CN110763160A - 一体化三维测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化三维测量***及测量方法，测量***包括外壳，外壳的顶面和正面敞开，外壳的底面上分别开设有投影孔和相机安装孔，相机安装孔内安装有CMOS相机；外壳的两个相对的侧面上开设有滑槽，滑槽上安装有器件安装板，器件安装板上设置有控制器；测量方法包括控制器生成一副亮度随时间呈正弦变化的相移结构光图案，并得到光图案对应的亮度时间表，将亮度时间表传输给半导体激光器。本发明能够解决现有技术中三维测量装置难以适用于空间受限环境的问题，环境适应性强、可靠性强、测量准确。

Description

一体化三维测量***及测量方法

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，具体涉及一种一体化三维测量***及测量方法。

背景技术

近年来，表面轮廓测量在各种工业应用中变得越来越重要。在工业设计/检测，人体测量和生物医学应用等领域，三维轮廓测量已成为流行的工具之一。特别是在航空航天领域的设计和检查过程中，要求紧凑，便携或手持式和轻量级的高精度三维测量***，这为三维测量提出了更高要求。

基于主动结构光的三维测量***硬件组成主要包括结构光条纹投影设备、以及图像采集设备。通常采用的技术方案是：先利用投影设备从一个角度投影结构光到被测物体表面，然后利用图像采集设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像，再从获取的变形条纹图中数字解调出被测物体的三维坐标信息。

由于双目结构光三维测量原理简单，传统的三维测量仪普遍采用双目照相机作为变形条纹图像采集设备，这大大增大了三维测量仪的尺寸。采用投影仪作为结构光投影设备，尺寸较大，同时功能过剩，并且投影仪的焦距一定，只能在某一特定距离所投影的结构光质量较高。在某些空间受限的条件下，传统的主动结构光三维测量设备无法胜任测量任务。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中三维测量装置难以适用于空间受限环境的问题的一体化三维测量***。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种一体化三维测量***，其包括外壳，外壳的顶面和正面敞开，外壳的底面上分别开设有投影孔和相机安装孔，相机安装孔内安装有CMOS相机；外壳的两个相对的侧面上开设有滑槽，滑槽上安装有器件安装板，器件安装板上设置有控制器，所述控制器包括相互连接的FPGA芯片和ARM芯片，控制器通过激光器驱动电路与半导体激光器连接，半导体激光器正对方向上依次设置有鲍威尔棱镜和MEMS微振镜，控制器通过振镜驱动电路与MEMS微振镜电连接，控制器通过相机驱动电路与CMOS相机电连接。

上述技术方案中，优选的，投影孔与相机安装孔间呈45o角倾斜设置。

上述技术方案中，优选的，控制器包括数据存储器。

上述技术方案中，优选的，器件安装板上开设有小孔，所述相机驱动电路的一端的导线穿过小孔与CMOS相机电连接。

上述技术方案中，优选的，外壳的顶面可拆卸地安装有上盖板，外壳的正面设置有侧盖板。

上述技术方案中，优选的，外壳上开设有电源通过孔，所述控制器一侧设置有电源接口。

上述技术方案中，优选的，外壳上开设有控制按钮安装口。

本方案还提供了一种基于上述一体化三维测量***的测量方法，其包括如下步骤：

S1、控制器生成一副亮度随时间呈正弦变化的相移结构光图案，并得到光图案对应的亮度时间表，将亮度时间表传输给半导体激光器；

S2、半导体激光器根据亮度时间表发射激光；

S3、激光通过鲍威尔棱镜折射为线激光，并将线激光垂直射入MEMS微振镜；

S4、控制器控制MEMS微振镜谐振摆动，将线激光输出为亮度呈正弦变化的正弦条纹图，并投影到被测三维物体表面；

S5、控制器延时控制CMOS相机进行同步抓拍，捕获经三维物体表面调制反射的变形条纹图；

S6、抓拍完毕后，关闭CMOS相机；

S7、重复步骤S1至S6，直到得到至少三幅具有设定相位差的变形条纹图；

S8、根据相移法测量原理对变形条纹图进行处理，得到物体的三维数据信息。

进一步地，生成亮度时间表的方法为：

S1、ARM芯片生成一副设定亮度的相移结构光图案，并得到其对应的亮度和时间变化数据；

S2、ARM芯片将相移结构光图案及其亮度与时间对应数据发送给FPGA芯片；

S3、FPGA芯片将所接收的数据存储为亮度与时间相对应的亮度时间表。

进一步地，半导体激光器根据亮度时间表发射激光的具体方法为：

FPGA芯片根据亮度时间表实时向半导体激光器输出亮度和结构光图案信息，半导体激光器根据接收的信息发射相应亮度的激光。

本发明提供的上述一体化三维测量***的主要有益效果在于：

本发明通过将MEMS微振镜、半导体激光器等设备集中设置在器件安装板上，结构紧凑，体积小；通过半导体激光器发射点光源激光，利用鲍威尔棱镜入射成像，使光学***更加简单；通过设置MEMS微振镜，利用其高反射率的特点，提高光能利用率，同时能够实现用单一反射镜满足测量需求，从而能极大缩小芯片尺寸和测量装置的尺寸，使整体结构更加紧凑，重量变轻。从而能够有效适应空间受限的条件下的测量要求。

本发明提供的上述一体化三维测量***的测量方法的主要有益效果在于：

本方法通过控制器生成相依结构光图案，并传输给半导体激光器，产生点光源，由于控制器生成的亮度时间表为随时间高密度变化的入射光控制信息，从而能够高速稳定地进行扫描，通过MEMS微振镜谐振摆动，能够以足够宽的扫描角保证覆盖被测物体，从而有效保证在受限空间中的测量效果。

且通过MEMS产生的正弦条纹图精度高，并且相位可以按测量需要利用控制器进行实时调整。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的侧视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明提供的测量方法的流程图。

图5是激光器驱动模块电路及其保护电路原理图。

图6是激光器驱动电流源电路及其反馈调节电路图原理图。

图7是相机驱动模块电路原理图。

图8是MEMS微振镜驱动电路原理图。

其中，1、外壳，11、把手，12、滑槽，13、上盖板，14、侧盖板，15、相机安装孔，16、投影孔，2、器件安装板，21、控制器，22、电源接口，23、半导体激光器，24、激光器驱动电路，25、相机驱动电路，26、MEMS微振镜，27、振镜驱动电路，28、鲍威尔棱镜，3、CMOS相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为一体化三维测量***的结构示意图。

本发明的一体化三维测量***包括外壳1，外壳1的顶面和正面敞开，外壳的底面上分别开设有投影孔16和相机安装孔15，相机安装孔15内安装有CMOS相机；投影孔16与外壳1的侧面平行，相机安装孔15与投影孔16间呈45o角倾斜设置，从而能够方便相机安装孔15中的相机捕获投影孔16中射出到被测物上的反射光。

外壳1的两个相对的侧面上开设有滑槽12，滑槽12上安装有器件安装板2，器件安装板2上设置有控制器21，控制器21包括相互连接的FPGA芯片、ARM芯片和数据存储器，通过ARM芯片生成用于测量的相移结构光图案信息，通过FPGA芯片以进行信息的传输和控制，通过数据存储器以记录数据信息。

控制器21通过激光器驱动电路24与半导体激光器23连接，如图5和图6所示，半导体激光器23正对方向上依次设置有鲍威尔棱镜28和MEMS微振镜26，控制器21通过振镜驱动电路27与MEMS微振镜26电连接，如图8所示，控制器21通过相机驱动电路25与CMOS相机3电连接。

优选的，器件安装板2上开设有小孔，如图7所示，相机驱动电路25的一端的导线穿过小孔与CMOS相机3电连接。从而能缩小导线通过所需占用的空间，提高结构紧凑度。

如图2和图3所示，外壳1的顶面可拆卸地安装有上盖板13，外壳1的正面设置有侧盖板14。通过将上盖板13和侧盖板14单独设置，从而能够方便安装器件安装板2和CMOS相机3。

外壳1上开设有电源通过孔，控制器21一侧设置有电源接口22。通过电源接口22与外部电源线连接，对器件安装板2上各部件及CMOS相机供电。

外壳1上开设有控制按钮安装口。通过外置控制按钮，并将控制按钮与控制器21电连接，以便对测量装置进行直接控制。

本方案还提供了一种基于上述一体化三维测量***的测量方法，如图4所示，其包括如下步骤：

S1、控制器21生成一副亮度随时间呈正弦变化的相移结构光图案，并得到光图案对应的亮度时间表，将亮度时间表传输给半导体激光器23。

进一步地，生成亮度时间表的方法为：

S1-1、ARM芯片生成一副设定亮度的相移结构光图案，并得到其对应的亮度和时间变化数据.

S1-2、ARM芯片将相移结构光图案及其亮度与时间对应数据发送给FPGA芯片。

S1-3、FPGA芯片将所接收的数据以亮度与时间相对应的亮度时间表的形式存储至数据存储器中。

S2、半导体激光器23根据亮度时间表按亮度和时间关系发射激光。

FPGA芯片根据亮度时间表通过激光器驱动电路24，实时向半导体激光器23输出亮度和结构光图案信息，半导体激光器23根据接收的信息发射相应亮度的激光。

S3、激光通过鲍威尔棱镜28折射为亮度均匀的线激光，并将线激光垂直射入一维MEMS微振镜26的中心位置处。

S4、控制器21通过振镜驱动电路27控制MEMS微振镜26谐振摆动，将线激光输出为亮度呈正弦变化的正弦条纹图，并投影到被测三维物体表面.

当MEMS微振镜26谐振运动形成一副完整的正弦条纹图后，将其投影到被测三维物体表面。

S5、控制器21中的FPGA芯片延时控制CMOS相机3进行同步抓拍，捕获经三维物体表面调制反射的变形条纹图。

S6、抓拍完毕后，FPGA芯片通过相机驱动电路25关闭CMOS相机3。

S7、重复步骤S1至S6，直到得到至少三幅具有设定相位差的变形条纹图。

S8、根据相移法测量原理对变形条纹图进行处理，得到物体的三维数据信息。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种一体化三维测量***，其特征在于，包括外壳，外壳的顶面和正面敞开，外壳的底面上分别开设有投影孔和相机安装孔，相机安装孔内安装有CMOS相机；外壳的两个相对的侧面上开设有滑槽，滑槽上安装有器件安装板，器件安装板上设置有控制器，所述控制器包括相互连接的FPGA芯片和ARM芯片，控制器通过激光器驱动电路与半导体激光器连接，半导体激光器正对方向上依次设置有鲍威尔棱镜和MEMS微振镜，控制器通过振镜驱动电路与MEMS微振镜电连接，控制器通过相机驱动电路与CMOS相机电连接。

2.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述投影孔与相机安装孔间呈45°角倾斜设置。

3.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述控制器包括数据存储器。

4.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述器件安装板上开设有小孔，所述相机驱动电路的一端的导线穿过小孔与CMOS相机电连接。

5.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述外壳的顶面可拆卸地安装有上盖板，外壳的正面设置有侧盖板。

6.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述外壳上开设有电源通过孔，所述控制器一侧设置有电源接口。

7.根据权利要求1所述的一体化三维测量***，其特征在于，所述外壳上开设有控制按钮安装口。

8.一种根据权利要求1至7任一所述的一体化三维测量***的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制器生成一副亮度随时间呈正弦变化的相移结构光图案，并得到光图案对应的亮度时间表，将亮度时间表传输给半导体激光器；

S2、半导体激光器根据亮度时间表发射激光；

S3、激光通过鲍威尔棱镜折射为线激光，并将线激光垂直射入MEMS微振镜；

S4、控制器控制MEMS微振镜谐振摆动，将线激光输出为亮度呈正弦变化的正弦条纹图，并投影到被测三维物体表面；

S5、控制器延时控制CMOS相机进行同步抓拍，捕获经三维物体表面调制反射的变形条纹图；

S6、抓拍完毕后，关闭CMOS相机；

S7、重复步骤S1至S6，直到得到至少三幅具有设定相位差的变形条纹图；

S8、根据相移法测量原理对变形条纹图进行处理，得到物体的三维数据信息。

9.根据权利要求8所述的一体化三维测量***的测量方法，其特征在于，所述生成亮度时间表的方法为：

S1、ARM芯片生成一副设定亮度的相移结构光图案，并得到其对应的亮度和时间变化数据；

S2、ARM芯片将相移结构光图案及其亮度与时间对应数据发送给FPGA芯片；

S3、FPGA芯片将所接收的数据存储为亮度与时间相对应的亮度时间表。

10.根据权利要求1所述的一体化三维测量***的测量方法，其特征在于，所述半导体激光器根据亮度时间表发射激光的具体方法为：

FPGA芯片根据亮度时间表实时向半导体激光器输出亮度和结构光图案信息，半导体激光器根据接收的信息发射相应亮度的激光。

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