基于线结构光的大视场两轴测量装置

摘要

本发明涉及一种基于线结构光的大视场两轴测量装置。其特征是被测物体数控回转台和设置有线结构光测头的测头数控回转台被固定在作为参考平面的基座平板上，且两个数控回转台的转轴都近似垂直于基座平板，即两转轴相对于基座平板的倾斜角在88°～92°范围内，两转轴之间的距离在390mm～410mm范围内。其利用两个数控回转台的转动，使线结构光测头的结构光平面扫过被测物体一周来测量复杂物体的全貌，而得到整个被测物体在世界坐标系中的三维数据。本发明视场大、精度高、结构简单、成本低，克服了现有的三轴测量机构无法测量到物体的侧面和背面，以及四轴测量机构视场小、结构复杂、成本高的缺点。

主权项

1.一种基于线结构光的大视场两轴测量装置进行测量的方法，其特征在于该测量装置的被测物体数控回转台(3)和设置有带摄像机的线结构光测头(2)的测头数控回转台(1)固定在作为参考平面的基座平板(5)上，两个数控回转台(1、3)的转轴相对基座平板(5)的倾斜角在88°～92°范围内，两转轴之间的距离在390mm～410mm范围内；利用上述测量装置进行测量的方法：首先将已有的线结构光测头模型公式(I)代入到变换公式(II)中建立所述测量装置从二维摄像机像面坐标系O′uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀变换的数学模型，以得到被测物体的三维世界坐标的计算公式；再利用标准球(7)作为标定器具，通过测量标准球(7)确定球心所对应的“共轭对”，再将此“共轭对”代入到变换公式(II)中并利用最小二乘法求出其中的未知参数l_x0、n_x0、l_z0、n_z0、L、l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z、a、b、c，即实现了标定；最后控制两个数控回转台(1、3)的转动而使线结构光测头(2)发出的结构光平面(6)扫过其摄像机视场内的被测物体(4)的一周，期间结构光平面(6)与被测物体(4)相交得到一条条的光条，将每条光条已知的摄像机像面坐标(u，v)和对应的两转台(3、1)的转角(φ，θ)代入公式(I)、(II)就求得了被测物体(4)在三维世界坐标系中的坐标，即实现了测量；其中所述的公式(I)是已有的线结构光测头模型公式，即是从摄像机像面坐标系O′uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的关系式：$\rho \left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{fN}}_x{r}_2+r_8{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{r}_3+r_9{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{t}_x+t_z{u}_0\\ {\mathrm{fN}}_y{r}_5+r_8{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{r}_6+r_9{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{t}_y+t_z{v}_0\\ r_8& r_9& t_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_L\\ z_L\\ 1\end{array}\right]---\left(I\right)$式中，u、v表示被测点在摄像机像面坐标系O′uv中的坐标，由线结构光测头(2)中摄像机拍得的图像获得；y_L、z_L表示被测点在结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L中的坐标；f、N_x、N_y、u₀、v₀、r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉、t_x、t_y、t_z为已知的线结构光测头的内参数，且f为摄像机的焦距，N_x、N_y、u₀、v₀为摄像机像面的固有参数，r₂、r₃、r₅、r₆、r₈、r₉为从摄像机像面坐标系O′uv向结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L转换的旋转量，t_x、t_y、t_z为其平移量；ρ是求解y_L、z_L过程中能够消去的中间参数；所述的变换公式(II)是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式：上述公式①是从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向测头转台坐标系Oxyz转换的关系式；θ为测头数控回转台(1)的转角，为已知量；l_y、m_y、n_y、l_z、m_z、n_z为旋转量，a、b、c为平移量，在标定后确定；上述公式②是从测头转台坐标系Oxyz向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式；φ为被测物体数控回转台(3)的转角，为已知量；l_x0、n_x0、l_z0、n_z0为旋转量，L为平移量，在标定后确定；将公式①代入②就能得到从结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式；将公式(I)代入变换公式(II)即得从摄像机像面坐标系O′uv向三维世界坐标系O₀x₀y₀z₀转换的关系式，即被测点三维世界坐标x₀、y₀、z₀的计算公式；所述的结构光光面坐标系O_Ly_Lz_L是处在结构光平面(6)内的已知二维坐标系；所述的世界坐标系O₀x₀y₀z₀是一转动坐标系；随着被测物体数控回转台(3)的转动，该坐标系绕被测物体数控回转台(3)转轴转过相应的角度，以保持放置在被测物体数控回转台(3)上的被测物体(4)上的各点统一在该坐标系下；其中z₀轴为被测物体数控回转台(3)转轴方向，原点O₀为两个转台(1、3)轴线的公垂线在被测物体数控回转台(3)转轴上的垂足，转动初始位置的y₀轴为两个转台(1、3)轴线的公垂线方向；所述的测头转台坐标系Oxyz是一转动坐标系；随着测头数控回转台(1)的转动，该坐标系绕测头数控回转台(1)转轴转过相应的角度；其中z轴为测头数控回转台(1)转轴方向，原点O为两个转台(1、3)轴线的公垂线在测头数控回转台(1)转轴上的垂足，转动初始位置的y轴为两个转台(1、3)轴线的公垂线方向。