CN112146571B - 大型构件非接触式三维测量系统及数据拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型构件非接触式三维测量系统及数据拼接方法，系统包括三维相机，固定在三维相机上的三维角度传感器，与三维相机刚性连接的激光靶标；标定物、视觉伺服激光跟踪仪、多关节机器人、导航车和载物台，其中，标定物放置在载物台上；三维相机与三维角度传感器及激光靶标刚性连接并安装到多关节机器人末端；多关节机器人安装到导航车上，通过控制多关节机器人及导航车移动三维相机的拍摄位置及调整三维相机的拍摄姿态；视觉伺服激光跟踪仪用于通过视觉伺服跟踪激光靶标的位置并通过激光测距方法测量激光靶标在视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的三维坐标值。具有部署简单灵活，具备高精度，低成本，柔性等特点。

Description

大型构件非接触式三维测量系统及数据拼接方法

技术领域

本申请涉及计算机视觉技术和图像视频处理技术领域，具体地说是涉及一种大型构件非接触式三维测量系统及数据拼接方法。

背景技术

大型构件的三维测量在汽车，船舶，航空航天等行业具有重要地位，是大型产品制造过程中几何尺寸测量和质量控制的重要手段和方法。目前主要有三种方式实现大型构件的三维测量：

第一类：粘贴光学标签的方式

在被测物体上贴光学标签，人工或者机械臂带动三维扫描仪或者三维相机对被测量物体进行扫描或拍摄，通过两次不同拍摄的共同区域的光学标签信息进行三维点云的拼接。

该方法的不足：

1、某些零件不允许贴标签，使用场景受限。

2、贴光学标签费时，测量效率低，无法满足工业在线在机测量需求。

3、多数使用场景只需要获取大型构件的局部三维点云，但是贴标签的方法需要连续扫描或者拍摄，获得整体的三维信息，同样影响测量效率。

第二类：多LED跟踪器方案

布置多个跟踪器，采用桥接的方式将跟踪器和三维扫描仪的坐标标定到统一坐标系下。具体方法参考发明专利“一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法CN106918300B”。

该方法的不足：

1、多个立体跟踪器，布局复杂，可靠性低。

2、多个跟踪器通过桥接的方式标定会参数累积误差，导致系统数据拼接精度低。

第三类：导轨移动扫描仪的方式

将三维扫描仪安装到机械臂上，机械臂安装到导轨上，手动移动机械臂扫描被测物体，相机在位置通过激光测距仪获取，从而完成不同拍摄位置的数据坐标系统一。

该方法的不足：

1、三维扫描仪只能水平移动，适应性较差，对于复杂曲面的被测物体存在盲区。

2、拍摄距离固定，无法针对不同区域的最佳扫描位姿进行调整。

3、激光测距仪只能获得距离信息，需要利用导轨和机械臂的装配相对位置获得三维扫描仪的三维坐标，引入了导轨和机械臂的形位公差，因此三维点云拼接精度低。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种大型构件非接触式三维测量系统及数据拼接方法以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种大型构件非接触式三维测量系统。

本申请的大型构件非接触式三维测量系统，包括三维相机，固定在三维相机上的三维角度传感器，与三维相机刚性连接的激光靶标；标定物、视觉伺服激光跟踪仪、多关节机器人、导航车和载物台，其中：

所述标定物放置在所述载物台上；

所述三维相机与所述三维角度传感器及激光靶标刚性连接并安装到所述多关节机器人末端，所述三维相机用于对所述标定物进行拍摄；

所述多关节机器人安装到所述导航车上，通过控制所述多关节机器人及所述导航车移动所述三维相机的拍摄位置及调整所述三维相机的拍摄姿态；

所述视觉伺服激光跟踪仪用于通过视觉伺服跟踪所述激光靶标的位置并通过激光测距方法测量所述激光靶标在所述视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的三维坐标值。

进一步地，所述标定物包括底座、半球体和标定球，所述半球体安装在所述底座上，所述半球体的半球面上设置有若干支撑杆，所述标定球分别安装在所述支撑杆上。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种数据拼接方法。

本申请的数据拼接方法，其标定包括以下步骤：

(1)将所述标定物放置于所述载物台上，控制所述多关节机器人和自主所述导航小车调整所述三维相机的位置和拍摄角度，使所述三维相机能够清晰的拍摄标所述定物上的某一标定球，获得所述标定球中心在三维相机坐标系中的计算值，记为：

R(i)＝[X_c，Y_c，Z_c，1]^T

同时，获取所述三维角度传感器X、Y、Z三个方向上的角度信息，分别记为α，β，γ，并通过以下方法计算得到角度矩阵：

R_αβγ(i)＝R_z(r)R_y(β)R_x(α)

其中，

同时，获取所述激光靶标在所述视觉伺服激光跟踪仪坐标系中的坐标值，记为T_p(i)

上述公式中，T_p(i)，R(i)，R_αβγ(i)为第i次拍摄所获数值，

(2)改变所述三维相机的拍摄角度和姿态，对步骤(1)中的标定球进行三维拍摄，获得第i+1次的数据，记为：

T_p(i+1)，R(i+1)，R_αβγ(i+1)

(3)通过以下方程可求得所述三维相机的平移旋转矩阵t_q，r_c，t_c

(4)更换标定球，重复步骤(1)至步骤(3)，获得在不同标定球所对应的一组平移旋转矩阵t_q，r_c，t_c，优化平均后得到最终的标定矩阵组：

T_q，R_c，T_c。

进一步地，数据拼接方法通过下公式获得：

其中[X,Y,Z,1]^T为三维相机坐标系中的三维点云坐标，I为单位矩阵，T_p为激光靶标在视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的坐标值，R_αβγ

为通过三维角度传感器获得角度矩阵，T_q、R_c、T_c为标定矩阵组。

与现有技术相比，本申请的大型构件非接触式三维测量系统，具有如下有益效果：

针对不同被测物体无需改变系统结构，部署简单灵活，具备高精度，低成本，柔性等特点，可以针对大型复杂构件的不同区域灵活设置三维扫描仪的拍摄距离和角度，显著提高三维点云数据的拼接精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请提供的大型构件非接触式三维测量系统的示意图。

图2是本申请提供的三维相机、三维角度传感器及激光靶标的连接关系示意图。

图3是本申请提供的视觉伺服激光跟踪仪的结构示意图。

图4是本申请提供的标定物的结构示意图。

附图标记：1-三维相机；2-三维角度传感器；3-激光靶标；4-标定物；5-视觉伺服激光跟踪仪；6-多关节机器人；7-导航车；8-载物台；41-底座；42-半球体；43- 标定球；44-支撑杆；51-支架；52-激光测距发射器；53-连接座；54-带可变焦镜头的工业相机；55-带光栅尺的水平方向伺服旋转轴；56-带光栅尺的垂直方向伺服旋转轴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请实施例公开了大型构件非接触式三维数据拼接方法。

如图1-图4所示，本申请的大型构件非接触式三维测量系统，包括三维相机 1，固定在三维相机1上的三维角度传感器2，与三维相机1刚性连接的激光靶标 3；标定物4、视觉伺服激光跟踪仪5、多关节机器人6、导航车7和载物台8，其中：

标定物4放置在载物台8上；

三维相机1与三维角度传感器2及激光靶标3刚性连接并安装到多关节机器人6末端，三维相机1用于对标定物4进行拍摄；

多关节机器人6安装到导航车7上，通过控制多关节机器人6及导航车7移动三维相机1的拍摄位置及调整三维相机1的拍摄姿态；

视觉伺服激光跟踪仪5用于通过视觉伺服跟踪激光靶标3的位置并通过激光测距方法测量激光靶标3在视觉伺服激光跟踪仪5坐标系下的三维坐标值。

具体地，标定物4包括底座41、半球体42和标定球43，半球体42安装在底座41上，半球体42的半球面上设置有若干支撑杆44，标定球43分别安装在支撑杆44上。

具体地，视觉伺服激光跟踪仪5包括支架51、激光测距发射器52、连接座53 和带可变焦镜头的工业相机54，连接座53底部安装有带光栅尺的水平方向伺服旋转轴55，连接座53上安装有带光栅尺的垂直方向伺服旋转轴56，连接座53通过带光栅尺的水平方向伺服旋转轴55安装在支架51顶部，激光测距发射器52通过带光栅尺的垂直方向伺服旋转轴56安装在连接座53上，带可变焦镜头的工业相机54安装在激光测距发射器52上。

本申请还提供了一种用于大型构件非接触式三维测量系统的数据拼接方法，其标定包括以下步骤：

(1)将标定物4放置于载物台8上，控制多关节机器人6和导航车7调整三维相机1的位置和拍摄角度，使三维相机1能够清晰的拍摄标定物4上的某一标定球43，获得该标定球43中心在三维相机1坐标系中的计算值，记为：

R(i)＝[X_c，Y_c，Z_c，1]^T

同时，获取三维角度传感器2在X、Y、Z三个方向上的角度信息，分别记为α，β，γ，并通过以下方法计算得到角度矩阵：

R_αβγ(i)＝R_z(r)R_y(β)R_x(α)

其中，

同时，获取激光靶标3在视觉伺服激光跟踪仪坐标系中的坐标值，记为T_p(i) 上述公式中，T_p(i)，R(i)，R_αβγ(i)为第i次拍摄所获数值

(2)改变三维相机1的拍摄角度和姿态，对步骤(1)中的该标定球43进行三维拍摄，获得第i+1次的数据，记为：

T_p(i+1)，R(i+1)，R_αβγ(i+1)

(3)通过以下方程可求得三维相机1的平移旋转矩阵t_q，r_c，t_c

(4)更换标定球，重复步骤(1)至步骤(3)，获得在不同标定球43所对应的一组平移旋转矩阵t_q，r_c，t_c，优化平均后得到最终的标定矩阵组：

T_q，R_c，T_c。

具体地址，数据拼接方法通过下公式获得：

其中[X，Y，Z，1]^T为三维相机坐标系中的三维点云坐标，I为单位矩阵，T_p为激光靶标在视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的坐标值，R_αβγ

为通过三维角度传感器获得角度矩阵，T_q、R_c、T_c为标定矩阵组。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种数据拼接方法，特征在于，该方法用于大型构件非接触式三维测量系统，所述大型构件非接触式三维测量系统包括三维相机，固定在三维相机上的三维角度传感器，与三维相机刚性连接的激光靶标；标定物、视觉伺服激光跟踪仪、多关节机器人、导航车和载物台，其中：

所述标定物放置在所述载物台上；

所述三维相机与所述三维角度传感器及激光靶标刚性连接并安装到所述多关节机器人末端，所述三维相机用于对所述标定物进行拍摄；

所述多关节机器人安装到所述导航车上，通过控制所述多关节机器人及所述导航车移动所述三维相机的拍摄位置及调整所述三维相机的拍摄姿态；

所述视觉伺服激光跟踪仪用于通过视觉伺服跟踪所述激光靶标的位置并通过激光测距方法测量所述激光靶标在所述视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的三维坐标值；

所述数据拼接方法标定包括以下步骤：

（1）将所述标定物放置于所述载物台上，控制所述多关节机器人和所述导航车调整所述三维相机的位置和拍摄角度，使所述三维相机能够清晰的拍摄标所述定物上的某一标定球，获得所述标定球中心在三维相机坐标系中的计算值，记为：

同时，获取所述三维角度传感器在X、Y、Z三个方向上的角度信息，分别记为α，β，γ，并通过以下方法计算得到角度矩阵：

其中，

同时，获取所述激光靶标在所述视觉伺服激光跟踪仪坐标系中的坐标值，记为

上述公式中，

为第

次拍摄所获数值

（2）改变所述三维相机的拍摄角度和姿态，对步骤（1）中的标定球进行三维拍摄，获得第

次的数据，记为：

（3）通过以下方程可求得所述三维相机的平移旋转矩阵

（4）更换标定球，重复步骤（1）至步骤（3），获得在不同标定球所对应的一组平移旋转矩阵

，优化平均后得到最终的标定矩阵组：

数据拼接方法通过以 下公式获得：

其中

为三维相机坐标系中的三维点云坐标，

为激光靶标在视觉伺服激光跟踪仪坐标系下的坐标值，

、

、

矩阵组。

2.根据权利要求1所述的数据拼接方法，其特征在于，所述标定物包括底座、半球体和标定球，所述半球体安装在所述底座上，所述半球体的半球面上设置有若干支撑杆，所述标定球分别安装在所述支撑杆上。

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