CN2722197Y - 光笔式便携三维坐标测量机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用光学的方法进行三维坐标的测量技术。光笔式便携三维坐标测量机，包括CCD摄像机、计算机和用做测量传感部件的光笔。在光笔上装有三个光靶标，在笔尖处装有球形测头，三个光靶标的中心以及球形测头的中心位于同一条直线上，光靶标由CCD摄像机摄取并将图像传至计算机，经计算实现对接触点的三维坐标测量。本实用新型的有益效果及优点在于：能动态给出测量范围内空间任意测点的xyz三维坐标，测量空间范围达到米级，测量精度达到0.1mm级。光笔、摄像机和被测物体三者之间不需要严格精确的安装定位，因此可根据被测物特点，灵活调整摄像机的位置，大大方便了现场使用，增强了系统的柔性。

Description

光笔式便携三维坐标测量机

                              技术领域

本实用新型属于测试计量技术及仪器，具体涉及到采用光学的方法进行三维坐标的测量技术。

                              技术背景

三维坐标测量装置作为一种实用的精密测量仪器被广泛应用于机械、电子、模具以及航空航天等多种领域。然而目前的三维坐标测量装置绝大部分都是以笛卡儿坐标系为基础，它有固定的工作台面，设置三根互相垂直的运动轴及其标尺等。对用于工件加工领域的三维坐标机而言，其直线导轨和长标尺的制作比较复杂，它的底座、工作台、立柱和导轨通常由金属、花岗石或陶瓷制成，一台三坐标测量机的总重量达数吨乃至数十吨，所以坐标测量机的制造成本将会随量程的加大而上升。另外现在的三坐标测量机都很笨重，不适应大型工件现场快速测量的需要。近年来随着电子及光学技术的进步，以CCD摄像机为核心部件构成的三维视觉检测系统的研究得到了较快的发展，由于光学检测是非接触测量，所以适用于对柔性和易变形工件进行检测。但是此类检测装置安装定位和标定较为复杂，被安装定位后适合于对同一工件的批量检测，但是对于施工现场单件测量的场合是不适宜的。例如，需要对飞机机翼相对的位置进行测量，这时无法将庞大笨重的机翼搬到三坐标测量机上进行检测，目前采用的方法只能在工程现场构筑起专用的坐标系统。所以在实际生产和科学研究中，更多的场合需要提供一种安装简单、易于操作、大量程、便携式三维坐标测量装置。本实用新型的提出可以使上述问题得到圆满的解决。

                              发明内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种可供现场快速组建的光笔式便携三维坐标测量机。

本实用新型通过以下技术及计算方法实现。光笔式便携三维坐标测量机，主要包括CCD摄像机1和计算机2，测量传感部件为光笔3。在光笔3上装有数个光靶标，在光笔的笔尖处装有球形测头4。光笔上的光靶标至少有三个位于同一条直线，球形测头4的中心处于该直线，在此直线外如果还存在两个以上光靶标时，球形测头4的位置则可以任意确定。当所有的光靶标均在一条线上时，测头4的中心自然在此直线上。在光笔内装有供光靶标用的电源5。由CCD摄像机1、计算机2和计算机中的图像采集卡组成图像采集系统，系统中采用光笔3上的已知控制点(光靶标)作为成像目标，通过笔尖测头4与被测表面接触，由CCD摄像机1摄取光笔上光靶标的图像传至计算机2。本实用新型利用空间坐标变换及共线三点透视成像原理建立视觉测量系统的非线性测量方程，通过测头4与光笔3上光靶标的确定位置实现对接触点的三维坐标测量。

测量计算原理如图2所示：以单摄像机的透视中心为坐标原点O，成像系统光轴方向为Z轴，平行于CCD像素的纵横方向分别为Y轴和X轴，建立测量系统的唯一坐标系-摄像机坐标系。图2中A点为光笔测头4的中心，B、C、D为光笔3上的三个光靶标，在模型中用点来代替。A、B、C、D位于同一条直线上，其相互之间的距离已知。B、C、D通过理想的透视变换在图像坐标系中所成的像为b、c、d。θ₁、θ₂可由b、c、d的像面坐标求得。

由透视投影变换和解析几何理论，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{OD}=\frac{\mathrm{CD}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\\ \mathrm{OC}=\frac{\mathrm{CD}\·\mathrm{BC}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\\ \mathrm{OB}=\frac{\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_1}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\end{array}\right.$

B，C，D三点的三维坐标值可以由下式得到：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=x_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\\ y_B=y_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\\ z_B=z_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\\ y_C=y_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\\ z_C=z_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_D=x_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\\ y_D=y_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\\ z_D=z_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\end{array}\right.,$

利用共线条件可求得A点的三维坐标(x_A，y_A，z_A)，即为被测点的空间三维坐标。

$\left[\begin{array}{c}{x}_A\\ y_A\\ z_A\end{array}\right]=\frac{1}{3}(\left[\begin{array}{c}{x}_B+x_C+x_D\\ y_B+y_C+y_D\\ z_B+z_C+z_D\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{x}_C-x_D& x_B-x_D& x_B-x_C\\ y_C-y_D& y_B-y_D& y_B-y_C\\ z_C-z_D& z_B-z_D& z_B-z_C\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{AB}/\mathrm{CD}\\ \mathrm{AC}/\mathrm{BD}\\ \mathrm{AD}/\mathrm{BC}\end{array}\right])$

本实用新型的有益效果及优点在于：(1)能动态给出测量范围内空间任意测点的xyz三维坐标，可完成单一几何要素的尺寸与形状误差的测量和关联要素的位置误差测量等多种功能。(2)整个测量装置的质量在20kg左右，便于携出室外或在某个大型工件的所在地进行现场测量。(3)测量空间范围达到米级，测量精度达到0.1mm级。因此也可用作汽车车身、航天器壳体等大型三维曲面的测量。(4)光笔、摄像机和被测物体三者之间不需要严格精确的安装定位，因此可根据被测物特点，灵活调整摄像机的位置，大大方便了现场使用，增强了系统的柔性。

                              附图说明

附图1为本实用新型装置组成图。

附图2为本实用新型的计算模型图。

附图3(a)(b)分别为光笔的主视图和侧视图。

                            具体实施方式

由CCD摄像机1、计算机2和光笔3组成便携三维坐标测量机。对本实施例而言，光笔3采用碳素纤维材料做成约500mm长度的圆柱体，其内部有一个电池盒5，在光笔上采用三个光靶标，并按图3中所示的位置安装，即如图2中所示的B、C、D点。本实施例采用发光二极管作为光靶标，二极管串联后由电源5供电。光笔测头4在安装过程中调整光靶标中心与测头的中心处在一条直线上。CCD摄像机1、计算机2和插在计算机中的图像采集卡组成图像采集系统，测量前对该图像采集系统预先一次性精确标定。测量时，光笔笔尖处的测头4接触物体上的待测点，光笔3上的光靶标发光，使得其发光面正面朝向摄像机，通过摄像机传递，当计算机屏幕出现三个光靶标完整的像时，CCD摄像机锁定图像。B、C、D三点通过理想的透视变换在图像坐标系中所成的像为b、c、d。θ₁、θ₂可由b、c、d的像面坐标求得。

由透视投影变换和解析几何理论，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{OD}=\frac{\mathrm{CD}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\\ \mathrm{OC}=\frac{\mathrm{CD}\·\mathrm{BC}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\\ \mathrm{OB}=\frac{\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_1}{\sqrt{{\mathrm{BD}}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{BC}}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-2\mathrm{BC}\·\mathrm{BD}{\sin \mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}}\end{array}\right.$

B，C，D三点的三维坐标值可以由下式得到：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=x_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\\ y_B=y_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\\ z_B=z_b\·\mathrm{OB}/\mathrm{Ob}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\\ y_C=y_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\\ z_C=z_c\·\mathrm{OC}/\mathrm{Oc}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_D=x_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\\ y_D=y_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\\ z_D=z_d\·\mathrm{OD}/\mathrm{Od}\end{array}\right.,$

利用共线条件可求得A点的三维坐标(x_A，y_A，z_A)，即为被测点的空间三维坐标。

$\left[\begin{array}{c}{x}_A\\ y_A\\ z_A\end{array}\right]=\frac{1}{3}(\left[\begin{array}{c}{x}_B+x_C+x_D\\ y_B+y_C+y_D\\ z_B+z_C+z_D\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{x}_C-x_D& x_B-x_D& x_B-x_C\\ y_C-y_D& y_B-y_D& y_B-y_C\\ z_C-z_D& z_B-z_D& z_B-z_C\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{AB}/\mathrm{CD}\\ \mathrm{AC}/\mathrm{BD}\\ \mathrm{AD}/\mathrm{BC}\end{array}\right])$

通过上述图像处理和数学模型计算得到测头中心在摄像机坐标系中的三维坐标，即待测点的三维坐标。在被测物体上采集到一定数量测点的三维坐标后，由三坐标测量软件评价得到被测物体的尺寸、形状和位置误差等。

Claims (2)

1.光笔式便携三维坐标测量机，主要包括CCD摄像机(1)和计算机(2)，其特征在于测量传感部件为光笔(3)，在光笔(3)上装有数个光靶标，在光笔的笔尖处装有球形测头(4)，光笔上的光靶标至少有三个位于同一条直线，球形测头(4)的中心处于该直线，在此直线外存在两个以上光靶标时，球形测头(4)的位置可以任意确定，由CCD摄像机(1)摄取光笔(3)光靶标的图像传至计算机(2)。

2.按照权利要求1所述的光笔式便携三维坐标测量机，其特征在于在所述的光笔(3)内装有供光靶标用的电源(5)。

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