CN109000566A - 激光扫描三维成像和ccd二维成像组合测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光扫描三维成像和CCD二维成像的组合测量方法，包括：S1、利用三维相机通过线激光运动扫描被测物主体边采集位置坐标在三维坐标系中构建被测物主体边的3D成像图；S2、在三维坐标点集M0中分离出用于测量运算纬度的二维坐标点集M1；S3、通过坐标校正公式将从三维坐标点集中分离出用于测量运算维度的二维坐标点集校正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点集M2；S4、将坐标点集M2所在坐标系的所有点映射至CCD二维坐标系中生成新的坐标点集M3；S5、通过CCD拍摄被测物位置图像提取被测物底边在CCD二维坐标系中的所有坐标点集N；S6、根据坐标点集M3和坐标点集N利用长度公式计算出被测物主体长度。降低生产效率。

Description

激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法及装置

技术领域

本发明属于数据成像测量技术改进领域，尤其涉及一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法及装置。

背景技术

在自动化生产装配工艺过程中，需要把锂电池精密装配至电子产品中，锂电池的尺寸值将直接影响装配后产品的性能，因此在精密装配过程中需测量出锂电池的主体长度尺寸，以确定该电池的主体长度尺寸是否适用于该产品装配。锂电池顶主体边的边缘形状为不规则的斜坡状，顶主体边不规则的形状对测量精度影响很大，且顶主体边周围存在电池电极耳、顶封胶等异物，使光学成像难度增加，因此，需要通过各种有效的方法检测出锂电池顶主体边位置和锂电池底边位置，从而测量出锂电池的主体长度尺寸。

目前，测量锂电池的主体长度尺寸是先使用机械接触式方法检测出锂电池顶主体边位置，再电通过电池上方CCD光学成像检测出锂电池底边位置，然后根据锂电池顶主体边位置和锂电池底边位置计算测量出锂电池的主体长度尺寸。

现有检测方式有不足之处，使用机械接触式方法检测锂电池顶主体边位置检测精度低、准确度差、速度慢，在换型测量不同型号锂电池时需进行的换型调试时间长，降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，旨在解决使用机械接触式方法检测锂电池顶主体边位置检测精度低、准确度差、速度慢，在换型测量不同型号锂电池时需进行的换型调试时间长，降低了生产效率的技术问题。

本发明是这样实现的，一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，所述激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法包括以下步骤：

S1、三维成像，利用三维相机通过线激光运动扫描被测物主体边采集位置坐标在三维坐标系中构建被测物主体边的3D成像图；

S2、坐标转换，在三维坐标点集M0中分离出用于测量运算纬度的二维坐标点集M1；

S3、坐标校正，通过坐标校正公式将从三维坐标点集中分离出用于测量运算维度的二维坐标点集校正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点集M2，坐标校正公式：Tx = Ox*cosθ +Oy*sinθ；Ty = Oy*cosθ - Ox*sinθ；

S4、坐标映射，将坐标点集M2所在坐标系的所有点映射至CCD二维坐标系中生成新的坐标点集M3；

S5、二维成像，通过CCD拍摄被测物位置图像提取被测物底边在CCD二维坐标系中的所有坐标点集N；

S6、主体长度计算，根据坐标点集M3和坐标点集N利用长度公式计算出被测物主体长度，计算长度公式：D = (d1 + d2 + d3 + … + dn)/ n；

其中，其中Ox、 Oy是原坐标点，Tx、Ty是根据夹角θ较正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S6还包括以下步骤：

S61、在CCD二维坐标系中将坐标点集N进行最小二乘法拟合直线，其直线方程，直线方程：ax + by + c = 0；

S62、根据CCD二维坐标系中图像像素比例值计算坐标点集M3所有点到拟合直线的距离。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S4中坐标映射中三维相机测量被测物X方向的边缘点与二维CCD测量被测物X方向的边缘点数值一一对应。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S2中还包括：

S21、根据3D图像在坐标Z方向获取被测物的有效测量点的所有坐标点M0。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S21中的有效测量点是被测物的上表面向下至被测物顶主体边斜坡2.58mm处的所有坐标点集。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中三维相机通过固定时序采集每条激光线上所有点的位置坐标信息。

本发明的另一目的在于提供一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，所述激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置包括底座、运动轴、三维相机、背光源、工作台、镜头支架及二维成像设备，所述运动轴、背光源、镜头支架及工作台分别设于所述底座上，所述三维相机设于所述运动轴上，所述工作台悬置于所述背光源上方，所述背光源及工作台置于所述镜头支架下方，所述二维成像设备设于所述镜头支架上，所述三维相机的镜头所述工作台相对，所述运动轴与所述工作台平行。

本发明的进一步技术方案是：所述二维成像设备包括CCD相机及远心镜头，所述CCD相机与所述远心镜头连接。

本发明的进一步技术方案是：所述运动轴包括安装座、滑动装置、多个检测限位器、限位检测片及相机固定座，所述滑动装置设于所述安装座上，多个所述检测限位器设于所述滑动装置上，所述相机固定座设于所述滑动装置上，所述限位检测片设于所述相机固定座上。

本发明的进一步技术方案是：所述工作台包括两块支撑板及玻璃台面，所述玻璃台面设于两块所述支撑板上，两个支撑板平行设置；所述镜头支架包括镜头固定板及四根支撑柱，四根所述支撑柱分别与所述镜头固定板的同一面的四个角位置连接。

本发明的有益效果是：使测量的精度提高，测量的操作更加简单快捷，能够实现高效的锂电池主体长度尺寸测量。提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的锂电池的主体长度尺寸测量说明图。

图3是本发明实施例提供的CCD光学成像图。

图4是本发明实施例提供的三维相机成像图。

图5是本发明实施例提供的测量坐标系图。

图6是本发明实施例提供的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法的流程图。

具体实施方式

附图标记：1-CCD 2-远心镜头 3-三维相机 4-运动轴 5-锂电池 6-工作台7-背光源 8-镜头固定座 9-支撑柱 10-底座

如图6所示，本发明提供的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法的流程图，其详述如下：

步骤S1，三维成像，利用三维相机通过线激光运动扫描被测物主体边采集位置坐标在三维坐标系中构建被测物主体边的3D成像图；发送指令控制电机带动三维相机运动，三维相机的线激光运动扫描锂电池顶主体边，通过固定时序采集每一条激光线上所有点的位置坐标信息，把所有点的位置坐标信息重构成3D图像，从而在三维坐标系中构建出电池顶主体边的3D成像图，参考附图4。

步骤S2，坐标转换，在三维坐标点集M0中分离出用于测量运算纬度的二维坐标点集M1；通过计算3D图像，在3D图像中查找出坐标Z方向从锂电池上表面向下至锂电池顶主体边斜坡2.58mm处的所有坐标点M0 ={（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），（X3，Y3，Z3），…，（Xn，Yn，Zn）}，查找方式参考附图2。测量锂电池主体长度以3D成像图中的Z坐标维度无关，只需根据Z坐标维度数据从电池表面至顶主体边斜坡2.58mm处找到用于测量的有效测量点，有效测量点的X、Y坐标维度用于测量锂电池主体长度运算，因此，需从三维坐标点集M0中分离出用于测量运算维度的二维坐标点集M1， M1 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}，从M0到M1过程定义为坐标转换。

步骤S3，坐标校正，通过坐标校正公式将从三维坐标点集中分离出用于测量运算维度的二维坐标点集校正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点集M2，坐标校正公式：Tx =Ox*cosθ + Oy*sinθ；Ty = Oy*cosθ - Ox*sinθ；CCD的二维坐标系与三维相机坐标系中的二维X、Y坐标系存在夹角θ。根据夹角θ，把从三维坐标点集M0中分离出用于测量运算维度的二维X、Y坐标点集M1 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}较正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点。坐标点较正公式：Tx = Ox*cosθ + Oy*sinθ；Ty = Oy*cosθ - Ox*sinθ，其中Ox、 Oy是原坐标点，Tx、Ty是根据夹角θ较正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点。M1 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}所有点较正后变为新的坐标点集M2 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}。

步骤S4，坐标映射，将坐标点集M2所在坐标系的所有点映射至CCD二维坐标系中生成新的坐标点集M3；新的坐标点集M2 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}所在的坐标系与CCD的二维坐标系平行，但这两个坐标系是在各自不同的坐标系统中，两坐标系同时测量相同的金属标定块X方向边缘点时，三维相机与二维CCD所测量出的边缘点数值一一对应，根据一一对应关系，把坐标点集M2 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}所在的坐标系的所有坐标点映射至CCD二维坐标系中，映射后M2变成新的坐标点集M3 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}，M3属于CCD二维坐标系，把M2映射至CCD二维坐标系变为M3这个过程称为坐标映射。

步骤S5，二维成像，通过CCD拍摄被测物位置图像提取被测物底边在CCD二维坐标系中的所有坐标点集N；通过控制CCD拍摄锂电池底边位置像图参考图3，提取出锂电池底边在CCD二维坐标系中的所有坐标点集 N ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}，坐标点集N将用于锂电池主体长度计算。

步骤S6，主体长度计算，根据坐标点集M3和坐标点集N利用长度公式计算出被测物主体长度，计算长度公式：D = (d1 + d2 + d3 + … + dn)/ n；三维相机所提取出的锂电池顶主体边所有坐标点，通过坐标转换，坐标较正，坐标映射，转化为新的坐标点集M3，M3 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}和坐标点集 N ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}处于同一坐标系统，均处于CCD二维坐标系中，在CCD二维坐标系中，把N ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}进行最小二乘法拟合直线，直线方程：ax + by +c = 0，根据CCD二维坐标系中图像像素比例值KX，KY，单位：毫米/像素，计算出M3 ={（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}所有点到直线ax + by + c = 0的距离{d1,d2,d3,…,dn}，单位：毫米，从而计算出锂电池主体长度：D = (d1 + d2 + d3 + … + dn)/ n。

CCD光学成像的二维坐标系中图像像素标定：金属标定块的尺寸由权威计量局计量，CCD对图5中高精度金属标定块光学成像，从金属标定块成像的图片中，可以计算出金属标定块长、宽像素值，通过长、宽像素值和金属标定块实际长、宽单位（毫米）标定出二维坐标系中图像像素比例值KX，KY，像素比例值单位：毫米/像素。假如标定出1个像素宽度值等于KY=0.5mm， CCD成像图片二维坐标系中测量出物体宽度为100个像素，那么测量出物体宽度=100* KY=50mm。通过标定后，CCD光学成像的二维坐标系图像中便可以直接计算出国际单位毫米值。

三维相机成像的三维坐标系与CCD光学成像的二维坐标系两坐标系夹角标定：根据图1的硬件安装位置，上方安装为CCD，下方安装为三维相机，CCD和三维相机图像所构建的坐标系如图5中所示，上方为CCD图像的二维坐标系，下方为三维相机图像的三维坐标系，三维相机图像的三维坐标X、Y，Z中的二维度X、Y坐标与CCD图像的二维坐标X、Y存在夹角，定义该夹角为θ。CCD成像高精度金属标定块X方向边缘采集出多个坐标点{（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}，使用数学最小二乘法进行多个坐标点拟合直线方法计算出角度值T1。三维相机通过扫描高精度金属标定块光学成像，在金属标定块图像的三维坐标X、Y，Z的二维度X、Y坐标系中计算出标定块X方向的夹角值T2，夹角的计算原理是在金属标定块X方向边缘采集出多个坐标点{（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3），…，（Xn，Yn）}，只需X、Y坐标用于计算，不需要使用Z坐标，同样将多个坐标点使用数学最小二乘法进行拟合直线，从而计算出角度值T2。CCD的二维坐标系与三维相机坐标系中的二维X、Y坐标系夹角θ=T1+T2。

如图1所示，本发明的另一目的在于提供一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，所述激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置包括底座10、运动轴4、三维相机3、背光源7、工作台6、镜头支架及二维成像设备，所述运动轴4、背光源7、镜头支架及工作台6分别设于所述底座10上，所述三维相机3设于所述运动轴4上，所述工作台6悬置于所述背光源7上方，所述背光源7及工作台6置于所述镜头支架下方，所述二维成像设备设于所述镜头支架上，所述三维相机3的镜头所述工作台6相对，所述运动轴4与所述工作台6平行。

所述二维成像设备包括CCD相机1及远心镜头2，所述CCD相机1与所述远心镜头2连接。

所述运动轴4包括安装座、滑动装置、多个检测限位器、限位检测片及相机固定座，所述滑动装置设于所述安装座上，多个所述检测限位器设于所述滑动装置上，所述相机固定座设于所述滑动装置上，所述限位检测片设于所述相机固定座上。

所述工作台6包括两块支撑板及玻璃台面，所述玻璃台面设于两块所述支撑板上，两个支撑板平行设置。

所述镜头支架包括镜头固定板8及四根支撑柱9，四根所述支撑柱9分别与所述镜头固定板8的同一面的四个角位置连接。

所述背光源采用的是平行背光源。

CCD相机1，其作用是光学成像，通过成像分析检测出锂电池底边位置。

远心镜头2，其作用是光路汇聚，通过光路汇聚将锂电池成像于CCD中。

三维相机3（三维成像相机的简称），其作用是扫描重构出三维图像，原理是相机发出线激光，线激光运动扫描重构出三维图像，通过分析三维图像检测出锂电池顶主体边位置。

运动轴4，作用是通过轴运动带动三维相机进行线激光扫描成像。

锂电池5，是测量对像，测量项为电池的主体长度尺寸。

工作台6，作用是承放被测量的锂电池，玻璃平台材质为高硬度光学玻璃。

背光源7，发出平行光起照明作用，光源发光颜色为蓝色。

镜头固定座8，用于锁螺丝固定远心镜头，防止工作时镜头振动。

支撑柱9，用于支撑镜头固定座上的远心镜头，保证镜头与测量对像的工作距离。

底座10，用于安装，支撑运动轴4、相机、镜头、光源等物件。

为锂电池底边位置。

锂电池的主体长度尺寸测量说明参考附图2；11为锂电池底边位置。12为锂电池顶主体边位置。13为锂电池的主体长度尺寸。14为锂电池顶主体边位置检测说明，从锂电池顶主体边剖面示图中可看到，顶主体边不是垂直向下的边缘，是斜坡状向下的边缘，定义顶主体边位置是从锂电池上表面至斜坡向下2.58mm处。

三维相机成像图参考附图4：图4为三维相机通过线激光运动扫描锂电池重构出三维图像，图像中标示出锂电池顶主体边位置。

测量坐标系参考附图5：图5为测量系统所建立的坐标系，三维相机通过线激光运动扫描锂电池重构出三维图像的三维坐标系，CCD拍摄锂电池的光学成像的二维坐标系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法包括以下步骤：

S1、三维成像，利用三维相机通过线激光运动扫描被测物主体边采集位置坐标在三维坐标系中构建被测物主体边的3D成像图；

S2、坐标转换，在三维坐标点集M0中分离出用于测量运算纬度的二维坐标点集M1；

S3、坐标校正，通过坐标校正公式将从三维坐标点集中分离出用于测量运算维度的二维坐标点集校正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点集M2，坐标校正公式：Tx = Ox*cosθ +Oy*sinθ；Ty = Oy*cosθ - Ox*sinθ；

S4、坐标映射，将坐标点集M2所在坐标系的所有点映射至CCD二维坐标系中生成新的坐标点集M3；

S5、二维成像，通过CCD拍摄被测物位置图像提取被测物底边在CCD二维坐标系中的所有坐标点集N；

S6、主体长度计算，根据坐标点集M3和坐标点集N利用长度公式计算出被测物主体长度，计算长度公式：D = (d1 + d2 + d3 + … + dn)/ n；

其中，其中Ox、 Oy是原坐标点，Tx、Ty是根据夹角θ较正为与CCD的二维坐标系平行的坐标点。

2.根据权利要求1所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述步骤S6还包括以下步骤：

S61、在CCD二维坐标系中将坐标点集N进行最小二乘法拟合直线，其直线方程，直线方程：ax + by + c = 0；

S62、根据CCD二维坐标系中图像像素比例值计算坐标点集M3所有点到拟合直线的距离。

3.根据权利要求2所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述步骤S4中坐标映射中三维相机测量被测物X方向的边缘点与二维CCD测量被测物X方向的边缘点数值一一对应。

4.根据权利要求3所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：

S21、根据3D图像在坐标Z方向获取被测物的有效测量点的所有坐标点M0。

5.据权利要求4所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述步骤S21中的有效测量点是被测物的上表面向下至被测物顶主体边斜坡2.58mm处的所有坐标点集。

6.根据权利要求5所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量方法，其特征在于，所述步骤S1中三维相机通过固定时序采集每条激光线上所有点的位置坐标信息。

7.一种激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，其特征在于，所述激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置包括底座、运动轴、三维相机、背光源、工作台、镜头支架及二维成像设备，所述运动轴、背光源、镜头支架及工作台分别设于所述底座上，所述三维相机设于所述运动轴上，所述工作台悬置于所述背光源上方，所述背光源及工作台置于所述镜头支架下方，所述二维成像设备设于所述镜头支架上，所述三维相机的镜头所述工作台相对，所述运动轴与所述工作台平行。

8.根据权利要求7所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，其特征在于，所述二维成像设备包括CCD相机及远心镜头，所述CCD相机与所述远心镜头连接。

9.根据权利要求8所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，其特征在于，所述运动轴包括安装座、滑动装置、多个检测限位器、限位检测片及相机固定座，所述滑动装置设于所述安装座上，多个所述检测限位器设于所述滑动装置上，所述相机固定座设于所述滑动装置上，所述限位检测片设于所述相机固定座上。

10.根据权利要求8所述的激光扫描三维成像和CCD二维成像组合测量装置，其特征在于，所述工作台包括两块支撑板及玻璃台面，所述玻璃台面设于两块所述支撑板上，两个支撑板平行设置；所述镜头支架包括镜头固定板及四根支撑柱，四根所述支撑柱分别与所述镜头固定板的同一面的四个角位置连接。