CN204064241U - 一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，包括一底座，底座上设有一竖直升降器，竖直升降器上设有一载物台并能实现载物台的升降，所述底座上还设有用于使载物台上的待测锥体形成光切平面的线激光器，所述底座上还设有一相机导轨，所述相机导轨上设置一能沿相机导轨滑动的黑白相机，使待测锥体的顶点沿黑白相机拍摄方向能投影在待测锥体底面上，通过本装置采集多个平行光切平面上待测锥体的截面轮廓形状和大小。该采集装置结构简单，成本低，扫描速度快，精度高，对测试物体和环境要求低。

Description

一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于线结构光扫描的非接触式信息采集装置，应用于复杂表面锥体的非接触式测量。 

背景技术

三维体积测量技术在许多领域都有着不可忽略的作用，在工业生产、科研等部门，经常会有类似圆锥或棱锥的复杂表面锥体要求快速且准确地测量其体积和重构出三维图。传统手段的体积测量有排水法、三坐标测量法等。

传统体积测量中应用最为广泛的为排水法，它利用阿基米德原理，浸于液体中的物体所受到的浮力等于该物体排开的液体的重量，即                                                。测量体积时除了需要测量物体所受到的浮力外，还需要知道当前环境气压、温度、纬度等才可以确定液体密度、重力加速度。利用排水法测量物体体积对物体具有一定的要求，例如：物体密度需要大于水的密度，物体与水不存在物化反应，物体不吸水等。这就使得排水法测量体积具有很大的局限性。

三坐标测量技术利用笛卡尔坐标系对物体表面进行三坐标测量，获得的物体表面三维信息，从而获得物体体积。此方法精度高，但是该测量技术存在测量力、测量速度慢、测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因此很难满足快速且准确地测量复杂表面物体体积的要求。

在现代测量技术中，目前非接触式测量技术主要基于超声波、激光三角测距、磁核共振、工业CT等手段， 而且这些技术大多采用海量“点云”数据进行复杂表面锥体的三维还原，再对其进行体积计算。这些方式虽然没有了一些接触测量的局限性，但是存在数据量巨大、环境光照影响大、对环境温湿度要求高、算法复杂、装置成本高等缺点。

发明内容

鉴于目前体积测量技术存在的缺点，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，依据线结构光光切原理，提供一种信息采集装置，无需求出物体的三维坐标，采集锥体形状信息，以利工作人员应用智能计算系统计算出该锥体的体积和重构出三维模型。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案在于：一种非接触式复杂表面椎体信息采集装置，包括一底座，底座上设有一竖直升降器，竖直升降器上设有一载物台并能实现载物台的升降；底座上还设有用于使载物台上待测锥体形成光切平面的线激光器；底座上还设有一相机导轨，相机导轨一端连接底座，另一端连接竖直升降器顶部，所述相机导轨上设置一能沿相机导轨滑动的黑白相机，使待测锥体顶点沿黑白相机拍摄方向能投影在待测锥体底面。

在本实用新型实施例中，所述线激光器具有三个，位于载物台周围，呈一三角状排列。

在本实用新型实施例中，每个线激光器位于一激光器支撑柱上。

在本实用新型实施例中，所述激光器支撑柱是高度可调式支撑柱。

在本实用新型实施例中，所述竖直升降器包含一竖直丝杆和一步进电机，所述步进电机通过所述竖直丝杆控制所述载物台的升降速度和高度。

在本实用新型实施例中，所述步进电机具有用于与一计算机连接的串口。

在本实用新型实施例中，所述相机导轨为弧形导轨。

在本实用新型实施例中，所述黑白相机具有用于与一计算机连接的串口。

本实用新型的信息采集原理为：

锥体截面轮廓标记：提供至少三个不同角度的线激光器，位于待测锥体周围，构成光切平面，光切平面法线与水平面夹角为，使待测锥体顶点沿光切平面法线方向能投影在待测锥体底面上，在待测锥体表面形成一个明亮的闭合轮廓光带；

扫描：提供一载物台、竖直丝杆和步进电机，所述步进电机通过竖直丝杆带动载物台上的待测锥体沿竖直方向以匀速下降，即光切平面相对于待测锥体由底端至顶端匀速移动，相当于每隔一固定时间光切平面扫过一台体，为采集间隔时间，通过调节采集间隔时间将待测锥体“切”为许多等高薄台体；

信息采集：提供一黑白相机，拍摄方向与光切平面法线方向相同，光切平面相对待测锥体匀速移动同时，所述黑白相机每间隔时间采集一次图像，即记录待测锥体不同光切平面处的截面轮廓大小及形状，并将采集到的图像、采集间隔时间以及图像张数P数据储存，以备传送至一计算机进行体积计算和三维重构。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

（1）实用新型结构简单，成本低；

（2）由于黑白相机对亮暗敏感，故可以通过减小光圈、周围背景涂黑既可以减小环境光对采集装置的影响，相对于光栅投影法等方式环境要求低；

（3)应用采集的信息进行图像处理和体积计算过程简单，无需通过计算海量的三坐标进行体积计算；

（4）复杂表面锥体体积计算方法源自微积分思想，以台体形式分层“切片”，计算简单，且拟合程度高；

（5）思路简单，易于推广。

附图说明

图1 是本实用新型一具体实施例的装置结构图，其中1为激光器支撑柱，可以调节三个线激光器2的高度及角度；3为载物台，通过竖直丝杆4和步进电机5可以实现载物台3的升降；黑白相机6安装于弧形导轨7上，通过调节相机两端的螺丝松紧可实现黑白相机6在导轨上滑动和固定，并且相机可通过USB 2.0接口或其他数据传输接口连接至计算机进行数据传输。

图2 是锥体截面轮廓标记系统示意图，三个线激光器2构成一个360°的光切平面照射待测锥体8，在待测锥体8表面即可形成一个明亮光带9。

图3 是应用计算机对本实用新型采集的信息进行处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

为使普通技术人员更清楚地理解本实用新型的结构及运用该结构带来的效果，下面结合采集信息之后运用智能计算系统进行数据处理及体积计算过程作具体说明，所应理解的是，本实用新型只是要求保护本实用新型硬件结构，对软件实现的信息处理部分并不做保护要求。

本实用新型实施例提供一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，如图1所示，包括一底座，底座上设有一竖直升降器，竖直升降器上设有一载物台3并能实现载物台3的升降；底座上还设有用于使载物台3上待测锥体8形成光切平面的线激光器2；底座上还设有一相机导轨7，相机导轨7一端连接底座，另一端连接竖直升降器顶部，所述相机导轨7上设置一黑白相机6，所述黑白相机6能沿相机导轨7滑动。

在本实用新型具体实施例中，所述黑白相机6能通过相机两端的调节螺丝松紧实现黑白相机6在导轨7上滑动和固定，以确定拍摄角度，使待测锥体顶点沿黑白相机拍摄方向能投影在待测锥体底面，这样做是为了使拍摄的每个待测锥体截面轮廓线都闭合。所述线激光器2具有三个，位于载物台3周围，呈一三角状排列。每个线激光器2位于一激光器支撑柱1上。所述激光器支撑柱1有一圆柱杆，上面设有激光器固定环，圆柱杆嵌套在空心圆柱内且可旋转和上下活动，空心圆柱上设有一旋紧螺丝，用于锁定圆柱杆的高度。所述竖直升降器包含一竖直丝杆4和一步进电机5。控制步进电机5的运转，带动竖直丝杆4转动，实现载物台3的竖直升降，从而间接控制载物台3上待测锥体8的升降速度和高度。所述相机导轨7为弧形导轨。所述黑白相机6具有用于与一计算机连接的串口，可通过计算机来控制拍摄过程。所述黑白相机6还具有用于与一计算机进行数据传输的接口。所述步进电机具有用于与一计算机连接的串口。

在本实用新型具体实施例中，还提供一计算机，通过串口与步进电机5连接，对步进电机5发出指令从而控制步进电机5的运转，所述计算机还通过串口与黑白相机6连接，从而控制黑白相机6的拍摄过程。所述计算机接收采集的数据后进行处理，得到待测锥体的体积和三维重构。

本实用新型实施例中，应用于体积测量及三维重构的原理为：

锥体截面轮廓标记：如图2所示，提供三个不同角度的线激光器2，位于待测锥体8周围，构成光切平面，光切平面法线与水平面夹角为，使待测锥体顶点沿光切平面法线方向能投影在待测锥体底面上，在待测锥体表面形成一个明亮的闭合轮廓光带9；

扫描：提供一载物台3、竖直丝杆4和步进电机5，所述步进电机5通过竖直丝杆4带动载物台3上的待测锥体8沿竖直方向以匀速下降，即光切平面相对于待测锥体由底端至顶端匀速移动，相当于每隔一固定时间光切平面扫过一台体，为采集间隔时间，通过调节采集间隔时间将待测锥体“切”为许多等高薄台体；

信息采集：提供一黑白相机6，拍摄方向与光切平面法线方向相同，光切平面相对待测锥体匀速移动同时，所述黑白相机每间隔时间采集一次图像，即记录待测锥体不同光切平面处的截面轮廓大小及形状，并将采集到的图像、采集间隔时间以及图像张数P数据储存，以备传送至一计算机进行体积计算和三维重构。

提供一计算机，所述计算机接收所述数据后，包括以下处理步骤：

读取图像张数P，将每张图像进行二值化处理，滤波后，进行骨架提取，从而得出不同光切平面处截面的闭合轮廓线，对所述闭合轮廓线进行像素填充，得到填充截面所需的像素点数，运用系统定标得到的比例系数M求得对应的第i个光切平面处截面的实际面积：，为填充第i个光切平面处截面的像素点数，下标i的取值为1~P；读取采集间隔时间、载物台下降速度和光切平面法线与水平面夹角，计算出相邻两张轮廓图像的高度差，将相邻的两个截面以台体的形式拟合，求出每个薄台体的体积，下标的取值为1~(P-1)，将各个台体进行求和叠加，进而得到待测锥体体积，将提取出的轮廓线沿光切平面法线方向以为间隔顺序排列，并对间隔空间进行插值填充、平滑处理，重构出待测锥体三维模型。

在本实用新型具体实施例中，所述采集间隔时间的确定方法为：沿光切平面法线方向，以一激光从待测锥体顶点向下以匀速扫描，记录从顶点到刚好脱离待测锥体时的扫描时间，扫描总距离，设定下降P个周期，下降时的速度为，则采集间隔时间为。

应用计算机对采集的信息进行处理的具体流程图如图3所示。

用不同体积的橡皮泥制成如表1中所示的六种不同复杂表面锥体，通过本实用新型采集装置得到该不同复杂表面锥体位置信息，然后通过计算机处理得到锥体的测量体积。从表中可以看到，测量结果和实际体积误差很小，不超过2%，表明本实用新型采集装置采集的信息准确可靠，可实际应用。

表1 不同复杂表面锥体体积测量数据：

 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和成果进行了详尽说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：包括一底座，底座上设有一竖直升降器，竖直升降器上设有一载物台并能实现载物台的升降；

所述底座上还设有用于使载物台上的待测锥体形成光切平面的线激光器；

所述底座上还设有一相机导轨，所述相机导轨上设置一能沿相机导轨滑动的黑白相机，使待测锥体的顶点沿黑白相机拍摄方向能投影在待测锥体底面上。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：所述线激光器具有三个，位于载物台周围，呈一三角状排列。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：每个线激光器位于一激光器支撑柱上。

4.根据权利要求3所述的激光器支撑柱，其特征在于：所述激光器支撑柱是高度可调式支撑柱。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：所述竖直升降器包含一竖直丝杆和一步进电机，所述步进电机通过所述竖直丝杆控制所述载物台的升降速度和高度。

6.根据权利要求5所述的步进电机，其特征在于：所述步进电机具有用于与一计算机连接的串口。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：所述相机导轨为弧形导轨，所述相机导轨一端连接底座，另一端连接竖直升降器顶部。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式复杂表面锥体信息采集装置，其特征在于：所述黑白相机具有用于与一计算机连接的串口。