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光笔式三维坐标测量方法-视觉测量技术揭秘

【摘要】:针对上述问题,满足现场测量需求的便携式三坐标测量系统及方法应运而生,并成为测量领域的研究热点之一。以单目或双目视觉测量技术为基础,结合三坐标测量机的工作模式,一种手持光笔式三坐标测量机应运而生。光笔式三坐标测量系统具有如下特点:测量功能强大光笔式三坐标测量能实时动态地给出测量范围以内三维空间任意被测点的三维坐标,是一个功能完整的三维坐标测量系统。

三坐标测量方法以其通用性强、测量范围大、测量精度高、易于柔性制造和易于与计算机集成制造系统相连接等特点,成为一种高效的精密测量仪器,可广泛应用于机械制造电子汽车制造和航空航天等工业领域中。现有的三坐标测量机(Coordinate Measuring Ma-chine,CMM)绝大部分是接触式的,以正交坐标系为基础,有固定的工作台和互相垂直的运动轴及标尺。其底座、工作台、导轨和立柱通常由金属制成,因此现有的三坐标测量机都比较笨重,不适应大型工件现场快速测量的需要。

近年来,以CCD摄像机为核心部件的三维视觉检测系统的研究得到了较大发展,由于是非接触式测量,所以能对柔性和易变形件进行检测。一旦系统安装并标定好后,就能够快速检测。但是在生产和科学研究实践中,有很多场合需要安装简单、易于操作和大量程的便携三维坐标测量装置。如大型工程项目的相对位置测量,不可能把笨重的机器搬到三坐标测量机上进行测量,而三维视觉测量需对系统进行复杂的标定并构筑一定的坐标系统。这些都是非常费时费事的。针对上述问题,满足现场测量需求的便携式三坐标测量系统及方法应运而生,并成为测量领域的研究热点之一。

先进制造业的蓬勃发展对三维几何尺寸测量技术提出了更高的要求,即实现大范围、便携式、数字化、无导轨、动态实时跟踪测量等。以单目或双目视觉测量技术为基础,结合三坐标测量机(CMM)的工作模式,一种手持光笔式三坐标测量机应运而生。它以测量范围大、柔性好、便携式等特点在工业现场测量等场合有着广泛的应用前景。仅由一支光笔、一台和几台摄像机及计算机构成。把摄像机架在待测物体旁边,用光笔触点接触物体上任何感兴趣的点,即可实时采集、计算和显示这些点的三维坐标。光笔式三坐标测量系统具有如下特点:

(1)测量功能强大

光笔式三坐标测量能实时动态地给出测量范围以内三维空间任意被测点的三维坐标,是一个功能完整的三维坐标测量系统。它既能完成单一几何要素的尺寸与形状误差的测量,也能完成关联要素的位置误差测量等多种功能。

(2)便于携带

与传统的三坐标测量设备相比,整个测量系统的结构简单轻便,因此可以携带到室外或工作现场进行现场测量。

(3)量程大、精度高(www.chuimin.cn)

光笔式三坐标测量系统的测量空间范围可达到米级,而测量精度可达到0.1mm级,因此它可以用作汽车车身、航天器壳体等大型三维曲面的测量。

(4)组建灵活、操作简单

光笔、摄像机和被测物体三者之间不需要严格精确地安装定位,因此可根据被测物体的特点灵活调整摄像机的位置,大大方便了现场使用,增强了系统的柔性。而现有的大范围CCD三维视觉测量系统一般由多个甚至多种视觉传感器组成。由于各传感器相互位置标定的工作量很大,改变传感器间的相互位置需要花费很长的时间,且柔性较差。

(5)测量不受被测物体表面差异的影响

由于在图像处理中关注的是摄像机摄取的光笔上点光源的图像而不是被测物的特征点,因此大大降低了视觉测量系统中图像处理与分析的难度,提高了测量的精确性和稳定性。测量基本不受被测物体表面的几何形状、表面曲率和材质及环境变化的影响,解决了视觉测量中最为棘手的问题。有些难以检测的位置或盲点,可以通过改变光笔的长度和形状来进行测量。

光笔是一个棒状或框架结构的部件,笔尖处装有球形的触发测头。测量时光笔笔尖上的触发测头接触物体上的待测点。由以上叙述可知,单台摄像机通过光笔测量点坐标只能是逐点进行测量。测量时,摄像机固定不动,用手拿住光笔将测头接触待测点曝光并拍摄,计算得到待测点坐标,然后测量另一点,如此反复进行,最后得到的是在统一的摄像机坐标系中的坐标。这种方法在平行于像平面的平面内,长度测量精度要高于沿摄影方向,且对平行于像平面的平面度测量精度则更高,这是由于测量棒形状的实际限制所致。