CN113551616A - 一种圆锥阵列线激光三维测量仪 - Google Patents

一种圆锥阵列线激光三维测量仪 Download PDF

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Abstract

一种圆锥阵列线激光三维测量仪，属于三维测量仪器领域，本发明为了解决现有在对物体全貌进行扫描和点云采集时，往往依赖相机某些方向的运动精度或者需要引入多个相机，难以控制误差来源，并且测量系统成本大幅提升，不利于此类测量系统的推广的问题，本发明提供的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，利用圆锥阵列对线激光相机的激光平面进行实时标定，只要相机视野中能够拍摄到两个圆锥即可同步完成点云位置解算和拼接工作，因此线激光相机的位置、姿态等运动参数将不会影响测量的精度，测量误差集中到线激光相机的精度和圆锥标定物的制造和安装精度上，此结构只需要一台线激光相机，成本相比于多相机系统有大幅缩减，并且安装调试更为便捷。

Description

一种圆锥阵列线激光三维测量仪
技术领域
本发明属于三维测量仪器领域，具体涉及一种圆锥阵列线激光三维测量仪。
背景技术
目前，工业领域使用的线激光相机能够对物体外形进行扫描，获取部分轮廓信息。在对物体全貌进行扫描和点云采集时，现有的方式为(1)利用多个线激光相机环绕物体，使发出的线激光形成闭合的光刀，对物体的整周进行拍摄，线激光平面的法线方向的测量精度依靠相机运动机构保证。(2)利用旋转台带动物体旋转，只使用线激光相机在一个固定方向进行拍摄，视图拼接精度由旋转台精度保证，垂直转台方向的测量精度由相机运动机构保证。(3)在(2)的基础上在转台上设置标定圆柱，实现实时拼接。可以发现，现有方法在使用线激光相机实现物体全貌扫描时往往依赖相机某些方向的运动精度或者需要引入多个相机，难以控制误差来源，并且测量系统成本大幅提升，不利于此类测量系统的推广。
发明内容
本发明为了解决现有在对物体全貌进行扫描和点云采集时，往往依赖相机某些方向的运动精度或者需要引入多个相机，难以控制误差来源，并且测量系统成本大幅提升，不利于此类测量系统的推广的问题，进而提供一种圆锥阵列线激光三维测量仪；
一种圆锥阵列线激光三维测量仪，所述测量仪包括线激光相机、二维旋转模组、直线导轨模组、圆锥标定组件和旋转台，所述直线导轨模组设置在一号固定座上，且直线导轨模组的固定部与一号固定座拆卸连接，二维旋转模组设置在直线导轨模组中的滑动部上，二维旋转模组的固定部与直线导轨模组中的滑动部拆卸连接，线激光相机安装在二维旋转模组的转动部上，旋转台设置在二号固定座上，且旋转台的转动轴线与二号固定座的上表面垂直设置，旋转台的壳体与二号固定座的上表面固定连接，圆锥标定组件安装在旋转台中的转动部上，旋转台带动圆锥标定组件进行周向转动，线激光相机朝向圆锥标定组件设置；
进一步地，所述二维旋转模组包括一号舵机、L型固定座、二号舵机、U型固定座和固定板，L型固定座设置在直线导轨模组中的滑动部上，且L型固定座中的水平支撑板与直线导轨模组中的滑动部通过螺栓螺母组件拆卸连接，一号舵机设置在L型固定座中的水平支撑板上，且一号舵机的转动轴穿过L型固定座中的竖直支撑板并设置在竖直支撑板的外部，一号舵机的壳体与L型固定座中水平支撑板固的上表面固定连接，一号舵机的转动轴与L型固定座中的竖直支撑板转动连接，U型固定座设置在L型固定座中竖直支撑板远离一号舵机的一侧，U型固定座的封闭端上加工有安装孔，U型固定座通过安装孔套装在一号舵机的转动轴上，且U型固定座与一号舵机的转动轴固定连接，二号舵机设置在U型固定座的开口端，且二号舵机的壳体与U型固定座的内壁固定连接，二号舵机中转动轴的轴线与一号舵机中转动轴的轴线垂直设置，固定板的一侧加工有通孔，固定板通过通孔套装在二号舵机中的转动轴上，二号舵机可带动固定板周向转动，线激光相机的壳体固接在固定板远离二号舵机的一侧，且线激光相机朝向圆锥标定组件设置；
进一步地，所述直线导轨模组包括一号导轨、一号滑动块，二号导轨、二号滑动块和L型连接板，一号导轨通过螺栓螺母组件与一号固定座拆卸连接，一号滑动块设置在一号导轨上，且一号滑动块与一号导轨滑动连接，二号导轨沿竖直方向设置在一号滑动块的上表面上，且二号导轨的一端与一号滑动块的上表面固定连接，二号滑动块设置在二号导轨上，且二号滑动块与二号导轨滑动连接，L型连接板设置在二号滑动块朝向圆锥标定组件的一侧，且L型连接板的竖直支撑部与二号滑动块固定连接，L型固定座通过螺栓螺母组件与L型连接板的水平支撑部拆卸连接；
进一步地，所述二号导轨与一号滑动块之间还设有辅助加强板，辅助加强板具有两个相互垂直的安装面，辅助加强板中的一个安装面与一号滑动块的上表面固定连接，辅助加强板中的另一个安装面与二号导轨的背部固连接；
进一步地，所述圆锥标定组件包括多个圆锥标定物和标定物阵列支撑板，标定物阵列支撑板的上表面上均布加工有多个插装口，每个圆锥标定物的大口径端对应插装在一个插装口中，且每个圆锥标定物的轴线与标定物阵列支撑板的上表面垂直设置；
进一步地，所述多个圆锥标定物分为N个小量程标定圆锥和Z个大量程标定圆锥，N为正整数，Z为正整数，N个小量程标定圆锥靠近标定物阵列支撑板的中心分布，且N个小量程标定圆锥沿周向等距设置，大量程标定圆锥靠近标定物阵列支撑板的边缘分布，且Z个大量程标定圆锥沿周向等距设置；
进一步地，所述三维测量仪还包括环形轨道组，环形轨道组包括环形导轨和导轨滑块，导轨滑块设置在环形导轨上，且导轨滑块与环形导轨滑动连接，二号固定座设置在环形导轨的中心处，一号固定座设置在导轨滑块的顶部，且一号固定座与导轨滑块固定连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，利用圆锥阵列对线激光相机的激光平面进行实时标定，在实际操作中，只要相机视野中能够拍摄到两个圆锥即可同步完成点云位置解算和拼接工作，因此线激光相机的位置、姿态等运动参数将不会影响测量的精度，测量误差集中到线激光相机的精度和圆锥标定物的制造和安装精度上。此方法只需要一台线激光相机，成本相比于多相机系统有大幅缩减，并且安装调试更为便捷。此方法还便于进行量程扩展，改变圆锥环形阵列的直径和圆锥标定物分布的夹角能够使相机适应不同大小的待测物体，将圆锥标定物分为小量程时使用的标定圆锥和大量程时使用的标定圆锥，其中小量程时使用的标定圆锥靠近标定物阵列支撑板的中心设置，阵列角度为120度；靠近标定物阵列支撑板边缘设置的为大量程时使用的标定圆锥，阵列角度为60度，在测量大型复杂曲面的时候甚至可以自定义圆锥阵列方式(例如跟随曲面变换安置圆锥，不必使用圆周阵列)。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的轴侧图；
图3为本发明的工作示意；
图4为本发明中线激光相机的扫描控制流程图；
图5为本发明中点云数据生成算法流程图；
图6为本发明中圆锥标定组件的示意图(扩展量程后)；
图7为本发明中增设了环形轨道组后的工作示意图。
图中：1线激光相机、2二维旋转模组、3直线导轨模组、4圆锥标定组件、41小量程标定圆锥、42大量程标定圆锥、5标定物阵列支撑板和6旋转台。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式提供了一种圆锥阵列线激光三维测量仪，所述测量仪包括线激光相机1、二维旋转模组2、直线导轨模组3、圆锥标定组件和旋转台6，所述直线导轨模组3设置在一号固定座上，且直线导轨模组3的固定部与一号固定座拆卸连接，二维旋转模组2设置在直线导轨模组3中的滑动部上，二维旋转模组2的固定部与直线导轨模组3中的滑动部拆卸连接，线激光相机1安装在二维旋转模组2的转动部上，旋转台6设置在二号固定座上，且旋转台6的转动轴线与二号固定座的上表面垂直设置，旋转台6的壳体与二号固定座的上表面固定连接，圆锥标定组件安装在旋转台6中的转动部上，旋转台6带动圆锥标定组件进行周向转动，线激光相机1朝向圆锥标定组件设置。
本实施方式中提供的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，利用圆锥阵列对线激光相机的激光平面进行实时标定，在实际操作中，只要相机视野中能够拍摄到两个圆锥即可同步完成点云位置解算和拼接工作，因此线激光相机的位置、姿态等运动参数将不会影响测量的精度，测量误差集中到线激光相机的精度和圆锥标定物的制造和安装精度上。此方法只需要一台线激光相机，成本相比于多相机系统有大幅缩减，并且安装调试更为便捷，线激光相机1再进行拍摄时对待测物体发射激光平面，获取激光平面所接触到的物体轮廓到相机之间的距离。
具体实施方式二：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的二维旋转模组2作进一步限定，本实施方式中，所述二维旋转模组2包括一号舵机、L型固定座、二号舵机、U型固定座和固定板，L型固定座设置在直线导轨模组3中的滑动部上，且L型固定座中的水平支撑板与直线导轨模组3中的滑动部通过螺栓螺母组件拆卸连接，一号舵机设置在L型固定座中的水平支撑板上，且一号舵机的转动轴穿过L型固定座中的竖直支撑板并设置在竖直支撑板的外部，一号舵机的壳体与L型固定座中水平支撑板固的上表面固定连接，一号舵机的转动轴与L型固定座中的竖直支撑板转动连接，U型固定座设置在L型固定座中竖直支撑板远离一号舵机的一侧，U型固定座的封闭端上加工有安装孔，U型固定座通过安装孔套装在一号舵机的转动轴上，且U型固定座与一号舵机的转动轴固定连接，二号舵机设置在U型固定座的开口端，且二号舵机的壳体与U型固定座的内壁固定连接，二号舵机中转动轴的轴线与一号舵机中转动轴的轴线垂直设置，固定板的一侧加工有通孔，固定板通过通孔套装在二号舵机中的转动轴上，二号舵机可带动固定板周向转动，线激光相机1的壳体固接在固定板远离二号舵机的一侧，且线激光相机1朝向圆锥标定组件设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，二维旋转模组2主要控制线激光相机1在工作时的拍摄角度，其中一号舵机控制线激光相机1的倾斜滚动角，二号舵机控制线激光相机1的前后摆动角，通过一号舵机和二号舵机的配合可以使线激光相机1进行多角度的拍摄的工作，一般工作时线激光相机1处于四种工作模式，第一种：线激光相机1俯视且线激光相机1滚动角小于俯仰角，第二种：线激光相机1仰视且线激光相机1滚动角小于俯仰角，第三种：线激光相机1向右侧倾斜且线激光相机1滚动角大于俯仰角，第四种：线激光相机1向左侧倾斜且线激光相机1滚动角大于俯仰角。
具体实施方式三：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的直线导轨模组3作进一步限定，本实施方式中，所述直线导轨模组3包括一号导轨、一号滑动块，二号导轨、二号滑动块和L型连接板，一号导轨通过螺栓螺母组件与一号固定座拆卸连接，一号滑动块设置在一号导轨上，且一号滑动块与一号导轨滑动连接，二号导轨沿竖直方向设置在一号滑动块的上表面上，且二号导轨的一端与一号滑动块的上表面固定连接，二号滑动块设置在二号导轨上，且二号滑动块与二号导轨滑动连接，L型连接板设置在二号滑动块朝向圆锥标定组件的一侧，且L型连接板的竖直支撑部与二号滑动块固定连接，L型固定座通过螺栓螺母组件与L型连接板的水平支撑部拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式中，直线导轨模组3主要是控制线激光相机1进行纵向和横向的位移，便于调节线激光相机1与被测物体之间的距离和拍摄高度，在实际工作中，考虑到有些情况摄像头的位置需要固定，可以将直线导轨模组3设置到圆锥标定组件4的下方，通过调节圆锥标定组件4和位于圆锥标定组件4上被测件与摄像头的相对高度和距离来使线激光相机1对被测件进三维测量。
具体实施方式四：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的二号导轨作进一步限定，本实施方式中，所述二号导轨与一号滑动块之间还设有辅助加强板，辅助加强板具有两个相互垂直的安装面，辅助加强板中的一个安装面与一号滑动块的上表面固定连接，辅助加强板中的另一个安装面与二号导轨的背部固连接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
本实施方式中，通过辅助加强板的设置，可以保证二号导轨与一号滑动块之间的连接刚度，避免二号滑动块带动二维旋转模组2和线激光相机1上升到一定高度时出现重心偏移和重心不稳的情况发生。
具体实施方式五：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的圆锥标定组件作进一步限定，本实施方式中，所述圆锥标定组件包括多个圆锥标定物4和标定物阵列支撑板5，标定物阵列支撑板5的上表面上均布加工有多个插装口，每个圆锥标定物4的大口径端对应插装在一个插装口中，且每个圆锥标定物4的轴线与标定物阵列支撑板5的上表面垂直设置。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的圆锥标定物4作进一步限定，本实施方式中，所述多个圆锥标定物4分为N个小量程标定圆锥41和Z个大量程标定圆锥42，N为正整数，Z为正整数，N个小量程标定圆锥41靠近标定物阵列支撑板5的中心分布，且N个小量程标定圆锥41沿周向等距设置，大量程标定圆锥42靠近标定物阵列支撑板5的边缘分布，且Z个大量程标定圆锥42沿周向等距设置。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
如此设置，便于进行量程扩展，改变圆锥环形阵列的直径和圆锥标定物分布的夹角能够使相机适应不同大小的待测物体，将圆锥标定物分为小量程标定圆锥41和大量程标定圆锥42，其中小量程标定圆锥41靠近标定物阵列支撑板的中心设置，阵列角度为120度；靠近标定物阵列支撑板边缘设置的为大量程标定圆锥42，阵列角度为60度，在测量大型复杂曲面的时候甚至可以自定义圆锥阵列方式。
具体实施方式七：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的三维测量仪作进一步限定，本实施方式中，所述三维测量仪还包括环形轨道组7，环形轨道组7包括环形导轨和导轨滑块，导轨滑块设置在环形导轨上，且导轨滑块与环形导轨滑动连接，二号固定座设置在环形导轨的中心处，一号固定座设置在导轨滑块的顶部，且一号固定座与导轨滑块固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
如此设置，考虑到有些被测件为拼装件，在测量时出现的转动会破坏被测件的整体结构，因此将一号固定座下增加了环形轨道组7，保证在被测件静止时，线激光相机1还可以进行周向运动，可以从多个角度和位置对被测件进行全面测量。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
工作原理
本发明在使用时，圆锥阵列线激光三维测量仪的扫描流程如图4所示：首先需要根据圆锥标定物的制造参数和安装位置在相应软件中设置好相关参数，配置好相机参数。利用相机运动机构带动相机，对物体的一侧进行扫描，在每次拍摄时都需要保证离相机最近的两个圆柱标定物出现在相机视野范围内。完成第一个拍摄方向的扫描后，转动支承台改变物体正对方向，进行第二拍摄角度的扫描工作，如此进行，直到物体全部扫描完毕。
扫描工作结束后，将扫描所得数据打包发送给PC中的处理程序，进行点云数据的解算和拼接。
点云数据生成算法流程如图5所示。拍摄数据以流的形式被处理程序读取，拍摄数据包含线激光相机拍摄得到的(1)激光平面内的深度信息(2)转台的转动角度(此数据只用于识别在相机视野内的圆锥标定物，无精度要求)(3)相机姿态模式(相机的姿态有4种参照具体实施方式二中记载，不同的姿态模式下的点云求解有些许差异)。
在识别和读取相机姿态模式后，程序开始处理深度信息。由于圆锥标定物和激光平面相交得到的轮廓为椭圆，因此，在深度信息中分离出两条椭圆弧(分别为左右圆锥标定物)和待测物体轮廓。随后拟合椭圆，并利用拟合得到的椭圆反向求解激光平面方程，并利用激光平面和圆锥标定物位置信息构建从深度信息到世界坐标系的变换矩阵，最后将每次拍摄得到的物体轮廓还原到世界坐标系中，同时完成点云的生成和拼接工作。

Claims (7)

1.一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述测量仪包括线激光相机(1)、二维旋转模组(2)、直线导轨模组(3)、圆锥标定组件和旋转台(6)，所述直线导轨模组(3)设置在一号固定座上，且直线导轨模组(3)的固定部与一号固定座拆卸连接，二维旋转模组(2)设置在直线导轨模组(3)中的滑动部上，二维旋转模组(2)的固定部与直线导轨模组(3)中的滑动部拆卸连接，线激光相机(1)安装在二维旋转模组(2)的转动部上，旋转台(6)设置在二号固定座上，且旋转台(6)的转动轴线与二号固定座的上表面垂直设置，旋转台(6)的壳体与二号固定座的上表面固定连接，圆锥标定组件安装在旋转台(6)中的转动部上，旋转台(6)带动圆锥标定组件进行周向转动，线激光相机(1)朝向圆锥标定组件设置。
2.根据权利要求1中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述二维旋转模组(2)包括一号舵机、L型固定座、二号舵机、U型固定座和固定板，L型固定座设置在直线导轨模组(3)中的滑动部上，且L型固定座中的水平支撑板与直线导轨模组(3)中的滑动部通过螺栓螺母组件拆卸连接，一号舵机设置在L型固定座中的水平支撑板上，且一号舵机的转动轴穿过L型固定座中的竖直支撑板并设置在竖直支撑板的外部，一号舵机的壳体与L型固定座中水平支撑板固的上表面固定连接，一号舵机的转动轴与L型固定座中的竖直支撑板转动连接，U型固定座设置在L型固定座中竖直支撑板远离一号舵机的一侧，U型固定座的封闭端上加工有安装孔，U型固定座通过安装孔套装在一号舵机的转动轴上，且U型固定座与一号舵机的转动轴固定连接，二号舵机设置在U型固定座的开口端，且二号舵机的壳体与U型固定座的内壁固定连接，二号舵机中转动轴的轴线与一号舵机中转动轴的轴线垂直设置，固定板的一侧加工有通孔，固定板通过通孔套装在二号舵机中的转动轴上，二号舵机可带动固定板周向转动，线激光相机(1)的壳体固接在固定板远离二号舵机的一侧，且线激光相机(1)朝向圆锥标定组件设置。
3.根据权利要求2中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述直线导轨模组(3)包括一号导轨、一号滑动块，二号导轨、二号滑动块和L型连接板，一号导轨通过螺栓螺母组件与一号固定座拆卸连接，一号滑动块设置在一号导轨上，且一号滑动块与一号导轨滑动连接，二号导轨沿竖直方向设置在一号滑动块的上表面上，且二号导轨的一端与一号滑动块的上表面固定连接，二号滑动块设置在二号导轨上，且二号滑动块与二号导轨滑动连接，L型连接板设置在二号滑动块朝向圆锥标定组件的一侧，且L型连接板的竖直支撑部与二号滑动块固定连接，L型固定座通过螺栓螺母组件与L型连接板的水平支撑部拆卸连接。
4.根据权利要求3中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述二号导轨与一号滑动块之间还设有辅助加强板，辅助加强板具有两个相互垂直的安装面，辅助加强板中的一个安装面与一号滑动块的上表面固定连接，辅助加强板中的另一个安装面与二号导轨的背部固定连接。
5.根据权利要求4中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述圆锥标定组件包括多个圆锥标定物(4)和标定物阵列支撑板(5)，标定物阵列支撑板(5)的上表面上均布加工有多个插装口，每个圆锥标定物(4)的大口径端对应插装在一个插装口中，且每个圆锥标定物(4)的轴线与标定物阵列支撑板(5)的上表面垂直设置。
6.根据权利要求5中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述多个圆锥标定物(4)分为N个小量程标定圆锥(41)和Z个大量程标定圆锥(42)，N为正整数，Z为正整数，N个小量程标定圆锥(41)靠近标定物阵列支撑板(5)的中心分布，且N个小量程标定圆锥(41)沿周向等距设置，大量程标定圆锥(42)靠近标定物阵列支撑板(5)的边缘分布，且Z个大量程标定圆锥(42)沿周向等距设置。
7.根据权利要求6中所述的一种圆锥阵列线激光三维测量仪，其特征在于：所述三维测量仪还包括环形轨道组(7)，环形轨道组(7)包括环形导轨和导轨滑块，导轨滑块设置在环形导轨上，且导轨滑块与环形导轨滑动连接，二号固定座设置在环形导轨的中心处，一号固定座设置在导轨滑块的顶部，且一号固定座与导轨滑块固定连接。
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