CN106949883A - 一种三坐标测绘仪及测绘方法 - Google Patents

一种三坐标测绘仪及测绘方法 Download PDF

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Abstract

一种三坐标测绘仪及测绘方法，机架是由前横架、连接架和后横架构成U形框架结构，前横架端部连接前面板，后横架的端部设置有伺服电机，伺服电机的输出轴连接丝杠，丝杠通过轴承连接前面板的后端面的中心，丝杠上螺纹连接螺母，螺母周边铰接四个连接杆，四个连接杆另一端分别各铰接一个支撑杆，四个支撑杆另一端分别贯穿前面板的四个边的中部，贯穿前面板左侧边的支撑杆的顶端垂直连接固定板的底端面，固定板上分别设置有从动激光笔和左摄像头，贯穿前面板右侧边、上侧边和下侧边的支撑杆的顶端分别设置有摄像头，前面板的前端面的中心分别设置有中间摄像头和主动激光笔，前面板上还以阵列的方式对应前方设置有多数个辅助激光笔。本发明测量精度高、测量速度快。

Description

一种三坐标测绘仪及测绘方法
技术领域
本发明涉及一种测绘仪。特别是涉及一种三坐标测绘仪及测绘方法。
背景技术
现有的测绘仪有接触式测量的测绘仪和非接触式的测绘仪。其中：
1、接触式测量：根据侧头的不同可分为触发式和连续式，应用最广泛的是三坐标测量机，测量精度高，它是一种大型的测量设备体积大、重量重、价格昂贵、不能测量柔软的物体，测量速度慢、对环境条件要求高，必须水平放置，恒温恒湿；
2、非接触式：扫描速度虽然比接触式测量快，但还是需要一段时间，测量精度低，无法测量运动着的物体，甚至于扫描出来的人物用3D打印机打印出来以后的形象与本人差别很大，根本不像是同一个人。
上述无论是哪种测绘仪，因为测量速度慢，不但测量的效率低，也无法测量动态的物体。
图1所示的是现有技术中的一种测绘仪的结构示意图。被测工件放在桌面1，使触头2接触被测工件的测绘点，这时触头2所对应的X方向托板5、Y方向托板4和Z方向托板3的坐标点就是被测工件测绘点的坐标点。如此反复，得到所有被测工件的测绘点的坐标点。其测试方式是一点一点的测，工作效率低。并且只能测绘静止的物体。这种测绘只能测绘硬质物体，软质和柔性物体就难以测绘。图1所示的测绘仪体积大，造价高，维护困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量精度高、测量速度快的三坐标测绘仪及测绘方法。
本发明所采用的技术方案是：一种三坐标测绘仪，包括机架，所述机架是由前横架、连接架和后横架依次首尾连接构成的开口位于左侧的U形框架结构，所述前横架的端部一体连接有垂直设置的正方形的前面板，所述后横架的端部设置有伺服电机，所述伺服电机的输出轴连接丝杠的一端，所述丝杠的另一端通过轴承连接在所述前面板的后端面的中心处，所述丝杠上螺纹连接有螺母，所述螺母周边与所述前面板的四个边相对应的铰接四个连接杆的一端，所述四个连接杆的另一端分别各铰接一个支撑杆的一端，四个所述的支撑杆的另一端分别对应贯穿所述前面板的四个边的中部，其中，贯穿前面板左侧边的支撑杆的顶端垂直连接固定板的底端面上，所述固定板上对应前方分别设置有从动激光笔和左摄像头，贯穿前面板右侧边的支撑杆的顶端对应前方设置有右摄像头，贯穿前面板上侧边的支撑杆的顶端对应前方设置有上摄像头，贯穿前面板下侧边的支撑杆的顶端对应前方设置有下摄像头，所述前面板的前端面的中心分别设置有对应前方的中间摄像头和主动激光笔，所述前面板上还以阵列的方式对应前方设置有多数个辅助激光笔。
分别贯穿所述前面板四个边的四个支撑杆与所述前面板的四个边通过铰接结构铰接连接。
所述的中间摄像头、左摄像头、右摄像头、上摄像头、下摄像头和伺服电机分别连接控制单元。
所述的主动激光笔位于中间摄像头的正下方，从动激光笔位于左摄像头的正下方，从动激光笔与左摄像头的距离等于主动激光笔与中间摄像头的距离。
本发明的三坐标测绘仪的测绘方法，包括如下步骤：
1)确定设置在前面板前方的基准平面与前面板之间的基准距离Hk和基准夹角θk，k＝1…M；
2)在基准平面上生成基准光斑，所述的基准光斑为各辅助激光笔照射在所述基准平面上的所有光斑；
3)基准光斑的拍照与存储；
4)重复步骤3)直至获得M个相捆绑的4张所述的基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存；
5)拍照实物与虚拟光斑，包括：
(1)将主动激光笔和从动激光笔发出的光束对准被测物体表面上形成两个光斑，中间摄像头拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机，伺服电机通过丝杠和螺母带动4个连接杆张合，4个所述的连接杆带动4个支撑杆穿过前面板绕着铰接结构摆动，使从动激光笔照射在被测物体表面上的光斑与主动激光笔照射在被测物体表面上的光斑相重合，从而使左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头中心轴的延长线相交于所述的光斑上，左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头同时对被测物体进行拍摄，获得4个实物图像，并送入控制单元；
(2)控制单元将第(1)步得到的4个实物图像、拍摄时主动激光笔照在被测物体表面上的光斑与前面板的垂直距离Hf以及从动激光笔的光束与前面板的拍摄夹角θf进行捆绑和存储；
6)确定被测物体表面上的一点P点在4个基准图像上所对应前面板的坐标点；
7)确定被测物体(29)表面上的一点P点的横坐标和纵坐标；
所述P点的横坐标和纵坐标，是照在P点上的光斑所对应的辅助激光笔在前面板(12)上的横坐标和纵坐标位置。
8)确定P点与基准平面(e)的垂直距离△h；
9)重复步骤6)～步骤8)直至得到绘制被测物体(29)图像所需的全部对应机架前面板(12)的坐标点和垂直距离△h。
步骤1)包括：
(1)开启测绘仪的主动激光笔和中间摄像头、从动激光笔和左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头以及各辅助激光笔；
(2)在前面板的前方设置与所述前面板相平行的基准平面；
(3)中间摄像头摄取主动激光笔和从动激光笔分别照射在基准平面上的光斑，并传送到控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机，伺服电机通过丝杠和螺母带动4个连接杆张合，4个所述的连接杆带动4个支撑杆穿过前面板绕着铰接结构摆动，使从动激光笔照射在基准平面上的光斑与主动激光笔照射在基准平面上的光斑相重合，从而使左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头中心轴的延长线相交于所述的光斑上；
(4)将前面板与所述光斑的垂直距离为基准距离Hk，从动激光笔的光束在XZ和XY坐标平面上的投影与前面板的基准夹角θk，前面板的边长为L，则基准距离Hk＝tgθk×L/2。
步骤3)包括：
4个处在步骤1)第(3)步所述的摄像方向的左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头对基准平面上的基准光斑进行拍摄，得到4张不同位置照射的在基准平面上生成的基准光斑的基准图像并送入控制单元的主控模块，主控模块捆绑和存储4个所述的基准图像以及基准距离Hk和基准夹角θk。
具体包括：
将主动激光笔和从动激光笔发出的光束对准基准平面上形成两个光斑，中间摄像头拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机，伺服电机通过丝杠和螺母带动4个连接杆张合，4个所述的连接杆带动4个支撑杆穿过前面板绕铰接结构摆动，固定板摆动使从动激光笔照射在基准平面上的光斑与主动激光笔照射在基准平面上的光斑相重合，从而使左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头中心轴的延长线相交于所述的光斑上，左摄像头、右摄像头、下摄像头、上摄像头同时对基准平面进行拍摄，获得4个基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存。
步骤6)包括：
(1)找到被测物体表面上的一点P点在分别4个实物图像上所在的位置点P1、P2、P3、P4；
(2)调出与拍摄夹角θf相同基准夹角θk，同时获得与所述基准夹角θk对应的4个基准图像，分别将左摄像头拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，右摄像头拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，下摄像头拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，上摄像头拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠；
(3)将左摄像头拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P1相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q1点；将右摄像头拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P2相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q2点；将下摄像头拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P3相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q3点；将上摄像头拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像的位置点P4相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q4点；
(4)找出Q1点、Q2点、Q3点和Q4点对应前面板上的坐标点。
7)确定被测物体表面上的一点P点的横坐标和纵坐标；
所述P点的横坐标和纵坐标，是照在P点上的光斑所对应的辅助激光笔在前面板上的横坐标和纵坐标位置。
步骤8)包括：
(1)分别找出左摄像头与Q1点在应前面板上的坐标点的距离u，右摄像头与Q2点在应前面板上的坐标点的距离v，下摄像头与Q3点在应前面板上的坐标点的距离w，上摄像头与Q4点在应前面板上的坐标点的距离r；
(2)求Q1点与Q2点之间的距离h1＝u+v-L；求Q3点与Q4点之间的距离h2＝w+r-L；
(3)求Q1点、Q2点与P点在ZX坐标平面上的投影构成的三角形的面积S12＝a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a12×sinB×sinC÷2÷sin(180-A-B)，其中：
a1是为三角形的底边，a1＝h1＝u+v-L，A是三角形的底边所对的角，B是Q1点与左摄像头的连线与底边的夹角，C是Q2点与右摄像头的连线与底边的夹角；
所述的角B＝arctgH/u，所述的角C＝arctgH/v，
所述的角A＝180-B-C＝180-arctgH/u-arctgH/v；
(4)求Q1点、Q2点与P点构成的三角形的面积S12＝a1×△h÷2，△h是三角形的高；
(5)将步骤3)中求三角形的面积S12公式代入步骤4)中求三角形的面积S12公式，得到△h1：
a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a1×△h1÷2
△h1＝a1×sinB×sinC÷sin(180-B-C)
将角B＝arctgH/u、角C＝arctgH/v、A＝180-arctgH/u-arctgH/v和a1＝u+v-L代入△h1公式：
△h1＝(u+v-L)×sin arctgH/u×sin arctgH/v÷sin(180-arctgH/u-arctgH/v)
△h1即为通过Q1点和Q2点求出的P点与基准平面的垂直距离；
(6)求Q3点、Q3点与P点构成的三角形的面积S34＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sin(180-A2-B2)，其中：
a2是为三角形的底边，a2＝h2＝w+r-L，A2是三角形的底边所对的角，B2是Q3点与下摄像头的连线与底边的夹角，C2是Q4点与上摄像头的连线与底边的夹角；
所述的角B2＝arctgH/w，所述的角C2＝arctgH/r，
所述的角A2＝180-B2-C2＝180-arctgH/w-arctgH/r；
(7)求Q3点、Q4点与P点在ZY坐标平面上的投影构成的三角形的面积S34＝a2×△h2÷2，△h2是三角形的高；
(8)将步骤6)中求三角形的面积S12公式代入步骤7)中求三角形的面积S34公式，得到△h2：
a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a×△h2÷2
△h2＝a2×sinB2×sinC2÷sin(180-B2-C2)
将角B2＝arctgH/w、角C2＝arctgH/r、A2＝180-arctgH/w-arctgH/r和a2＝w+r-L代入△h2公式：
△h2＝(w+r-L)×sin arctgH/w×sin arctgH/r÷sin(180-arctgH/w-arctgH/r)
△h2即为通过Q3点和Q4点求出的P点与基准平面的垂直距离；
(9)求△h1与△h2的算术平均值，得到P点与基准平面的垂直距离△h；
(10)P点的深度为Z＝Hk±△h；
(11)判断△h的正负号：
当L-u-v＞0时△h取正值
当L-u-v＜0时△h取负值
当L-r-w＞0时△h取正值
当L-r-w＜0时△h取负值。
本发明的一种三坐标测绘仪及测绘方法，测量精度高、测量速度快。测出的点都是纯数字化坐标，无需滤波、去噪声。无论是静止或运动着的物体，采用本发明技术都能在物体表面的每个点进行瞬间采集，下一个瞬间又采集一遍，采集两遍的时间间隔想要多小就有多小。这样每完成一次采集就能立刻用计算机自动画出一幅工程图纸，也能求出任意两点空间的距离，下一个瞬间又能画出另一幅，因此能描绘出每一个点的位移随着时间的变化规律，即这一点的瞬时速度；也能描绘出每一个点的速度随着时间的变化规律，也就是这一点的瞬时加速度。本发明具有如下优点：
1、不接触被测物体进行测量。
2、测量速度快、精度高。
3、摄像的同时就能生成不规则空间曲面形状的工程图，并能标注出尺寸。
4、可以用解析几何里两点间距离的公式。
5、改变了以往空间规则曲面的数学几何形状与函数、自变量的方程式一一对应的模式。本发明采用的是不规则空间曲面几何形状与其相对应的不规则曲面的工程图一一对应的模式，也就是说函数与自变量的关系还可以用工程图的形式来表达，拓展了数学领域。
6、任何客观存在不规则的曲面都能用本发明工程图的办法来揭示包括各种植物、动物和矿物不规则表面体态的几何形状与其函数和自变量之间的关系。适用性强、操作简单、可以轻而易举地得到其数学模型。因为尽管曲面是不规则的，但是它们都是连续的，本发明是用“点云”(点挨着点，不间断)来描述，所以就能适应曲面的不规则性。
7、用3D打印机将本发明的工程图中的“点云”数据所包围起来的立体物品打印出来就会与实物的形状一模一样。用液体排出法很容易精确测量出这个不规则物体的体积，进而得到密度、质量、重量等等各项物理量。
8、随着技术的进步，辅助激光笔之间的间隙c制作得越来越小，即：△x→0，△y→0；就可以针对这个不规则曲面作偏微分或者全微分。
9、如果用高速摄影技术拍摄动态的不规则曲面，让两个帧的两幅画面之间的时间间隔越来越小，即：△t→0；针对任何动态的不规则曲面表面上任意一点对时间求导就能求出动态不规则曲面任何一点的瞬时速度，甚至于瞬时加速度。
10、简化工程设计、提高自动化制造效率。
11、可以应用于机器人、动漫、CVR、地质测绘，机械制图等领域。
附图说明
图1是现有技术测绘仪的结构示意图；
图2是本发明三坐标测绘仪的俯视结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的仰视图；
图5是本发明三坐标测绘仪确定e平面的结构示意图；
图6是图5中前面板部分的左视图；
图7是本发明三坐标测绘仪实际测量的结构示意图；
图8是图7的俯视图；
图9是图7的左视图。
图中
1：桌面 2：触头；
3：Z方向托板 4：Y方向托板；
5：X方向托板 6：机架；
10：光斑 11：机架
12：前面板 13：伺服电机
14：丝杠 15：螺母
16：轴承 17：连接杆
18：支撑杆 19：固定板
20：从动激光笔 21：左摄像头
22：右摄像头 23：上摄像头
24：下摄像头 25：中间摄像头
26：主动激光笔 27：辅助激光笔
28：铰接结构 29：被测物体
30：光斑
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种三坐标测绘仪及测绘方法做出详细说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的一种三坐标测绘仪，包括机架11，所述机架11是由前横架、连接架和后横架依次首尾连接构成的开口位于左侧的U形框架结构，所述前横架的端部一体连接有垂直设置的正方形的前面板12，所述后横架的端部设置有伺服电机13，所述伺服电机13的输出轴连接丝杠14的一端，所述丝杠14的另一端通过轴承16连接在所述前面板12的后端面的中心处，所述丝杠14上螺纹连接有螺母15，所述螺母15周边与所述前面板12的四个边相对应的铰接四个连接杆17的一端，所述四个连接杆17的另一端分别各铰接一个支撑杆18的一端，四个所述的支撑杆18的另一端分别对应贯穿所述前面板12的四个边的中部，分别贯穿所述前面板12四个边的四个支撑杆18与所述前面板12的四个边通过铰接结构28铰接连接。其中，贯穿前面板12左侧边的支撑杆18的顶端垂直连接固定板19的底端面上，所述固定板19上对应前方分别设置有从动激光笔20和左摄像头21，贯穿前面板12右侧边的支撑杆18的顶端对应前方设置有右摄像头22，贯穿前面板12上侧边的支撑杆18的顶端对应前方设置有上摄像头23，贯穿前面板12下侧边的支撑杆18的顶端对应前方设置有下摄像头24，所述前面板12的前端面的中心分别设置有对应前方的中间摄像头25和主动激光笔26，所述前面板12上还以阵列的方式对应前方设置有多数个辅助激光笔27。所述的多数个辅助激光笔27的光束大小不同。
所述的中间摄像头25、左摄像头21、右摄像头22、上摄像头23、下摄像头24和伺服电机13分别连接控制单元。
本发明的一种三坐标测绘仪的整体控制部分和供电部分均是采用专利号为201420592944.8的专利“基于激光制导的小车遥控装置”中所公开的技术方案。
本发明的一种三坐标测绘仪，主动激光笔26、中间摄像头25以及等距离的n个行和等距离的n个列组成矩阵式布置的若干辅助激光笔27都垂直于前面板12。前面板12的形状是一个边长为L的正方形，中间摄像头25布置在正中央，主动激光笔26位于中间摄像头25的正下方，左摄像头21安装在固定板19上并且位于前面板12左侧边缘与x轴的交点位置，从动激光笔20也安装在固定板19上并且位于左摄像头21的正下方，从动激光笔20与左摄像头21的距离等于主动激光笔26与中间摄像头25的距离，该固定板19与左侧能够摆动的支撑杆18制成一体。右摄像头22安装在前面板12右边缘与x轴的交点处能够摆动的支撑杆18上。上摄像头23安装在机架桌面右边缘与y轴的交点处能够摆动的支撑杆18上。下摄像头24安装在前面板12右边缘与y轴的交点处能够摆动的支撑杆18上。
如图5～图9所示，本发明的一种三坐标测绘仪的测绘方法，包括如下步骤：
1)确定设置在前面板12前方的基准平面e与前面板12之间的基准距离Hk和基准夹角θk，k＝1…M；包括：
(1)开启测绘仪的主动激光笔26和中间摄像头25、从动激光笔20和左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23以及各辅助激光笔27；
(2)在前面板12的前方设置与所述前面板12相平行的基准平面e；
(3)中间摄像头25摄取主动激光笔26和从动激光笔20分别照射在基准平面e上的光斑，并传送到控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机13，伺服电机13通过丝杠14和螺母15带动4个连接杆17张合，4个所述的连接杆17带动4个支撑杆18穿过前面板12绕着铰接结构28摆动，使从动激光笔20照射在基准平面e上的光斑与主动激光笔26照射在基准平面e上的光斑10相重合，从而使左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23中心轴的延长线相交于所述的光斑10上；
(4)将前面板12与所述光斑10的垂直距离为基准距离Hk，从动激光笔20的光束在XZ和XY坐标平面上的投影与前面板12的基准夹角θk，前面板12的边长为L，则基准距离Hk＝tgθk×L/2。
2)在基准平面e上生成基准光斑，所述的基准光斑为各辅助激光笔27照射在所述基准平面e上的所有光斑；
3)基准光斑的拍照与存储；包括：
4个处在步骤1)第(3)步所述的摄像方向的左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23对基准平面e上的基准光斑进行拍摄，得到4张不同位置照射的在基准平面e上生成的基准光斑的基准图像并送入控制单元的主控模块，主控模块捆绑和存储4个所述的基准图像以及基准距离Hk和基准夹角θk。具体是：
将主动激光笔26和从动激光笔20发出的光束对准基准平面e上形成两个光斑，中间摄像头25拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机13，伺服电机13通过丝杠14和螺母15带动4个连接杆17张合，4个所述的连接杆17带动4个支撑杆18穿过前面板12绕铰接结构28摆动，固定板19摆动使从动激光笔20照射在基准平面e上的光斑与主动激光笔26照射在基准平面e上的光斑10相重合，从而使左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23中心轴的延长线相交于所述的光斑10上，左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23同时对基准平面e进行拍摄，获得4个基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存。
4)重复步骤3)直至获得M个相捆绑的4张所述的基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存；
5)拍照实物与虚拟光斑，包括：
(1)将主动激光笔26和从动激光笔20发出的光束对准被测物体29表面上形成两个光斑，中间摄像头25拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机13，伺服电机13通过丝杠14和螺母15带动4个连接杆17张合，4个所述的连接杆17带动4个支撑杆18穿过前面板12绕着铰接结构28摆动，使从动激光笔20照射在被测物体29表面上的光斑与主动激光笔26照射在被测物体29表面上的光斑30相重合，从而使左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23中心轴的延长线相交于所述的光斑30上，左摄像头21、右摄像头22、下摄像头24、上摄像头23同时对被测物体29进行拍摄，获得4个实物图像，并送入控制单元；
(2)控制单元将第(1)步得到的4个实物图像、拍摄时主动激光笔26照在被测物体29表面上的光斑与前面板12的垂直距离Hf以及从动激光笔20的光束与前面板12的拍摄夹角θf进行捆绑和存储；
6)确定被测物体29表面上的一点P点在4个基准图像上所对应前面板12的坐标点；包括：
(1)找到被测物体29表面上的一点P点在分别4个实物图像上所在的位置点P1、P2、P3、P4；
(2)调出与拍摄夹角θf相同基准夹角θk，同时获得与所述基准夹角θk对应的4个基准图像，分别将左摄像头21拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，右摄像头22拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，下摄像头24拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，上摄像头23拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠；
(3)将左摄像头21拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P1相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q1点；将右摄像头22拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P2相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q2点；将下摄像头24拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P3相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q3点；将上摄像头23拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像的位置点P4相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q4点；
(4)找出Q1点、Q2点、Q3点和Q4点对应前面板12上的坐标点。
7)确定被测物体29表面上的一点P点的横坐标和纵坐标；
所述P点的横坐标和纵坐标，是照在P点上的光斑所对应的辅助激光笔在前面板12上的横坐标和纵坐标位置。
8)确定P点与基准平面e的垂直距离△h；
包括：
(1)分别找出左摄像头21与Q1点在应前面板12上的坐标点的距离u，右摄像头22与Q2点在应前面板12上的坐标点的距离v，下摄像头24与Q3点在应前面板12上的坐标点的距离w，上摄像头23与Q4点在应前面板12上的坐标点的距离r；
(2)求Q1点与Q2点之间的距离h1＝u+v-L；求Q3点与Q4点之间的距离h2＝w+r-L；
(3)求Q1点、Q2点与P点在ZX坐标平面上的投影构成的三角形的面积S12＝a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a12×sinB×sinC÷2÷sin(180-A-B)，其中：
a1是为三角形的底边，a1＝h1＝u+v-L，A是三角形的底边所对的角，B是Q1点与左摄像头21的连线与底边的夹角，C是Q2点与右摄像头22的连线与底边的夹角；
所述的角B＝arctgH/u，所述的角C＝arctgH/v，
所述的角A＝180-B-C＝180-arctgH/u-arctgH/v；
(4)求Q1点、Q2点与P点构成的三角形的面积S12＝a1×△h÷2，△h是三角形的高；
(5)将步骤3)中求三角形的面积S12公式代入步骤4)中求三角形的面积S12公式，得到△h1：
a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a1×△h1÷2
△h1＝a1×sinB×sinC÷sin(180-B-C)
将角B＝arctgH/u、角C＝arctgH/v、A＝180-arctgH/u-arctgH/v和a1＝u+v-L代入△h1公式：
△h1＝(u+v-L)×sin arctgH/u×sin arctgH/v÷sin(180-arctgH/u-arctgH/v)
△h1即为通过Q1点和Q2点求出的P点与基准平面e的垂直距离；
(6)求Q3点、Q3点与P点构成的三角形的面积S34＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sin(180-A2-B2)，其中：
a2是为三角形的底边，a2＝h2＝w+r-L，A2是三角形的底边所对的角，B2是Q3点与下摄像头24的连线与底边的夹角，C2是Q4点与上摄像头23的连线与底边的夹角；
所述的角B2＝arctgH/w，所述的角C2＝arctgH/r，
所述的角A2＝180-B2-C2＝180-arctgH/w-arctgH/r；
(7)求Q3点、Q4点与P点在ZY坐标平面上的投影构成的三角形的面积S34＝a2×△h2÷2，△h2是三角形的高；
(8)将步骤6)中求三角形的面积S12公式代入步骤7)中求三角形的面积S34公式，得到△h2：
a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a×△h2÷2
△h2＝a2×sinB2×sinC2÷sin(180-B2-C2)
将角B2＝arctgH/w、角C2＝arctgH/r、A2＝180-arctgH/w-arctgH/r和a2＝w+r-L代入△h2公式：
△h2＝(w+r-L)×sin arctgH/w×sin arctgH/r÷sin(180-arctgH/w-arctgH/r)
△h2即为通过Q3点和Q4点求出的P点与基准平面e的垂直距离；
(9)求△h1与△h2的算术平均值，得到P点与基准平面e的垂直距离△h；
10P点的深度为Z＝Hk±△h；
(11)判断△h的正负号：
当L-u-v＞0时△h取正值
当L-u-v＜0时△h取负值
当L-r-w＞0时△h取正值
当L-r-w＜0时△h取负值。
9)重复步骤6)～步骤8)直至得到绘制被测物体29图像所需的全部对应机架前面板12的坐标点和垂直距离△h。

Claims (10)

1.一种三坐标测绘仪，包括机架(11)，其特征在于，所述机架(11)是由前横架、连接架和后横架依次首尾连接构成的开口位于左侧的U形框架结构，所述前横架的端部一体连接有垂直设置的正方形的前面板(12)，所述后横架的端部设置有伺服电机(13)，所述伺服电机(13)的输出轴连接丝杠(14)的一端，所述丝杠(14)的另一端通过轴承(16)连接在所述前面板(12)的后端面的中心处，所述丝杠(14)上螺纹连接有螺母(15)，所述螺母(15)周边与所述前面板(12)的四个边相对应的铰接四个连接杆(17)的一端，所述四个连接杆(17)的另一端分别各铰接一个支撑杆(18)的一端，四个所述的支撑杆(18)的另一端分别对应贯穿所述前面板(12)的四个边的中部，其中，贯穿前面板(12)左侧边的支撑杆(18)的顶端垂直连接固定板(19)的底端面，所述固定板(19)上对应前方分别设置有从动激光笔(20)和左摄像头(21)，贯穿前面板(12)右侧边的支撑杆(18)的顶端对应前方设置有右摄像头(22)，贯穿前面板(12)上侧边的支撑杆(18)的顶端对应前方设置有上摄像头(23)，贯穿前面板(12)下侧边的支撑杆(18)的顶端对应前方设置有下摄像头(24)，所述前面板(12)的前端面的中心分别设置有对应前方的中间摄像头(25)和主动激光笔(26)，所述前面板(12)上还以阵列的方式对应前方设置有多数个辅助激光笔(27)。
2.根据权利要求1所述的一种三坐标测绘仪，其特征在于，分别贯穿所述前面板(12)四个边的四个支撑杆(18)与所述前面板(12)的四个边通过铰接结构(28)铰接连接。
3.根据权利要求1所述的一种三坐标测绘仪，其特征在于，所述的中间摄像头(25)、左摄像头(21)、右摄像头(22)、上摄像头(23)、下摄像头(24)和伺服电机(13)分别连接控制单元。
4.根据权利要求1所述的一种三坐标测绘仪，其特征在于，所述的主动激光笔(26)位于中间摄像头(25)的正下方，从动激光笔(20)位于左摄像头(21)的正下方，从动激光笔(20)与左摄像头(21)的距离等于主动激光笔(26)与中间摄像头(25)的距离。
5.一种权利要求1所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)确定设置在前面板(12)前方的基准平面(e)与前面板(12)之间的基准距离Hk和基准夹角θk，k＝1…M；
2)在基准平面(e)上生成基准光斑，所述的基准光斑为各辅助激光笔(27)照射在所述基准平面(e)上的所有光斑；
3)基准光斑的拍照与存储；
4)重复步骤3)直至获得M个相捆绑的4张所述的基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存；
5)拍照实物与虚拟光斑，包括：
(1)将主动激光笔(26)和从动激光笔(20)发出的光束对准被测物体(29)表面上形成两个光斑，中间摄像头(25)拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机(13)，伺服电机(13)通过丝杠(14)和螺母(15)带动4个连接杆(17)张合，4个所述的连接杆(17)带动4个支撑杆(18)穿过前面板(12)绕着铰接结构(28)摆动，使从动激光笔(20)照射在被测物体(29)表面上的光斑与主动激光笔(26)照射在被测物体(29)表面上的光斑(30)相重合，从而使左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)中心轴的延长线相交于所述的光斑(30)上，左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)同时对被测物体(29)进行拍摄，获得4个实物图像，并送入控制单元；
(2)控制单元将第(1)步得到的4个实物图像、拍摄时主动激光笔(26)照在被测物体(29)表面上的光斑与前面板(12)的垂直距离Hf以及从动激光笔(20)的光束与前面板(12)的拍摄夹角θf进行捆绑和存储；
6)确定被测物体(29)表面上的一点P点在4个基准图像上所对应前面板(12)的坐标点；
7)确定被测物体(29)表面上的一点P点的横坐标和纵坐标；
所述P点的横坐标和纵坐标，是照在P点上的光斑所对应的辅助激光笔在前面板(12)上的横坐标和纵坐标位置。
8)确定P点与基准平面(e)的垂直距离△h；
9)重复步骤6)～步骤8)直至得到绘制被测物体(29)图像所需的全部对应机架前面板(12)的坐标点和垂直距离△h。
6.根据权利要求5所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，步骤1)包括：
(1)开启测绘仪的主动激光笔(26)和中间摄像头(25)、从动激光笔(20)和左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)以及各辅助激光笔(27)；
(2)在前面板(12)的前方设置与所述前面板(12)相平行的基准平面(e)；
(3)中间摄像头(25)摄取主动激光笔(26)和从动激光笔(20)分别照射在基准平面(e)上的光斑，并传送到控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机(13)，伺服电机(13)通过丝杠(14)和螺母(15)带动4个连接杆(17)张合，4个所述的连接杆(17)带动4个支撑杆(18)穿过前面板(12)绕着铰接结构(28)摆动，使从动激光笔(20)照射在基准平面(e)上的光斑与主动激光笔(26)照射在基准平面(e)上的光斑(10)相重合，从而使左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)中心轴的延长线相交于所述的光斑(10)上；
(4)将前面板(12)与所述光斑(10)的垂直距离为基准距离Hk，从动激光笔(20)的光束在XZ和XY坐标平面上的投影与前面板(12)的基准夹角θk，前面板(12)的边长为L，则基准距离Hk＝tgθk×L/2。
7.根据权利要求5所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，步骤3)包括：4个处在步骤1)第(3)步所述的摄像方向的左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)对基准平面(e)上的基准光斑进行拍摄，得到4张不同位置照射的在基准平面(e)上生成的基准光斑的基准图像并送入控制单元的主控模块，主控模块捆绑和存储4个所述的基准图像以及基准距离Hk和基准夹角θk。
8.根据权利要求7所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，具体包括：
将主动激光笔(26)和从动激光笔(20)发出的光束对准基准平面(e)上形成两个光斑，中间摄像头(25)拍摄所述两个光斑的图像并传送至控制单元，控制单元中的主控模块通过电机驱动模块驱动伺服电机(13)，伺服电机(13)通过丝杠(14)和螺母(15)带动4个连接杆(17)张合，4个所述的连接杆(17)带动4个支撑杆(18)穿过前面板(12)绕铰接结构(28)摆动，固定板(19)摆动使从动激光笔(20)照射在基准平面(e)上的光斑与主动激光笔(26)照射在基准平面(e)上的光斑(10)相重合，从而使左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)中心轴的延长线相交于所述的光斑(10)上，左摄像头(21)、右摄像头(22)、下摄像头(24)、上摄像头(23)同时对基准平面(e)进行拍摄，获得4个基准图像、基准距离Hk和基准夹角θk，并送入控制单元储存。
9.根据权利要求5所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，步骤6)包括：
(1)找到被测物体(29)表面上的一点P点在分别4个实物图像上所在的位置点P1、P2、P3、P4；
(2)调出与拍摄夹角θf相同基准夹角θk，同时获得与所述基准夹角θk对应的4个基准图像，分别将左摄像头(21)拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，右摄像头(22)拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，下摄像头(24)拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠，上摄像头(23)拍摄的基准图像与拍摄的实物图像重叠；
(3)将左摄像头(21)拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P1相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q1点；将右摄像头(22)拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P2相重叠的点在XZ坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q2点；将下摄像头(24)拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像上的位置点P3相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q3点；将上摄像头(23)拍摄的基准图像上与拍摄的实物图像的位置点P4相重叠的点在ZY坐标平面上的投影确定为基准图像上的Q4点；
(4)找出Q1点、Q2点、Q3点和Q4点对应前面板(12)上的坐标点。
10.根据权利要求5所述的三坐标测绘仪的测绘方法，其特征在于，步骤8)包括：
(1)分别找出左摄像头(21)与Q1点在应前面板(12)上的坐标点的距离u，右摄像头(22)与Q2点在应前面板(12)上的坐标点的距离v，下摄像头(24)与Q3点在应前面板(12)上的坐标点的距离w，上摄像头(23)与Q4点在应前面板(12)上的坐标点的距离r；
(2)求Q1点与Q2点之间的距离h1＝u+v-L；求Q3点与Q4点之间的距离h2＝w+r-L；
(3)求Q1点、Q2点与P点在ZX坐标平面上的投影构成的三角形的面积S12＝a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a12×sinB×sinC÷2÷sin(180-A-B)，其中：
a1是为三角形的底边，a1＝h1＝u+v-L，A是三角形的底边所对的角，B是Q1点与左摄像头(21)的连线与底边的夹角，C是Q2点与右摄像头(22)的连线与底边的夹角；
所述的角B＝arctgH/u，所述的角C＝arctgH/v，
所述的角A＝180-B-C＝180-arctgH/u-arctgH/v；
(4)求Q1点、Q2点与P点构成的三角形的面积S12＝a1×△h÷2，△h是三角形的高；
(5)将步骤3)中求三角形的面积S12公式代入步骤4)中求三角形的面积S12公式，得到△h1：
a12×sinB×sinC÷2÷sinA＝a1×△h1÷2
△h1＝a1×sinB×sinC÷sin(180-B-C)
将角B＝arctgH/u、角C＝arctgH/v、A＝180-arctgH/u-arctgH/v和a1＝u+v-L代入△h1公式：
△h1＝(u+v-L)×sin arctgH/u×sin arctgH/v÷sin(180-arctgH/u-arctgH/v)
△h1即为通过Q1点和Q2点求出的P点与基准平面(e)的垂直距离；
(6)求Q3点、Q3点与P点构成的三角形的面积S34＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a22×sinB2×sinC2÷2÷sin(180-A2-B2)，其中：
a2是为三角形的底边，a2＝h2＝w+r-L，A2是三角形的底边所对的角，B2是Q3点与下摄像头(24)的连线与底边的夹角，C2是Q4点与上摄像头(23)的连线与底边的夹角；
所述的角B2＝arctgH/w，所述的角C2＝arctgH/r，
所述的角A2＝180-B2-C2＝180-arctgH/w-arctgH/r；
(7)求Q3点、Q4点与P点在ZY坐标平面上的投影构成的三角形的面积S34＝a2×△h2÷2，△h2是三角形的高；
(8)将步骤6)中求三角形的面积S12公式代入步骤7)中求三角形的面积S34公式，得到△h2：
a22×sinB2×sinC2÷2÷sinA2＝a×△h2÷2
△h2＝a2×sinB2×sinC2÷sin(180-B2-C2)
将角B2＝arctgH/w、角C2＝arctgH/r、A2＝180-arctgH/w-arctgH/r和a2＝w+r-L代入△h2公式：
△h2＝(w+r-L)×sin arctgH/w×sin arctgH/r÷sin(180-arctgH/w-arctgH/r)
△h2即为通过Q3点和Q4点求出的P点与基准平面(e)的垂直距离；
(9)求△h1与△h2的算术平均值，得到P点与基准平面(e)的垂直距离△h；
(10)P点的深度为Z＝Hk±△h；
(11)判断△h的正负号：
当L-u-v＞0时△h取正值
当L-u-v＜0时△h取负值
当L-r-w＞0时△h取正值
当L-r-w＜0时△h取负值。
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