟练等原因无法准确停在所述线条上的问题，所述X轴测量步骤(S200)共经过三次掌握物体的位置和准确数量。

就是说，测量物体时，从0°、10°、-10°的角度扫描三次，求出车辆扭曲角度以后，如果扭曲严重，因无法扫描而使车辆重新停放，而且车辆在扭曲误差范围以内时，通过演算物体的中心位置获取物体的Y轴中心坐标。

实施上述步骤以后，如图5至图9所示，实施将在所述X、Y轴测量步骤(S200, S300)获取的物体和三维形状测量仪的设置高度、设置距离、测量角度转换成数据并演算物体X、Y、Z轴坐标值的演算步骤(S400)。所述演算步骤(S400)如图6所示，用三维形状测量仪扫描X轴和Y轴即可算出三维形状测量仪和地面成垂直的角度，并以地面基准高度值转换数据而使地面高度成为0，然后通过与如图7至图9所示的同样方法和过程求出物体的厚度和物体的长度。

在所述演算步骤(S400)转换成数据的方法是，通过与三维形状测量仪连接并互连的普通电脑实现。

传统的为了在车辆上装、卸物体而分别扫描X轴和Y轴的方法是采用将物体的整体面积全部扫描的方式，因此扫描和将扫描信息转换成数据的作业所需时间较长，而且车辆驾驶人员在任意场所而非所需之处装、卸车时，如果不是正常车辆，则装、卸车时会存在一定困难。

但本发明是，读取(测量)车辆的装车、卸车位置(车辆货厢)时，向X轴方向扫描三次，向Y轴方向扫描两次，由此准确测量车辆货厢(物体)的形态和位置。

通过所述方法，可以掌握车辆上装载的物体位置和形态和数量，从而迅速、准确地实施装车或卸车。

下面按物体卸车->物体装车顺序说明如上所述利用本发明的具备水平、垂直旋转功能的三维形状测量仪测量装在车辆上的物体的方法将物体卸到准确位置或装到所需位置的实施例。

首先，物体的卸车方法是，如图2所示，在建筑物的上部设置三维形状测量仪以后，使其与普通电脑连接并可互连地组成，而且虽然无图示，但优选地组成可以自动控制所述三维形状测量仪和卸物体的装置(吊车等)的控制部，并具备可以分别控制所述控制部的有线或无线遥控装置。

将物体卸车时，如图3所示，先确认车辆是否进入车辆进入线，然后由作业人员运行控制部会由三维形状测量仪自动并分别测量车辆货厢上装的物体的X轴和Y轴，并考虑车辆可能没有位于准确位置的可能性，在0°测量1-1Line，在10°测量1-2Line，在-10°测量1-3Line而掌握车辆位置是否异常。

然后，扫描所述X轴以后使所述三维形状测量仪向水平方向旋转90°，将Y轴 (2-1line)也测量两次而分别掌握被测量物体的准确位置和数量，同时如图5所示获取拟卸车的各物体的X轴和Y轴的2D形状，并通过电脑接收物体的X、Y轴信息后，如图6至图9所示，应用三角函数并利用设置高度、测量距离、测量角度演算各物体的X、Y、Z轴坐标值而准确掌握物体的位置和形状，并实现迅速卸车。

物体的装车方法是，车辆位于车辆停放线的状态下，由作业人员操作所述遥控装置，使三维形状测量仪选择性地移动至拟装车的车辆货厢中所需位置，然后通过本发明的物体测量方法演算该位置的X、Y、Z坐标而使物体被准确地装到相应的位置。

重复地说，根据将物体装车或卸物体时测量物体的方法，可以同时进行，并掌握准确位置，可以迅速地实施装车和卸车。

下面说明如上所述的利用三维形状测量仪的物体测量方法上使用的三维测量仪的结构。

首先，如图10至图12所示，其组成包括：下部形成有第一旋转轴(12)，内部形成有使所述第一旋转轴(12)旋转的第一电机(11)的水平旋转装置；上部连接于所述水平旋转装置(10)的第一旋转轴(12)连接，两侧形成贯通槽(21)的水平旋转导板(20)；连接形成于所述水平旋转导板(20)的一侧端部，且一侧形成第二电机(31)，并且，形成有在所述贯通槽(21)的两侧夹入结合并连接于所述第二电机 (31)而旋转的第二旋转轴(32)的垂直旋转装置(30)；形成于所述水平旋转导板 (20)的一侧，并在未连接于所述第二电机(31)的第二旋转轴(32)的外周面上形成的激光指示器；形成于所述水平旋转导板(20)的内部，两侧形成连接槽(41)而与所述第二旋转轴(32)结合，并且，内部形成空间部(42)的垂直旋转导板(40)；在所述垂直旋转导板(40)内部夹入结合的二维测距仪(50)；形成于所述水平旋转装置(10)的内部并分别控制所述水平旋转装置(10)、垂直旋转装置(30)、激光指示器(45)、二维测距仪(50)的控制装置(60)。

水平旋转装置(10)是如图10、12、13所示，呈长方形形状，一般设置在拟测量的形状的上部(墙面)，内部中央部形成通过外部电力驱动的第一电机(11)。所述第一电机(11)上内置可以获知旋转角度的编码器，并装配有可以精确控制角度的齿轮，并以0.01°的Resolution可旋转360°地形成。

此外形成与所述第一电机(11)连接形成旋转且贯通水平旋转导板(20)的结合槽(22)同时结合的第一旋转轴(12)而使所述水平旋转导板(20)旋转。重复说，所述旋转轴(12)被第一电机(11)旋转以后，所述水平旋转导板(20)在0°旋转-90°～ 90°并测量形状。

水平旋转导板(20)是以字形状形成，上侧形成结合槽(22)，两侧形成贯通槽(21)，而所述结合槽(22)是以所述第一旋转轴(12)可贯通的大小形成，并有第一旋转轴(12)贯通同时结合。所述贯通槽(21)是如图12所示，有第二旋转轴 (32)被夹入。

垂直旋转装置(30)是如图10至图12所示，形成于所述水平旋转导板(20)的一侧，上侧形成第二电机(31)，并形成在所述贯通槽(21)的两侧夹入结合并连接于所述第二电机(31)而旋转的第二旋转轴(32)。

所述第二电机(31)也与所述第一电机(11)相同，内置可获知旋转角度的编码器，可精确控制角度地装配有齿轮，并以0.01°的Resolution可旋转360°地形成，因此随着第二电机(31)的驱动，第二旋转轴(32)旋转，随之垂直旋转装置(30)的轴旋转，由连接形成的垂直旋转导板(40)和二维形状测量仪(50)如图15所示，在0°旋转-90°～90°。

所述垂直旋转导板(40)如图12或14所示，比所述水平旋转导板(20)更小地形成，形成字状，并形成于所述水平旋转导板(20)的内部，两侧形成连接槽 (41)而所述第二旋转轴(32)贯通所述连接槽(41)并结合，中央部形成空间部(42)，二维测距仪(50)被夹入固定在所述空间部(42)。

就是说，所述垂直旋转导板(40)的连接槽(41)与所述贯通槽(21)形成于一条直线上，使所述第二旋转轴(32)贯通水平旋转导板(20)的两侧贯通槽(21)和所述连接槽(41)而结合，在所述空间部(42)夹入结合的二维测距仪(50)是通过所述水平旋转导板(20)和垂直旋转导板(40)如图14至16所示水平、垂直旋转同时测量三维形状。

所述二维测距仪(50)为通常使用的设备，可以在0°～180°之间以0.25度间隔测量距离，因此，为了使用所述二维测距仪(50)测量形状之后掌握测量对象的实际位置，在所述水平旋转导板(20)的一侧形成的垂直旋转装置(30)的另一侧在第二旋转轴(32)的外周面形成激光指示器(45)，从而可以用肉眼正确识别当前测量位置。

测量形状之后，可以将激光指示器(45)准确地移动至特定位置，使形状的实际位置和所述激光指示器(45)的位置一致，并移动所述激光指示器(45)显示特定位置以后会自动测量该地点的X、Y、Z而使拟装车的物体被准确地装到准确位置。

可以将所述激光指示器(45)的与下述控制装置(60)连动的遥控装置以有线或无线方式组成运行。

控制装置(60)是如图12或图13所示，形成于水平旋转装置(10)的内部，通过外部的传输电源运行，并控制水平旋转装置(10)和垂直旋转装置(30)，重复说，是驱动第一电机(11)和第二电机(31)，同时也控制二维测距仪(50)和激光指示器(45)。

根据传统技术，因使用价格高昂的形状测量仪，或者在激光测距仪的光轴上设置倾斜45度的旋转镜，根据镜子旋转角测定对象的距离，然后基于该测量值测量对象物体的三维形状，或者将两台二维测距仪向X坐标、Y坐标方向设置，使之以测量物体为中心上下倾斜(Tilting)或者左右旋转(Panning)，进而基于跟随其移动角度的二维形状测量仪距离值测量三维形状的方法，导致成本上升的问题。

但，本发明是只配置一台二维测距仪(50)，并组成可垂直、水平旋转的旋转装置来测量三维形状，从而提升精确性，节省成本和提高经济性，可彻底地改进传统的简单、效率低的三维形状测量方法。

根据本发明的利用三维形状测量仪的物体测量方法及用于该测量方法的三维形状测量仪，读取物体时向X轴方向扫描三次，按物体的数量向Y轴方向分别进行扫描而缩短作业时间，使用可垂直、水平旋转的旋转装置不需要设置多个二维测距仪而节省成本，利用所述旋转装置可以精确地控制旋转角度而精密性高，准确测量物体而提升装、卸物体时的便利性，并扩大经济效率。

Claims (2)

1.一种利用三维形状测量仪的物体测量方法，作为利用将物体装卸到车辆时使用的可垂直、水平旋转而掌握车辆上装载的物体位置、形态和数量的三维形状测量仪的物体测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设置步骤(S100)，将所述三维形状测量仪固定设置在拟测量的物体所处位置上部；

X轴测量步骤(S200)，使所述物体位于所述三维形状测量仪下部以后，使所述三维形状测量仪的水平方向保持0°的状态下向垂直方向，旋转扫描X轴而演算物体Y轴中心坐标；

Y轴测量步骤(S300)，使所述三维形状测量仪向水平方向旋转90°以后，通过所述X轴测量步骤(S200)中演算的物体Y轴中心坐标向垂直方向旋转而扫描Y轴，从而获取物体的X轴和Y轴的二维形状；以及

演算步骤(S400)，将在所述X、Y轴测量步骤(S200，S300)获取的物体和三维形状测量仪的设置高度、测量距离、测量角度转换成数据并演算物体的X、Y、Z轴坐标值，

在所述X轴测量步骤(S200)将所述三维形状测量仪的垂直方向扫描角度分别设定为0°、10°、-10°而扫描3次，从而掌握物体的位置和数量；

在所述Y轴测量步骤(S300)向Y轴方向扫描2次，从而准确测量物体的形态和位置，

通过控制所述三维形状测量仪而选择任意位置时，演算该位置的X、Y、Z坐标。

2.一种用于物体测量方法的三维形状测量仪，其特征在于，该三维形状测量仪用于权利要求1的物体测量方法并包括：

水平旋转装置(10)，下部形成有第一旋转轴(12)，内部形成有使所述第一旋转轴(12)旋转的第一电机(11)；

水平旋转导板(20)，上部连接于所述水平旋转装置(10)的第一旋转轴(12)，两侧形成贯通槽(21)；

垂直旋转装置(30)，连接形成于所述水平旋转导板(20)的一侧端部，且一侧形成有第二电机(31)，并且，形成有在所述贯通槽(21)两侧夹入结合并连接于所述第二电机(31)而旋转的第二旋转轴(32)；

激光指示器(45)，形成于所述水平旋转导板(20)的一侧，且在未连接于所述第二电机(31)的第二旋转轴(32)的外周面上形成；

垂直旋转导板(40)，形成于所述水平旋转导板(20)的内部，两侧形成连接槽(41)而与所述第二旋转轴(32)结合，并且，内部形成空间部(42)；

二维测距仪(50)，在所述垂直旋转导板(40)的内部夹入结合；以及

控制装置(60)，形成于所述水平旋转装置(10)的内部，并分别控制所述水平旋转装置(10)、垂直旋转装置(30)、激光指示器(46)、二维测距仪(50)。