一种基于线结构光的三维测量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于线结构光的三维测量传感器。包括传感头和控制器，传感头用于断面数据与自身姿态信息的采集，并进行断面数据与自身姿态信息的匹配；传感头包括三维相机、姿态传感器、激光器及控制子板；三维相机与激光器成一定角度安装，利用三角测量原理，获取激光线所对应物体表面的高程与灰度信息；姿态传感器与三维相机、激光器安装在同一个刚性平面上，姿态传感器实时反应三维相机与激光器的测量姿态。控制器用于测量控制传感头、进行数据处理传输以及支持外部控制。本发明实现了同一姿态、同一时间对被测对象进行同步测量，支持高动态环境下高速、高精度测量，测量精度达到微米级，频率10KHz以上。
【专利说明】
一种基于线结构光的三维测量传感器
技术领域
[0001]本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及到一种基于线结构光的三维测量传感 器。
【背景技术】
[0002] 如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是国内外学者深入研究的前沿课题。 随着信息技术研究的深入及智慧城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术 为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。随着传感器、电子、光学、计算机 等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主 流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从 二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段 难以满足未来应用的需求，如何快速、有效地将现实世界三维信息高精度获取、建模分析及 存储成为解决这一问题的瓶颈。
[0003] 三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段， 为信息数字化发展提供了必要的生存条件。激光测量技术出现于上世纪80年代，由于激光 具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，将其引入测量装置中，在精度、速度、易操作 性等方面均表现出巨大的优势，它的出现引发了现代测量技术的一场革命，许多高技术公 司、研究机构将研究方向和重点转移到激光测量装置研究中。随着激光技术、半导体技术、 微电子技术、计算机技术和传感器等技术发展和应用需求推动，激光测量技术也由点对点 的激光测距，发展到采用非接触主动测量，快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的 三维激光扫描测量技术。随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便和抗干 扰能力等性能方面的提升及价格方面的逐步下降，20世纪90年代，其在测绘领域成为研究 的热点，扫描对象不断扩大，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主 要方式之一。上世纪90年代中后期，三维激光扫描仪已形成了颇具规模的产业。
[0004] 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式 直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现 实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全 数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间且使用方便，典型的有瑞士 Leica公司、美 国3D DIGITAL公司、奥地利RIGEL公司、加拿大OpTech公司、瑞典TopEye及澳大利亚I-SITE 公司等。
[0005] 近几年，随着国内三维测量应用的普及以及测量技术的提高，国内部分研究机构 及高技术公司也开始投入进行三维激光测量技术研究，武汉海达数云、北京容创兴业等，其 产品已经在国内得到应用。
[0006] 特定研究对象所需要的三维数据特征并不完全一样，即获取三维数据的方式会随 研究对象的变化而提出特殊要求。比如对于传统国土调查、测量测绘、建筑物建模、矿产调 查等，从宏观角度获取物体表面三维点云，利用点云建模即可满足需求，其特征是范围广， 精度要求相对较低(如厘米级），允许固定站点测量，要求点云覆盖被研究对象，对组成点云 的单点间关系没有特殊要求，测量结果往往是相对于测量站点的绝对距离;对于特定研究 如文物考古、路面病害检测、隧道测量、机场跑道异物及病害检测、芯片缺陷检测等要求在 高动态环境测量(动态环境下快速测量），精度达到微米级，点云间需要满足特定关系，测量 结果往往是相对于被测物自身的相对距离。宏观三维点云获取及建模国内外已经进行了较 多研究，基于激光测量技术的三维激光雷达已经相对成熟，国内外已经得到广泛应用，如奥 地利RIEGL、美国FARO及国内海达数云等均都有成熟产品，基本原理都采用旋转棱镜测量单 个断面、旋转云台扫描整个视场的方式获取物体三维点云，基于时间飞行差脉冲测量，测量 精度达到毫米级，测量速度达到每秒百万点以上，测量时棱镜和云台同步旋转，其测量断面 不是严格意义上的断面(非同一时空下获取的断面），可以理解为离散点组成的物体表面三 维点云。但是，在诸如道路病害检测、隧道测量、轨道病害检测及文物考古等方面，都要求在 高动态环境下测量，且需要一次测量能获取严格意义上的一个测量断面，即断面上的点是 同一姿态、同一时间测量，如轨道轨廓检测和公路车辙检测等，测量幅宽至少2000毫米以 上，测量分辨率（同一断面的点采用间隔）至少达到毫米，距离测量精度达到0.001毫米，测 量频率ΙΟΚΗζ以上，相当于每秒测量2千万个点，现有激光三维雷达测量技术都无法满足测 量需求。
[0007] 国际上本世纪初就已经开始动态三维测量技术研究，最早研究是基于二维面阵相 机结合大功率激光器简单集成，采用激光三角测量原理进行低频率测量，如德国SICK公司 的RANGER系列，随着应用的发展，逐步发展出了专用的三维测量相机，与二维相机不同，三 维相机直接集成了断面测量方法，由相机直接输出测量断面，测量频率得到大幅提高，达到 20KHz以上，使得高动态环境下三维测量成为可能。三维相机虽然实现了三维断面的高频率 测量，但是针对不同测量对象的特定测量要求，三维相机本身无法达到实际应用要求，而且 三维相机需要配合合适的激光器提供光源，数据处理也需针对应用特殊处理，对使用者提 出了较高要求。因此，研究集成三维相机、激光器、姿态传感器以及数据预处理方法的三维 测量传感器，实现在高速运动环境下的三维测量有着巨大的意义。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于线结构光的三维测量传感器，以克服 现有三维测量传感器不能满足高动态环境下的测量应用，测量精度低的缺陷。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于线结构光的三维测量传感器，包括 传感头和控制器两部分，
[0010] 所述传感头用于测量，包括断面数据与自身姿态信息的采集，并进行断面数据与 自身姿态信息两者的匹配；
[0011] 所述控制器用于测量控制所述传感头、进行数据处理传输以及支持外部控制，包 括控制各传感头供电，触发传感头采集，控制传感头曝光时间，检验传感头数据，匹配与拼 接各传感头数据，并利用内置算法处理传感头数据。
[0012] 优选的，在道路病害检测、隧道测量检测过程中，由于被测物宽度(垂直于行车方 向）较大，单个传感头无法同时覆盖，需要多个传感头同时工作，以达到增大测量范围的目 的。因此，本发明的传感头数量为多个，同时分别与控制器连接，各传感头利用RS485或CAN 总线的方式进行组网。
[0013] 所述控制器支持外部控制，包括接收外部系统的定位定姿信息，并将所述定位定 姿信息与断面数据进行匹配;接收外部系统的触发信号，触发传感头采集数据。
[0014] 所述控制器进行数据处理传输，包括输出各传感头运行的状态信息，同时接收上 位机的控制指令;输出采集到的原始数据，原始数据包括匹配后的各传感头的断面数据与 自身姿态信息;输出的结果数据是控制器进行数据处理后的结果。
[0015] 进一步的，所述传感头由三维相机(包含镜头与滤光片）、姿态传感器、激光器及控 制子板组成。
[0016] 所述三维相机与激光器成一定角度安装，利用三角测量原理，获取激光线所对应 物体表面的高程与灰度信息；
[0017] 所述姿态传感器与三维相机、激光器安装在同一个刚性平面上，姿态传感器实时 反应三维相机与激光器的测量姿态；
[0018] 所述控制子板，包括第一供电单元、第一控制单元与采集单元。第一供电单元对传 感头内所有设备供电;第一控制单元控制三维相机与激光器工作;采集单元采集三维相机、 姿态传感器、触发信号及状态信息，并对三维相机、姿态传感器与触发信号进行数据匹配。
[0019] 所述控制器由控制母板组成，所述控制母板连接一个或多个传感头。所述控制母 板包括第二供电单元、第二控制单元与处理单元。
[0020] 所述第二供电单元为传感头提供所需电源，并为控制母板供电；所述第二控制单 元接收外部的触发信号或产生触发信号，触发传感头工作，并利用触发信号控制传感头的 曝光时间，上位机可利用外部触发信号控制多个结构光三维测量仪工作；
[0021] 所述处理单元接收一个或多个传感头的数据，检验数据有效性，并利用触发信号 对多个传感头的数据进行匹配，然后利用内置算法对传感头数据进行处理，最终输出处理 后的结果。
[0022] 有益效果：
[0023] 本发明研究基于线结构光、高速高分辨率视觉传感器、高精度姿态传感器，采用三 角测量原理的高动态精密三维测量技术，测量精度达到微米级，频率ΙΟΚΗζ以上，研制出高 动态精密三维测量传感器，实现同一姿态、同一时间对被测对象进行同步测量，支持高动态 环境下高速、高精度测量。同时，该测量技术可应用于工业生产，如在芯片缺陷检测方面，利 用该测量技术建立芯片微米级三维模型，实现在线芯片微弱缺陷的自动检测等。
【附图说明】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0025]图1为本发明基于线结构光的三维测量传感器逻辑框图。
[0026]图2为本发明传感头组成逻辑框图。
[0027]图3为传感头结构俯视示意图。
[0028]图4为传感头结构后视示意图。
[0029]图5为传感头工作的数据流程图。
[0030]图6为控制器组成逻辑框图。
[0031]图7为控制器工作的数据流程图。
【具体实施方式】
[0032] 如图1所示，基于线结构光的三维测量传感器由传感头和控制器两部分组成，传感 头实现测量，控制器实现测量控制和数据处理传输。传感头负责采集断面数据与自身姿态 信息，并进行两者匹配，控制器集成控制各传感头，包括控制各传感头供电，触发传感头采 集，控制传感头曝光时间，检验传感头数据，匹配与拼接各传感头数据，并利用内置算法处 理传感头数据。在道路病害检测、隧道测量检测过程中，由于被测物宽度(垂直于行车方向） 较大，单个传感头无法同时覆盖，需要多个传感头同时工作，以达到增大测量范围的目的。 一个控制器连接一个或多个传感头，同时控制器支持外部控制。
[0033] 基于线结构光的三维测量传感器可接收外部测量系统的定位定姿信息，并将其与 断面数据进行匹配;接收外部测量系统的触发信号，触发系统采集数据，同时也可按照一定 的频率进行数据采集。
[0034]基于线结构光的三维测量传感器中各传感器利用RS485或CAN总线的方式进行组 网，传输系统中各传感器的运行状态。
[0035]基于线结构光的三维测量传感器输出系统运行的状态信息，同时接收上位机的控 制指令;也可输出系统采集到的原始数据，原始数据包括匹配后的各传感头的断面数据与 姿态数据;输出的结果数据是利用内置于控制器内的算法进行处理后的数据。根据不同的 测量需要可内置不同的算法，获取不同的结果数据。
[0036]如图2所示，基于线结构光的三维测量传感器的传感头由三维相机(包含镜头与滤 光片）、姿态传感器、激光器及控制子板组成。三维相机与激光器成一定角度安装，利用三角 测量原理，获取激光线所对应物体表面的高程与灰度信息；
[0037] 姿态传感器与三维相机、激光器安装在同一个刚性平面上，姿态传感器实时反应 三维相机与激光器的测量姿态；
[0038]控制子板，包括第一供电单元、第一控制单元与采集单元。第一供电单元对传感头 内所有设备供电；第一控制单元控制三维相机与激光器工作;采集单元采集三维相机、姿态 传感器、触发信号及状态信息，并对三维相机、姿态传感器与触发信号进行数据匹配。
[0039]传感头是数据采集的核心部分，其结构上的适用性，反映了整个基于线结构光的 三维测量传感器的适用性。其具体结构如图3、图4所示：
[0040]激光器垂直于被测物表面，三维相机与激光器成夹角α，α的范围是4~45度，两者 相距L，L的范围是60~1000mm，传感器的工作距离为100~5000mm，测量范围20~300mm,测 量的分辨率可达到〇. 0005~0.2mm。在工作距离发生变化时，需要调节相机与激光器的夹角 与间距。针对不同车型，其具体安装参数如下表一所示：
[0041 ]表一传感头安装参数表
[0044] 如图5所示的传感头上电工作数据流程图，传感头上电工作后，开启三项任务:姿 态传感器数据米集任务，二维相机数据米集任务，状态?目息米集任务。
[0045] 姿态传感器数据采集任务：
[0046] (1)采集姿态传感器数据；
[0047] (2)解析姿态传感器数据，并将其存入数据缓存；
[0048] (3)重复1、2。
[0049]三维相机数据采集任务的流程为：
[0050] (1)控制子板等待触发信号，若无则继续等待，若有则进行下一步；
[0051] (2)触发信号记数加1，用于后期数据匹配；
[0052] (3)触发三维相机采集数据，并等待三维相机回传数据；
[0053] (4)接收三维相机数据，并存入数据缓存；
[0054] (5)从姿态传感器数据缓存中获取最新的姿态数据；
[0055] (6)对三维相机数据，姿态数据，触发信号进行数据匹配；
[0056] (7)重复1、2、3、4、5、6。
[0057]状态信息采集任务：
[0058] (1)采集状态数据；
[0059] (2)发送状态数据；
[0060] (3)重复1、2。
[0061] 如图6所示的控制器组成逻辑框图，控制器由控制母板组成，其连接一个或多个传 感头。
[0062]控制母板包括第二供电单元、第二控制单元与处理单元。
[0063]第二供电单元为传感头提供所需电源，并为控制母板供电；
[0064] 第二控制单元接收外部的触发信号或产生触发信号，触发传感头工作，并利用触 发信号控制传感头的曝光时间，上位机可利用外部触发信号控制多个结构光三维测量仪工 作；
[0065] 处理单元接收一个或多个传感头的数据，检验数据有效性，并利用触发信号对多 个传感头的数据进行匹配，然后利用内置算法对传感头数据进行处理，最终输出处理后的 结果。
[0066] 如图7所示的控制器工作数据流程图，控制器上电工作后，开启四项任务:传感头 数据采集任务，数据处理任务，数据发送任务，状态信息采集任务。
[0067]传感头数据采集任务流程如下：
[0068] (1)等待外部输入的触发信号或控制母板自产生的触发信号；
[0069] (2)接收到触发信号后，接收外部输入的定位定姿信息；
[0070] (3)向各传感头发送触发信号，控制其采集与曝光时间；
[0071] (4)等待接收各传感头的原始数据，检验数据有效性，并将原始数据与定位定姿信 息存入原始数据缓存中；
[0072] (5)重复1、2、3、4。
[0073]数据处理任务流程如下：
[0074] (1)等待原始数据，主要是检测原始数据缓存中是否有数据更新；
[0075] (2)利用触发信号，对原始数据，包含各传感头断面数据以及定位定姿信息，进行 数据匹配；
[0076] (3)利用控制母板内置数据处理算法对原始数据进行处理，生成结果数据，并将其 存入结果数据缓存中；
[0077] (4)重复1、2、3。
[0078]数据发送流程如下：
[0079] (1)等待结果数据，主要是检测结果数据缓存中是否有数据更新；
[0080] (2)向上位机发送结果数据；
[0081] (3)重复1、2。
[0082] 本发明提出的基于线结构光的三维测量传感器能实现同一姿态、同一时间对被测 对象进行同步测量，支持在诸如道路病害检测、隧道测量、轨道病害检测及文物考古等高动 态环境下完成高速、高精度测量，测量精度达到微米级。
[0083]基于线结构光的三维测量传感器中将三维相机、激光器、姿态传感器集成在传感 头内，工作距离能达到100~5000mm，在此工作范围内可保证基于线结构光的三维测量传感 器的量程达到20~300mm，精度达到0.0005~0.2mm。
[0084] 在传感头采集数据时，其中的姿态传感器能完成姿态数据与断面数据的匹配，在 后续的数据处理过程中可根据需要运用姿态数据对断面数据断面值的修正，达到提高数据 精度的目的。
[0085] -个控制器能连接多个传感头进行数据采集，并完成多传感头数据间的匹配，因 此可以增大基于线结构光的三维测量传感器的测量范围。
[0086] 基于线结构光的三维测量传感器降低上位机要求，由于控制器完成了部分数据处 理任务，减少了与上位机的数据交互量，从而降低了上位机的要求。
[0087] 最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对 本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于线结构光的三维测量传感器，其特征在于，包括传感头和控制器两部分， 所述传感头用于测量，包括断面数据与自身姿态信息的采集，并进行断面数据与自身 姿态信息两者的匹配； 所述控制器用于测量控制所述传感头、进行数据处理传输以及支持外部控制，包括控 制各传感头供电，触发传感头采集，控制传感头曝光时间，检验传感头数据，匹配与拼接各 传感头数据，并利用内置算法处理传感头数据； 所述传感头包括三维相机、姿态传感器、激光器及控制子板； 所述三维相机与激光器成一定角度安装，利用三角测量原理，获取激光线所对应物体 表面的高程与灰度信息； 所述姿态传感器与三维相机、激光器安装在同一个刚性平面上，姿态传感器实时反应 三维相机与激光器的测量姿态； 所述控制子板，包括第一供电单元、第一控制单元与采集单元;所述第一供电单元用于 对传感头内所有设备供电；所述第一控制单元用于控制三维相机与激光器工作;所述采集 单元用于采集三维相机、姿态传感器、触发信号及状态信息，并对三维相机、姿态传感器与 触发信号进行数据匹配。2. 根据权利要求1所述的基于线结构光的三维测量传感器，其特征在于，所述传感头数 量为多个，同时分别与所述控制器连接，各传感头利用RS485或CAN总线的方式进行组网。3. 根据权利要求1所述的基于线结构光的三维测量传感器，其特征在于，所述控制器支 持外部控制，包括接收外部系统的定位定姿信息，并将所述定位定姿信息与断面数据进行 匹配;接收外部系统的触发信号，触发传感头采集数据。4. 根据权利要求1所述的基于线结构光的三维测量传感器，其特征在于，所述控制器进 行数据处理传输，包括输出各传感头运行的状态信息，同时接收上位机的控制指令;输出采 集到的原始数据，原始数据包括匹配后的各传感头的断面数据与自身姿态信息;输出的结 果数据是控制器进行数据处理后的结果。5. 根据权利要求1所述的基于线结构光的三维测量传感器，其特征在于，所述控制器由 控制母板组成，所述控制母板连接一个或多个所述传感头； 所述控制母板包括第二供电单元、第二控制单元与处理单元； 所述第二供电单元，用于为所述控制母板内的设备供电； 所述第二控制单元，用于接收外部的触发信号或产生触发信号，触发传感头工作，并利 用触发信号控制传感头的曝光时间，上位机利用外部触发信号控制多个结构光三维测量仪 工作； 所述处理单元，用于接收一个或多个传感头的数据，检验数据有效性，并利用触发信号 对多个传感头的数据进行匹配，然后对传感头数据进行处理，最终输出处理后的结果。
【文档编号】G01B11/245GK106017355SQ201610163636
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李清泉, 张德津, 曹民, 王新林, 林红
【申请人】武汉武大卓越科技有限责任公司