大型系统三维坐标非接触在线测量方法与流程

本发明涉及三维尺寸测量领域，尤其是一种用于大型系统三维坐标非接触在线测量方法。

背景技术：

在航空航天、导弹、重型武器装备等军事国防领域，随着对大型系统性能越来越高的要求，大型复杂曲面、复杂结构的关键部件加工制造及监测大型构件状态与性能的三维测量受到了前所未有的挑战和机遇。在汽车、轮船制造等领域，近年来我国产销量一直处于国际前列，然而与强劲的市场需求和产销量相对应的是，国内大型舰船螺旋桨、制造能力严重不足，自主装船率低；汽车精密模具和高性能发动机主要依赖进口，严重制约了我国装备制造业和基础工业的自主发展。造成这些问题的根本原因在于大型复杂曲面、复杂结构的关键部件的三维尺寸测量水平相对落后，导致制造效率低、加工精度难以保证等。

而作为现代制造业重要支撑的测量技术，已经不仅仅是作为最终产品质量的评定手段，更重要的是为产品的设计和制造过程中的质量监测服务，为制造过程提供完备的信息反馈。测量的方式也从传统的“离线”测量，加入到加工制造过程中，实现“在线”测量。与离线测量相比，在线测量存在巨大优势：在线测量在加工现场测量工件，不用再额外制造测量夹具且不用将物体转移至测量室，可以降低经济和时间耗费；在线测量将测量过程前移到加工过程中，把质量控制集成到制造工艺中，变加工后质量检测为加工中的实时检测，可以随时发现质量问题并及时调整工艺，提高产品的成品率；在线测量可以及时发现制造过程中的问题，并通过调整加工工艺参数和引入误差补偿等措施及时修正这些问题，实现敏捷加工，保证加工质量。因此如何对大型复杂曲面、复杂结构的关键部件三维尺寸在线测量，成为航空航天、导弹、武器装备、汽车、造船等军事及装备制造领域的重要课题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大型系统三维坐标非接触在线测量方法，解决大型复杂曲面、复杂结构的部件三维尺寸在线测量时误差大的问题。

具体的，本发明提供了一种大型系统三维坐标非接触在线测量方法，包括使用激光位移传感器对被测对象的死角处进行高精度扫描，激光位移传感器将扫描得到的图像传输至控制系统。

由于激光位移传感器具有较高的测量精度，将其用在测量形状上，能够实现高精度的测量，而且成本较低。

进一步地，该方法包括以下步骤：

步骤一、标定摄相机；

步骤二、投影仪将周期调制的条纹图投影到待测物体上；

步骤三、摄相机对被测对象上的条纹图进行拍摄；

步骤四、控制系统对摄相机拍摄的图像进行处理；

步骤五、激光位移传感器进行高精度扫描；

步骤六、控制系统进行三维图像重构。

该方法可以实现对大型系统的非接触在线测量，具有测量精度高的特点，可用于大型复杂曲面、复杂结构的关键部件加工时状态监测和质量检验。

进一步地，测量过程使用的装置包括摄相机、激光位移传感器、投影仪和控制系统；

所述摄相机、激光位移传感器、投影仪分别通过电缆与控制系统相连；

投影仪根据控制系统的控制指令，将发送的周期调制的条纹图投影至待测量的大型系统的表面；

摄像机对被测对象多个部分上的条纹图进行拍摄，将拍摄的图像传输至控制系统；

激光位移传感器被测对象的死角处进行高精度扫描，将扫描的图像传输至控制系统；

控制系统首先根据条纹图、拍摄图像进行处理，得到待测系统的基本三维形貌图；结合激光位移传感器扫描的图像，得到待测系统最终的三维尺寸及图像。

投影仪投影条纹，摄像机和激光位移传感器配合，对被测物体进行拍摄，得到高精度及清晰的图片，由控制系统进行进一步处理。

进一步地，步骤一中包括采用2d平面模板的标定方法对摄相机参数进行标定；采用标准平面平移法，对摄相机的相位-高度标定。

摄像机定标用于提高摄像机的精度，提高成像的清晰度及精确度。

进一步地，摄像机参数包括焦距f、图像平面水平方向的像元间距δx、图像平面竖直方向的像元间距δy、主点坐标(u0，v0)。

摄像机参数的标定对于摄像机摄像性能起重要作用。

进一步地，相位-高度映射关系为：其中为相位，h为高度，a和b为常数。

该相位-高度映射关系标定完成后的摄像机摄像精度高，能够提高系统在线测量的精度。

进一步地，周期调制的条纹图为正弦条纹图。

周期调制的条纹具有稳定性，具有一定的规律性，当投射到物体上发生变化时，能够根据变形及已有的成像规律，得到物体的实际图形。

进一步地，步骤四包括控制系统利用四步相移法提取相位和用相位解包裹算法对相位进行解包裹处理。

控制系统对图形进行融合处理，得到物体的三维数据。

本发明的有益效果是：

(1)采用单目视觉信息、结构光与激光位移探测数据融合，可高精度对三维尺寸进行测量；

(2)可用于大型复杂曲面、复杂结构的关键部件加工时状态监测和质量检验；

(3)采用激光位移传感器进行扫描，具有较高的测量精度，将其用在测量形状上，能够实现高精度的测量，而且成本较低。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的在线测量装置整体结构示意图；

图2是本发明的在线测量方法流程图；

图3是本发明的实施例中摄相机拍摄到的图像；

图4是本发明的实施例中图像解包裹处理后得到的图形；

图5是本发明的实施例中三维重构得到的图形。

图中：1-投影仪、2-摄相机、3-控制系统、4-激光位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

对占地面积大于25m²的大型系统，本发明提供了一种三维坐标非接触在线测量方法，如图1所示，该方法实施过程中使用的装置包括摄相机、激光位移传感器、投影仪和控制系统等。

摄相机、激光位移传感器、投影仪分别通过电缆与控制系统相连。

投影仪根据控制系统的控制指令，将发送的周期调制的条纹图投影至待测量的大型系统的表面；

摄像机对被测对象多个部分上的条纹图进行拍摄，将拍摄的图像传输至控制系统；

激光位移传感器被测对象的死角处进行高精度扫描，将扫描的图像传输至控制系统；

控制系统首先根据条纹图、拍摄图像进行处理，得到待测系统的基本三维形貌图；结合激光位移传感器扫描的图像，得到待测系统最终的三维尺寸及图像。

具体的，该大型系统三维坐标非接触在线测量方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一、标定摄相机

安装摄相机和投影仪，调整摄相机和投影仪的相对位置及光轴夹角，保证被测设备在投影仪的投射范围内。采用2d平面模板的标定方法对摄相机参数进行标定；采用标准平面平移法，得到摄相机的相位-高度映射关系，实现相位-高度标定。

为保证被测设备在投影仪的投射范围内，投影仪的安装数量为n，所有的投影仪均安装于以设备中心为球形，半径为r的球形面上，且为均匀分布，当n(r×α)≥2s时，可以认为被测设备在投影仪的投射范围内，其中，s为设备的表面积，α为投影仪的投射角。

摄像机参数包括焦距f、图像平面水平方向的像元间距δx、图像平面竖直方向的像元间距δy、相机光学中心在ccd成像平面上的投影位置坐标，即主点坐标(u0，v0)。因为待测物体表面一点的三维几何位置与其对应在图像坐标系中该点的相互关系，是由摄相机在空间所处的位置以及摄相机参数决定的，因此想要准确计算出物体每个点的三维几何位置，首先要标定出相机参数。

相位-高度映射关系为：其中为相位，h为高度，a和b为常数。

步骤二、投影仪投影

在传统的相移法中，测量系统需要比较复杂的相移装置来控制产生精确的定步长相移，比较复杂。本方法中由控制系统编制生成投影用周期调制的条纹图，通过投影仪投影到待测物体上。控制系统发出投影指令，使用单个投影仪将周期调制的条纹图投射到被测物表面部分曲面，由于物体部分曲面高度的变化，各点的光栅条纹的相位发生了偏移。

步骤三、摄相机进行拍摄

摄相机快速对被测对象多个部分上的条纹图进行拍摄，获得含相位差的多幅条纹图像，图像包含被测部分的曲面信息。摄相机将拍摄到的图片信息发送到控制系统。

步骤四、控制系统对摄相机拍摄的图像进行处理

将所有投影仪投影并摄像一次之后，根据拍摄到的包含被测部分曲面信息的条纹图，控制系统利用四步相移法提取相位，再用相位解包裹算法对相位进行解包裹处理。

根据步骤一中预先标定的摄相机参数和相位-高度映射关系，实际测量时得到相位后，根据已经确定的相位-高度关系，从相位值中恢复出物体表面的三维高度点数据，根据相位-高度映射关系式，将测得的相位代入关系式，即可计算出高度值。完成物体表面三维形貌的测量和被测对象的基本三维重构，即获得各个曲面的三维图像。控制系统采用一种无标记点拼接算法将各个曲面三维图像行进合理的图像拼接，获得被测对象的基本三维形貌图。

相位解包裹算法：先利用四步相移得到了压包相位，再用区域生长法解包裹。

利用四步相移法获得的相位值被包裹在反正切函数的值域[-π，π]之间，存在间断和跳变的不连续相位。该相位并不能直接反映出真实的相位变化，只有对其进行相位展开才能消除相位主值图中的间断和跳变，得到连续分布的相位真值。解包裹过程：采用区域生长法从相位值的起始点开始，沿相位矩阵的行或列对相邻两像素点的相位主值进行比较，对于连续变化的物体来说，其相位值也应该是连续的，因此当相邻两像素间的相位差超出某一范围时，对后面一点像素的相位值加上(或减去)2π的整数倍的相位值，得到真实的相位。

无标记点拼接算法：由于受到投影相位场和相机拍摄范围的限制，需要进行多次测量后进行点云拼接才能完成测量。采用sift配准原理来辅助完成点云自动拼接工作。首先搜索所有的尺度和图像位置，使用高斯差分公式可以有效检测出潜在的特征点，这些特征点对于尺度缩放和旋转变化具有不变性。确定关键点的位置和尺度，分配给每个关键点一个方向，所有对图像的数据的操作均被转换为对特征点方向、尺度大小和位置的操作，通过对关键点当前尺度周围区域的梯度统计，生成特征点描述子。

步骤五、激光位移传感器进行高精度扫描

为了保证测量精度满足要求，根据初步获得的大型构件三维图像信息及各个部分曲面的三维信息，针对初步拼接后获得图像中的信息缺失点、特征点、复杂结构位置等，控制系统需要对拼接后初步获得的三维图像中个别信息进行补充和完善，具体就是控制系统控制激光位移传感器作为光学探针，基于激光位移探测技术对被测对象的死角处进行高精度扫描，激光位移传感器将扫描得到的图像及位移信息传输至控制系统。

图像中的信息缺失点、特征点、复杂结构位置是利用高斯拉普拉斯算子检测的方法进行识别的。

步骤六、控制系统进行三维图像重构

激光位移传感器扫描获得的高精度图像及位移信息传输至控制系统后，控制系统将该数据加入到已有数据库中，进而对大型复杂曲面、复杂结构的关键部件三维尺寸采用相位测量轮廓术(pmp)进行三维图像重构，获得物体的三维坐标，即物体的长宽高。获得满足精度要求的三维尺寸及图像，并将信息反馈成cam系统可读形式，从而实现大型复杂曲面、复杂结构的关键部件三维尺寸非接触在线测量。

本实施例中，对如图所示球面镜系统进行三维坐标非接触在线测量，具体为：

步骤一、标定摄相机

采用2d平面模板的标定方法对摄相机参数进行标定，得到摄相机参数：δx＝δy＝4.65μm，f＝35.17mm，(u0，v0)＝(695.5，519.5)，单位是像素。

采用标准平面平移法，得到相位-高度映射关系中的a＝0.3，b＝0.025，即

步骤二、投影仪投影

控制系统发出投影指令，使用投影仪将正弦条纹图像投射到被测物表面部分曲面。

步骤三、使用摄相机进行拍摄

使用ccd相机作为图像采集的工具，如图3所示，对被测对象多个部分上的条纹图进行拍摄，获得含相位差的多幅条纹图像，ccd相机将拍摄到的图片信息发送到控制系统。

步骤四、控制系统对摄相机拍摄的图像进行处理

根据拍摄到的包含被测部分曲面信息的条纹图，控制系统利用四步相移法提取相位，再用相位解包裹算法对相位进行解包裹处理，解包裹处理后得到的图形如图4所示。

步骤五、激光位移传感器进行高精度扫描

针对初步拼接所得三维图像中的缺失点等，控制系统控制激光位移传感器对被测物进行进一步扫描，将扫描图像传输至控制系统。

步骤六、控制系统进行三维图像重构

控制系统在初始拼接三维图像的基础上，根据激光位移传感器扫描的图像，重新进行三维图像重构，重构后的三维图如图5所示。

综上所述，本发明提供了一种大型系统三维坐标非接触在线测量方法，采用单目视觉信息、结构光与激光位移探测数据融合，可高精度对三维尺寸进行测量，可用于大型复杂曲面、复杂结构的关键部件加工时状态监测和质量检验。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。