CN106959704A - 三维形貌测量仪的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了三维形貌测量仪的控制方法及其系统。所述方法包括：标定所述平移轴；标定所述旋转轴的轴向，以初始姿态矩阵表示目标点的当前位置，并且以X旋转轴不变矩阵表示目标点的目标位置；旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵；所述准X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向与所述X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向相同；移动所述平移轴，以使所述准X旋转轴不变矩阵的原点与所述X旋转轴不变矩阵重合。

Description

三维形貌测量仪的控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及测量仪控制技术领域，尤其涉及三维形貌测量仪的控制方法及其系统。

背景技术

目前对刑侦物证，如枪弹的弹头、弹壳及工具线条痕迹等方面的比对和检测，尚处在以实物样本存储来分析的状况，对痕迹信息的检测仍停留在借助单一仪器直接观察二维图像比对的技术层面上，无法解决在三维空间物体形貌技术和痕迹比对技术中存在的精确定位测量难题。

近年来，随着原先主要用于工程方面的物体表面三维形貌重建的非接触检测技术的成熟及发展，现在已经出现有将物体三维形貌重建的非接触移相检测技术，应用于刑侦物证三维形貌重建的测量装置。它是基于投影条纹原理而设计的，其中条纹投影仪将电脑产生的正弦强度光栅条纹投射于物体上，CCD 摄像机将含有被测物面大量信息的条纹图像采集回来，计算机利用相移技术及二进制编码技术，计算求得相对应点的高度值，进而重建出被测物面的表面形貌。

其中，中国专利公开了一种三维形貌测量仪（专利申请号201210116597.7）。该装置具有6轴的可调节结构，用以高精度的调整CCD 摄像机、条纹投影仪以及物证工作台。为实现对于物体三维形貌的完整重建，需要使用合理的方法对目标物体的姿态进行调整，这样的操作依赖于对于目标物在立体空间中准确的定义和变换。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供三维形貌测量仪的目标姿态控制算法及其软件实现，旨在解决现有技术中尚无对三维形貌测量仪进行快速，准确控制测量目标姿态的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种三维形貌测量仪的控制方法及其系统，所述三维形貌测量仪包括三个正交的平移轴以及对应的三个旋转轴，所述平移轴包括：X方向平移轴、Y方向平移轴以及Z方向平移轴；所述旋转轴包括：绕所述X方向平移轴旋转的X旋转轴，绕所述Y方向平移轴旋转的Y旋转轴以及绕所述Z方向平移轴旋转的Z旋转轴；其中，所述方法包括：

标定所述平移轴；

标定所述旋转轴的轴向，

以初始姿态矩阵表示目标点的当前位置，并且以X旋转轴不变矩阵表示目标点的目标位置；

旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵；所述准X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向与所述X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向相同；

移动所述平移轴，以使所述准X旋转轴不变矩阵的原点与所述X旋转轴不变矩阵重合。

所述的方法，其中，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

控制所述三维形貌测量仪的平移轴和旋转轴均归零；

将标定板放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位；

确定标定板的标定点在XY方向构成的平面上的移动；

计算标定点的移动方向以标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

所述的方法，其中，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

控制所述三维形貌测量仪的平移轴和旋转轴均归零；

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

沿Z方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置；

分别计算所述标定球在不同位置上的三维数据；

标定所述标定球在不同位置上的球心连线为Z方向平移轴。

所述的方法，其中，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

在所述X方向和Y方向运动平面与所述三维形貌测量仪的感光元件之间的夹角大于预定阈值时；

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置；

计算所述标定球在不同位置的三维数据及其球心位置；

根据所述球心位置的变化标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

所述的方法，其中，所述标定旋转轴的轴向，具体包括：

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

选择移动一个旋转轴，使标定球移动至三个不同的位置；

计算所述标定球在三个不同的位置的三维数据并确定所述标定球的球心位置；

根据所述球心位置，确定一个圆的圆心以及圆面的法向，所述圆心及圆面的法向分别与所述旋转轴的轴向和旋转中心位置对应。

所述的方法，其中，所述标定旋转轴的轴向还包括：

在所述旋转轴移动过程中，标定球的位置超出所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围时，通过移动所述平移轴，将所述标定球移动至所述视场范围内。

所述的方法，其中，所述初始姿态矩阵为4×4矩阵。

所述的方法，其中，所述旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵，具体包括：

绕Z方向旋转轴旋转所述初始姿态矩阵，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第一夹角与X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第二夹角相等；

绕Y方向旋转轴旋转，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与X方向旋转轴重合；

绕X方向旋转轴旋转，以使所述初始姿态矩阵的Y方向旋转轴、Z方向旋转轴分别与Y方向旋转轴、Z方向旋转轴重合。

所述的方法，其中，所述移动所述平移轴具体包括：

确定所述准X旋转轴不变矩阵的第一原点和X旋转轴不变矩阵的第二原点之间的连线向量；

计算所述连线向量在所述X方向、Y方向以及Z方向上的分量；

分别在X方向、Y方向以及Z方向移动对应的分量。

一种三维形貌测量仪的控制系统，其中，包括至少一个或多个处理器以及存储器，其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个或多个处理器执行的指令程序，所述指令程序被设置为执行如上所述的控制方法。

有益效果：本发明提供的三维形貌测量仪的控制方法及其系统，通过使用特定的矩阵定义体系能够很好的实现对于物体在六轴立体空间体系中的姿态控制。通过对六轴的调整量，可以精确的将目标物体移动到正确的位置进行观测，具有良好的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三维形貌测量仪的第一结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维形貌测量仪的第二结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三维形貌测量仪的控制方法的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的三维形貌测量仪的标定方法的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的控制方法步骤400的方法流程图；

图6为本发明实施例提供的控制系统的硬件结构示意图。

具体实施方式

本发明提供三维形貌测量仪的控制方法及其系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1和图2为本发明实施例提供的一种三维形貌测量仪。如图1和图2所示，该三维形貌测量仪包括：Z轴垂直移动电机10、被测物体旋转电机20、X轴旋转电机30、Y轴平移电机40、Y轴旋转电机50、X轴旋转电机60、Z轴旋转电机70、Z轴平移电机90以及用于固定待测物体的载物台80。

通过上述驱动电机，在控制系统的控制下，载物台上固定设置的待测物体可以具有三个正交的平移轴以及对应的三个旋转轴。亦即，待测物体可以在电机活动机构下，带动其沿六轴方向移动，调整在空间中的位置。该三维形貌测量仪具体的硬件结构以及驱动机构等，均可以使用中国发明专利三维形貌测量仪（专利申请号201210116597.7）中公开的技术方案，为陈述简便，在此不作赘述。

图3为本发明实施例提供的，用以控制所述三维形貌测量仪的控制方法。如图3所示，该方法包括：

S100、标定所述平移轴。

S200、标定所述旋转轴的轴向。惯常的，在进行控制前，为保证控制的精确，需要将上述六个轴进行标定，确定或者标定其轴向。

具体的，分别可以采用下述方法对平移轴和旋转轴进行标定：

对于平移轴的标定过程具体可以为：首先，控制所述三维形貌测量仪的平移轴和旋转轴均归零。

然后，将标定板放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；并分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位。根据CCD采集到的图像，可以确定标定板的标定点在XY方向构成的平面上的移动，最后通过计算标定点的移动方向以标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

在另一些实施例中，所述X方向和Y方向运动平面与所述三维形貌测量仪的感光元件之间的夹角较大，例如大于一定的预定阈值时。基于精确度的考虑，无法使用上述简单的方式进行标定，需要使用标定球的方式。

在该标定方法中，首先将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内。然后，分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置，计算所述标定球在不同位置的三维数据及其球心位置。最后，根据所述球心位置的变化标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

完成对X方向和Y方向的标定后，可以据此进行Z方向上的标定。具体的，可以将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内，然后，沿Z方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置；分别计算所述标定球在不同位置上的三维数据。最后，标定所述标定球在不同位置上的球心连线为Z方向平移轴。

如图4所示，对于旋转轴的标定过程具体可以包括如下步骤：

410、将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内。

420、选择移动一个旋转轴，使标定球移动至三个不同的位置。

430、计算所述标定球在三个不同的位置的三维数据并确定所述标定球的球心位置。

440、根据所述球心位置，确定一个圆的圆心以及圆面的法向，所述圆心及圆面的法向分别与所述旋转轴的轴向和旋转中心位置对应。通过图4所示的轴向标定过程，可以依次完成x方向，y方向以及z方向上的旋转轴。

在一些实施例中，在进行轴向标定，标定球移位的过程中，标定球可能会移动到感光元件（如CCD）的视场范围外。因此，需要重新将标定球移动会视场范围内。由于在此之前平移轴均已经标定完毕，因此，上述平移过程可以基于平移轴的移动来完成，不影响旋转轴的标定，只需要将移动原点恢复即可。亦即在计算标定球在某个旋转轴的球心位置时，必须将X平移轴，Y平移轴，Z平移轴的运动量考虑进去。

完成标定后，可以即可进行对于目标物的姿态控制步骤。可以理解，该控制过程为：给定目标点一个初始姿态以及最终姿态，通过目标点在初始姿态时的6轴位置，计算目标点在最终姿态时的6轴位置。

S300、以初始姿态矩阵表示目标点的当前位置，并且以X旋转轴不变矩阵表示目标点的目标位置。

本领域技术人员可以通过数学证明：该问题等价于给定目标点一个姿态（即初始姿态），如何运动6轴，使得目标点的姿态矩阵变成以XR为X轴的一个姿态矩阵。在此使用术语“X旋转轴不变矩阵”命名这一矩阵，设其原点为XRO。在一些实施例中，可以使用大小为4×4的矩阵表示初始姿态。

S400、旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵；所述准X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向与所述X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向相同。

首先通过旋转轴的运动，可以将初始姿态矩阵调整为与X旋转轴不变矩阵之间坐标轴方向相同的一些矩阵，例如准单位矩阵，准X旋转轴不变矩阵等。这样的一些矩阵与目标矩阵的区别在于：其矩阵的原点有所不同。

S500、移动所述平移轴，以使所述准X旋转轴不变矩阵的原点与所述X旋转轴不变矩阵重合。该令原点重合的步骤是一个容易实现的过程，例如只要计算两个原点之间的连线向量在三个平移轴上的分向量即可。

具体的，以下结合具体实例，进一步阐述步骤400的过程，完成初始矩阵恢复准X旋转轴不变矩阵的目标的方法。设准XR不变矩阵的三个坐标轴为UXDir，UYDir，YZDir，准XR不变矩阵为UMat。当前姿态矩阵的三个坐标轴的方向为CurXDir,CurYDir,CurZDir, 当前姿态矩阵为CurMat。

如图5所示，该方法可以包括：

510、绕Z方向旋转轴旋转所述初始姿态矩阵，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第一夹角与X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第二夹角相等。

通过步骤510，可以为下一步绕Y方向旋转轴的旋转作好准备。在满足上述条件下，无论Y方向旋转轴如何旋转，CurXDir与XR都在以YR为中心轴的一个锥面上。

520、绕Y方向旋转轴旋转，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与X方向旋转轴重合。在步骤520中，由于CurXDir与X方向旋转轴都在以Y方向旋转轴为中心轴的一个锥面上，因此可以通过步骤520，通过绕Y方向旋转轴旋转，使得CurXDir与X方向旋转轴重合。当然，在绕Y方向旋转轴旋转时，X方向旋转轴是不变的，因为是串联机构，X方向旋转轴是Y方向旋转轴的前一轴。

530、绕X方向旋转轴旋转，以使所述初始姿态矩阵的Y方向旋转轴、Z方向旋转轴分别与Y方向旋转轴、Z方向旋转轴重合。通过步骤510和520，X方向旋转轴与CurXDir已经重合，因此绕X方向旋转轴转动时，CurXDir是不变的，故可以绕X方向旋转轴旋转CurMat（步骤530），使得CurYDir,CurZir与UYDir,UZDir重叠。最终，经过三个方向上的旋转轴的旋转后，CurMat与Umat的三个坐标轴实现重合。

图6为本发明实施例提供的控制系统的硬件结构示意图。如图6所示，该设备包括：一个或多个处理器610以及存储器620，图6中以一个处理器610为例。

处理器610、存储器620可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。

存储器620作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的控制方法对应的程序指令/模块。处理器610通过运行存储在存储器620中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例控制方法。

存储器620可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序。此外，存储器620可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。

上述产品可执行本发明实施例所提供的控制方法，具备执行控制方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。所述的计算机软件可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维形貌测量仪的控制方法，所述三维形貌测量仪包括三个正交的平移轴以及对应的三个旋转轴，所述平移轴包括：X方向平移轴、Y方向平移轴以及Z方向平移轴；所述旋转轴包括：绕所述X方向平移轴旋转的X旋转轴，绕所述Y方向平移轴旋转的Y旋转轴以及绕所述Z方向平移轴旋转的Z旋转轴；其特征在于，所述方法包括：

标定所述平移轴；

标定所述旋转轴的轴向，

以初始姿态矩阵表示目标点的当前位置，并且以X旋转轴不变矩阵表示目标点的目标位置；

旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵；所述准X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向与所述X旋转轴不变矩阵的坐标轴方向相同；

移动所述平移轴，以使所述准X旋转轴不变矩阵的原点与所述X旋转轴不变矩阵重合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

控制所述三维形貌测量仪的平移轴和旋转轴均归零；

将标定板放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位；

确定标定板的标定点在XY方向构成的平面上的移动；

计算标定点的移动方向以标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

控制所述三维形貌测量仪的平移轴和旋转轴均归零；

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

沿Z方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置；

分别计算所述标定球在不同位置上的三维数据；

标定所述标定球在不同位置上的球心连线为Z方向平移轴。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定所述平移轴的轴向，具体包括：

在所述X方向和Y方向运动平面与所述三维形貌测量仪的感光元件之间的夹角大于预定阈值时；

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

分别沿所述X方向平移轴、Y方向平移轴移动若干个脉冲单位以改变所述标定球的位置；

计算所述标定球在不同位置的三维数据及其球心位置；

根据所述球心位置的变化标定所述X方向平移轴和Y方向平移轴。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定旋转轴的轴向，具体包括：

将标定球放置在所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围内；

选择移动一个旋转轴，使标定球移动至三个不同的位置；

计算所述标定球在三个不同的位置的三维数据并确定所述标定球的球心位置；

根据所述球心位置，确定一个圆的圆心以及圆面的法向，所述圆心及圆面的法向分别与所述旋转轴的轴向和旋转中心位置对应。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标定旋转轴的轴向还包括：

在所述旋转轴移动过程中，标定球的位置超出所述三维形貌测量仪的感光元件的视场范围时，通过移动所述平移轴，将所述标定球移动至所述视场范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始姿态矩阵为4×4矩阵。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转所述旋转轴，以使所述初始姿态矩阵转换为准X旋转轴不变矩阵，具体包括：

绕Z方向旋转轴旋转所述初始姿态矩阵，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第一夹角与X方向旋转轴与Y方向旋转轴之间的第二夹角相等；

绕Y方向旋转轴旋转，以使初始姿态矩阵的X方向旋转轴与X方向旋转轴重合；

绕X方向旋转轴旋转，以使所述初始姿态矩阵的Y方向旋转轴、Z方向旋转轴分别与Y方向旋转轴、Z方向旋转轴重合。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动所述平移轴具体包括：

确定所述准X旋转轴不变矩阵的第一原点和X旋转轴不变矩阵的第二原点之间的连线向量；

计算所述连线向量在所述X方向、Y方向以及Z方向上的分量；

分别在X方向、Y方向以及Z方向移动对应的分量。

10.一种三维形貌测量仪的控制系统，其特征在于，包括至少一个或多个处理器以及存储器，其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个或多个处理器执行的指令程序，所述指令程序被设置为执行如权利要求1-8任一所述的控制方法。