CN107179051A - 一种大视场角三维测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体地说，涉及一种大视场角三维测量仪。所述系统包括：靶标照明单元，包括照明源，将发出的光线投射到被测目标的靶标上；至少两个扫描测量工作站，其放置成可以同步扫描获取所述扫描测量工作站所面向的测量场内的同一靶标的图像，并处理得到所述靶标相对于各自测量工作站的角度信息；空间交会测量单元，其用以接收所述角度信息，并将其解算为所述靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值。本测量系统可应用于大空间三维高精度动态测量的需求，还可以推广到造船、电力、建筑、交通等领域的大型零件多点三维测量应用。

Description

一种大视场角三维测量仪

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地说，涉及一种大视场角三维测量仪。

背景技术

工业领域零部件形位测量以往多使用接触法，如三坐标测量机、特殊的量具等，这种方法效率不高，受人为因素影响较大，很难满足大尺寸测量需求。摄影测量技术属于非接触式测量技术，测量速度快，盲区少，能够直观反映出目标的三维形状，以及与标准数据的偏差大小。因此，摄影测量技术在航空航天领域广泛应用。摄影测量技术在航空航天检测中的应用主要包括(1)复杂零件的面型检测，特别是对于毛坯零件加工余量的检测，非常适合；(2)关键尺寸的检测，如孔的位置、直径，各种角度、长度等。然而，基于摄影测量技术的测量仪的测量范围和精度还远远达不到某些应用的测量要求。因此，目前迫切需要一种能够兼具大视场范围和高测量精度的技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种大视场角三维测量仪。所述系统包括：

靶标照明单元，包括照明源，将发出的光线投射到被测目标的靶标上；

至少两个扫描测量工作站，其放置成可以同步扫描获取所述扫描测量工作站所面向的测量场内的同一靶标的图像，并处理得到所述靶标相对于各自测量工作站的角度信息；

空间交会测量单元，其用以接收所述角度信息，并将其解算为所述靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值；

测量控制单元，用于控制靶标照明单元、扫描测量工作站和空间交会单元协同工作，数据传输和测量显示；

扫描测量工作站包括：

扫描转镜及控制模块，控制扫描转镜以设定速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的光线以一定反射角度进行反射，扫描转镜包括八棱镜鼓和单轴转台，转台设有编码器，其用以向所述同步控制模块发送转台旋转的角度位置信息以在旋转到设定角度后同步控制单元向线阵传感器发送同步触发信号；

光学模块，对所反射的场景进行非实时对焦，以在一定景深范围内进行清晰成像，光学模块采用远心F-θ结构，在480nm-650nm波段内工作；

线阵图像采集模块，采集经扫描转镜反射后透过所述光学模块的图像，并将其处理成图像数据进行传输，线阵图像采集模块包括CMOS线阵传感器和图像采集卡，其中，所述CMOS线阵传感器包括USB接口和CXP接口以将所采样的图像数据传输给所述图像采集卡，所述图像采集卡用以将所述图像数据批量地转发给所述图像处理模块进行图像拼接处理，CMOS线阵传感上设有外触发接口，用以接收所述同步控制模块发送的同步触发信号，以使得所述线阵传感器的采样与扫描转镜的旋转匹配；

图像处理模块，接收线阵图像并进行拼接处理，识别靶标，获取靶标中心点在图像坐标系下的坐标值，计算靶标相对于各自测量工作站的角度信息；

同步控制模块，控制扫描转镜进行旋转的同时同步输出用以触发线阵图像传感器进行采样的同步触发信号，同步控制模块包括外同步触发单元，以向扫描转镜控制模块和线阵图像发送扫描同步信号，使得扫描转镜的旋转速度和线阵图像采集模块的采样速率匹配，同步控制模块还包括同步脉冲分配器，使同步脉冲之间的延时在纳秒量级；

测量工作站还包括控制主机和云台，图像处理模块与同步控制模块安装在控制主机上。

本发明的有益之处在于，本发明所提供的全视角测量扫描系统在大型测量场内纵向视场角最大可达90°，水平方向的视场角可以根据实际需求灵活设置，最大可达90°。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的大视场角三维测量仪的总体结构框图；

图2显示了根据本发明一个实施例的系统需要测量的靶标形状示意图；

图3显示了根据本发明一个实施例的大视场角三维测量仪的原理框图；

图4显示了根据本发明一个实施例中扫描测量工作站的机械结构图；

图5显示了根据本发明一个实施例的大视场角三维测量仪的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1显示了本发明一个实施例的大视场角三维测量仪系统100的总体结构框图。如图1所示，本发明的大视场角三维测量仪系统100具体包括靶标照明单元101、至少两个扫描测量工作站102、空间交会测量单元103以及测量控制单元104。测量控制单元104用以协调控制靶标照明单元、扫描测量工作站以及空间交会测量单元的交互，并在它们之间传递数据和控制信号。在某些情况下，可以将测量控制单元作为单独的一个部分设置在大视场角三维测量仪系统100中。在另一些情况下，也可以将其中的部分或全部功能放到扫描测量工作站102中实现。测量控制单元104上还设置有显示器，这样便可以将扫描测量工作站发送的测量数据例如靶标图像以及坐标值实时显示出来。

一般地，靶标照明单元101包括照明源及其驱动电源，它可以由测量工作站本地控制，也可以由主控系统远程控制。照明源可以是比较常见的LED光源，其用以将所发出的光线投射到被测目标的靶标上。靶标的设计在本发明的实例中遵循国家标准，为黑白相间的圆环形设计，如图2所示。根据测量任务的具体情况可将多个靶标分布在被测目标上。

为了对测量场内的整个空间进行扫描测量，测量系统还包括至少两个扫描测量工作站，其详细实施方案后面将会介绍。由于设计时，每个扫描测量工作站可以扫描到水平方向90度、垂直方向90度范围内的测量场。在布置这些工作站时，需要仔细调整它们的位置，使得它们放置成正好可以扫描到测量工作站所面向的测量场内的同一靶标的图像。

在各个扫描测量工作站内部，需要根据所获取的靶标图片处理得到靶标相对于各测量工作站的角度信息，角度信息通常包括靶标相对于工作站水平方向的方向角以及垂直方向的方向角。

空间交会测量单元103用以接收上述测量工作站发送来的角度信息，并将其解算为靶标在系统坐标系下的空间三维坐标值。本发明的大视场角三维测量仪系统主要根据视场内测量点在多幅图像中的投影匹配关系，从而计算被测点如靶标的空间三维坐标值。为了实现大视场内的高精度测量，系统需要获取高分辨率的图像，并根据图像特征匹配结果进行空间交会测量计算。

有关图像特征检测、特征匹配以及空间交会测量等具体的实施细节不在本发明的讨论范围之内。通常情况下，现有技术中也有一些知识可以被利用来完成上述功能，因此为不模糊本发明起见，这里对此暂不进行详述。本领域的技术人员也可以参看与本申请同日提交的其他专利文献。

如图3所示，其中详细显示了根据本发明原理设计的大视场角三维测量仪系统的原理框图。在图3中，从工作原理上来讲，扫描测量工作站102具体可划分为以下部分：扫描转镜及控制模块、光学模块、线阵图像采集模块以及图像处理模块、同步控制模块。

扫描转镜及控制模块，控制扫描转镜以设定速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的光线以一定反射角度进行反射，扫描转镜包括八棱镜鼓和转台。

线阵图像采集模块，也可以称为线阵传感器，它通过视场扫描来获取被测目标的一维投影。线阵传感器在图像获取的过程中，垂直视场内的角度信息是依靠目标在传感器上像元的位置确定的，水平垂直视场内的角度信息是由八棱镜鼓在空间某一时刻的扫描角度值确定的。扫描系统的扫描时间和传感器采样的位置由测量工作站控制系统进行精确的控制。因此，扫描频率和传感器的采样位置的精确程度直接影响了系统的测量精度。

一般在测量场内会布置多台测量工作站，安排至少两个测量工作站可以同时测到同一个靶标，同一被测靶标在不同测量工作站形成相应的投影，测量工作站得到被测靶标相对于测量工作站的垂直和水平的角度信息。为计算被测靶标的三维坐标，需要对同一被测靶标在不同测量工作站上的投影进行匹配，根据匹配结果将测量工作站获得的角度信息，输入到空间交会测量单元，进行三维坐标值计算。

此外，系统的测量精度与诸多因素相关。首先，单台测量工作站102获取的图像分辨率是决定仪器测量精度的最重要指标。在其它条件不变的情况下，图像分辨率愈高，仪器的测量精度愈高。

此外，系统的标定对于高精度的测量也是至关重要的。也就是说，仪器的测量精度还与测量场内仪器的布置方式相关。在实际应用过程中，需要对不同的布置方式进行分析。仪器的测量精度还与测量靶标与仪器的相对位置相关，其对测量精度的影响比较复杂。具体说，在测量工作开始以前，单个测量工作站的内参数标定(如测量工作站内部各个部件之间的位置角度关系)以及多个测量工作站之间的外参数标定(如测量工作站之间的距离，相对位置关系等)均需要高精度地完成。

从机械结构上，扫描测量工作站102是按照如图4所示的结构进行设计的。如图4所示，扫描测量工作站102包括扫描转镜及控制模块102a及线阵图像采集模块102b、光学模块102c、保护壳体102d以及云台102e，以及安装在控制主机上的图像处理模块、同步控制模块。

在本发明中，扫描转镜包括八棱镜鼓和单轴转台。八棱镜鼓安装在单轴转台台面上，由转台带动连续旋转。转台设有编码器，转台转动的角度由编码器通过电机驱动器输出给电机控制系统。转台转动的角度用于控制稳定电机转速和给出水平扫描角度信息。

本发明中，转台结构采用现有的单轴立式转台技术。八棱镜鼓与镜鼓工装整体安装在工作台上。工作台的台面材料为合金钢，用螺钉组固定在空气轴承端面上，回转元件采用高精度空气轴承。主轴与轴承配合的孔的尺寸精度、形位公差及粗糙度要求较高，采用加工中心一次加工完成，以满足主轴及工作平台的工作要求。台体旋转由力矩电机直接驱动，通过法兰与主轴相连接，保证传动和反馈实现无间隙运动。

转台的轴系设计是保证转轴的回转精度和台面刚度的关键步骤，要有尽可能小的摩擦力矩和较高的回转精度，因此需要选用高精度轴承。由于本系统精度要求极高，因此选用空气轴承作为回转元件。

空气轴承通过压缩空气来承受载荷。由于定子和转子间没有机械接触，其磨损降到最低，从而可以确保精确度稳定的保持在较高水平。由于其结构的不同，空气主轴旋转时的高精度天生具备。与传统轴承相比，空气轴承自然具备以下优点：高精度、高转速、寿命长、振动小、温升慢等。

由于，扫描测量工作站采用的是高速高分辨率线阵相机和扫描转镜(包括八棱镜鼓和高精度转台)，因此可以实现大视场的扫描测量。八棱镜鼓置于转台机构上转动，镜鼓的轴线与转台的旋转中心重合，线阵相机相对扫描转镜轴线的位置固定，线阵传感器成像面与转台转轴平行。这样在镜鼓转动过程中，相机拍摄镜鼓反射后的图像实现扫描成像，经过数据处理得到靶标在测量工作站坐标系下的角度测量信息。

光学模块102c对所反射的图像进行非实时对焦，以在一定景深范围内进行清晰成像。其采用远心F-θ结构设计。光学系统的视场为90°。为了减小光学系统的体积和重量，选用反射式结构。其光学系统外形尺寸为Φ48×145.5mm(不含探测器及结构件)，光学模块设置成在480nm-650nm波段内工作。由于本发明的光学模块属于短焦距、大视场、小F/#光学系统，所以采用近似对称结构作为系统的初始结构，这样可以减少像差的高阶量，提高成像质量。

此外，测量工作站的保护壳体102d的前面装有光学保护窗口。窗口上镀有带通增透膜，可以过滤杂散光和其它波段的光。电机的散热器通过底座连接到外部散热片上。

本发明的单个扫描测量工作站能够覆盖90°×90°大视场范围，可以满足3m～100m测量范围的要求。完成图像数据的采集与处理，对300个点进行识别与定位，输出目标点对应的水平和垂直角度信息。

扫描测量工作站的同步控制模块，控制扫描转镜进行旋转的同时同步输出用以触发线阵图像传感器进行采样的同步触发信号，同步控制模块包括外同步触发单元，以向扫描转镜控制模块和线阵图像发送扫描同步信号，使得扫描转镜的旋转速度和线阵图像采集模块的采样速率匹配，同步控制模块还包括同步脉冲分配器，使同步脉冲之间的延时在纳秒量级。

测量控制单元将20Hz的扫描同步信号同时发送给扫描测量工作站的同步控制模块，扫描转镜及控制模块同时接收单测量工作站的控制主机的控制指令，以此来控制扫描转镜进行转动，扫描转镜也会将已经运动的信号作为同步信号的反馈信号返回给扫描控制系统进行闭环控制，扫描转镜旋转过程中到达设定角度位置时发送数据采集的同步触发信号给线阵图像采集模块进行图像采集，发明中的局部速度反馈元件编码器是角位置传感器，即增量式圆光栅。

影响角位置精度的因素主要有回转误差、测量元件系统误差和控制误差。回转误差主要靠轴承的精度和装配精度保证。控制误差主要受控制器和反馈元件的误差影响，控制器由于采用了32位数字式控制方式，一般误差可以忽略，所以需主要考虑反馈元件的测量精度，测量精度又与反馈元件的系统精度和安装误差有关。

线阵图像采集模块将采集到的图像数据通过采集卡发送到图像处理模块进行拼接处理，从而得到一幅完整的图像。在测量工作站的控制主机中计算出靶标的水平方向和垂直方向的方位角。

在本发明中，线阵图像采集模块用以采样扫描转镜反射后透过所述光学模块的若干线阵图像，并将其处理成图像数据进行传输。其包括CMOS线阵传感器和图像采集卡，其中，CMOS线阵传感器包括USB接口和CXP接口以将所采样的图像数据传输给所述图像采集卡。图像采集卡用以将所述图像数据批量地转发给图像处理模块进行图像拼接处理。CMOS传线阵传感上设有外触发接口，用以接收同步控制模块发送的同步触发信号，以使得所述线阵传感器的采样与扫描转镜的旋转运动匹配。

图像处理模块接收所述线阵图像以进行拼接处理，并针对拼接后的完整图像识别其中的被测目标在图像坐标系下的坐标值。

图像处理算法包括：图像预处理(图像采集、图像拼接、畸变矫正、图像滤波、靶标筛选、靶标粗定位和靶标局域图像截取等)，靶标识别和靶标中心定位。在高速图像处理的工业应用中，配合测量现场的光源照明、靶标设计等系统硬件设计环节，可以简化上述的图像处理过程，以期达到高速测量的目的。

线阵图像的采集数据由相机通过Coaxpress口输出，控制主机中的PCIE插槽中插入Coaxpress图像采集卡，线阵数据由Coaxpress采集卡经由PCIE总线进入CUDA图像处理卡。在CUDA卡中，完成由图像预处理到靶标中心定位等一系列操作，以满足系统的实时性和精度的要求。

如图5所示，其中显示了大视场角三维测量仪系统的工作流程图。

系统的测量流程主要包括三个阶段：

(1)测量准备；

(2)参数标定；

(3)图像采集、三维计算与结果输出。

系统启动测量后S901，首先进入测量准备阶段。在该阶段中，主要根据测量任务和测量现场条件进行测量规划S902，包括设置靶标和照明、布置测量站S903，并核查测量场规划是否满足测量需求，即各测量工作站的视场是否完全覆盖为其设置的测量范围与靶标点，S904，核查无误后开始系统自检，S905，自检通过后进入参数标定和数据采集阶段。

在参数标定阶段中，在主控软件上建立测量工程S906，建立图像坐标系。然后进行系统外参标定S907，将标定结果输入到测量软件中，外参标定包括确定各测量工作站之间的位置关系及其在图像坐标系下的测量站位置。

在图像采集与处理阶段，进行靶标图像的采集与处理S908，得到靶标在各测量工作站坐标系下的坐标信息，将每个测量点相对测量工作站的角度信息输入到空间交会测量模块进行三维坐标解算S909，得到靶标测量点在图像坐标系下的空间三维坐标值。

最后，将测量结果通过三维显示和报表等形式输出S910。至此，整个测量过程结束，S911。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (1)

1.一种大视场角三维测量仪，其特征在于，所述系统包括：

靶标照明单元，包括照明源，将发出的光线投射到被测目标的靶标上；

至少两个扫描测量工作站，其放置成可以同步扫描获取所述扫描测量工作站所面向的测量场内的同一靶标的图像，并处理得到所述靶标相对于各自测量工作站的角度信息；

空间交会测量单元，其用以接收所述角度信息，并将其解算为所述靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值；

测量控制单元，用于控制靶标照明单元、扫描测量工作站和空间交会单元协同工作，数据传输和测量显示；

扫描测量工作站包括：

扫描转镜及控制模块，控制扫描转镜以设定速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的光线以一定反射角度进行反射，扫描转镜包括八棱镜鼓和单轴转台，转台设有编码器，其用以向所述同步控制模块发送转台旋转的角度位置信息以在旋转到设定角度后同步控制单元向线阵传感器发送同步触发信号；

光学模块，对所反射的场景进行非实时对焦，以在一定景深范围内进行清晰成像，光学模块采用远心F-θ结构，在480nm-650nm波段内工作；

线阵图像采集模块，采集经扫描转镜反射后透过所述光学模块的图像，并将其处理成图像数据进行传输，线阵图像采集模块包括CMOS线阵传感器和图像采集卡，其中，所述CMOS线阵传感器包括USB接口和CXP接口以将所采样的图像数据传输给所述图像采集卡，所述图像采集卡用以将所述图像数据批量地转发给所述图像处理模块进行图像拼接处理，CMOS线阵传感上设有外触发接口，用以接收所述同步控制模块发送的同步触发信号，以使得所述线阵传感器的采样与扫描转镜的旋转匹配；

图像处理模块，接收线阵图像并进行拼接处理，识别靶标，获取靶标中心点在图像坐标系下的坐标值，计算靶标相对于各自测量工作站的角度信息；

同步控制模块，控制扫描转镜进行旋转的同时同步输出用以触发线阵图像传感器进行采样的同步触发信号，同步控制模块包括外同步触发单元，以向扫描转镜控制模块和线阵图像发送扫描同步信号，使得扫描转镜的旋转速度和线阵图像采集模块的采样速率匹配，同步控制模块还包括同步脉冲分配器，使同步脉冲之间的延时在纳秒量级；

测量工作站还包括控制主机和云台，图像处理模块与同步控制模块安装在控制主机上。