[发明专利]大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法

摘要

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。

主权项

1.一种大尺寸测量件表面三维形状高精度测量方法，其特征是，该方法通过高精度二维线激光扫描仪和一维高精度PI电控平台构建三维点云采集系统，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，简化拼接过程，提高拼接精度；按照采集系统的视场及被测件尺寸划分被测件的单次扫描区域，然后逐个区域扫描被测件，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，利用滤波器对点云进行去噪，最后基于最小二乘法重建被测件表面的三维几何形状；方法的具体步骤如下：/n第一步：搭建三维点云采集系统并构建坐标系/n搭建三维点云采集系统并构建三维点云采集系统局部坐标系、激光跟踪仪全局坐标系和控制点坐标系，具体过程如下：/n首先，线激光扫描仪(4)通过高精度直角夹具(3)连接到PI电控平台(2)，将线激光扫描仪(4)的外触发端与PI电控平台(2)的I/O输出端口相连，并将它们都连接到计算机，构成了三维点云采集系统；将支撑架(5)上的标准陶瓷球(6)及球座(7)放置在视场的合适位置，最后将激光跟踪仪(1)放置在无遮挡的合适区域；/n然后，当线激光扫描仪(4)处于PI电控平台(2)左极限位置时，以其扫描平面O-XZ为基础，辅以PI电控平台(2)的Y轴，形成第i个位置的三维点云采集系统局部坐标系O-X^cY^cZ^c；设定激光跟踪仪坐标系为全局坐标系O-X^gY^gZ^g，控制点坐标系为O-XtYtZt；/n第二步：多个坐标系之间的标定/n首先，利用三维点云采集系统分别扫描三个标准陶瓷球(6)，得到该坐标系下三个公共点的坐标，即和用等大的激光跟踪仪靶球替代标准陶瓷球，利用激光跟踪仪测其对应球心分别为和/n然后进行激光跟踪仪全局坐标系和三维点云采集系统局部坐标系之间的标定；/n1)两个坐标系下球心公共点坐标重心化/n /n /n公式(1)、(2)中为三维点云采集系统局部坐标系下球心坐标的均值，为激光跟踪仪全局坐标系下球心坐标的均值；/n由公式(1)、(2)计算得两个坐标系下各球心重心化后的坐标分别为：/n记作：和/n2)求解矩阵A及单位四元数q/n /n其中，以此类推求出每一个参数；/n由公式(3)求取矩阵A，由公式(4)得到矩阵A的特征值以及对应的特征向量：/n(λI-A)x＝0 (4)/n其中，λ为矩阵A对应的特征值，x为各特征值对应的特征向量，I为4×4单位矩阵；最大特征值λ_max对应的特征向量x₁即为所求四元数；/n(λ_maxI-A)x₁＝0 (5)/n即所求单位四元数q＝x₁＝(q₀ q₁ q₂ q₃)，其中，q₀表示q的实数单位系数，q₁,q₂,q₃表示q的虚数单位系数，然后利用该四元数求出全局坐标系和局部坐标系的旋转矩阵R_c-g和平移矩阵T_c-g：/n /n /n公式(6)、(7)中，分别为三维点云采集系统局部坐标系和激光跟踪仪全局坐标系下三个公共点球心坐标平均值；/n因此，全局坐标系和局部坐标系之间的转换关系为：/n /n3)控制点坐标系与三维点云采集系统局部坐标系之间的标定；/n三维点云采集系统上固定控制点为A、B、C，用三点建立控制点坐标系O-X^tY^tZ^t，位于靶球座(9)上的激光跟踪仪靶球(8)球心A、B、C三点在控制点坐标系下的坐标为在全局坐标系下的对应坐标为然后基于四元数法进行坐标变换，得到控制点坐标系与全局坐标系的转换关系：/n /n其中，R_t-g、T_t-g分别为控制点坐标系与全局坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；/n由公式(10)、(11)得到控制点坐标系与三维点云采集系统局部坐标系之间的固定转换关系：/n /n若令R_c-t＝(R_t-g)^-1·R_c-g且T_c-t＝(R_t-g)^-1·(T_c-g-T_t-g)，则上式简化为：/n /n其中，R_c-t、T_c-t分别为三维点云采集系统局部坐标系与控制点坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；/n第三步：分块划分局部扫描并拼接点云数据/n根据三维点云采集系统的视场范围将大尺寸被测件划分为m×n个扫描区域，假设第i个扫描位置的点云在三维点云采集系统局部坐标系下的集合为Q_i，对应控制点A、B、C在全局坐标系下的坐标分别为和然后通过以下转换，将第i个扫描位置的点云变换到全局坐标系下的对应位置；/n各位置控制点坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的转换，当三维点云采集系统处于第i个位置时，控制点A、B、C在控制点坐标系下的坐标为和同时这三个控制点A、B、C在全局坐标系下的坐标分别为和采用四元数法进行坐标变换，得到如下变换方程式：/n /n其中，和分别为第i个位置控制点坐标系与全局坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；/n因此，第i个位置的扫描点云转换到全局坐标系的转换关系为：/n /n其中，分别为第i个位置扫描点云在全局坐标系和三维点云采集系统局部坐标系下的坐标集合；/n对于m×n个位置的点云，按照公式(13)的坐标转换方法，将所有位置的点云转换到全局坐标系下，完成多站点云的拼接；/n第四步：点云数据的预处理与曲面重建/n由第三步完成数据点云的拼接，由于点云采集过程中存在遮挡、反光问题，会出现少许的噪声点和非被测件的点云，鉴于线激光采集的点云信息集中在Z轴而X、Y轴方向的点云范围有限，因此，采用直通滤波器在X和Y轴方向进行点云截取，初步去除非被测件的点云，即分别设定X和Y轴的新边界X_min,X_max,Y_min,Y_max，然后仅保留边界内的点云，得到新的点云集合为Q＝{Q(X,Y,Z)}，其中，X_min＜X＜X_max,Y_min＜Y＜Y_max，然后采用中值滤波去除点云中的高频噪声；最后根据数据点云的构造逼近被测件的曲面。/n