全视角扫描测量系统及其靶标测量方法与流程

本发明涉及空间三维坐标的测量技术领域，尤其涉及一种全视角扫描测量系统及其靶标测量方法。

背景技术：

目前，大型构件和设备状态检测主要包括接触式和非接触式两种。接触式状态检测技术主要包括：人工采用卡具测量和三坐标测量机。非接触式检测技术主要有激光跟踪仪、3d激光测距仪、全站仪、经纬仪、视觉检测技术等。激光跟踪仪、3d激光测距仪、全站仪及经纬仪适于一般现场条件，但普遍存在视场角小、测量效率低，一次只能实现单点测量，无法实现大型构件或设备的表面信息测量。因此，现有技术中还没有较为有效的能够实时监控大型零件的变形和大空间内物体的运动状态的测量手段。

而且，在空间交会测量方面，现有方法测量精度较低，无法实现超大空间三维坐标的测量精确测量，从而无法提供较为有利的技术支持。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题之一是提供一种全视角扫描测量系统，该系统可测量视场角大，一次能够实现多点测量。另一方面还需要提供一种应用于全视角扫描测量系统的靶标测量方法，该方法适应于以多棱镜鼓作为扫描转镜的测量站，而且，通过本方法测量得到的靶标所处的三维坐标精度较高。

发明方案：一种全视角扫描测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：靶标和测量站

空间三维坐标获取模块；

靶标，为测量目标点；

测量站，由扫描转镜、线阵相机、光学镜头、图像处理模块、构成；其中扫描转镜由八棱镜鼓和单轴转台构成，图像处理模块的功能为根据同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标计算同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度；

空间三维坐标获取模块的功能为在特定测量模型下对同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度进行三维坐标解算，得到被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值；

全视角扫描测量系统包括至少两个测量站，每个测量站以多棱镜鼓作为扫描转镜同步扫描获取同一被测靶标的图像；

所述特定测量模型为，单轴转台旋转轴线沿铅垂方向，八棱镜鼓中轴线与单轴转台旋转轴线重合，线阵相机成像平面与光学镜头光轴垂直，线阵相机成像平面与单轴转台旋转轴线平行；

所述单轴转台采用单轴立式转台，转台回转采用高精度空气轴承。

通过所述单轴转台的转动角度能够得到八棱镜鼓的转动角度。

所述光学镜头为f-θ透镜。

据本发明的另一方面，还提供了一种应用于全视角扫描测量系统的靶标测量方法，其特征在于，建立测量坐标系，以左侧测量站的中心为测量坐标系原点，x轴为两测量站中心连线在水平面的投影并指向右侧测量站，z轴为通过原点的铅垂轴，方向向上，y轴方向通过右手法则得到，通过对同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度进行三维坐标解算，得到被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值；

利用所述八棱镜鼓的转动角度与八棱镜鼓等效扫描角度关系，确定同一被测靶标相对各测量站的水平角度，计算表达式如下：

其中，α表示八棱镜鼓的镜鼓等效扫描角度，即靶标对应的水平角度，θ表示八棱镜鼓的镜鼓转动角度，l表示扫描物面到八棱镜鼓反射面中心点的距离，d表示八棱镜鼓的棱长。

根据如下表达式计算同一被测靶标相对各测量站的垂直角度：

β＝(y1-y0)/f

其中，β表示垂直角度，y1表示所述靶标在测量站图像像素坐标中的纵坐标，单位：像素；y0表示相机主点纵坐标值，单位：像素；y1-y0若为正值，表示靶标在z轴的正半轴方向，若为负值，表示靶标在z轴的负半轴方向,f表示焦距。

所述同一被测靶标的三维坐标解算方法为，单轴转台旋转轴线沿铅垂方向，八棱镜鼓中轴线与单轴转台旋转轴线重合，线阵相机成像平面与光学镜头光轴垂直，线阵相机成像平面与单轴转台旋转轴线平行，在上述测量模型下进行三维坐标解算，得到被测靶标在测量坐标系下的空间三维坐标值。三维坐标解算方法如下：

其中，x、y、z表示被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标，b和h分别表示双测量站a、b之间的水平距离和高度差，αa、βa分别表示同一被测靶标相对测量站a的水平角度和垂直角度，αb、βb分别表示同一被测靶标相对测量站b的水平角度和垂直角度。

有益效果：所述全视角扫描测量系统包括至少两个测量站，每个测量站以八棱镜鼓作为扫描转镜同步扫描获取测量站所面向的测量场的整体空间内的同一被测靶标的图像，所述方法包括：对获取的图像进行处理得到同一被测靶标在各测量站坐标系下的坐标信息；根据同一被测靶标在各测量站坐标系下的坐标信息计算同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度；在特定测量模型下对同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息进行三维坐标解算，得到被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值。该方法适应于以八棱镜鼓作为扫描转镜的测量站，而且，通过本方法测量得到的靶标的三维坐标精度较高。

附图说明

图1表示本发明测量工作站的结构图；

图2表示本发明应用于全视角扫描测量系统的靶标测量方法的流程图；

图3表示本发明三维解算测量模型示意图；

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图3所示，测量工作站包括扫描转镜、线阵相机101、光学镜头102、图像处理模块、空间三维坐标获取模块构成，其中扫描转镜由八棱镜鼓103和单轴转台104构成；

在本发明实施例中，单轴转台旋转轴线沿铅垂方向，八棱镜鼓中轴线与单轴转台旋转轴线重合，八面棱镜安装单轴转台台面上，由单轴转台带动连续旋转。单轴转台转动的角度由编码器通过电机驱动器输出给电机控制系统，并且根据转台转动的角度能够得到八棱镜鼓的转动角度，线阵相机成像平面与光学镜头光轴垂直，线阵相机成像平面与单轴转台旋转轴线平行；

线阵相机101的分辨率为8192×1，像元尺寸5μm，行频100khz。

光学镜头102采用远心f-θ结构，焦距为26.07mm，能够在一定景深范围内进行清晰成像，视场为90°。光学镜头能够在480nm-650nm波段内工作。

单轴转台结构采用现有的单轴立式转台技术。八棱镜鼓与镜鼓工装整体安装在工作台上。工作台的台面材料为合金钢，用螺钉组固定在空气轴承端面上，回转采用高精度空气轴承。主轴与轴承配合的孔的尺寸精度、形位公差及粗糙度要求较高，采用加工中心一次加工完成，以满足主轴及工作平台的工作要求。台体旋转由力矩电机直接驱动，通过法兰与主轴相连接，保证传动和反馈实现无间隙运动。转台的轴系设计是保证转轴的回转精度和台面刚度的关键步骤，要有尽可能小的摩擦力矩和较高的回转精度，因此需要选用高精度轴承。由于本系统精度要求极高，因此选用空气轴承作为回转元件。空气轴承通过压缩空气来承受载荷。由于定子和转子间没有机械接触，其磨损降到最低，从而可以确保精确度稳定的保持在较高水平。由于其结构的不同，空气主轴旋转时的高精度天生具备。与传统轴承相比，空气轴承自然具备以下优点：高精度、高转速、寿命长、振动小、温升慢等。

单个测量工作站能够覆盖90°×90°大视场范围，可以满足3m～100m测量范围的要求。完成图像数据的采集与处理，对多个测量点进行识别与定位，输出目标点对应的水平和垂直角度信息。

根据本发明的另一方面，还提供了一种应用于该全视角扫描测量系统的靶标测量方法。

图2表示本发明实施例的应用于全视角扫描测量系统的靶标测量方法的流程图。如图2所示，在图像采集与处理阶段，进行靶标图像的采集与处理，得到靶标在各测量工作站坐标系下的图像像素坐标(步骤201)，然后，根据同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标计算同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息(步骤202)，方位角度信息包括水平视场内的水平角度和垂直视场内的垂直角度。最后，在特定测量模型下对同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息进行三维坐标解算，得到被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标值(步骤203)。

在测量同一被测靶标的测量站为两个时，可以得到图3所示三维解算测量模型示意图。建立测量坐标系，以左侧测量站的中心a为测量坐标系原点，x轴为两测量站中心连线在水平面的投影并指向右侧测量站，z轴为通过原点的铅垂轴，方向向上，y轴方向通过右手法则得到，两台测量站精确标定后测量一已知长度的基准尺，通过空间解析计算求得双测量站的水平距离b和高度差h。则任意观测目标点p在测量坐标系下的空间三维坐标值的坐标可表示为：

其中，x、y、z表示被测靶标在系统空间坐标系下的空间三维坐标，b和h分别表示左侧测量站中心a和右侧测量站中心b之间的水平距离和高度差，αa、βa分别表示同一被测靶标相对测量站a的水平角度和垂直角度，αb、βb分别表示同一被测靶标相对测量站b的水平角度和垂直角度。

在步骤202中，根据同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标计算同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度。

下面以测量站的扫描转镜为八棱镜鼓为例，来说明如何计算同一被测靶标相对各测量站的水平角度和垂直角度。需要说明的是，在扫描转镜为其他的多棱镜鼓时，计算同一被测靶标相对各测量站的方位角度信息的原理与八棱镜鼓的相同。

线阵相机的特性如下：进入线阵相机的光线角度唯一。在八棱镜鼓与线阵相机装配固定后，八棱镜鼓转动的镜鼓转动角度对应唯一的八棱镜鼓等效扫描角度。在采集每帧线阵图像时记录该帧图像采集时刻的转台编码器数值，在根据图像处理得到的同一被测靶标在各测量站坐标系下的图像像素坐标后，进而得到八棱镜鼓转动角度。

利用所述八棱镜鼓的转动角度与八棱镜鼓等效扫描角度关系，确定同一被测靶标相对各测量站的水平角度，计算表达式如下：

其中，α表示八棱镜鼓的镜鼓等效扫描角度，即靶标对应的水平角度，θ表示八棱镜鼓的镜鼓转动角度，l表示扫描物面到八棱镜鼓反射面中心点的距离，d表示八棱镜鼓的棱长。

根据如下表达式计算同一被测靶标相对各测量站的垂直角度：

β＝(y1-y0)/f

其中，β表示垂直角度，y1表示所述靶标在测量站图像像素坐标中的纵坐标，单位：像素；y0表示相机主点纵坐标值，单位：像素；y1-y0若为正值，表示靶标在z轴的正半轴方向，若为负值，表示靶标在z轴的负半轴方向,f表示焦距。

本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。