CN113532318A - 使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统及方法。一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统其包括滑轨架、多个激光跟踪仪、扫描器和转台，所述多个激光跟踪仪和扫描器均设在所述滑轨架上，所述转台设置在所述滑轨架的内部。本发明通过在三维扫描仪上安装三种不同颜色的靶球，使用激光跟踪仪对三色靶球进行定位，通过对三色靶球形成的三角形位姿的计算，实现对扫描器位姿的转换，最终实现对大型构件的表面的三维重建。

Description

使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统及方法

技术领域

本发明属于三维重建领域，具体地，涉及一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统及方法。

背景技术

三维测量技术，在现代工业中已经是不可或缺的部分，广泛应用于工业检测、质量检测、机器视觉等领域。对于传统的测量技术，如激光测距仪，因为每次测量面积小，测量慢；而三坐标仪，受测量原理限制，虽然精度高，但速度慢，且均无法实现对大型构件的快速，高精度的三维测量。

对于大型三维件的三维测量过程，主要难点在于如何实现对每个测量位置的精确定位，实现测量点云的高精度拼接。传统所用的定位一种是通过贴圆形标志点进行识别定位，但因为需要贴标志点，所以对于大型件，贴标志点过程过于复杂；另外一种是通过对测量面的特征进行提取，然后对提取出的特征进行匹配拼接，但该方法对于纹理信息不明显的构件拼接精度会比较低。

发明内容

针对现有技术中大型件的三维测量方法操作过于复杂，且自动化程度较低的缺点，本发明提供一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描系统及方法，使用多组激光跟踪仪，对三维扫描仪上的靶球进行跟踪，测量靶球中心位置，从而确定三维扫描仪在扫描移动过程中的每个扫描时刻的姿态和位置；当每次扫描完一个扇面以后，装夹被测物体的转台旋转一个角度再次扫描新的扇面，直到完成对大型件表面全部扫描，并根据每次底盘旋转的角度和每个扫描时刻的姿态和位置进行点云拼接，从而实现对大型三维件的扫描和拼接过程。

一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描方法，

S1：首先确定转台的旋转中心的位置，将三色靶球固定在转台上，启动转台，利用多个激光跟踪仪对三色靶球的中心进行定位，求得旋转过程中，靶球的运动轨迹形成的圆形，保存测量过程中取得的点位数值，通过求取所有点位数值的平均值确认平面中心位置，得到平面的旋转中心坐标为：

平面的旋转轴线的方向垂直于转台，方向与世界坐标系Z_world同向；

S2：将构件放置在转台上，对构件开始进行扫描，首先控制扫描器移动到滑轨的最低处，然后控制扫描器逐渐抬升，对该方向的扇面进行扫描，最终扫描器升至滑轨的最高处；扫描过程中通过安装于三维扫描仪上的四个对称布置的超声波测距仪，控制三维扫描仪到构件表面的距离和方向，

扫描器逐渐抬升过程中，始终保持三维扫描仪相对于待测面的距离为L_D，指向方向向量为

其中，L_D为最佳工作距离，

的计算公式如下：

其中，width为第一超声波测距仪到第二超声测距仪的距离，hight为第一超声波测距仪到第四超声测距仪的距离，D₁,D₂,D₃和D₄分别为4个超声波测距仪返回的测距距离，扫描仪相对待测面的距离为

S3：在步骤S2中的扫描器运动过程中，启动第一激光跟踪仪、第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪，分别跟踪识别三维扫描仪上的三个半径为r的红色发光靶球、蓝色发光靶球和绿色发光靶球，第一激光跟踪仪、第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪上的摄像头分别安装红、蓝、绿三种颜色的滤光片，多个激光跟踪仪通过控制各自活动盘和活动头旋转使得每个激光跟踪仪上的激光测距仪发射出的红点与对应的发光小球对应，在扫描过程中，得到扫描仪相对三色靶球组成的三角平面的变换矩阵，其具体包括以下子步骤：

S31、分别计算三个激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵：

第一激光跟踪仪的底盘绕第一激光跟踪仪坐标系z₁轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘绕第一激光跟踪仪坐标系y₁轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘相对于第一激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

第二激光跟踪仪的底盘绕第二激光跟踪仪坐标系z₂轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘绕第二激光跟踪仪坐标系y₂轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘相对于第二激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

第三激光跟踪仪的底盘绕第三激光跟踪仪坐标系z₃轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘绕第三激光跟踪仪坐标系y₃轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘相对于第三激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

其中，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵；

S32、分别计算三个激光跟踪仪分别对扫描器上三色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：

S321、计算第一激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：第一激光跟踪仪的相机相对于底盘的变换矩阵为

第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机的变换矩阵

其中

是第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的偏置矩阵，得到激光测距仪相对于底盘的变换矩阵

激光测距仪每次返回的距离信息为distance_l11；

设被测点相对于激光测距仪的三维坐标p_l11＝[distance_l11 0 0 1]^T，得出被测三维点相对于底盘的坐标

同理得出其它第一激光跟踪仪中两个激光测距仪测出的点相对于第一激光跟踪仪底盘的三维点：

已知红色发光靶球的半径为r，球面上三个被测点的三维坐标分别为P_l11，P_l12，P_l13；

设红色发光靶球的球心坐标为P_red＝[X_red Y_red Z_red 1]，带入球方程：

(X-X_red)²+(Y-Y_red)²+(Z-Z_red)²＝r² (1)

将三个被测点带入式(1)得到方程组：

求解出红色发光靶球的球心坐标P_red＝[X_red Y_red Z_red 1]；

同理求解出蓝色靶球的球心坐标P_blue＝[X_blue Y_blue Z_blue 1]，绿色靶球的球心坐标P_green＝[X_green Y_green Z_green 1]；

S322、根据第一激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标计算，获得第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：其中第二激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵为

第三激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵为

以第一激光跟踪仪的坐标系为世界坐标系，则第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪对扫描器上红蓝绿三球的球心相对于世界坐标系的三维坐标为：

S33、通过三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标求得这三个靶球球心依次连接组成的三角平面triangle_rbg，其中三角形平面的法向量

由红色靶球球心

到蓝色靶球球心

的方向向量和红色靶球球心

到绿色靶球球心

的方向向量的叉积得到：

其中三角形的中心

S34、根据扫描器上的三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标以及靶球中心组成的三角形的中心计算得到扫描仪相对于三角平面的方向向量的旋转矩阵

旋转矩阵

根据三角形的法向量

相对于世界坐标系Z轴进行计算，其中Z轴的方向向量为[0 0 1]^T，使用罗德里格斯公式计算三角形的法向量

与Z轴间的旋转向量，之后将旋转向量转换为旋转矩阵

以及相对于三角平面中心的偏置矩阵为

该偏置矩阵

与三角形的中心P_triangle的前三行的数值相等，组成扫描仪相对三角平面的变换矩阵：

S4：在S2的移动过程中，三维扫描仪不断扫描构件待测面，返回点云信息，点云中每个点相对于三维扫描仪的三维坐标为：

其中，n为单次扫描点云总数量，得到点云坐标相对于激光跟踪仪的世界坐标系的转换为

S5：当S2中扫描器完成从最低到最高位置的移动时，扫描完一个扇面以后，求得该扇面沿Z轴方向的最小弧度值θ_min，最小弧度值θ_min的计算方式为：对点云数据沿着Z轴方向进行切片，切片平行于XOY平面,切片分为Q片，计算第q片中最大的弧度值计为θ_max,q作为该片的弧度值，其中0＜q≤Q，选取所有切片中的最小弧度值；设第j次过程的最小弧度值为θ_min,j(j＝1,2,3…n)，控制转台旋转θ_min,j，得到转台形成的旋转矩阵为

扫描变换完的点云坐标为P_world，i；设变换后的点云

之后重复步骤S2到S5，直到n个θ_min,j的和大于等于360°，完成全部表面的扫描。

一种多激光跟踪仪进行定位和点云拼接的三维扫描方法的三维扫描仪，其包括滑轨架、多个激光跟踪仪、扫描器和转台，所述多个激光跟踪仪和扫描器均设在所述滑轨架上，所述转台设置在所述滑轨架的内部；所述滑轨架包括多个横撑、多个纵撑、多个支撑杆和滑轨；所述激光跟踪仪包括底盘、活动盘和活动头，所述底盘与所述活动盘的第一端连接，所述活动盘的第二端与所述活动头以转动副连接，所述活动头上设置有多个激光测距仪和相机；所述扫描器包括三维扫描仪和机械臂，所述机械臂的第一端开设有矩形槽，所述三维扫描仪与所述机械臂的第二端以转动副连接，所述三维扫描仪上设置有多个超声测距仪和多个发光靶球；所述转台包括平面、第一齿轮、第二齿轮和多个靶球，所述转盘与所述第一齿轮同轴连接设置，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合，所述第二齿轮的上方设置有电机与第二齿轮同轴固定连接。

进一步地，所述机械臂包括滑轨机械臂、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，所述滑轨机械臂的第一端设置有矩形槽用于连接滑轨，所述滑轨机械臂的第二端与所述第一机械臂的第一端以转动副连接，所述第一机械臂的第二端与所述第二机械臂的第一端以转动副连接，所述第二机械臂的第二端与所述第三机械臂的第一端以转动副连接，所述第三机械臂的第二端与所述三维扫描仪以转动副连接。

进一步地，所述第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和滑轨机械臂分别固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机。

进一步地，所述扫描器与所述滑轨移动副连接并能在所述滑轨上进行上下滑动。

进一步地，所述滑轨的顶端设置有滑轨电机，所述滑轨在所述滑轨电机的带动下移动。

进一步地，所述超声测距仪、激光跟踪仪、所述靶球和所述发光靶球的数量均一致。

进一步地，所述激光跟踪仪上设置有二自由度云台用来控制所述相机的转动角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过多组激光跟踪仪，对安装于三维扫描仪上的三种不同颜色的靶球进行定位和跟踪，实现对三维扫描仪的每时每刻的姿态进行确定；

(2)本发明通过使用旋转转台对构件进行旋转，实现对构件的表面的全部扫描；

(3)本发明通过使用激光跟踪仪对扫描时刻的定位和每次转台旋转角度，对最终点云结果进行拼接；

(4)本发明通过在三维扫描仪安装三种不同颜色的靶球，使用激光跟踪仪对三色靶球进行定位，通过对三色靶球形成的三角形位姿的计算，实现对扫描器位姿的转换。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图的正视图；

图3为本发明的整体结构示意图的附视图；

图4为本发明的滑轨低位置时的结构示意图；

图5为本发明的滑轨高位置时的结构示意图；

图6为本发明的底盘三靶球的结构示意图；

图7为本发明的激光跟踪仪的结构示意图；

图8为本发明的扫描器的结构示意图；

图9为本发明的整体的结构示意图的坐标系图；

图10为本发明的激光跟踪仪的坐标系图；

图11为本发明的机械臂及扫描器的坐标系图。

附图标记：

1、第一激光跟踪仪；2、第二激光跟踪仪；3、第三激光跟踪仪；4、扫描器；5、转台；6、第一齿轮；7、第二齿轮；8、电机；9、红靶球；10、绿靶球；11、蓝靶球；12、底盘；13、活动盘；14、活动头；15、红色发光靶球；16、蓝色发光靶球；17、三维扫描仪；18、绿色发光靶球；19、第三机械臂；20、第三电机；21、第二机械臂；22、第二电机；23、第一机械臂；24、第一电机；25、滑轨机械臂；26、第四电机；27、矩形槽；29、第一超声测距仪；30、第二超声测距仪；31、第三超声测距仪；32、第四超声测距仪；33、第一激光测距仪；34、第二激光测距仪；35、第三激光测距仪；36、第四激光测距仪；37、相机；38、滑轨电机；39、滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

下面结合附图对发明做进一步详细描述：

如图1～图11所示，一种使用多激光跟踪仪进行定位和点云拼接的三维扫描仪，包括滑轨架、第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3、扫描器4和转台5，第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3和扫描器4均设在滑轨架上，第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3分别与滑轨架上三条方向相互垂直的型材固定连接，第一激光跟踪仪1安装于型材AB中间，第二激光跟踪仪2安装位置尽量靠近型材AB的A端，第三激光跟踪仪3安装位置尽量靠近型材AB的B端；转台5设置在滑轨架的内部；滑轨架包括多个横撑、多个纵撑、多个支撑杆和滑轨39，滑轨39的顶端设置有滑轨电机38，滑轨39在滑轨电机38的带动下进行水平移动；第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2和第三激光跟踪仪3的结构相同均包括底盘12、活动盘13和活动头14，底盘12与活动盘13的第一端以转动副连接，活动盘13的第二端与活动头14转动副连接，活动头14上设置有第一激光测距仪33、第二激光测距仪34、第三激光测距仪35、第四激光测距仪36和相机37，激光跟踪仪1、2、3上的活动头14具有两个旋转的自由度，通过相机37实现对靶球的识别和定位，调整活动盘13和活动头14的旋转角度，使得相机37的光轴可以穿过靶球中心，使得4个激光测距仪可以实现对靶球上的点进行采集；扫描器4包括三维扫描仪17和机械臂，机械臂包括滑轨机械臂25、第三机械臂19、第二机械臂21和第一机械臂23，第三机械臂19、第二机械臂21、第一机械臂23和滑轨机械臂25分别连接有第三电机20、第二电机22、第一电机24和第四电机26，滑轨机械臂25的第一端设置有矩形槽27，滑轨机械臂25的第二端与第一机械臂23的第一端转动副连接，第三机械臂19的第二端与第二机械臂21的第一端转动副连接，第二机械臂21的第二端与第一机械臂23的第一端转动副连接，第三机械臂19的第二端与三维扫描仪17转动副连接，机械臂的第一端开设有矩形槽27，三维扫描仪17与机械臂的第二端以转动副连接，三维扫描仪17上设置有第一超声测距仪29、第二超声测距仪30、第三超声测距仪31、第四超声测距仪32、红色发光靶球15、蓝色发光靶球16和绿色发光靶球18，扫描器4与滑轨移动副连接并能在滑轨上进行上下滑动，通过第一超声测距仪29、第二超声测距仪30、第三超声测距仪31和第四超声测距仪32来调节扫描器4与扫描件之间的距离，防止三维扫描仪17与扫描件发生碰撞，同时保证三维扫描仪17在最佳扫描距离；转台5、第一齿轮6、第二齿轮7和多个靶球，转台5与第一齿轮6固定连接且同轴，第二齿轮7与第一齿轮6啮合，第二齿轮7的上方设置有电机8，第二齿轮7通过电机8带动第一齿轮6转动，第一齿轮6带动转台5转动，红靶球9、绿靶球10和蓝靶球11固定在转台5上。

X_worldY_worldZ_world为世界坐标系，与激光跟踪仪1的坐标系重合；X_ballY_ballZ_ball为转台5的坐标系，原点位于转台5的中心，其中X_ball轴、Y_ball轴的初始位置与世界坐标系X_world轴、Y_world轴平行，Z_ball轴竖直向上；X_cameraY_cameraZ_camera为相机37的坐标系，其中Z_camera轴与相机光轴共线，Y轴与激光跟踪仪云台Z_laser轴平行；X_laserY_laserZ_laser为激光跟踪仪云台坐标，其中Z_laser轴垂直于底盘12；X_projectorY_projectorZ_projector为三维扫描仪17的坐标系，其中Z轴与三维扫描仪17光轴共线；X_triangleY_triangleZ_triangle为红色发光靶球15、蓝色发光靶球16、绿色发光靶球18的球心连成的三角形平面的坐标系，其中Z轴为三角形平面法向量方向，三角形平面的坐标系X_triangleZ_triangle平面与三维扫描仪17的坐标系X_projectorZ_projector平面始终保持平行。

对构件进行标定：

S1：首先确定旋转中心的位置，如图6，这里将红靶球9，绿靶球10，蓝靶球11随机固定放置于转台5上，启动转台5，这里第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3对3个靶球中心进行定位求得移动过程中，靶球的运动轨迹形成的圆形。保存测量过程中所有靶球的中心坐标点，求取所有点的平均值，得到平面的旋转中心在世界坐标系下的坐标为：

并且平面的旋转轴线的方向与世界坐标系Z_world轴同向。

S2：将构件放置在旋转转台上，对构件开始进行扫描，首先控制扫描器移动到滑轨的最低处，之后控制扫描器逐渐抬升，对该方向的扇面进行扫描，最终扫描器升至滑轨的最高处；扫描过程中通过安装于三维扫描仪的四个对称布置的超声波测距仪，控制三维扫描仪到构件表面的距离和方向，

扫描器逐渐抬升过程中，始终保持三维扫描仪相对于待测面的距离为L_D，指向方向向量为

其中，L_D为最佳工作距离，

的计算公式如下：

其中，width为第一超声波测距仪到第二超声测距仪的距离，hight为第一超声波测距仪到第四超声测距仪的距离，D₁,D₂,D₃和D₄分别为4个超声波测距仪返回的测距距离，扫描仪相对待测面的距离为

S3：在S2的运动过程中，启动第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3，跟踪识别三维扫描仪17上的红色发光靶球15、蓝色发光靶球16、绿色发光靶球18。其中三维扫描仪17上的3个半径为r的发光靶球15,16,18分别发射红、蓝、绿3种光线，第一激光跟踪仪1、第二激光跟踪仪2、第三激光跟踪仪3上的摄像头分别安装红、蓝、绿的滤光片。第一激光跟踪仪1的相机37跟踪相机37识别图像中的红色色块，并控制活动盘13、活动头14旋转，使得相机像平面中心和红色色块中心重合；第二激光跟踪仪2的相机37跟踪摄像头识别图像中的蓝色色块，并控制活动盘13、活动头14旋转，使得相机37像平面中心和蓝色色块中心重合；第三激光跟踪仪3的摄像头跟踪摄像头识别图像中的绿色色块，并控制活动盘13、活动头14旋转，使得相机37像平面中心和绿色色块中心重合；使得每个激光跟踪仪上的激光测距仪33、34、35、36的红点可以落在发光小球上，在扫描过程中，得到扫描仪相对三角平面的变换矩阵，其具体包括以下子步骤：

S31、分别计算三个激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵：

其中第一激光仪的坐标系为X_laser1Y_laser1Z_laser1。

第一激光跟踪仪的底盘绕第一激光跟踪仪坐标系Z_laser1轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘绕第一激光跟踪仪坐标系Y_laser1轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘13相对于第一激光跟踪仪底盘12的变换公式如下：

第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

其中第二激光仪的坐标系为X_laser2Y_laser2Z_laser2。

第二激光跟踪仪的底盘绕第二激光跟踪仪坐标系Z_laser2轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘13绕第二激光跟踪仪坐标系Y_laser2轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘相对于第二激光跟踪仪底盘12的变换公式如下：

第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

其中第三激光仪的坐标系为X_laser3Y_laser3Z_laser3。

第三激光跟踪仪的底盘绕第三激光跟踪仪坐标系Z_laser3轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘绕第三激光跟踪仪坐标系Y_laser3轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘相对于第三激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

其中，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵；

S32、分别计算三个激光跟踪仪的安装于扫描器上的三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：

S321、计算第一激光跟踪仪的三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：第一激光跟踪仪的相机相对于底盘的变换矩阵为

第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机的变换矩阵

其中

是第一激光跟踪仪1的第一激光测距仪33相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪1的第一激光测距仪33相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的偏置矩阵，得到激光测距仪相对于底盘的变换矩阵

激光测距仪每次返回的距离信息为distance_l11；

设被测点相对于激光测距仪的三维坐标p_l11＝[distance_l11 0 0 1]^T，得出被测三维点相对于底盘的坐标

同理得出其它第一激光跟踪仪中两个激光测距仪测出的点相对于第一激光跟踪仪底盘的三维点：

已知红色发光靶球的半径为r，球面上三个被测点的三维坐标分别为P_l11，P_l12，P_l13；

设红色发光靶球的球心坐标为P_red＝[X_red Y_red Z_red 1]，带入球方程：

(X-X_red)²+(Y-Y_red)²+(Z-Z_red)²＝r² (1)

将三个被测点带入式(1)得到方程组：

求解出红色发光靶球的球心坐标P_red＝[X_red Y_red Z_red 1]；

同理求解出蓝色靶球的球心坐标P_blue＝[X_blue Y_blue Z_blue 1]，绿色靶球的球心坐标P_green＝[X_green Y_green Z_green 1]；

S322、根据第一激光跟踪仪的三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标计算第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪的三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：其中第二激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵为

第三激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵

以第一激光跟踪仪的坐标系为世界坐标系，则第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪的红、蓝、绿三球的球心相对于世界坐标系的三维坐标为：

S33、通过三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标求得这三个靶球球心依次连接组成的三角平面triangle_rbg，其中三角形的法向量

由红色靶球球心

到蓝色靶球球心

的方向向量和红色靶球球心

到绿色靶球球心

的方向向量的叉积得到：

其中三角形的中心

S34、根据三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标以及靶球中心组成的三角形的中心计算得到扫描仪相对于三角平面的法向量的旋转矩阵

旋转矩阵

根据三角形的法向量

相对于世界坐标系Z轴进行计算，其中Z轴的方向向量为[0 0 1]^T，使用罗德里格斯公式计算三角形的法向量

与Z轴的方向向量为[0 01]^T间的旋转向量，之后将旋转向量转换为旋转矩阵

以及相对于三角平面中心的偏置矩阵为

该偏置矩阵

与三角形的中心P_triangle的前三行的数值相等，组成扫描仪相对三角平面的变换矩阵：

S4：在S2的运动过程中，通过安装于三维扫描仪17的四角的超声波测距仪29、30、31、32，控制三维扫描仪17到构件表面的距离和方向。其中4个超声波测距仪对称布置，第一超声波测距仪到第二超声波测距仪的距离设为width，第一超声波测距仪到第四超声波测距仪的距离设为hight，其中最佳工作距离设为L_D；通过4个超声波测距仪返回的测距距离分别为D₁,D₂,D₃和D₄，求得扫描仪相对待测面的距离为

方向向量为

其中滑轨39逐渐向上抬升,这个过程始终保持扫描仪相对于待测面的距离为L_D，指向方向为

S5：在步骤S2的运动过程中，三维扫描仪不断扫描构件待测面，返回点云信息，点云中每个点相对于三维扫描仪的三维坐标为：

其中，n为单次扫描点云总数量，得到点云坐标相对于激光跟踪仪的世界坐标系的转换坐标为

当S2中扫描器完成从最低到最高位置的移动时，扫描完一个扇面以后，设该次过程为第j次，求得该扇面沿Z轴方向的最小弧度值θ_min，最小弧度值θ_min的计算方式为：对点云数据沿着Z轴方向进行切片，切片平行于X_ballY_ball平面,切片分为Q片，计算第q片中最大的弧度值计为θ_max,q作为该片的弧度值，其中0＜q≤Q，选取所有切片中的最小弧度值；设第j次过程的最小弧度值为θ_min,j(j＝1,2,3…n)，控制转台旋转θ_min,j，得到转台形成的旋转矩阵为

扫描变换完的点云坐标为P_world，i；设变换后的点云

之后重复步骤S2到步骤S5，直到n个θ_min,j的和大于等于360°，完成全部表面的扫描。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1：首先确定转台的旋转中心的位置，将三色靶球固定在转台上，启动转台，利用多个激光跟踪仪对三色靶球的中心进行定位，求得旋转过程中，靶球的运动轨迹形成的圆形，保存测量过程中取得的点位数值，通过求取所有点位数值的平均值确认平面中心位置，得到平面的旋转中心坐标为：

平面的旋转轴线的方向垂直于转台，方向与世界坐标系Z_world同向；

S2：将构件放置在转台上，对构件开始进行扫描，首先控制扫描器移动到滑轨的最低处，然后控制扫描器逐渐抬升，对该方向的扇面进行扫描，最终扫描器升至滑轨的最高处；扫描过程中通过安装于三维扫描仪上的四个对称布置的超声波测距仪，控制三维扫描仪到构件表面的距离和方向，

扫描器逐渐抬升过程中，始终保持三维扫描仪相对于待测面的距离为L_D，指向方向向量为

其中，L_D为最佳工作距离，

的计算公式如下：

其中，width为第一超声波测距仪到第二超声测距仪的距离，hight为第一超声波测距仪到第四超声测距仪的距离，D₁,D₂,D₃和D₄分别为4个超声波测距仪返回的测距距离，扫描仪相对待测面的距离为

S3：在步骤S2中的扫描器运动过程中，启动第一激光跟踪仪、第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪，分别跟踪识别三维扫描仪上的三个半径为r的红色发光靶球、蓝色发光靶球和绿色发光靶球，第一激光跟踪仪、第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪上的摄像头分别安装红、蓝、绿三种颜色的滤光片，多个激光跟踪仪通过控制各自活动盘和活动头旋转使得每个激光跟踪仪上的激光测距仪发射出的红点与对应的发光小球对应，在扫描过程中，得到扫描仪相对三色靶球组成的三角平面的变换矩阵，其具体包括以下子步骤：

S31、分别计算三个激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵：

第一激光跟踪仪的底盘绕第一激光跟踪仪坐标系z₁轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘绕第一激光跟踪仪坐标系y₁轴旋转公式如下：

第一激光跟踪仪的活动盘相对于第一激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

第二激光跟踪仪的底盘绕第二激光跟踪仪坐标系z₂轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘绕第二激光跟踪仪坐标系y₂轴旋转公式如下：

第二激光跟踪仪的活动盘相对于第二激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

第三激光跟踪仪的底盘绕第三激光跟踪仪坐标系z₃轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘绕第三激光跟踪仪坐标系y₃轴旋转公式如下：

第三激光跟踪仪的活动盘相对于第三激光跟踪仪底盘的变换公式如下：

第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘的变换矩阵为：

其中，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第二激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的旋转矩阵，

是第三激光跟踪仪的相机相对于活动盘安装时的偏置矩阵；

S32、分别计算三个激光跟踪仪分别对扫描器上三色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：

S321、计算第一激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：第一激光跟踪仪的相机相对于底盘的变换矩阵为

第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机的变换矩阵

其中

是第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的旋转矩阵，

是第一激光跟踪仪的激光测距仪相对于第一激光跟踪仪的相机安装时的偏置矩阵，得到激光测距仪相对于底盘的变换矩阵

激光测距仪每次返回的距离信息为distance_l11；

设被测点相对于激光测距仪的三维坐标p_l11＝[distance_l11 0 0 1]^T，得出被测三维点相对于底盘的坐标

同理得出其它第一激光跟踪仪中两个激光测距仪测出的点相对于第一激光跟踪仪底盘的三维点：

已知红色发光靶球的半径为r，球面上三个被测点的三维坐标分别为P_l11，P_l12,P_l13；

设红色发光靶球的球心坐标为P_red＝[X_red Y_red Z_red 1],带入球方程：

(X-X_red)²+(Y-Y_red)²+(Z-Z_red)²＝r² (1)

将三个被测点带入式(1)得到方程组：

求解出红色发光靶球的球心坐标P_red＝[X_red Y_red Z_red 1]；

同理求解出蓝色靶球的球心坐标P_blue＝[X_blue Y_blue Z_blue 1]，绿色靶球的球心坐标P_green＝[X_green Y_green Z_green 1]；

S322、根据第一激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标计算，获得第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪对扫描器上三个颜色的靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标：其中第二激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵为

第三激光跟踪仪相对于第一激光跟踪仪的变换矩阵为

以第一激光跟踪仪的坐标系为世界坐标系，则第二激光跟踪仪和第三激光跟踪仪对扫描器上红蓝绿三球的球心相对于世界坐标系的三维坐标为：

S33、通过三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标求得这三个靶球球心依次连接组成的三角平面triangle_rbg，其中三角形平面的法向量

由红色靶球球心

到蓝色靶球球心

的方向向量和红色靶球球心

到绿色靶球球心

的方向向量的叉积得到：

其中三角形的中心

S34、根据扫描器上的三个颜色靶球的球心相对于世界坐标系的三维坐标以及靶球中心组成的三角形的中心计算得到扫描仪相对于三角平面的方向向量的旋转矩阵

旋转矩阵

根据三角形的法向量

相对于世界坐标系Z轴进行计算，其中Z轴的方向向量为[0 0 1]^T，使用罗德里格斯公式计算三角形的法向量

与Z轴间的旋转向量，之后将旋转向量转换为旋转矩阵

以及相对于三角平面中心的偏置矩阵为

该偏置矩阵

与三角形的中心P_triangle的前三行的数值相等，组成扫描仪相对三角平面的变换矩阵：

S4：在S2的移动过程中，三维扫描仪不断扫描构件待测面，返回点云信息，点云中每个点相对于三维扫描仪的三维坐标为：

其中，n为单次扫描点云总数量，得到点云坐标相对于激光跟踪仪的世界坐标系的转换为

S5：当S2中扫描器完成从最低到最高位置的移动时，扫描完一个扇面以后，求得该扇面沿Z轴方向的最小弧度值θ_min，最小弧度值θ_min的计算方式为：对点云数据沿着Z轴方向进行切片，切片平行于XOY平面,切片分为Q片，计算第q片中最大的弧度值计为θ_max,q作为该片的弧度值，其中0＜q≤Q，选取所有切片中的最小弧度值；设第j次过程的最小弧度值为θ_min,j(j＝1,2,3…n)，控制转台旋转θ_min,j，得到转台形成的旋转矩阵为

扫描变换完的点云坐标为P_world，i；设变换后的点云

之后重复步骤S2到S5，直到n个θ_min,j的和大于等于360°，完成全部表面的扫描。

2.用于权利要求1所述的使用多组激光跟踪仪进行定位的三维扫描方法的三维扫描系统，其特征在于：其包括滑轨架、多个激光跟踪仪、扫描器和转台，所述多个激光跟踪仪和扫描器均设在所述滑轨架上，所述转台设置在所述滑轨架的内部；

所述滑轨架包括多个横撑、多个纵撑、多个支撑杆和滑轨；

所述激光跟踪仪包括底盘、活动盘和活动头，所述底盘与所述活动盘的第一端连接，所述活动盘的第二端与所述活动头以转动副连接，所述活动头上设置有多个激光测距仪和相机；

所述扫描器包括三维扫描仪和机械臂，所述机械臂的第一端开设有矩形槽，所述三维扫描仪与所述机械臂的第二端以转动副连接，所述三维扫描仪上设置有多个超声测距仪和多个发光靶球；

所述转台包括平面、第一齿轮、第二齿轮和多个靶球，所述转盘与所述第一齿轮同轴连接设置，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合，所述第二齿轮的上方设置有电机与第二齿轮同轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述机械臂包括滑轨机械臂、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，所述滑轨机械臂的第一端设置有矩形槽，所述滑轨机械臂的第二端与所述第一机械臂的第一端以转动副连接，所述第一机械臂的第二端与所述第二机械臂的第一端以转动副连接，所述第二机械臂的第二端与所述第三机械臂的第一端以转动副连接，所述第三机械臂的第二端与所述三维扫描仪以转动副连接。

4.根据权利要求3所述的三维扫描系统，其特征在于：所述第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和滑轨机械臂分别固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机。

5.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述扫描器与所述滑轨移动副连接并能在所述滑轨上进行上下滑动。

6.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述滑轨的顶端设置有滑轨电机，所述滑轨在所述滑轨电机的带动下移动。

7.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述超声测距仪、激光跟踪仪、所述靶球和所述发光靶球的数量均一致。

8.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述激光跟踪仪上设置有二自由度云台用来控制所述相机的转动角度。

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