专利名称：基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及三维轮廓测量技术领域，特别涉及基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法。
背景技术：
随着超大尺寸、极端制造技术的发展，相应的大尺寸三维物体表面轮廓测量技术是目前国内外三维传感与测量研究的热点之一，它被广泛应用于航空航天、船舶汽车、在线检测与质量控制、机械制造、计算机辅助设计/制造、机器人视觉系统等领域。当前主流的大尺寸三维测量设备包括大型龙门和桥式三坐标测量系统、便携式关节臂测量系统以及激光跟踪仪等。大型三坐标测量机测量精度较高，但是体积庞大、便携性、灵活性差；便携式关节臂柔性较好，但对于超大型物件的测量，需要统一多台关节臂的坐标系。激光跟踪仪、经纬仪等大尺寸定位检测设备可以实现在大空间内的精确定位，但是对于局部空间的特征测量效率低下。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法，结合惯性导航技术和激光跟踪仪的单点跟踪测量技术以及线激光扫描技术，可实现最大80米测量空间内，快速、柔性、高精度的三维测量，具有严谨的逻辑性，工程实现简单，精度可靠，在现有激光跟踪仪的基础之上无需很高的成本即可实现超大尺寸工件三维点云数据的快速，高精度获取，具有较好的经济使用性。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，包括激光跟踪仪11和便携式手持测量终端13，便携式手持测量终端13具体包括激光跟踪仪靶球I、高精度CCD摄像机2、 半导体激光投射器6、手持支架7、图像处理与通讯单元8和惯性导航单元9，其中高精度 CXD摄像机2固定在手持支架7的上部，图像处理与通讯单元8位于手持支架7的中部，半导体激光投射器6夹持在手持支架7的下部，惯性导航单元9夹持在手持支架7的上部，便携式手持测量终端13与计算机12之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元8来进行， 激光跟踪仪11数据输出端与计算机12相连，激光跟踪仪靶球I设置在手持支架7的顶部， 激光跟踪仪靶球I与激光跟踪仪11相适配工作。基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量方法，包括以下步骤步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器6向被测物体4投射光刀 5，高精度CCD摄像机2采集光刀5投射在被测物体4上的激光条纹图像，与此同时，安装于便携式手持测量终端13中的惯性导航单元9监控此时便携式手持测量终端13的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球I获取手持测量终端13在以激光跟踪仪11为基准的全局坐标系中的位置坐标；
测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标，如式I所示
权利要求
1.基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，其特征在于，包括激光跟踪仪(11) 和便携式手持测量终端(13)，便携式手持测量终端(13)包括激光跟踪仪靶球(I)、高精度 CXD摄像机(2)、半导体激光投射器(6)、手持支架(7)、图像处理与通讯单元(8)和惯性导航单元(9)，其中高精度CCD摄像机(2)固定在手持支架(7)的上部，图像处理与通讯单元(8)位于手持支架(7)的中部，半导体激光投射器(6)夹持在手持支架(7)的下部，惯性导航单元(9)夹持在手持支架(7)的上部，便携式手持测量终端(13)与计算机(12)之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元(8)来进行，激光跟踪仪(11)数据输出端与计算机(12) 相连，激光跟踪仪靶球(I)设置在手持支架(7)的顶部，激光跟踪仪靶球(I)与激光跟踪仪(11)相适配工作。
2.权利要求I所述的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器￠)向被测物体(4)投射光刀(5)，高精度CCD摄像机(2)采集光刀(5)投射在被测物体(4)上的激光条纹图像，与此同时，安装于便携式手持测量终端(13)中的惯性导航单元(9)监控此时便携式手持测量终端(13)的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球(I)获取手持测量终端(13)在以激光跟踪仪(11)为基准的全局坐标系中的位置坐标；测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标,如式I所示p-1 q-1xl =yJcyL=tlK^yJc、z=0 j=QI式I中，< Y是通过图像处理得到的被测点的像素坐标，为被测点在光刀坐标系中的坐标，Bijj和by采用了虚拟网格映射标定法或实物网格标定法标定出，标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的；步骤二、进行光刀坐标系到世界坐标系的建模根据步骤一已经建立的从图像中提取点在光刀坐标系坐标的模型，则整个手持测量终端13获取三维数据，即点在W中的坐标的数学模型如下Pw = \ · \ · tTc · Pc 其中 Pl = LTC*PC展开即为M_ W ΓΤ R ΓΤ ~ 1R 1L '少L O,I .KJ .I ,式2即为手持式测头的数学模型，式中wTk是通过激光跟踪仪靶球和惯性导航单元确定的坐标系与全局坐标系的转换关系即
全文摘要
基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法，包括激光跟踪仪、便携式手持测量终端和计算机，便携式手持测量终端包括手持支架，其中高精度CCD摄像机固定在手持支架的上部，图像处理与通讯单元位于手持支架的中部，半导体激光投射器夹持在手持支架的下部，惯性导航单元夹持在手持支架的上部，计算机与通讯单元和激光跟踪仪相连，本发明结合惯性导航技术和激光跟踪仪的单点跟踪测量技术以及线激光扫描技术，系统可实现最大80米测量空间内的三维测量，具有严谨的逻辑性，工程实现简单，精度可靠，在现有激光跟踪仪的基础之上无需很高成本即可实现超大尺寸工件三维点云数据的快速，高精度获取，具有较好好的经济使用性。
文档编号G01B11/24GK102607457SQ20121005526
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者丁建军, 李兵, 王东平, 蒋庄德, 陈磊, 马福禄 申请人:西安交通大学