專利名稱：一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及編碼光三維測量領(lǐng)域，尤其涉及一種多視角點云數(shù)據(jù)的高精度、快速拼接方法。
背景技術(shù)：
典型的編碼光三維測量系統(tǒng)包括一個投影機和一個攝像機，投影機將編碼光投射在被測表面，攝像機同時拍攝被測表面的圖像。將圖像信息與投影機、攝像機之間的方位參數(shù)相結(jié)合，即可計算出被測表面的形狀數(shù)據(jù)。編碼光三維測量系統(tǒng)單次只能測量物體的部分表面，要得到物體完整的形狀數(shù)據(jù)，需要從不同角度(多視角)測量。由于在不同角度進行測量時的坐標系不同，必須將各角度測得的點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，合成為同一坐標系的數(shù)據(jù)，即點云拼接。點云拼接的關(guān) 鍵在于其精度、速度，以及對被測表面的影響。目前，用于編碼光三維測量系統(tǒng)的點云拼接方法及裝置主要可歸納為如下兩類①將編碼光三維測量系統(tǒng)與精密機械或精密光學儀器剛性連接，由精密機械或精密光學儀器確定各坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這類方法的優(yōu)點是拼接精度高(取決于精密機械或精密光學儀器的定位精度)。不足是精密機械或精密光學儀器調(diào)整速度慢，即拼接速度慢。②在被測表面上或被測表面附近的靶標上設(shè)置標志點，以標志點為媒介確定各坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這類方法的優(yōu)點是拼接速度相對較快(根據(jù)測量圖像即可完成拼接)。不足是拼接過程依靠圖像處理，其中必須用到擬合、迭代算法，因此拼接精度低。此外，被測表面上的標志點還會對被測表面產(chǎn)生影響。綜上，現(xiàn)有拼接方法及裝置未能結(jié)合拼接精度和拼接速度的各自優(yōu)勢，未能使兩者同時達到現(xiàn)有最高水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服現(xiàn)有的拼接方法及裝置未能使拼接精度和拼接速度同時達到現(xiàn)有最高水平的不足，實現(xiàn)了編碼光三維測量系統(tǒng)真正的實時拼接，電磁定位精度為O. OOx mm O. Ox mm之間的編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括測量單元架I、拼接單元架2、圓形載物臺3和基臺5，測量單元架I、拼接單元架2、圓形載物臺3均設(shè)置在基臺5上，測量單元架I上安裝有編碼光三維測量系統(tǒng)，拼接單元架2上安裝有電磁定位主機，圓形載物臺3上放置被測物，圓形載物臺3通過支撐柱4安裝在基臺5上，圓形載物臺3的上表面設(shè)置有I個安裝定位測頭的槽6,槽6的底面設(shè)置有I個通孔7,槽6中安裝有定位測頭,定位測頭與電磁定位主機通過數(shù)據(jù)電纜8電連接，數(shù)據(jù)電纜8由通孔7穿過。本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征I、所述的支撐柱4由上下兩段構(gòu)成，上段與圓形載物臺3下端面連接固定，下段固定在基臺5上，上段與下段之間通過可調(diào)整上段與下段相對角度和高度的旋鈕活動連接；
2、所述的編碼光三維測量系統(tǒng)包括ー個投影機和一個攝像機，投影機固定在測量単元架I下部，攝像機通過旋鈕活動連接在測量單元架I上部，攝像機在測量單元架I上的垂直高度(y方向)和繞垂直軸(回轉(zhuǎn)方向t)的角度可通過旋鈕調(diào)節(jié)并鎖緊，投影機、攝像機通過數(shù)據(jù)線電連接完成編碼光三維測量系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)運算的ARM9系統(tǒng)；3、所述的編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置所有部件均由非金屬型材制成。本發(fā)明中支撐柱4通過調(diào)節(jié)旋鈕可鎖緊固定圓形載物臺3的角度及高度，并可以調(diào)節(jié)圓形載物臺3升降。圓形載物臺、定位測頭、載物臺上的被測物構(gòu)成了運動坐標系；靜止坐標系與運動坐標系之間的方位關(guān)系即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系，由電磁定位主機與定位測頭共同測得。本發(fā)明中所有機構(gòu)均由非金屬型材制成。本發(fā)明的另一目的在于提供一種編碼光三維測量的電磁定位拼接方法，其具體方案為它包括編碼光三維測量系統(tǒng)和電磁定位系統(tǒng)，電磁定位系統(tǒng)由電磁定位主機與定位測頭兩部分組成，電磁定位系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)電纜8傳輸和無線通信確定電磁定位主機與定位 測頭之間的相對位置關(guān)系，編碼光三維測量系統(tǒng)、電磁定位主機、基臺5處于同一靜止坐標系中，圓形載物臺3、圓形載物臺3上的被測物、定位測頭處于同一運動坐標系中，電磁定位主機與定位測頭之間的方位關(guān)系即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系，被測物在圓形載物臺3的帶動下旋轉(zhuǎn)、升降，被測物的各個被測局部與編碼光三維測量系統(tǒng)之間方位關(guān)系均可由電磁定位系統(tǒng)測得。本發(fā)明還有這樣ー些技術(shù)特征I、所述的編碼光三維測量系統(tǒng)以M表示，被測物的各個被測局部以Di(i=l, 2，3，4，5，6……)表示，則M與Dl之間的方位關(guān)系記為M_D1，M與D2之間的方位關(guān)系記為M-D2，以靜止的M為參考，可獲得兩個被測局部的方位關(guān)系D1-D2，M-D1具體可用旋轉(zhuǎn)矩陣R1、平移矩陣Tl表示，即M=Rl *D1+T1 ;M_D2具體可用旋轉(zhuǎn)矩陣R2、平移矩陣T2表示，即 M=R2 · D2+T2 ;因此 D1-D2 具體可記為 D2=R2_1 · Rl · D1+R2-1 · (T1-T2)。(此關(guān)系式為該領(lǐng)通用的關(guān)系式，只是各參考資料的具體寫法略有差別)2、現(xiàn)有的拼接方法及裝置，例如前述的精密機械\精密光學儀器法、標志點法，多為將被測物固定(靜止坐標系)，將編碼光三維測量系統(tǒng)移動(運動坐標系)以實現(xiàn)多視角測量。而本發(fā)明方法及裝置的運動方式與之相反，即被測物移動(運動坐標系)，編碼光三維測量系統(tǒng)固定(靜止坐標系)。安裝了編碼光三維測量系統(tǒng)的測量単元架I、安裝了電磁定位主機的拼接單元架2、基臺5構(gòu)成了靜止坐標系；圓形載物臺3、定位測頭、載物臺上的被測物構(gòu)成了運動坐標系。靜止坐標系與運動坐標系之間的方位關(guān)系即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系。該方位關(guān)系由電磁定位主機與定位測頭共同測得，可實現(xiàn)點云拼接。本發(fā)明通過調(diào)整圓形載物臺3的旋轉(zhuǎn)與升降，改變被測物與編碼光三維測量系統(tǒng)之間的方位關(guān)系，實現(xiàn)多視角測量。本發(fā)明的有益效果有I.本發(fā)明的拼接裝置結(jié)構(gòu)簡潔，僅憑借載物臺的旋轉(zhuǎn)與升降即可實現(xiàn)多視角測量，而且基本可測量到被測物的各個局部。本發(fā)明設(shè)計被測物移動(運動坐標系)、編碼光三維測量系統(tǒng)固定(靜止坐標系)的方案，有利于減小拼接裝置的體積、復雜性，對結(jié)構(gòu)強度要求低。本發(fā)明兼顧回轉(zhuǎn)拼接和垂直方向(y方向)拼接，能夠更全面地測量被測物。2.本發(fā)明的所有機構(gòu)均由非金屬型材制成,不會對電磁定位系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，不會產(chǎn)生額外的由電磁干擾帶來的定位誤差。3.通過調(diào)整測量單元架I在基臺5上的放置位置，可以調(diào)整編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的距離。4.本發(fā)明定位測頭與電磁定位主機之間的數(shù)據(jù)電纜由通孔穿過，數(shù)據(jù)電纜柔軟且具有足夠長度，在360°范圍內(nèi)和高度范圍內(nèi)，不會制約載物臺的旋轉(zhuǎn)、升降。5.本發(fā)明定位測頭安裝在載物臺上表面的槽中，不會影響被測物在載物臺上的放置。6.本發(fā)明是由電磁定位主機與定位測頭共同測得編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系。電磁定位時間為毫秒級，直接獲取坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，相對于編碼光三維測量系統(tǒng)的單視角測量時間，定位時間可忽略，因此相對于現(xiàn)有拼接方法，本發(fā)明實現(xiàn)了編碼光 三維測量系統(tǒng)真正的實時拼接；電磁定位精度為O. OOx mm O. Ox mm之間，與前述精密機械或精密光學儀器的定位精度近似，因此拼接精度達到現(xiàn)有最聞水平且能進一步提聞。綜上，本發(fā)明拼接方法及裝置可使拼接精度和拼接速度同時達到現(xiàn)有最高水平。編碼光三維測量系統(tǒng)的體積和重量遠大于被測物，編碼光三維測量系統(tǒng)和被測物的相對運動關(guān)系為編碼光三維測量系統(tǒng)作圓周運動、被測物在圓心轉(zhuǎn)動?；谏鲜鰞牲c原因，本發(fā)明的相對運動方式有利于減小拼接裝置的體積、復雜性，對結(jié)構(gòu)強度要求低。現(xiàn)有的拼接方法及裝置，基本僅考慮360°回轉(zhuǎn)拼接，而本發(fā)明方法和裝置同時兼顧回轉(zhuǎn)和垂直方向(y方向)的高度拼接，能夠更全面地測量被測物。


圖I為本發(fā)明拼接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明結(jié)合圖1，本實施例編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置包括測量單元架I、拼接單元架2、圓形載物臺3、支撐柱4、基臺5。載物臺5的上表面有I個槽6，槽6的底面有I個通孔7。本實施例所有機構(gòu)均由非金屬型材制成。拼接過程中，電磁定位主機與定位測頭之間的數(shù)據(jù)電纜8由通孔穿過。靜止坐標系與運動坐標系之間的方位關(guān)系即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系，由電磁定位主機與定位測頭共同測得。電磁定位系統(tǒng)由電磁定位主機與定位測頭兩部分組成。電磁定位系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)電纜8傳輸和無線通信確定電磁定位主機與定位測頭之間的相對位置關(guān)系。本實施例拼接裝置使用過程中，安裝了編碼光三維測量系統(tǒng)的測量單元架I、安裝了電磁定位主機的拼接單元架2同時放置在基臺5上，且保持位置固定，因此編碼光三維測量系統(tǒng)、電磁定位主機、基臺5處于同一靜止坐標系中；而圓形載物臺3、圓形載物臺3上的被測物、定位測頭處于同一運動坐標系中。因此，電磁定位主機與定位測頭之間的方位關(guān)系，即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系。被測物在圓形載物臺3的帶動下旋轉(zhuǎn)、升降，被測物的各個被測局部與編碼光三維測量系統(tǒng)之間方位關(guān)系均可由電磁定位系統(tǒng)測得。本實施例以M表示編碼光三維測量系統(tǒng)，
以Di (i=l, 2，3，4，5，6......)表示被測物的各個被測局部，則M與Dl之間的方位關(guān)系記為
M-DI，M與D2之間的方位關(guān)系記為M-D2，因此以靜止的M為參考，可獲得兩個被測局部的方位關(guān)系D1-D2，以此類推。本實施例作實驗對比了本發(fā)明方法、精密機械法、標志點法的拼接速度和拼接精度三種方法中，精密機械法的拼接調(diào)整時間最長(數(shù)十秒)，因此無法實現(xiàn)實時拼接。本發(fā)明方法和標志點法的拼接信息獲取時間均為毫秒級，少于編碼光三維測量系統(tǒng)單視角測量時間(X秒)，因此初步實現(xiàn)實時拼接。但本發(fā)明方法獲取的拼接信息為各視角之間的方位關(guān)系(坐標轉(zhuǎn)換)，可直接用于拼接，因此實現(xiàn)了真正的實時拼接；而標志點法獲取的拼接信息為拼接圖像，需通過圖像處理轉(zhuǎn)化為各視角之間的方位關(guān)系，轉(zhuǎn)化時間接近甚至超過了編碼光三維測量系統(tǒng)單視角測量時間(具體時間視拼接圖像復雜程度而異)，因此標志點法未實現(xiàn)嚴格意義的實時拼接。②三種方法中，標志點法受圖像處理過程中擬合、迭代等近似運算的影響，拼接精度最低，約O. 3mm O. 7_，這與編碼光三維測量系統(tǒng)的測量精度相近(約O. 6mm)，因此拼接精度影響了測量精度。本發(fā)明方法和精密機械法的拼接精度相近(約O. Olmm)，高于編碼光三維測量系統(tǒng)的測量精度至少ー個數(shù)量級，因此拼接 精度不會影響測量精度。就目前的編碼光三維測量系統(tǒng)而言，本發(fā)明方法和精密機械法的拼接精度滿足要求。進ー步而言，精密機械定位精度發(fā)展成熟很難有質(zhì)的飛躍，而電磁定位技術(shù)正在飛速發(fā)展中，能夠適應日益提高的編碼光三維測量系統(tǒng)測量精度。綜上兩點，本發(fā)明拼接方法及裝置可實現(xiàn)真正的實時拼接，拼接精度達到現(xiàn)有最聞水平且有提聞如景。電磁定位系統(tǒng)的主要不足在于，大面積的金屬物會對電磁定位系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，導致較大的定位誤差(毫米級)，其它拼接方法則不存在這個弱點。因此本拼接裝置機構(gòu)均由非金屬型材制成，克服了上述不足。在前期實驗中，所有機構(gòu)均由金屬型材制成，在拼接過程中會出現(xiàn)不規(guī)律的粗大誤差(毫米級)，這甚至超過了編碼光三維測量系統(tǒng)的測量誤差(約O. 6mm)，導致本拼接方法及裝置失效。后經(jīng)誤差分析，確定粗大誤差來源于金屬型材對電磁定位系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，即電磁定位主機與定位測頭之間無線通信數(shù)據(jù)錯誤。據(jù)此，將金屬型材改為非金屬型材(如有機玻璃)，消除了額外的由電磁干擾帶來的定位誤差。支撐柱4可以調(diào)節(jié)圓形載物臺3以支撐柱4為軸360°轉(zhuǎn)動(圖I中的回轉(zhuǎn)方向t)，編碼光三維測量系統(tǒng)單視角測量范圍約為60°，則至少進行6次單視角測量(載物臺轉(zhuǎn)動6次)，可獲得360°回轉(zhuǎn)的全部點云數(shù)據(jù)。若被測物高度過大，在垂直方向(圖I中的y方向)超過編碼光三維測量系統(tǒng)的單視角測量范圍，則支撐柱(4)可以調(diào)節(jié)載物臺(3)升降，改變被測物與編碼光三維測量系統(tǒng)之間的高度位置關(guān)系。例如編碼光三維測量系統(tǒng)在垂直方向的測量范圍約為O. 5m，被測物高度lm，則垂直方向至少進行2次單視角測量，可獲得垂直方向的全部點云數(shù)據(jù)。本實施例支撐柱4由上下兩段構(gòu)成，上段與圓形載物臺3下端面連接固定，下段固定在基臺5上，上段與下段之間可通過旋鈕鎖緊。放松旋鈕后，可調(diào)整上段與下段的相對角度和高度，從而調(diào)整圓形載物臺3旋轉(zhuǎn)和升降。電磁定位主機與定位測頭之間的數(shù)據(jù)電纜8由通孔7穿過，數(shù)據(jù)電纜8柔軟且具有足夠長度，不會制約圓形載物臺3旋轉(zhuǎn)、升降。本實施例拼接裝置的支撐柱4的下端固定在基臺5上，通過調(diào)整測量單元架I在基臺5上的放置位置，可以調(diào)整編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的距離。編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的距離大，則單視角測量范圍大；編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的距離小，則單視角測量范圍小。適當?shù)木嚯x視被測物的體積而定。本實施例編碼光三維測量系統(tǒng)包括一個Infocus82 3DLP投影機和一個HV-F22F3CXD攝像機。Infocus82 3DLP投影機固定在測量單元架I下部，采用螺釘固定。HV-F22F3CXD攝像機通過旋鈕活動連接在測量單元架I的一個立桿上，HV-F22F 3CXD攝像機在測量單元架I的立桿上的垂直高度(y方向)和繞垂直軸(回轉(zhuǎn)方向t)的角度可通過旋鈕調(diào)節(jié)并鎖緊，因此可調(diào)節(jié)Infocus82 3DLP投影機和HV-F22F 3CCD攝像機之間的位置關(guān)系(即垂直高度關(guān)系和主光軸夾角關(guān)系)，從而調(diào)節(jié)編碼光三維測量系統(tǒng)的測量范圍。本實施例的Infocus82 3DLP投影機和HV-F22F 3CCD攝像機之間的高度差調(diào)節(jié)范圍為O 400mm，HV-F22F 3CXD攝像機繞垂直軸(回轉(zhuǎn)方向t)的角度調(diào)節(jié)范圍為O 360°。本實施例采用ARM9系統(tǒng)完成編碼光三維測量系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)運算，Inf0cus82 3DLP投影機、HV-F22F 3CXD攝像機與ARM9系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)線電連接。
權(quán)利要求
1.一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置，其特征在于它包括測量單元架、拼接單元架、圓形載物臺和基臺，測量單元架、拼接單元架、圓形載物臺均設(shè)置在基臺上，測量單元架上安裝有編碼光三維測量系統(tǒng)，拼接單元架上安裝有電磁定位主機，圓形載物臺上放置被測物，圓形載物臺通過支撐柱安裝在基臺上，圓形載物臺的上表面設(shè)置有I個安裝定位測頭的槽，槽的底面設(shè)置有I個通孔，槽中安裝有定位測頭，定位測頭與電磁定位主機通過數(shù)據(jù)電纜電連接，數(shù)據(jù)電纜由通孔穿過。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置，其特征在于所述的支撐柱由上下兩段構(gòu)成，上段與圓形載物臺下端面連接固定，下段固定在基臺上，上段與下段之間通過可調(diào)整上段與下段相對角度和高度的旋鈕活動連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置，其特征在于所述的編碼光三維測量系統(tǒng)包括一個投影機和一個攝像機，投影機固定在測量單元架下部，攝像機通過旋鈕活動連接在測量單元架上部，攝像機在測量單元架上的垂直高度和繞垂直軸的角度可通過旋鈕調(diào)節(jié)并鎖緊，投影機、攝像機通過數(shù)據(jù)線電連接完成編碼光三維測量系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)運算的ARM9系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置，其特征在于所述的編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置所有部件均由非金屬型材制成。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的編碼光三維測量的電磁定位拼接方法，其特征在于它包括編碼光三維測量系統(tǒng)和電磁定位系統(tǒng)，電磁定位系統(tǒng)由電磁定位主機與定位測頭兩部分組成，電磁定位系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)電纜傳輸和無線通信確定電磁定位主機與定位測頭之間的相對位置關(guān)系，編碼光三維測量系統(tǒng)、電磁定位主機、基臺處于同一靜止坐標系中，圓形載物臺、圓形載物臺上的被測物、定位測頭處于同一運動坐標系中，電磁定位主機與定位測頭之間的方位關(guān)系即編碼光三維測量系統(tǒng)與被測物之間的方位關(guān)系，被測物在圓形載物臺的帶動下旋轉(zhuǎn)、升降，被測物的各個被測局部與編碼光三維測量系統(tǒng)之間方位關(guān)系均可由電磁定位系統(tǒng)測得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種編碼光三維測量的電磁定位拼接方法，其特征在于所述的編碼光三維測量系統(tǒng)以M表示，被測物的各個被測局部以Di (i=l，2，3，4，5，6……)表示，則M與Dl之間的方位關(guān)系記為M-Dl，M與D2之間的方位關(guān)系記為M-D2，以靜止的M為參考，可獲得兩個被測局部的方位關(guān)系D1-D2，M-D1具體可用旋轉(zhuǎn)矩陣R1、平移矩陣Tl表示，即M=R1-D1+T1 ；M-D2具體可用旋轉(zhuǎn)矩陣R2、平移矩陣T2表示，即M=R2_D2+T2 ;因此D1-D2具體可記為 D2=R2-1XR1XD1+ R2_1X (T1-T2)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種編碼光三維測量的電磁定位拼接裝置及方法。本發(fā)明包括測量單元架、拼接單元架、圓形載物臺、支撐柱和基臺，圓形載物臺的上表面有1個槽，槽的底面有1個通孔。本發(fā)明拼接裝置結(jié)構(gòu)簡潔，僅憑借載物臺的旋轉(zhuǎn)與升降即可實現(xiàn)多視角測量，而且基本可測量到被測物的各個局部。本發(fā)明設(shè)計被測物移動(運動坐標系)、編碼光三維測量系統(tǒng)固定(靜止坐標系)的方案，有利于減小拼接裝置的體積、復雜性，對結(jié)構(gòu)強度要求低。本發(fā)明兼顧回轉(zhuǎn)拼接和垂直方向(y方向)拼接，能夠更全面地測量被測物。
文檔編號G01B11/24GK102818535SQ20121029132
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者吳海濱, 于曉洋, 于雙, 王洋, 于舒春, 唐莎猷 申請人:哈爾濱理工大學