CN110030940A - 一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，用于检测被测物体表面的三维结构、形貌特征，以此分析被测物体的运动状态。通过设置离被测物体一定距离的测距传感器连续测量物体上表面被测点与测距传感器之间的距离，测距传感器固定于一个旋转轴，并与旋转轴以一定的角度指向被测物体表面，结合测距传感器与物体之间瞬时的位置关系，对某一时刻的L(i)进行信息编码，包括：L(i)、旋转转速、角度、物体移动速度、旋转相位角等参数，计算被测点的三维坐标（xi,yi,zi），将各被测点的三维坐标导入计算机形成被测物体上表面的三维结构特征。

Description

一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法及其 装置
技术领域
本发明专利属于工业测量技术领域，涉及到一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法及其装置。
背景技术
随着三维扫描技术的发展，激光扫描检测作为检测物体三维的手段已经被广泛使用，但是现在的激光三维检测都是使用线激光结合工业相机的图像检测方法，以及采用点光源基于飞行时间的扫描检测方法(TOF)，难以解决检测物体尺寸大、检测精度要求高之间的矛盾。针对某些需要高精度检测的设备来说，线激光三维检测是难以满足其对测量精度需求。如专利CN201210030139.1，公开了一种高速扫描整体成像三维测量方法，包括下列步骤：利用激光器外调制驱动电源控制一字线激光器的输出；使多面棱镜在高速电机的驱动下旋转，多面棱镜将激光器输出的线结构光反射、投射到被测物体表面；将光电探测器放置在多面棱镜旋转过程中线结构光投射的极限位置上，面阵CCD相机在结构光扫描整个区域的过程中都进行曝光，建立测量模型，被测物体表面特征点的三维坐标(xp，yp，zp)由面阵CCD相机形成的图像坐标和θp根据公式获得。该对比文件采用线激光器作为光源，测量的精度不够，没法显示出物体部分表面上的细致凹凸变化，而且由于使用的是图像比对的方法来处理测量图像，需要处理的数据量过大，对于处理器的性能要求过高。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题是，提供一种能够准确快速测量的基于旋转编码技术的物体表面的高精度三维测量方法及其装置。
本专利首先公开了一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，用于测量被测物体上表面的三维结构特征，通过设置在物体上方的测距器连续测量物体上表面被测点与测距器之间的距离L(i)，结合测距器与物体之间的位置关系，对某一时刻的L(i)进行信息编码，包括：L(i)、旋转转速、角度α、物体移动速度以及旋转相位角的参数，并计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)，将各被测点的三维坐标导入计算机形成被测物体上表面的三维结构特征。具体包括以下步骤：
S1、设置被测物体或测距器的相对位置，使测距器测距方向朝向被测物体上表面；
S2、使被测物体与测距器相对移动，移动速度为V；
S3、使测距器绕一转动轴转动，使被测点在被测物体上表面形成弧形或直线形测量轨迹；
S4、测距器采样测量，测量测距器与被测物体上表面的被测点之间的距离L(i)；
S5、根据每个被测点当前的测距器与物体之间的位置关系和距离L(i)计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi),形成被测物体上表面的三维结构特征。
通过设置一个测距器且让其发生转动，使得被测点在物体上表面形成测量轨迹，测距器可以测量出在物体上表面的各处被测点与测距器的距离，然后由于测距器与物体相互靠近，两者的相对位置发生变化，所以被测点也发生变化，测距器可以测量出物体上表面更多的地方。而且本发明每次只是测量物体上表面的一个被测点到测距器的距离，确保了测量的精度，接着再通过测距器的转动以及测距器与物体的相对运动，从而实现对整个物体上表面的三维测量。而且本方法只是测量物体的上表面不需要深入到物体内部测量，所以不需要一个距离够长并且可伸缩的支撑机构，带动测距器深入到物体内部。
采用本专利所测量的被测物品有一定的局限，最好是所述物体上表面平滑过渡，最大的适用范围是被测物体上表面任意一个被测点的切线的斜率小于在测量该被测点时，测距器与该被测点连线跟物体上表面之间夹角的正切值，特别是在包括有测距器以及被测点且与物体上表面垂直的平面上。这主要避免物体内部不够光滑以及测距器与物体上表面的距离过近，导致使用本方法测量物体上表面时，由于物体上表面凹凸不平，物体上表面的凸起挡在测距器与真正的测距点之间，得到错误的数据。
在S2中，所述相对移动包括：固定被测物体，所述测距器恒速移动，移动速度为V；或者固定测距器，所述物体恒速移动，移动速度为V；或者所述测距器与所述物体相向或相离同时恒速移动，移动速度为V。
由于只需要物体与测距器相对位置发生变化，那么测距器就能测量到物体上表面的不同位置，得到物体上表面不同位置的凹凸情况，所以无论物体运动还是测距器运动都是可以接受的。而且多种运动方式有利于应对不同的情况，避免当测距器或者物体不好移动时，可以通过另外一个的移动来使得两者的相对位置发生变化。而且移动速度为恒定速度，方便了计算机的运算，也避免了测距器或物体不停加速或减速导致测量精度的下降。
在S3中，所述测距器绕与测距方向成角度α的转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成弧形测量轨迹；或者所述测距器绕与测距方向垂直转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成直线形测量轨迹。
所述测距器绕与测距方向成角度α的转动轴转动，被测点在被测物体上表形成弧形测量轨迹；或者
所述测距器绕与测距方向垂直转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成直线形测量轨迹。
所述测距器的转速不少于800～1200r/min，最优选择不低于1200r/min。由于测距器每次只是测量一个被测点的数据，这样测量的时间会非常慢，所以本发明通过给测距器非常高的转速来保证整个测量方法方便快捷，而且更快的转速也保证了物体与测距器之间发生快速地相对位移时，测距器每转动一圈的测量轨迹都能紧密地贴紧在一起，在测量时不会出现物体上表面的某些位置被忽略的情况。
在S4中，通过激光三角法计算L(i)。
由于激光三角法只需要测量物品在测距器中的检测器上成像的移动距离即可测量测距器到被测物体上表面的被测点距离L(i)，不是通过光的折返时间来计算距离，可以近距离测量物品，那么就保证了激光在发射途中不会由于长距离的传输而发生偏差；加之，由于本方案是通过测距器不断转动来作出无数多条测量轨迹，最后计算测量轨迹上各个被测点的数据来获得物体的三维信息，所以测距器有许多数据需要处理，而激光三角法计算简单，收集的数据也只有成像的移动距离，可以快速且大量地处理这些数据，降低了对处理器的要求。
在S5中:
以转动轴一开始在物体上表面的正投影为原点，以物体朝向转动轴方向为Y轴，垂直于Y轴的方向为X轴，建立坐标轴；
将移动速度V分解为在X轴方向上的移动速度Vx(T)以及在Y轴方向上的移动速度Vy(T)；
测量得到测距器与被测物体上表面的被测点之间的距离L(i)；
通过旋转电机内置的旋转编码器得到测距器每发射一次点激光时固定转过的角度；
测量测距器与测距方向之间的夹角α；
当测距器转动一圈后的被测点在物体上表面形成的测量轨迹为圆形时，测量圆形测量轨迹的半径r；所述r可以通过测量圆形测量轨迹或者通过测量旋转电机到物体上表面的距离h后，再加上已测得的夹角α计算得到。
通过测距器获取测距器的测量频率，因此Ti＝t(i)；
那么对于第i个被测点:
得到
得到
得到z＝L(i)cosα；
所述为测距器与第一个被测点的连线在物体上表面的投影与Y轴正半轴的夹角；
计算得到(xi,yi,zi)的数值，通过(xi,yi,zi)的数值算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
所述物体只在Y轴方向移动，没有在X轴方向移动，而且速度恒定为V，所述Y轴的正方向为物体移动方向，所述测距器顺时针转动且第一被测点在Y轴负半轴上。
对于第i个被测点：
得到
得到
得到zi＝L(i)cosα。
本专利还进一步公开一种适用于上述方法的高精度三维测量装置，包括：用于测量其与被测物体上表面被测点的距离L(i)的测距器；使被测物体与测距器发生相对移动的平移装置；带动测距器绕一转动轴转动的转动装置；和计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)的计算机系统；所述测距器测距方向朝向被测物体上表面，平移装置带动被测物体或测距器，转动装置驱动测距器转动，计算机系统连接测距器输出端获得距离L(i)。
所述测距器为点激光位移传感器，转动装置为旋转电机，所述测距器的激光发射方向与旋转电机的旋转轴呈夹角α。由于点激光位移传感器每次运行只需要测量一个点的变化，所以可以达到更高的精度，更容易测量出物体上表面的细微变化。所述点激光位移传感器包括激光光源、准直器、成像透镜、窄带滤光片以及CCD或者PSD。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果为：
本发明通过设置高精度的点激光位移传感器，每次只检测物体上表面的一个被测点到测距器的距离，确保了测量的精度，加之通过测距器的高速自旋，在物体上表面形成大量的测量轨迹，弥补了测量方法测量速度慢的缺点，而且超快的转速也使得在快速移动的物体经过时，本发明方法也能测量出物体上表面各个位置的凹凸情况，不会出现漏测的情况。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为实施例1的正面结构示意图。
图3为实施例1在开始时的俯视结构示意图。
图4为实施例2的正面结构示意图。
图5为实施例2在开始时的俯视结构示意图。
图6为实施例3的结构示意图。
附图中所示标号：1、激光位移传感器；2、物体；3、物体上表面；4、被测点；5、旋转电机；6、转动轴；α、测量测距器与测距方向之间的夹角。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本专利首先公开了一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，用于测量被测物体上表面的三维结构特征，通过设置在物体上方的测距器连续测量物体上表面被测点与测距器之间的距离L(i)，结合测距器与物体之间的位置关系，对某一时刻的L(i)进行信息编码，包括：L(i)、旋转转速、角度α、物体移动速度以及旋转相位角的参数，并计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)，将各被测点的三维坐标导入计算机形成被测物体上表面的三维结构特征。如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、设置被测物体或测距器的相对位置，使测距器测距方向朝向被测物体上表面；
S2、使被测物体与测距器相对移动，移动速度为V；
S3、使测距器绕一转动轴转动，使被测点在被测物体上表面形成弧形或直线形测量轨迹；
S4、测距器采样测量，测量测距器与被测物体上表面的被测点之间的距离L(i)；
S5、根据每个被测点当前的测距器与物体之间的位置关系和距离L(i)计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi),形成被测物体上表面的三维结构特征。
所述物体上表面平滑过渡，上表面任意一个被测点的切线的斜率小于在测量该被测点时激光位移传感器与该被测点连线跟物体上表面之间夹角的正切值，特别是在包括激光位移传感器以及被测点且与物体上表面垂直的平面上。
在S2中，所述相对移动包括：固定被测物体，所述测距器恒速移动，移动速度为V；或者固定测距器，所述物体恒速移动，移动速度为V；或者所述测距器与所述物体相向或相离同时恒速移动，移动速度为V。
在S3中，所述测距器绕与测距方向成角度α的转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成弧形测量轨迹；或者所述测距器绕与测距方向垂直转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成直线形测量轨迹。
所述激光位移传感器的转速不少于1200r/min。由于激光位移传感器每次只是测量一个被测点的数据，这样测量的时间会非常慢，所以本发明通过设置激光位移传感器的转速保证了整个测量方法方便快捷，而且更快的转速也保证了物体与激光位移传感器之间发生快速地相对位移时，激光位移传感器每转动一圈的测量轨迹都能紧密地贴紧在一起，在测量时不会出现物体上表面的某些位置被忽略的情况。
在S4中，通过激光三角法计算L(i)。
一种根据上述的一种物体上表面的高精度三维测量方法的装置，包括用于测量其与被测物体上表面被测点的距离L(i)的测距器；使被测物体与测距器发生相对移动的平移装置；带动测距器绕一转动轴转动的转动装置；和计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)的计算机系统；所述测距器测距方向朝向被测物体上表面，平移装置带动被测物体或测距器，转动装置驱动测距器转动，计算机系统连接测距器输出端获得距离L(i)。所述计算机分别与测距器、转动装置以及平移装置信号连接。
所述测距器为点激光位移传感器，转动装置为旋转电机，所述测距器的激光发射方向与旋转电机的旋转轴呈夹角α。所述激光位移传感器包括激光光源、准直器、成像透镜、窄带滤光片以及CCD或者PSD。
实施例1
如图2-3所示，当激光位移传感器在与物体上表面平行的平面上转动一圈，被测点在物体上表面形成圆形的测量轨迹时。
在检测一开始，以物体朝向转动轴方向为Y轴，垂直于Y轴的方向为X轴，以转动轴一开始在物体上表面的正投影为原点，建立坐标轴，所述Y轴正方向为物体移动方向且第一个被测点在Y轴负半轴上。然后物体开始以V的速度在Y轴方向上移动，激光位移传感器也开始顺时针运动，直至检测结束。
然后，通过激光位移传感器计算得到每次发出激光时，激光从激光位移传感器发射到被测物体上表面的被测点距离L(i)；
通过旋转电机内置的旋转编码器得激光位移传感器每发射一次点激光时固定转过的角度；
通过角度测量器，测量激光位移传感器激光发射的方向与旋转电机的旋转轴之间的夹角α；
旋转的激光射到物体上表面形成圆形测量轨迹时，测量圆形测量轨迹的半径r；
通过激光位移传感器获取激光位移传感器发射激光的频率，因此Ti＝t(i)；
对于第i个被测点：
得到
得到
得到zi＝L(i)cosα。
计算得到(xi,yi,zi)的数值，通过(xi,yi,zi)的数值算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
实施例2
如图4-5所示，当激光位移传感器在与物体上表面垂直的平面上转动且包含了X轴，从而在物体上表面形成直线的测量轨迹时。
在检测一开始，以物体朝向转动轴方向为Y轴，垂直于Y轴的方向为X轴，以转动轴一开始在物体上表面的正投影为原点，建立坐标轴，且第一被测点在原点上。然后物体开始以V的速度在Y轴方向上移动，激光位移传感器也开始顺时针运动，直至检测结束。
然后，通过激光位移传感器计算得到每次发出激光时，激光从激光位移传感器发射到被测物体上表面的被测点距离L(i)；
通过旋转电机内置的旋转编码器得激光位移传感器每发射一次点激光时固定转过的角度；
通过激光位移传感器获取激光位移传感器发射激光的频率，因此Ti＝t(i)；
而且还要获得激光位移传感器与旋转电机的距离a；
那么对于第i个被测点:
得到
得到
得到
计算得到(xi,yi,zi)的数值，通过(xi,yi,zi)的数值算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
通过算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
实施例3
如图6所示，当激光位移传感器在与物体上表面平行的平面上转动一圈，被测点在物体上表面形成圆形的测量轨迹时。
在检测一开始，以物体朝向转动轴方向为Y轴，垂直于Y轴的方向为X轴，以转动轴一开始在物体上表面的正投影为原点，建立坐标轴，所述Y轴正方向为转动轴移动的反方向且第一个被测点在Y轴负半轴上。然后转动轴开始以V的速度在Y轴方向上移动，激光位移传感器也开始顺时针运动，直至检测结束。
然后，通过激光位移传感器计算得到每次发出激光时，激光从激光位移传感器发射到被测物体上表面的被测点距离L(i)；
通过旋转电机内置的旋转编码器得激光位移传感器每发射一次点激光时固定转过的角度；
通过角度测量器，测量激光位移传感器激光发射的方向与旋转电机的旋转轴之间的夹角α；
旋转的激光射到物体上表面形成圆形测量轨迹时，测量圆形测量轨迹的半径r；
通过激光位移传感器获取激光位移传感器发射激光的频率，因此Ti＝t(i)；
对于第i个被测点：
得到
得到yi＝-r-a；由于所以
得到zi＝L(i)cosα。
计算得到(xi,yi,zi)的数值，通过(xi,yi,zi)的数值算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法：用于检测被测物体上表面的三维结构特征，其特征在于，通过设置在物体上方的测距器连续测量物体上表面被测点与测距器之间的距离L(i)，结合测距器与物体之间的位置关系，对某一时刻的L(i)进行信息编码，包括：L(i)、旋转转速、角度α、物体移动速度或旋转相位角的参数，计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)，将各被测点的三围坐标导入计算机形成被测物体上表面的三维结构特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置被测物体或测距器的相对位置，使测距器测距方向朝向被测物体上表面；
S2、使被测物体与测距器相对移动，移动速度为V；
S3、使测距器绕一转动轴转动，使被测点在被测物体上表面形成弧形或直线形测量轨迹；
S4、测距器采样测量，测量测距器与被测物体上表面的被测点之间的距离L(i)；
S5、根据每个被测点当前的测距器与物体之间的位置关系和距离L(i)计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi),形成被测物体上表面的三维结构特征。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，所述方法适用于物体上表面任意一个被测点的切线的斜率小于在测量该被测点时测距器与该被测点连线跟物体上表面之间的夹角的正切值。
4.根据权利要求2所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，在S2中，所述相对移动包括：
固定被测物体，所述测距器恒速移动，移动速度为V；或者
固定测距器，所述物体恒速移动，移动速度为V；或者
所述测距器与所述物体相向或相离同时恒速移动，移动速度为V。
5.根据权利要求2所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，在S3中，
所述测距器绕与测距方向成角度α的转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成弧形测量轨迹；或者
所述测距器绕与测距方向垂直的转动轴转动，被测点在被测物体上表面形成直线形测量轨迹。
6.根据权利要求2所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，在S4中，通过激光三角法计算L(i)，所述步骤S5中，以转动轴一开始在物体上表面的正投影为原点，以物体朝向转动轴方向为Y轴，垂直于Y轴的方向为X轴；，建立坐标轴；
将移动速度V分解为在X轴方向上的移动速度Vx(T)以及在Y轴方向上的移动速度Vy(T)；
通过旋转电机内置的旋转编码器得测距器每发射一次点激光时固定转过的角度
测量测距器与测距方向之间的夹角α；
旋转的激光射到物体上表面形成圆形测量轨迹时，测量圆形测量轨迹的半径r；
通过测距器获取测距器测量的频率，因此Ti＝t(i)；
那么对于第i个被测点:
得到
得到
得到zi＝L(i)cosα；
所述为测距器与第一个被测点的连线在物体上表面的投影与Y轴负半轴的夹角；
计算得到(xi,yi,zi)的数值，通过(xi,yi,zi)的数值算出物体上表面各个位置的凹凸情况，从而获得物体上表面的三维数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法，其特征在于，
所述物体只在Y轴方向移动，没有在X轴方向移动，且速度恒定为V，所述测距器顺时针转动且第一个被测点在Y轴负半轴上；
对于第i个被测点：
得到
得到
得到zi＝L(i)cosα。
在S4中，所述测距器的转速不少于1200r/min。
8.一种适用于权利要求1所述方法的基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法的装置，其特征在于，包括：
用于测量其与被测物体上表面被测点的距离L(i)的测距器；
使被测物体与测距器发生相对移动的平移装置；
带动测距器绕一转动轴转动的转动装置；和
计算被测点的三维坐标(xi,yi,zi)的计算机系统；
所述测距器测距方向朝向被测物体上表面，平移装置带动被测物体或测距器，转动装置驱动测距器转动，计算机系统连接测距器输出端获得距离L(i)。
9.根据权利要求8所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法的装置，其特征在于，所述测距器为点激光位移传感器，通过激光三角法计算L(i)。
10.根据权利要求8所述的一种基于旋转编码技术的物体表面高精度三维测量方法的装置，其特征在于，所述测距器为激光位移传感器，转动装置为旋转电机，所述测距器的激光发射方向与旋转电机的旋转轴呈夹角α。
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