[发明专利]一种大型复杂曲面构件三维形貌光学测量系统和方法

摘要

本发明提供一种大型复杂曲面构件三维形貌光学测量系统和方法，所述方法基于双目光栅投影测量技术，借助激光跟踪仪和相应的靶标球来获取多站位测量时各个站位的点云位姿，最后将各站位测得的点云根据相应的位姿数据转换到统一的激光跟踪仪坐标系下，实现大尺度复杂面型构件点云数据的全局拼合；所述系统以六自由度机器人为点云空间位姿跟踪单元及双目结构光测量设备的载体，测量开始前首先对双目结构光测量设备进行标定以保证单站位测量精度，然后通过测量路劲规划来保证数据完整性和测量效率。本发明可在非接触条件下实现对各种大尺度复杂面型构件的精确测量，为各种加工质量的评价提供实用可靠完整的三维形貌原始数据。

主权项

1.一种大型复杂曲面构件三维形貌光学测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：激光跟踪仪(1)、点云空间位姿跟踪单元(2)、双目结构光测量设备(3)和六自由度机器人(4)，其中：所述点云空间位姿跟踪单元(2)和所述双目结构光测量设备(3)均固定于所述六自由度机器人(4)末端，工作过程中由所述六自由度机器人(4)承载所述点云空间位姿跟踪单元(2)和所述双目结构光测量设备(3)并定位于相应的测量点位，所述双目结构光测量设备(3)用于获取被测区域点云，所述点云空间位姿跟踪单元(2)用于获取该点云位姿，并转换到激光跟踪仪坐标系下以实现点云拼合；所述双目结构光测量设备(3)包括两个CCD工业相机(9)、一个数字投影仪(10)和基座(11)，其中：两个CCD工业相机(9)、一个数字投影仪(10)均固定在基座(11)上，数字投影仪(10)位于中间，两个CCD工业相机(9)分居数字投影仪(10)的两侧；工作时，左右两个CCD工业相机(9)拍摄数字投影仪(10)投在被测对象表面的结构光条纹图片，然后经相位解码、匹配进行三维重建获取点云数据；所述点云空间位姿跟踪单元(2)，包括高精度步进电机(5)、摆动杆(6)、靶标球基座(7)和激光跟踪仪靶标球(8)，其中：高精度步进电机(5)的输出端连接摆动杆(6)，靶标球基座(7)固定于摆动杆(6)的末端，激光跟踪仪靶标球(8)放置于靶标球基座(7)上，高精度步进电机(5)驱动摆动杆(6)摆动，进而带动放置于靶标球基座(7)上的激光跟踪仪靶标球(8)摆动，激光跟踪仪(1)获取多次摆动后激光跟踪仪靶标球(8)的三维坐标，并据此建立末端坐标系，以获取点云位姿；所述点云空间位姿跟踪单元(2)，获取点云位姿具体如下：末端坐标系的建立：高精度步进电机带动激光跟踪仪靶标球在空间中转动三个位置，分别编号为1#、2#、3#位置，由1#位置确定末端坐标系原点，2#位置确定末端坐标系X方向，由3#位置和2#位置一起确定末端坐标系的X、Y平面，从而确定末端坐标系；末端坐标系在激光跟踪仪坐标系下位姿的求解：位姿转换矩阵的求解，转化为如下所示的带约束的优化问题求解：其中：Lo为靶标球组在激光跟踪仪(1)下的坐标值组成的齐次坐标矩阵，Li为靶标球组在末端坐标系下的坐标值组成的齐次坐标矩阵；R、T为所要求的旋转矩阵和平移向量，I为3阶单位矩阵，s.t为subject to的缩写，使得...满足。