CN2786554Y - 三维激光视觉测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种高速、高精度、用于三维坐标测量的激光视觉传感器，它是由激光投射单元、二维图象接收器、数字信号处理器、通讯单元以及同步与输出单元组成；它基于三角法原理实现物体表面三维坐标的检测和测量。所述激光投射单元可以自适应地产生单个或多个激光平面束以适应复杂表面的形状变化。本实用新型集成了所需的电子元件、光学部件、三角法数学模型和可运行程序码，无需添加额外的设备或程序即可实现三维坐标的测量。此外，本实用新型还具有互连能力以实现分布式多任务测量。本实用新型由于集数字信号处理技术、图象处理、光电技术和软件技术于一体，实现了实时处理，提高了速度和精度，减小了体积，而且使用很方便。

Description

三维激光视觉测量传感器

所属技术领域

本实用新型类属三角法非接触表面三维测量方法和仪器，为计算机提供三维坐标数据或检测结果，尤其是它具有高速、高精度、小体积、分布式测量的特点，可在一般的工业环境下构成可完成多任务测量的检测网络。

背景技术

通过与计算机结合，这类基于三角法的系统可应用于逆向工程、工业检测、坐标测量、表面扫描、三维物体重构以及机器人(手)定位等领域。这些以计算机为基础的应用首先必须获得关于物体的三维表面数据，然后才能进行分析和处理。然而，这些用于物体三维测量的系统，要同时取得高精度、高速和小型化等性能是一个非常困难的课题。大多数系统因不能提供高集成度而无法小型化和实用化。比如，市场上的许多视觉系统，都必需有一台PC计算机、一块插在PC内的图象卡以及外接一个工业用的摄像机，图象卡接受摄像机的模拟电视信号并完成图象采集，所有图象存储、处理和计算都要靠PC机完成，这种结构决定了它只能完成单个任务，速度低，不能小型化。

发明内容

为了克服这类视觉系统的这些不足，本实用新型提供一种三维激光视觉测量传感器，将视觉系统所必要的电子元件、光学器件、DSP程序码、三角法数学模型集成一体形成一个独立的传感系统，用数字信号处理器(DSP)完成各种数学运算、时序控制和外部通讯，实现高速、高精度、分布式的三维坐标测量。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：用数字信号处理器做为数字图象计算、数学运算、时序控制和同步协调的核心。数字信号处理器控制激光投射单元产生多个激光光平面，照射被测物体；在离激光投射单元有一定距离的位置放置二维图象接收器，图象接收器的镜头光轴与激光光平面成一固定角度；激光投射单元、图象接收器与被测物体构成所谓的“三角形”。当进行测量时，多个激光光平面照射到被测物体表面，二维图象接收器从其接收方向看到激光光条随表面轮廓的变化而弯曲；包含表面轮廓变化的数字图象，在数字信号处理器的控制下，被实时地存放在数据存储器中，然后数字信号处理器进一步提取光条图象的特征值，应用预先给定的三角法数学模型实时地把处理过的光条图象特征值变换成三维空间坐标。这样，凡是被激光光条覆盖的物体表面就被数字化成三维坐标。由于二维图象接收器直接输出数字图象，数字信号处理器实时地完成对图象的处理，与传统的系统相比，没有模拟到数字的转换过程，减小了图象噪声，简化了电路，有利于提高精度测量。因为采用多个激光光条，一幅图象可以得到多组坐标，提高了单位时间内的数据输出率，即提高了测量速度。数字信号处理器通过数据总线或缓冲内存直接与数据存储器、二维图象接收器、通讯单元、同步与输出电路相连，对系统实行协调控制。二维图象接收器接收并输出激光光条的数字图象，数据存储器储存该数字图象和传感器本身的系统参数，数字信号处理器协调这些工作并运行DSP程序码、视觉三角法数学模型。为了方便与外部系统同步和通讯，本实用新型的同步与输出电路可实现与外部事件同步工作，输出检测结果；其通讯单元能完成多个传感器的互连，并负责与外部计算机进行数据交换和命令控制。本实用新型在内置DSP程序的控制下，由数字信号处理器实时地完成图象传送、数据处理和坐标计算。传感器不仅能接收来自外部主计算机的测量命令，也可接收外触发信号开始执行测量。当使用外部计算机时，用户从外部计算机只需执行一条命令即可从该传感器获得所有的三维坐标数据。由于本实用新型使用了与工业标准或协议兼容的通讯单元，如USB，局域以太网及IEEE1394，多个传感器联成网络以实现分布式多任务测量。

本实用新型的有益效果是，测量速度快、精度高、使用方便、体积小、重量轻，既可以独立地完成在线检测任务，又可以结合其他的运动机构，如三坐标测量机、机器人(手)等。当它与其他系统协调工作时，本实用新型可用于三维物体表面的扫描、重构物体的三维几何模型、拷贝零件、逆向工程、三维几何量测量、模具扫描测量、数字化工程以及三维物体成像等。当它独立工作时，本实用新型可测量物体的切面轮廓，监控坐标，根据几何尺寸或匹配模型来测量和分选零件。当把多个传感器联成网络进行多任务测量时，整个测量系统仅需一台PC计算机来完成设置、控制、数据传送和管理。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型结构示意图。

图2是激光光条轮廓线示意图。

图3是与图2对应的光条图象实例。

图4是本实用新型的第二个实施例结构示意图。

具体实施方式：

在图1中，当需要测量时，数字信号处理器DSP(1)启动激光驱动控制电路(3)，开启激光器阵列(4)；经光学准直后的激光束经过柱面镜(5)形成一组在一定范围内厚度均匀的光平面(6)；与被测物体(14)相交后的形成光条轮廓线(22)；激光经被测物体(14)反射后通过滤光片(15)和摄像镜头(8)成象于二维图象接收器(9)阵面上；同时，数字信号处理器(1)通过摄像控制电路(11)启动二维图象接收器(9)生成数字同步信号与图象数据；经过图象缓冲内存(10)传送到数据存储器(2)内；再由数字信号处理器(1)实时地完成数据存储器(2)中的图象处理和三维坐标计算，并存放在数据存储器(2)中；由USB组成的通讯单元(12)接收外部计算机的命令并完成高速数据传送；测量的启动既可以由外部计算机完成，也可以由外部触发信号经同步与输出电路(13)完成，并可直接将检测结果从同步与输出电路(13)输出。

本实用新型的所有电子、光学元器件紧密地安放在一个封闭的外壳(23)内，外壳(23)上置有通讯接头和输出接头，激光投射器和图象接收器的前端安放玻璃窗口(16)和滤光片(15)，既方便摄取图象，又可保护防尘。

在图2中，激光投射单元产生三个激光平面(6)和三条轮廓线(22)，激光束的自适应控制是由处理后的图象数据的连续性来确定，在任何给定的测量时刻，至少有一个激光束工作；该技术既可确保能测量任何复杂形状的物体，又可因使用多光条而得到高数据输出率，实现高速测量；激光的光条数目可根据具体测量用途而确定，仅受测量精度、摄像机图象分辨力及摄像系统景深的限制。

图3是来自二维图象接收器(9)的，关于图2所示的光条轮廓线(22)的四种有效组合图象；这些数字图像经预处理、特征提取后被传送到数据存储器(2)，在此被进一步根据三角法数学模型映射计算成三维坐标，计算后的坐标数据被放回存储器(2)中；图中的实线表示开启的光条轮廓线，虚线表示关闭的光条轮廓线。由于图象信号在内部直接转化成数值信号，减小了外部干扰和电子噪声，以获得高精度坐标数据。

本实用新型在获得以上坐标数据后可进行物体坐标的测量、尺寸检测和零件分选。

本实用新型在上电之后即自启动，测量任务既可由主计算机通过通讯单元(12)发出的软件命令实现，也可由外部信号触发同步电路系统(13)实现。本实施例的通讯单元(12)采用与PC机完全兼容的工业标准USB，其通讯协议软件被固化在数据存储器(2)内，上电启动后自行激活；在此基础上，多个传感器可以通过USB中枢连接器(HUB)构成测量网络。

本实用新型可以设置成两种工作方式：等待方式和外同步方式。在等待方式下，传感器等待与之相连的主计算机的命令去执行相应的任务；在外同步方式下，本实用新型与外同步触发信号同步地工作，无须用户干预，用户亦可以通过主计算机来控制。

在图4所示实施例中，两个二维图象接收器分别置于投射器的两侧，当需要测量时，数字信号处理器DSP(1)启动激光驱动控制电路(3)，开起激光器阵列(4)；经光学准直后的激光束经过柱面镜(5)形成一组光平面(6)；与被测物体(14)相交后的形成光条轮廓线(22)；激光经被测物体(14)反射后通过分别放置于激光束两侧的滤光片(15)和(17)及摄像镜头(8)和(18)各自成象于二维图象接收器(9)和(19)阵面上；数字信号处理器(1)通过摄像控制电路(11)(21)同时启动二维图象接收器(9)和(19)生成数字同步信号与图象数据；分别经过图象缓冲内存(10)和(20)传送到数据存储器(2)内；再由数字信号处理器(1)实时的完成两幅图象的合成、比较、处理和三维坐标计算，将结果存放在数据存储器(2)中；由USB组成的通讯单元(12)接收外部计算机的命令完成高速数据传送；测量的启动既可以由外部计算机完成，也可以由外部触发信号经同步与输出电路(13)完成，并可直接将检测结果从同步与输出电路(13)的输出接口输出。

该实施例在第一个实施例的基础上，增加了一个二维图象接收器，两个图象接收器分别从不同的角度来摄取光条轮廓线(22)的图象，当其中一个图象接收器因被测物体的自身遮挡而看不见光条轮廓线(22)时，另一个图象接收器有可能观测到光条轮廓线(22)，因而使传感器能获得更高的精度、更详细的三维坐标数据，减小测量盲区。

Claims (6)

1.一种三维激光视觉测量传感器，由激光投射单元、二维图象接收器(9)、数字信号处理器(1)、数据存储器(2)、通讯单元(12)以及同步与输出单元(13)组成，其特征是：激光投射单元、二维图象接收器(9)和被测物体(14)构成空间三角形，图象接收器(9)被安置在激光投射单元的一侧或两侧；图象接收器和激光投射单元固定在同一平台上，它们之间的相对位置在测量过程中保持不变；数字信号处理器(1)通过电子线路分别与二维图象接收器(9)、数据存储器(2)、激光驱动控制电路(3)、通讯单元(12)以及同步与输出单元(13)相连。

2.根据权利要求1所述的三维激光视觉测量传感器，其特征是：激光投射单元由半导体激光器阵列(4)、柱面镜(5)以及激光驱动控制电路(3)组成，半导体激光器阵列(4)和柱面镜(5)平行且水平放置，柱面镜(5)位于半导体激光器阵列(4)的前方，每个半导体激光器的开起和关闭均由数字信号处理器(1)控制。

3.根据权利要求1所述的三维激光视觉测量传感器，其特征是：二维图象接收器(9)被安置在激光投射单元的一侧或两侧，并与激光投射单元相距一定的距离，二维图象接收器(9)镜头的光轴(7)与激光光平面(6)成一固定角度，每个图象接收器的前端放有成象透镜，透镜光轴(7)在水平方向与二维图象接收器象面不垂直；所述二维图象接收器包括CCD像机，CMOS像机及数字像机。

4.根据权利要求1所述的三维激光视觉测量传感器，其特征是：数字信号处理器(1)通过双向数据总线、地址总线、缓冲内存与数据存储器(2)和二维图象接收器(9)相连，数字信号处理(1)还通过数据总线与激光驱动控制电路(3)和摄像控制电路(11)相连；可运行的DSP程序码、传感器系统参数和三角法数学模型都固化在数据存储器(2)中；所述数据存储器包括RAM，EPROM，FLASH内存和其他缓冲内存。

5.根据权利要求1所述的三维激光视觉测量传感器，其特征是：数字信号处理器(1)通过数据总线与基于协议或工业标准的通讯单元(12)相连，与外部计算机交换数据和传送命令，通讯协议以DSP程序码的方式固化在数据存储器(2)中；所述通讯单元包括USB，局域以太网及IEEE1394。

6.根据权利要求1所述的三维激光视觉测量传感器，其特征是：所有电子和光学元器件紧密地安放在一个封闭的外壳(23)内，壳外置有通讯接头和输出接头；激光投射器前端的外壳置有玻璃窗口(16)，图象接收器前端的外壳置有滤光片(15)，该滤光片与图象接收器透镜光轴(7)垂直。

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