假設坐標變換用旋轉矩陣R和平移向量T表示：
[0100]
(8)
[0101]
(9)
[0102] 因為三維掃描儀6整體隨著機器手3沿直線滑動導軌2向前移動，沒有旋轉。因 此，每次測量的R(稱為三維掃描儀移動方向）是相同的。h時刻與12時刻三維掃描儀的 移動距離為d=4-di，如圖4所示，然后判斷公式（10)是否成立，若不成立轉至步驟2b重 新標定。 則
(|〇)
[0104] 本實施以大尺度曲面鋼板11為測量對象，執行步驟（3)~（5)。如圖5所示，^時 刻測量鋼板11的第一部分，此時激光測距儀5和激光標靶4之間的距離屯，把屯作為三維 掃描儀6的第一個位置；機器手3沿滑動導軌2向前推進，t2時刻測量鋼板11的下一相鄰 部分，此時激光測距儀5和激光標靶4之間的距離d2;由d:和d2得到三維掃描儀6兩次測 量時的絕對移動距離d12;
[0105] 步驟（5)中，計算t^t2時刻兩次局部測量時激光測距儀5與激光標靶4之間的 距離的變化，即d12;然后根據步驟（2)中對激光測距儀5的標定參數（即平移向量T)，拼接 &和t2兩時刻測量的相鄰局部三維數據，具體過程如下：
[0106] 三維掃描儀6沿直線運動，因此在絕對移動距離和平移向量之間存在一個比例關 系，可根據公式（11)獲得當前平移向量T1:
[0107] (II)
[0108] 5b.根據兩次測量的移動方向R和移動向量，拼接^和12兩次局部測量結果。
[0109] 采用本發明三維掃描儀和激光測距儀融合的大型物體三維形狀測量系統和方法， 可以實現通過多次局部測量、拼接，最終得到大型物體的三維數據。
[0110] 上述實施例中，兩套立體視覺系統可以采用市場上現有的產品，其具體要求為：首 先通過實驗測定第一立體視覺系統7和第二立體視覺系統8的測量精度約為0. 2mm-0. 3mm/ m;曲面鋼板11測量尺寸為3mX2m。測量時，機器手3每次向前的移動距離約為1. 2m，因此 需要移動兩次機器手3,進行三次局部測量，然后拼接得到曲面鋼板11完整的測量數據。
[0111] 具體測量結果如圖6所示，圖6 (a)是被測曲面板的圖像，圖6(b)、6(c)和6(d)是 從不同角度觀察測量結果的三維點云。
[0112] 因為單個立體視覺系統的精度已確定，則拼接精度是影響整體測量精度的關鍵因 素。本實施進行了四組實驗，以驗證拼接精度：利用兩次測量結果重疊區域點云之間的平均 絕對距離作為平均誤差，具體誤差如表1所示。在一般的工業加工中，這樣的測量誤差足以 滿足加工要求。
[0113] 表1四次試驗測量拼接精度得到的拼接誤差
[0114]
【主權項】
1. 一種大型物體三維形狀測量系統，其特征在于：包括服務器、三維掃描儀、激光測距 儀和滑動導軌，所述滑動導軌的一端固定有激光標靶，滑動導軌的軌道上設有可沿軌道滑 動的機器手，所述機器手包括立于滑動導軌的支撐柱和連接于支撐柱的橫桿，支撐柱可沿 豎直方向伸縮，橫桿可沿水平方向伸縮，在支撐柱和橫桿之間安裝有軸承，支撐柱上安裝有 與激光標靶相對應的激光測距儀，橫桿上固定有三維掃描儀；所述三維掃描儀包括第一立 體視覺系統、第二立體視覺系統和投影儀，第一立體視覺系統和第二立體視覺系統并排固 定于機器手橫桿，且兩個立體視覺系統中均設有兩個工業相機，投影儀設置于第一立體視 覺系統和第二立體視覺系統中間且固定于橫桿；所述服務器分別與激光測距儀和三維掃描 儀進行通信傳輸。2. 根據權利要求1所述的大型物體三維形狀測量系統，其特征在于：所述服務器與激 光測距儀之間通過RS232串口連接，服務器與四個工業相機之間通過千兆網進行通信傳 輸，服務器與投影儀之間通過USB線進行數據傳輸。3. 根據權利要求1所述的大型物體三維形狀測量系統，其特征在于：所述三維掃描儀 的工作距離為2~3米，測量范圍約2.lmXl. 3m;其中，相機的像素至少為500萬像素，第 一視覺系統和第二視覺系統的分辨率均為1000X750,測量精度為0. 2 - 0. 3mm/m;所述激 光測距儀的測量精度為lmm/10m。4. 一種根據權利要求1~3任意一項所述的大型物體三維形狀測量系統的測量方法， 其特征在于：包括以下步驟： (1) 在第一立體視覺系統和第二立體視覺系統之間放置一個標定板，服務器標定各個 立體視覺系統； (2) 步驟（1)完成后，再將上述標定板放置于滑動導軌一側，服務器對激光測距儀進行 標定； (3) 投影儀向被測物體投射結構光，四臺工業相機獲取被測物體的局部結構光投影圖 像，并通過千兆網傳輸到服務器；激光測距儀測量其自身與激光標靶之間的距離，并通過 RS232接口傳輸給服務器； (4) 服務器采用結構光方法根據兩套立體視覺系統拍攝的被測物體的結構光投影圖像 信息，分別得到其相應的兩部分局部三維數據；然后根據步驟（1)中兩套立體視覺系統所 標定的坐標變換參數，獲得本次測量的被測物體的局部三維測量數據； (5) 根據激光測距儀與激光標靶之間的距離變化，計算三維掃描儀的姿態，即計算該三 維掃描儀在測量過程中的空間位置；然后根據步驟（2)中對激光測距儀的標定，拼接局部 三維數據； (6) 推動機器手在滑動導軌上沿直線向前移動到下一個相鄰被測區域，重復上述步驟 (3)和步驟（4)來測量被測物體的下一個局部數據。 (7) 重復步驟（4)~（6)，直到整個物體測量結束，得到物體完整的三維測量數據。5. 根據權利要求4所述的大型物體三維形狀測量系統的測量方法，其特征在于：所 述步驟（1)中第一立體視覺系統和第二立體視覺系統之間具有公共視野區，每一套立體 視覺系統均能看到標定板的一半，假定標定板有mXn個方格，每個方格邊長都是dg毫米， 首先定位兩套立體視覺系統中標定板的mXn個格子的所有角點，根據可見部分估計 不可見部分，具體過程為： (11) 假設巧和G〗2是第一立體視覺系統中兩個工業相機分別定位的格 子，gU,Z〖f表示對應的三維角點； (12) 采用Harris角點檢測算法，檢測標定板圖像中可見的句）和G〗2，并采用三角測 量方法計算相應的尸】的三維角點； (13) 假設某直線上有7個可見角點巧，1e{1，2，...，7}已經被定位，根據#，用最 小二乘法擬合一條線L，L可用公式（1)表示：其中：(m,n,v)T是L的法向量，t表示L的參數； (14) 估算L上P/7鄰近的不可見角點用公式⑵表示砥和/^之間的距離：公式（2)可也用公式（3)描述：根據L的參數函數，可以用公式（4)描述根據公式（3)和（4)，公式（3)可以重寫成公式（5):根據公式（5)可獲得t的兩個值，如公式（6)、（7)所示：根據公式（4)、t:和t2,最后得到與相鄰的兩個點 (15) 重復上述步驟，可獲得該直線上所有不可見角點、相應的4以及第二立體視覺系 統中所有角點集合其中，4和兩個點集在同一平面，最后標定兩套立體視覺系統。6.根據權利要求4所述的大型物體三維形狀測量系統的測量方法，其特征在于：所述 步驟（2)中，對激光測距儀進行標定，即獲得測量時三維掃描儀的移動方向及歸一化的平 移向量，具體步驟如下： (21) 把標定板放在第一立體視覺系統能看到的地方，并將離支撐柱最近的工業相機作 為第1個相機，把第1個工業相機的光學中心作為三維掃描儀的坐標系原點； (22) 假設在h時刻，第一立體視覺系統測量了標定板的一部分，利用激光測距儀記錄 當前的位置d1;第一立體視覺系統向前移動，在12時刻，測量另外一部分，同樣利用激光測 距儀記錄當前的位置d2; (23) 計算&和12時刻三維掃描儀中第一立體視覺系統的坐標轉換，假設坐標變換用 旋轉矩陣R和平移向量T表示：三維掃描儀跟著機器手沿直線滑動導軌向前移動，沒有旋轉，因此，相鄰兩次測量的三 維掃描儀移動方向R是相同的；h時刻與12時刻三維掃描儀的移動距離為d=cU-di，判斷 公式（10)是否成立，若不成立轉至步驟（22)重新標定；7.根據權利要求4所述的大型物體三維形狀測量系統的測量方法，其特征在于：所述 步驟（5)的具體過程如下： (51) 三維掃描儀沿直線移動測量不同的局部區域，在絕對移動距離和平移向量之間存 在一個比例關系，根據公式（11)獲得當前局部測量的平移向量1\，其中d12是利用激光測距 儀測量的三維掃描儀平移距離：(52) 根據兩次測量的移動方向R和移動向量，拼接&和12兩次局部測量結果。
【專利摘要】本發明公開一種大型物體三維形狀測量系統及其測量方法，對三維掃描儀中兩套立體視覺系統進行標定，利用三維掃描儀獲取大型物體單次測量的局部數據；使用兩套立體視覺系統，可以擴大單次測量范圍；移動三維掃描儀測量大型物體的不同部分，對于多次測量得到的局部數據，服務器根據激光測距儀測得的距離變化，進行三維數據拼接。本發明提出的系統和測量方法，可以靈活實現對大型物體的精確測量。
【IPC分類】G01B11/25
【公開號】CN104990515
【申請號】CN201510297062
【發明人】史金龍, 白素琴, 錢強, 龐林斌, 王直, 劉鎮, 張洪濤, 王敏
【申請人】江蘇科技大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月2日