CN1609548A - 用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量机床的激光扫描头行程自动制定***，当定位参考点，支架，面条纹投射器以及CCD摄像头安装完毕后，首先进行***的初始化工作，完成***初始化以后，对工件进行正式的测量；可方便的完成需要反复测量的工件的测量工作，其工作速度快，减少了操作者的工作强度并提高了工作效率。

Description

用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定***

技术领域：

本发明涉及一种用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定***，特别是涉及一种用于激光扫描式三坐标测量机床可以自动获得被测工件摆放位置的二维信息以及工件形状的简单三维信息，根据上述信息自动制定激光扫描头的扫描行程，并转换为数控***可识别的即代码控制激光扫描头的运动，属于图像处理技术领域。

背景技术：

在应用激光扫描头技术实现的大型三维工件测量机床设备中，必须制定激光扫描头的行程使之完全扫描被测工件的表面以获得被测工件完整的形状信息。由于激光扫描头的行进速度比较缓慢，因此在指定激光扫描头扫描行程时要根据被测工件的摆放位置以及被测工件的形状制定激光扫描头的最佳行程，尽量缩短单次扫描的时间。在对某些需要反复测量的工件时，操作人员必须反复进行工件定位以及激光扫描头的行程编程工作，这增加了操作者的工作量，不利于提高测量工作的效率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定***，可自动制定激光扫描头行程和自动获得被测工件的摆放位置以及工件形状的简单三维信息，并通过这些信息代替人工自动制定激光扫描头的最佳行程，既而转换为数控***可识别的即代码控制激光扫描头的运动。采用此***可以减少操作者的工作强度，提高激光扫描式测量机床的工作效率。由于本***在设计中结合了CCD成像技术与图像处理技术，因此该***工作速度快，可在短时间内完成激光扫描头扫描行程的制定工作。

本发明技术方案是这样实现的：用于测量机床的激光扫描头行程自动制定***，由定位参考点，***初始化样本、支架，面条纹投射器，CCD摄像头，图像采集卡，工业用PC以及后期处理程序组成。其工作流程如下：

一、当定位参考点，支架，面条纹投射器以及CCD摄像头安装完毕后，首先进行本***的初始化工作，初始化工作包括以下各步骤：

1、准确测量定位参考点在工作台面坐标系o_px_py_pz_p下的固定位置坐标(x_r，y_r)；

2、将***初始化样本摆放在工作台面上，并准确测量其在工作台面坐标系o_px_py_pz_p下的摆放位置坐标(x_s，y_s)；

3、打开面条纹投射器，将面条纹投射到***初始化样本上；

4、启动CCD摄像头获得***初始化样本的面条纹投射影像；

5、通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机；

7、将(x_r，y_r)，(x_s，y_s)，CCD摄像头光轴与工作台面成角α_c，面条纹投射器光轴与工作台面成角α_p输入计算机；

8、启动***初始化程序，并根据上述输入量计算传感器结构参数矩阵A_s，***偏差补偿矩阵A_b，坐标变换矩阵A_t。***初始化程序主要流程如下：

(1)根据CCD摄像头光轴与工作台面成角α_c，面条纹投射器光轴与工作台面成角α_p计算传感器结构参数矩阵A_s；

(2)对CCD图像进行处理，得到光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)；

(3)将传感器结构参数矩阵A_s和光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)代入面条纹结构光测量公式，得到光条纹上各点在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的三维坐标(x_s，y_s，z_s)；

(4)根据光条纹上各点的三维坐标对***初始化样本的表面进行拟合，得到拟合曲面S′_s(u，v)；

(5)比较事先存入计算机的***初始化样本的表面拟合曲面S_s(u，v)与S′_s(u，v)，推算***偏差补偿矩阵A_b；

(6)根据参考定位点(x_r，y_r)以及α_c计算由CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c到工作台面坐标系o_px_py_pz_p的坐标变换矩阵A′_t，并根据***初始化样本的实际摆放位置(x_s，y_s)对A′_t进行修正，得到修正后的坐标变换矩阵A_t；

(7)将A_b，A_s，A_t存入计算机；传感器结构参数矩阵A_s，***偏差补偿矩阵A_b，坐标变换矩阵A_t一旦确定以后，如本***各部件相对位置不发生改变，则A_b，A_s，A_t不发生变化。

二、完成***初始化以后，可以使用本***对工件进行正式的测量。本***正式的测量工作包括以下各步骤：

1、将被测工件摆放在工作台面上，打开面条纹投射器，将面条纹投射到被测工件上；

2、启动CCD摄像头获得被测工件的面条纹投射影像；

3、通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机；

4、启动激光扫描头扫描行程制定程序，自动制定激光扫描头的最佳扫描行程，并控制激光扫描头进行运动。激光扫描头扫描行程制定程序主要流程如下：

(1)对CCD图像进行处理，得到光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)；

(2)将传感器结构参数矩阵A_s和光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)代入面条纹结构光测量公式，得到光条纹上各点在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的三维坐标(x_s，y_s，z_s)；

(3)根据光条纹上各点的三维坐标对***初始化样本的表面进行拟合，得到拟合曲面S_t ^s′(u，v)；

(4)应用***偏差补偿矩阵A_b对拟合曲面S_t ^s′(u，v)进行偏差补偿，得到S_t ^s(u，v)；

(5)应用坐标变换矩阵A_t将S_t ^s(u，v)由CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c转换到工作台面坐标系o_px_py_pz_p，得S_t ^p(u，v)；

(6)求o_px_py_pz_p坐标系下拟合曲面S_t ^p(u，v)对工作台面的投影，得投影曲线C_t(u)，并C_t(u)进行插补运算，确定激光扫描头的最佳水平面二维扫描行程；

(7)根据激光扫描头的二维行程对拟合曲面S_t ^p(u，v)进行竖直截面处理，得到激光扫描头行程中的竖直高度值；

(8)将激光扫描头的行程转换为数控制***可识别的既代码，并与测量机床的数控***进行通讯，将即代码送数控***；

支架位于悬臂导轨的上方，与工作台面平行。CCD相机及面条纹投射器分别固定在支架上，其中CCD相机的视野范围及面条纹投射器的有效投射范围可覆盖工作台面的有效工件摆放区域。定位参考点固定在工作台面上。

面条纹投射器在空间投射出多个光平面，这多个光平面和被测物体表面相截得到多条平面曲线，曲线上的点即为被测对象。各个光平面分别与像平面形成透视对应关系。其几何成像关系如图2所示。

取第k个光平面为讨论对象，在第k个光平面上以一点o_L ^(k)为原点建立平面坐标系o_L ^(k)x_L ^(k)y_L ^(k)，符号(k)代表第k个光平面。该光平面与像平面的透视对应关系为：

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{{\mathrm{fr}}_1}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{fr}}_2}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{ft}}_x}^{\left(k\right)}\\ {{\mathrm{fr}}_4}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{fr}}_5}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{ft}}_y}^{\left(k\right)}\\ {{\mathrm{fr}}_7}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{fr}}_8}^{\left(k\right)}& {{\mathrm{ft}}_z}^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

式中：

(r₁ ^(k)r₄ ^(k)r₇ ^(k))和(r₂ ^(k)r₅ ^(k)r₈ ^(k))——分别为x_L ^(k)轴和y_L ^(k)轴在CCD

                                                   摄像头坐标系

                                                   o_cx_cy_cz_c下的单位方

                                                   向矢量。

(t_x ^(k)t_y ^(k)t_z ^(k))——平移矢量，即o_L ^(k)点在CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c坐标系下的坐标值。

由此可定义第k个光平面在CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c坐标系下的平面方程为：

                 a_kx_c+b_ky_c+c_kz_c＝d_k

式中a_k，b_k，c_k和d_k由下面表达式确定：

           (a_kb_kc_k)＝(r₁ ^(k)r₄ ^(k)r₇ ^(k))×(r₂ ^(k)r₅ ^(k)r₈ ^(k))

              d＝(a_kb_kc_k)·(t_x ^(k)t_y ^(k)t_z ^(k))^T

即

               a_k＝r₄ ^(k)r₈ ^(k)-r₅ ^(k)r₇ ^(k)

               b_k＝r₂ ^(k)r₇ ^(k)-r₁ ^(k)r₈ ^(k)

               c_k＝r₁ ^(k)r₅ ^(k)-r₂ ^(k)r₄ ^(k)

              d_k＝a_kt_x ^(k)+b_kt_y ^(k)+c_kt_z ^(k)

当考虑到CCD摄像头的镜头畸变时，CCD摄像头的透视变换公式可表示为：

               X_d＝s_xd_x(u-u₀)

               Y_d＝d_y(v-v₀)

$f=\frac{r_1{x}_w+r_2{y}_w+r_3{z}_w+t_x}{r_{7}x+r_8{y}_w+r_9{z}_w+t_z}=X_d(1+k_1{r}^2)$

$f\frac{r_4{x}_w+r_5{y}_w+r_6{z}_w+t_x}{r_{7}x+r_8{y}_w+r_9{z}_w+t_z}=Y_d(1+k_1{r}^2)$

其中(u，v)空间一点在帧存体坐标系下的坐标；(u₀，v₀)为帧存体坐标系下的坐标原点坐标；d_x为CCD摄像头像平面中相邻光敏单元的水平方向中心距离；d_y为CCD摄像头像平面中相邻光敏单元的垂直方向中心距离；需要确定的参数是R，T，f，k₁和s_x，这些参数分为两类：一类是外部参数R和T，它确定物空间三维坐标系与CCD摄像头三维坐标系之间的关系。二是内部参数f，k₁和s_x，它确定物点在CCD摄像头三维坐标系中的三维坐标与计算机图像二维坐标系之间的关系。这些参数需经过CCD摄像头的标定来确定。

设测量坐标系o_sx_sy_sz_s与CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c一致，将第k光平面在o_cx_cy_cz_c坐标系下的平面方程和CCD摄像头透视变换公式相结合，可得出面条纹结构光测量公式：

$x_s=\frac{d_k{X}_u}{a_k{X}_u+b_k{Y}_u+{\mathrm{fc}}_k}$

$y_s=\frac{d_k{Y}_u}{a_k{X}_u+b_k{Y}_u+{\mathrm{fc}}_k}$

$z_s=\frac{{\mathrm{fd}}_k}{a_k{X}_u+b_k{Y}_u+{\mathrm{fc}}_k}$

                     X_u＝X_d(1+k₁r²)

                     Y_u＝Y_d(1+k₁r²)

                     X_d＝s_xd_x(u-u₀)

                     Y_d＝d_y(v-v₀)

式中a_k，b_k，c_k，d_k为传感器的结构参数，k＝1，2，3，Λ，n.

从上述讨论可知，只要事先已知各光平面与像平面之间的透视对应关系，即可确定各光平面的参数(a_k，b_k，c_k，d_k)，从而可由面条纹结构光测量公式求得各光平面上各点在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的三维坐标(x_s，y_s，z_s)。进而拟合出被测工件的表面。

完成被测工件表面的拟合以后，通过测量定位参考点以及CCD摄像头光轴与工作台面成角α_c完成拟合曲面从测量坐标系o_sx_sy_sz_s到工作台面坐标系o_px_py_pz_p的坐标变换。并根据o_px_py_pz_p坐标系下的拟合曲面制定激光扫描头的扫描行程。

本发明的积极效果在于：可自动制定激光扫描式三维测量机床在测量过程中激光扫描头的扫描行程，无须每次测量之前由操作者根据工件的摆放位置及外形特征人工制定激光扫描头的扫描行程。可方便的完成需要反复测量的工件的测量工作，其工作速度快，减少了操作者的工作强度并提高了工作效率。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的实施例中的工件摆放位置座标图；

图3是本发明的激光扫描头扫描过程中需要覆盖的区域座标图；

图4是本发明的制定的扫描行程座标图

图5是本发明的初始化程序流程图；

图6是本发明的激光扫描头行程制定程序流程图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1：

一、选定参考点后，将支架，面条纹投射器以及CCD摄像头安装完毕，首先进行***的初始化工作，其包括以下步骤：

将定位参考点固定在工作台面坐标系o_px_py_pz_p的原点，即工作台面的中心，其在工作台面坐标系o_px_py_pz_p的坐标为(0，0)；

将***初始化样本摆放在工作台面上，并测量其在工作台面坐标系o_px_py_pz_p下的摆放位置，***初始化样本的中心坐标为(0，0)；

打开面条纹投射器，将面条纹投射到***初始化样本上，启动CCD摄像头获得***初始化样本的面条纹投射影像，通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机。

将定位参考点坐标(0，0)，***初始化样本摆放位置的中心坐标(0，0)，CCD摄象头光轴与工作台面成角α_c＝45°，面条纹投射器光轴与工作台面成角α_p＝45°输入计算机。

启动***初始化程序，在支架高度为h＝2m，CCD摄象头与面条纹投射器之间水平距离为l＝1.3m，CCD摄象头有效焦距为f＝7.8mm，CCD光敏单元水平间距为d_x＝15.33×10^-3mm，CCD光敏单元垂直间距为d_x＝15.33×10^-3mm，CCD光敏单元水平间距比例因子为s_x＝1.215，CCD摄象头有效成像范围为±45°，面条纹投射器有效投射范围为±30°，光平面投射数为150的情况下，传感器结构参数矩阵A_s为：

其中k＝1，2，3......150；

坐标变换矩阵A_t为：

$A_t=\left[\begin{array}{ccc}0.707& 0& -0.955\\ 0.707& 1& 0\\ 0& 0& 1.874\end{array}\right]$

***偏差补偿矩阵A_b为：

$\left[x^{\′}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}1& x& y& x^2& \mathrm{xy}& y^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}0.067\\ 1.037\\ 0.016\\ -0.013\\ -0.007\\ 0.021\end{array}\right]$

$\left[y^{\′}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}1& x& y& x^2& \mathrm{xy}& y^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}0.049\\ 0.978\\ 0.021\\ 0.015\\ 0.009\\ -0.017\end{array}\right]$

二、完成***初始化以后，对工件进行正式的测量；步骤如下：

(1)、将形状如图2所示的被测700mm×350mm×120mm的工件摆放在工作台面上，打开面条纹投射器，将面条纹投射到被测工件上，启动CCD摄像头获得被测工件的面条纹投射影像；

(2)、通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机；如图3所示：启动激光扫描头扫描行程制定程序，根据在初始化过程中得到的传感器结构参数矩阵A_s拟合出得到被测工件的曲面，并应用***偏差补偿矩阵A_b对拟合曲面进行偏差补偿，再应用坐标变换矩阵A_t将拟合曲由CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c转换到工作台面坐标系o_px_py_pz_p。求出被测工件在o_px_py_pz_p坐标系下对工作台面的投影，即激光扫描头扫描过程中需要覆盖的区域，

(3)根据被测工件对工作台面的投影进行插补运算，确定激光扫描头的最佳水平面二维扫描行程，并根据指定的扫描行程对被测工件的拟合曲面进行竖直截面处理，得到激光扫描头在行程中的竖直高度值。在采用单次扫描线宽为300mm的激光扫描头的情况下，所制定的扫描行程如图5所示

(4)、根据数控***的要求转换成既代码送数控***完成对被测工件的扫描。

Claims (3)

1、一种用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定***，由定位参考点，***初始化样本、支架，面条纹投射器，CCD摄像头，图像采集卡，工业用PC以及后期处理程序组成；其特征在于：工作流程如下：

一、当定位参考点，支架，面条纹投射器以及CCD摄像头安装完毕后，首先进行***的初始化工作，初始化包括以下步骤：

(1)、准确测量定位参考点在工作台面坐标系o_px_py_pz_p下的固定位置坐标(x_r，y_r)；

(2)、将***初始化样本摆放在工作台面上，并准确测量其在工作台面坐标系o_px_py_pz_p下的摆放位置坐标(x_s，y_s)；

(3)、打开面条纹投射器，将面条纹投射到***初始化样本上；

(4)、启动CCD摄像头获得***初始化样本的面条纹投射影像；

(5)、通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机；

(6)、将(x_r，y_r)，(x_s，y_s)，CCD摄像头光轴与工作台面成角α_c，面条纹投射器光轴与工作台面成角α_p输入计算机；

(7)、启动***初始化程序，并根据上述输入量计算传感器结构参数矩阵A_s，***偏差补偿矩阵A_b，坐标变换矩阵A_t。

二、完成***初始化以后，对工件进行正式的测量；步骤如下：

(1)、将被测工件摆放在工作台面上，打开面条纹投射器，将面条纹投射到被测工件上；

(2)、启动CCD摄像头获得被测工件的面条纹投射影像；

(3)、通过图像采集卡将CCD摄像头获得的图像读入计算机；

(4)、启动激光扫描头扫描行程制定程序，自动制定激光扫描头的最佳扫描行程，并控制激光扫描头进行运动。

2、根据权利要求1所述的一种用于测量机床的激光扫描头行程自动制定***，其特征在于所述的***初始化程序主要流程如下：

(1)根据CCD摄像头光轴与工作台面成角α_c，面条纹投射器光轴与工作台面成角α_p计算传感器结构参数矩阵A_s；

(2)对CCD图像进行处理，得到光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)；

(3)将传感器结构参数矩阵A_s和光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)代入面条纹结构光测量公式，得到光条纹上各点在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的三维坐标(x_s，y_s，z_s)；

(4)根据光条纹上各点的三维坐标对***初始化样本的表面进行拟合，得到拟合曲面S_s′(u，v)；

(5)比较事先存入计算机的***初始化样本的表面拟合曲面S_s(u，v)与S_s′(u，v)，推算***偏差补偿矩阵A_b；

(6)根据参考定位点(x_r，y_r)以及α_c计算由CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c到工作台面坐标系o_px_py_pz_p的坐标变换矩阵A_t′，并根据***初始化样本的实际摆放位置(x_s，y_s)对A_t′进行修正，得到修正后的坐标变换矩阵A_t；

(7)将A_b，A_s，A_t存入计算机；传感器结构参数矩阵A_s，***偏差补偿矩阵A_b，坐标变换矩阵A_t一旦确定以后，如本***各部件相对位置不发生改变，则A_b，A_s，A_t不发生变化。

3、根据权利要求1所述的一种用于测量机床的激光扫描头行程自动制定***，其特征在于所述的激光扫描头扫描行程制定程序主要流程如下：

(1)对CCD图像进行处理，得到光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)；

(2)将传感器结构参数矩阵A_s和光条纹上各点的帧存体坐标(x_d，y_d)代入面条纹结构光测量公式，得到光条纹上各点在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的三维坐标(x_s，y_s，z_s)；

(3)根据光条纹上各点的三维坐标对***初始化样本的表面进行拟合，得到拟合曲面S_t ^s′(u，v)；

(4)应用***偏差补偿矩阵A_b对拟合曲面S_t ^s′(u，v)进行偏差补偿，得到S_t ^s(u，v)；

(5)应用坐标变换矩阵A_t将S_t ^s(u，v)由CCD摄像头坐标系o_cx_cy_cz_c转换到工作台面坐标系o_px_py_pz_p，得S_t ^p(u，v)；

(6)求o_px_py_pz_p坐标系下拟合曲面S_t ^p(u，v)对工作台面的投影，得投影曲线C_t(u)，并C_t(u)进行插补运算，确定激光扫描头的最佳水平面二维扫描行程；

(7)对拟合曲面S_t ^p(u，v)进行竖直截面处理，得到激光扫描头行程中的竖直高度值；

(8)将激光扫描头的行程转换为数控制***可识别的既代码，并与测量机床的数控***进行通讯，将即代码送数控***；

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