一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统.pdf

本发明公开了一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统，包括室内无线定位子系统和手持式测量子系统；前者包括两个CCD摄像机和线激光投射器；后者包括计算机、至少四个信号发射器、至少三个接收器；两个CCD摄像机与线激光投射器封装在手持支架内；各信号发射器均匀分布在室内的天花板上，各接收器均匀安装在手持支架上，计算机接收的各接收器的全局坐标计算得到手持支架的全局坐标；再对两个摄像机拍摄的两幅激光条纹图像进行处理，得到工件表面的三维坐标。本发明不同于传统的定位概念，不受机械定位装置的限制，使得整个系统具有简单、灵活和测量空间大等优点。在大范围的工作测量空间内，本系统无自由度约束，能做到随地测量且轻巧便携。

1、  一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统，其特征在于：它包括室内无线定位子系统和手持式测量子系统两部分；
手持式测量子系统包括两个CCD摄像机和线激光投射器；两个CCD摄像机与线激光投射器封装在手持支架内，且各CCD摄像机的光轴与线激光投射器发射出的激光平面夹角均在10至30度之间；线激光投射器向被测工件投射一条线激光，两个CCD摄像机同步拍摄被测工件表面的激光条纹，并将拍摄的数据提供给计算机；
室内无线定位子系统包括计算机、至少四个信号发射器、至少三个接收器；各信号发射器均匀分布在室内的天花板上，各接收器均匀安装在手持支架上，用于接收各信号发射器发射的射频信号和超声波信号，并通过无线数据采集卡与所述计算机连接，计算机接收的各接收器的全局坐标计算得到手持支架的全局坐标；
计算机根据手持支架的全局坐标，对两个摄像机拍摄的两幅激光条纹图像进行处理，得到工件表面的全局三维坐标。

一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统
技术领域
本发明属于测试计量技术领域，具体涉及一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统。
背景技术
在现代制造技术向着自动化、集成化、智能化和柔性化的方向发展的今天，三维测量技术已经在航空航天、造船、汽车、大型模具等领域得到了广泛应用。它在缩短产品设计周期、消化国内外的先进技术和产品方面发挥着越来越重要的作用。在工程实际应用中，实体形位尺寸扫描的点云数据精度、扫描数据的完整程度、CAD曲面重构和曲面误差分析等环节都取决于三维测量设备。
当前主流的三维测量设备中主流测量设备主要有接触式和非接触式两大类。接触式测量方法具有精度高、噪声小、重复性好等优点。但需要人工干预，一般测量效率较低、不适用于测量较软的工件。在非接触式测量方法中，又包括光学方法和其它方法。其中光学方法包括相位测量法、结构光法、飞行时间法、数字全息法、双目视觉法等。在诸多的测量方法中，光学方法中的结构光法由于具有无接触、原理简单、测量速度快、精度高等优点已广泛应用到测量设备中。
三维激光扫描测头作为线结构光测量设备在三维测量技术发展史中扮演着重要角色。在实际的工程中，为了测量整个工件三维形貌，激光扫描头都是从各个视点进行扫描测量，测量得到的数据即为各个局部坐标系下的三维点云数据，因此必须将各个局部坐标下的点云数据统一转换到一个全局坐标系下，完成三维数据拼接形成最终的工件点云数据。
如果按照局部坐标系在全局坐标系下的定位方式来划分的话，目前市场上出现激光扫描测量设备主要有：第一代基于三坐标测量机的激光扫描系统、第二代基于柔性测量关节臂的激光扫描系统。第一代激光扫描系统是将三维激光扫描测头固定于三坐标测量机上。测量时三维激光扫描测头从工件正上方进行扫描，通过三坐标测量机将三维激光扫描测头扫描得到的局部测量数据转换到全局坐标下的点云数据。当三坐标测量机存在着对工作空间要求苛刻，难以做到加工现场的实时测量。第二代在第一代的基础上有所改进，但结构复杂。这两代测量设备均采用机械定位装置，都存在误差源多，误差补偿困难等诸多弊端。因此，开发一种具有精度高、结构简单、柔性好、效率高、便携性好等显著的优点的测量系统是当前市场的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统，该测量系统具有测量空间不受限制、测量速度快、柔性好、精度较高和便于携带等优点。
本发明提供的基于空间无线定位的手持式线激光三维测量系统，其特征在于：它包括室内无线定位子系统和手持式测量子系统两部分；
手持式测量子系统包括两个CCD摄像机和线激光投射器；两个CCD摄像机与线激光投射器封装在手持支架内，且各CCD摄像机的光轴与线激光投射器发射出的激光平面夹角均在10至30度之间；线激光投射器向被测工件投射一条线激光，两个CCD摄像机同步拍摄被测工件表面的激光条纹，并将拍摄的数据提供给计算机；
室内无线定位子系统包括计算机、至少四个信号发射器、至少三个接收器；各信号发射器均匀分布在室内的天花板上，各接收器均匀安装在手持支架上，用于接收各信号发射器发射的射频信号和超声波信号，并通过无线数据采集卡与所述计算机连接，计算机接收的各接收器的全局坐标计算得到手持支架的全局坐标；
计算机根据手持支架的全局坐标，对两个摄像机拍摄的两幅激光条纹图像进行处理，得到工件表面的三维坐标。
本发明结合了室内无线定位子系统和线激光扫描子系统各自的优势，由于采用了室内无线定位技术对线激光扫描测量子系统进行定位，相对于前两代激光扫描系统，不同于传统的定位概念，不受机械定位装置的限制，使得整个系统具有简单、灵活和测量空间大的优点。在大范围的工作测量空间内，本测量系统无自由度约束，能做到随地测量且轻巧便携。
附图说明
图1为本发明测量系统的工作原理示意图；
图2为室内无线定位子系统的工作原理示意图；
图3为手持式测量子系统的结构示意图；
图4为线激光扫描测量子系统的双目立体视觉原理示意图；
图5为本发明测量系统的数据处理流程示意图。
具体实施方式
本发明测量系统的工作原理是：将手持式线激光扫描子系统作为测量终端，通过双目立体视觉三维测量原理精确测量工件在局部扫描测量子系统坐标系下复杂曲面的点云数据；同时由基于室内无线定位子系统，在工作空间中实时跟踪线激光扫描测量子系统在全局世界坐标系下的6自由度位姿信息，计算得到线激光扫描测量子系统坐标系与全局世界坐标系的转换关系，进而将测量得到的局部线激光扫描子系统坐标下的点云数据自动转换到全局世界坐标系下，从而实现手持式移动测量。
空间无线定位手持式线激光扫描测量系统包括室内无线定位子系统和手持式测量子系统两部分，如图1所示。其具体组成元件包括至少四个信号发射器、至少三个接收器、两个CCD摄像机、一个线激光投射器、一个手持支架、一台计算机。下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。
下面以四个信号发射器和三个接收器为例，说明本发明系统的具体结构。
如图2所示，室内无线定位子系统包括计算机8，四个信号发射器11、12、13和14，三个接收器21、22和23和一个无线数据采集卡7。四个信号发射器11、12、13和14均匀分布在室内的天花板上发射射频信号和超声波信号，三个接收器21、22和23在手持支架上呈三角形分布，用于接收四个信号发射器的射频信号和超声波信号，各接收器通过无线数据采集卡7与计算机8连接。
如图3所示，手持式线激光扫描测量子系统包括两个CCD摄像机41和42和线激光投射器5。CCD摄像机41、42与线激光投射器5固定在手持支架3上，两个CCD摄像机的光轴与激光发射器发射出的激光平面夹角在10至30度之间，并且封装在手持支架3内，这样手持式线激光扫描设备便可自由的在测量空间中进行移动测量。
该子系统中三个接收器21、22和23固定在手持支架3顶部(可最大限度的保证三个接收器能方便的接收到由信号发射器发出的信号)，并且三个接收器的位置不能在同一直线上。
测量时，首先标定手持式线激光扫描测量子系统的CCD摄像机和室内无线定位子系统中各信号发射器在全局世界坐标系下的坐标。测量时，线激光投射器5向被测工件投射一条线激光，两个CCD摄像机41和42同步拍摄，拍摄完成后将数据提供给计算机。计算机对两个摄像机拍摄的两幅激光条纹图像进行处理，得到工件表面的三维坐标。如图1所示，计算机具体处理过程如下：
一、手持式线激光扫描子系统的工作原理
1.激光条纹的预处理
CCD拍摄激光条纹图像的预处理采用最优阈值分割法：根据迭代求图像最佳分割阈值的方法求出最佳阈值T，然后根据(1)式对图像进行二值化：
g ( x , y ) = 255 f ( x , y ) &GreaterEqual; T 0 f ( x , y ) < T - - - ( 1 ) ]]>
2.激光条纹中心的提取
激光条纹中心的提取采用重心法，其定位精度是亚像素级的。二值化图像的每一行中，灰度值不为0的像素即为激光条纹上的点，将它们代入重心法公式(2)求取该行的激光条纹中心：
x &OverBar; i = Σ i = m n i ( f i - T ) Σ i = m n ( f i - T ) - - - ( 2 ) ]]>
其中，f_i为该行第i列像素的灰度值；
3.激光条纹图像匹配
利用极线约束原理可以快速地找到空间点在左右两幅图像中的同名像点。即对于空间工件表面任意一点P，它在左图像I₁上的像点P₁可以在右图像I₂的极线l₂上找到对应的像点P₂，如图4所示。
这样根据像点P₁和P₂的图像坐标，利用双目立体视觉三维测量原理计算出空间点P在线激光扫描测量子系统坐标系下的坐标。假设将所测工件表面上一点P在线激光扫描测量子系统坐标系下的空间三维坐标记为x_p＝(X_s，Y_s，Z_s)，在图像坐标系下的理想坐标记为u＝(X_u，Y_u)，两者可以用如下关系表示：
Z_c×u＝M×x_p                        (3)
式中，投影矩阵M为3×4摄像机投影矩阵。
这样，在线激光扫描测量子系统中，根据左右两个摄像机，就可以得到所测工件表面的任意一点P在左右两幅图像平面上的投影位置的转换关系如下：
Z_c1u₁＝M₁x_p                   (4)
Z_c2u₂＝M₂x_p                   (5)
式中，x_p为点P在世界坐标系下的齐次坐标，u₁、u₂分别为空间点P在左右摄像机中同名像点的图像齐次坐标，M₁、M₂分别为左右摄像机的投影矩阵。通过方程(4)、(5)便可以通过左右两幅图片上同名像点的图像坐标求得被测点在线激光扫描测量子系统坐标下的空间三维坐标。
二、无线空间定位子系统的工作原理
室内无线定位子系统的核心算法是多边测距定位算法，测距方法为到达时间差法(Time Difference Of Arrival)。其测量的实施步骤如下：
(1)在室内的三维空间中，先将布置4个信号发射器的无线接收器在室内的天花板上并对各个信号发射器无线接收器作好标定工作。标定工作主要任务是确定各信号发射器在全局世界坐标系下的坐标。
(2)信号发射器到接收器节点之间的距离是通过以射频信号和超声波信号的到达时间差来计算的。计算的公式为：
d = ( t US - t RF ) v RF v US v RF - v US - - - ( 6 ) ]]>
其中t_US、t_RF分别为超声波、射频信号从信号发射器到接收器节点的时间；v_US、v_RF分别为超声波和射频信号的传播速度。由于射频信号的传播速度v_RF≈3×10⁸m/s，考虑到室内的空间较小，所以在实际的工程应用中可以将t_RF≈0作为初始条件，且v_US≈344m/s，即v_RF>>v_US。因此，
lim t RF &RightArrow; ∞ v RF v US v RF - v US = lim t RF &RightArrow; ∞ v US 1 - v US v RF = v US - - - ( 7 ) ]]>
(3)在某一测量时刻，某一接收器接收到4个已知信号发射器的坐标信息P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂)、P₃(x₃，y₃，z₃)、P₄(x₄，y₄，z₄)，而接收器的坐标为未知，假定为P(x，y，z)，且该接收器到信号发射器P₁、P₂、P₃、P₄的距离分别为d₁、d₂、d₃、d₄。则根据公式(9)计算出该接收器的空间坐标位置P(x，y，z)。
( x - x i ) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 = d i - - - ( 9 ) ]]>
其中，i＝1、2、3、4。
为了提高精度，可以采用多于四个信号发射器带入式(9)解出一组P(x，y，z)，然后利用最小二乘法计算接收器坐标P(x，y，z)的最优解。
通过室内无线定位子系统对线激光扫描测量子系统上的三个接收器进行精确定位后，即可在全局坐标系下对线激光扫描测量子系统进行定位进而推导出线激光扫描测量子系统坐标系和全局坐标系的转换关系，最终可以将线激光扫描测量子系统局部坐标系下的测量点云数据转换到全局坐标下，最终得到被测工件表面形貌的三维点云数据。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。