[发明专利]一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法

权利要求书

1.一种高精度三维工件尺寸检测系统，其特征在于，该系统包括：

线激光发射器，用于向待检测的物体发射激光线形成激光光条，激光光条对应物体的表面形状；

图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的物体表面图像，并将采集到的物体表面图像发送给设备主控制器；

设备主控制器，用于将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；

服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，通过标定板投影映射方法提取物体表面图像中的光条中心线，获取物体表面形状，进而计算待检测物体的具体尺寸；

服务器端采用的标定板投影映射方法具体包括以下步骤：

(1)建立标定板坐标，标定板上的黑白网格提供了标定板平面的实际尺寸信息，通过将标定板与线激光平面共面放置，并用相机获取标定板图像，即可在三维测量中将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面；

(2)计算旋转轴在标定板平面的方程；

(3)光条中心线提取，线激光照射至被测物体表面的激光线表征了当前角度下物体的轮廓及尺寸信息，通过计算出激光线的图像坐标，进而从相机拍摄的图像上提取激光线；

该方法中计算旋转轴在标定板平面的方程的具体方法为：

通过多边形面积逼近圆面积的方法求解旋转轴在标定板平面的直线方程；对于一个圆柱横截面，O为旋转轴心，θ为单次旋转角度，A与B分别为第i次与第i+1次成像时激光线在圆柱横截面的位置，d_i表示第i张图像中圆柱表面激光线与旋转轴的距离；ΔAOB的面积可通过三角形面积公式求解；将所有三角形面积求和，并令求和结果与标准圆柱横截面面积之差最小，即可得到旋转轴在标定板平面的纵截距；旋转轴在标定板平面的方程y＝kx+b通过求解如下所示的优化问题得到：

s.t.b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

k＝k_i i＝0,1,…,N-1

目标函数中，S为圆柱体截面的面积，N为拍摄图像的数量，θ为单次旋转角度，d_i表示第i张图像中提取出的圆柱表面的激光线与旋转轴的距离，d_i为k、b以及b_i的隐函数；约束项中，k_i与b_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线在标定板平面的斜率以及纵截距；

对目标函数进行简化，简化后的优化问题为带有约束项的单变量非凸优化问题，其中目标函数为优化变量的四次多项式；将等式约束带入目标函数中，对优化变量b求一阶偏导，并令其等于0，再选择满足不等式约束的解，即可完成求解，得到旋转轴在标定板平面的方程：

s.t.b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

其中，等式约束中的x_i与y_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线段的中点在标定板平面的横纵坐标。

2.根据权利要求1所述的高精度三维工件尺寸检测系统，其特征在于，服务器端包括以下模块：

预处理模块，用于建立标定版坐标以及进行旋转轴的计算，将照射于待检测物体表面的激光线映射至标定板平面，进而得到被测物体的尺寸；

光条中心线提取模块，用于从所拍摄的物体表面图像中提取出激光光条的中心线，计算出激光线的图像坐标；

坐标变换模块，用于根据激光中心线的坐标信息来计算出三维空间中被测物体表面的点云数据；

表面重建模块，用于将物体表面的点云数据重建成表面。

3.根据权利要求1所述的高精度三维工件尺寸检测系统，其特征在于，图像采集装置包括摄像头和树莓派；待检测物体下方放置在旋转平台上，旋转平台底部设置有舵机，通过舵机带动旋转平台进行旋转运动。