[发明专利]大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法

说明书

本发明大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法属于视觉测量和逆向工程领域，涉及一种采用线激光扫描仪的大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法。该方法利用线激光扫描仪和PI电控平台搭建高精度三维点云采集系统，并利用激光跟踪仪实现多站高精度拼接。采用控制点坐标系作为局部和全局两个坐标系转换的过渡坐标系，利用激光跟踪仪记录三维点云采集系统的每一个位置。通过四元数坐标变换法将所有的数据点云变换到全局坐标系下完成拼接，用滤波器去噪，最后基于最小二乘法重建被测件表面的三维几何形状。该方法简化了拼接过程，提高了拼接精度，改进了传统非接触式测量方法难以同时满足大尺寸测量件高精度、高效率、高鲁棒性的测量要求。

技术领域

本发明属于视觉测量和逆向工程领域，涉及一种采用线激光扫描仪的 大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法。

背景技术

随着制造业工艺水平的不断提高与精密制造领域的不断发展，对于大 尺寸工件表面的几何测量精度提出了更高的要求，传统的测量手段难以满 足高精度、高效率、高鲁棒性的要求。三维激光扫描仪、线激光扫描仪等 光学测量设备由于测量精度高、效率高等优点被广泛用于高精度测量现场。 在大尺寸测量现场，由于存在遮挡、被测件尺寸大等问题，扫描测量设备 难以一次性获取被测件的整体三维形状。因此，需要扫描测量设备在不同 角度、不同位置进行多站扫描，然后将扫描的点云数据通过一定的拼接手 段拼接起来。目前的拼接方法主要包括基于精密移动机械设备的拼接方法， 基于人工标志点的拼接方法，基于几何特征的拼接方法和基于激光跟踪仪、 全站仪、经纬仪的拼接方法。基于精密移动机械设备的拼接方法对于机械 设备的精度要求很高且不容易大范围内移动。基于人工标志点的拼接方法 在测量大尺寸测量件时，需要人工粘贴大量标记点，容易破坏被测件表面 且测量效率低；基于几何特征的拼接方法要求被测件表面具有明显的几何 特征。采用激光跟踪仪的拼接方法精度高、测量范围大、测量效率高，适 合用于大尺寸被测件三维表面形状高精度测量。上海大学的周勇飞等人于 2014年3月在《计算机技术与发展》的第24卷第3期发表了“基于双目的 三维点云数据的获取与预处理”一文，采用双目摄像头获取物体的三维点云 数据，由于双目视场有限导致一次性测量范围有限。另外，数据点云的获 取精度远远不够且无规律可循，对于结构较复杂的被测件的点云后续处理 算法难度较大。中国人民解放军国防科学技术大学的赖世铭等人于2015 年发明了“基于格雷码结构光与极线约束的三维点云获取方法”，专利号 为ZL201510222288.1，提出了一种基于格雷码结构光与极线约束的三维点 云获取方法，将对极约束和编码条纹约束两种对应点匹配的约束条件进行 叠加，将点匹配的搜索范围缩小到一维，简化了两视图图像的匹配问题， 同时保证了匹配的准确度。综合以上基于双目视觉获取点云的方法，虽然 测量效率较高、鲁棒性好，但在测量前需要进行人工双目标定，获取点云 的精度受到相机和环境条件的制约。

发明内容

本发明为了解决现有测量设备及数据拼接方法难以满足大尺寸零、部 件三维表面高精度、高效率、全方位测量要求的问题，由于采用线激光扫 描仪仅仅能够测量X,Z轴信息，缺省Y轴。所以，发明了一种大尺寸测量 件表面三维形状高精度测量方法，采用PI高精度移动平台补充缺省的Y 轴，并利用激光跟踪仪实现多站高精度拼接。针对大尺寸零、部件三维表 面几何形状的高精度测量以及多基站拼接问题，采用控制点坐标系作为两 个坐标系转换的过渡坐标系，大大简化了拼接过程，提高了拼接精度。先 通过线激光扫描仪对被测件表面进行局部高精度分块扫描，再通过激光跟 踪仪，实现各个位置扫描点云的拼接，最终得到被测零、部件的高精度三 维表面形状。本发明克服了传统测量方法和双目视觉方法获取点云精度低 的问题，具有测量精度高、效率高、鲁棒性好，有很好的应用前景。