光笔式便携三坐标测量系统测头标定及相关技术研究

摘要

光笔式三坐标测量系统基于视觉测量技术，具有重量轻、便携性好、组建灵活、操作简单、精度适中、测量不受被测物体表面差异影响等优点，代表着坐标测量技术的一个重要发展方向，具有广阔的应用背景。本课题组于2000年开始这项研究，取得了一系列成果。由于现场测量往往需要对光笔测头进行标定，围绕光笔测头的标定及相关技术，本论文做了如下工作：
　　 1、介绍了当前便携式三维坐标测量技术特别是其中的手持探头式便携坐标测量技术；
　　 2、从PNP问题的解的角度说明了光笔设计的正确性；
　　 3、通过对图像中测量背景对光笔控制点识别和处理造成干扰的部分进行屏蔽，使得在复杂背景下提取光笔区域成为可能，提高了控制点边缘和中心的定位精度；
　　 4、创造性地提出采用两种模式进行控制点中心定位。一种是经Canny边缘检测获得控制点边缘后，对边缘进行最小二乘椭圆拟合，用椭圆中心近似控制点中心，适用于近距离测量；另一种是对控制点中心初步定位后用改进的高斯曲面拟合法获得亚像素级的曲面极值点，适用于较远距离的测量。并给出了两种模式的控制点中心定位重复性精度。
　　 5、建立了测头中心在光笔坐标系中的坐标值的估算模型。利用一个标准锥，即可实现光笔测头的现场标定。实验证明利用标定所得测头数据进行测量，亦可达到使用测头中心精密位置数据时的测量精度。
　　 6、光笔式便携三坐标测量系统的测量精度与Brown-Sharp精密三坐标测量机的精度比对实验证明了前者测量的正确性。1.5m距离测量和4m距离测量的误差都在可容许的范围内。分析了系统的误差来源，提出了两种系统改进方案，一种是利用透视投影变换的直线不变性修正控制点中心在像面上的坐标，另一种是利用可控恒流源对控制点亮度进行调整。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1便携式三维坐标测量技术

1.2视觉测量技术及应用

1.3课题研究的内容和论文结构

1.3.1研究的主要内容

1.3.2论文的结构安排

第二章测量系统的理论模型

2.1 PNP问题概述

2.2测量模型的建立

2.2.1坐标系建立

2.2.2数学模型的建立和求解

2.2.3算法设计

第三章图像的获取和处理

3.1图像获取

3.1.1电荷耦合器件(CCD)

3.1.2位图图像格式

3.1.3图像干扰区域选择性去除

3.2图像预处理

3.2.1图像增强

3.2.2目标区域提取

3.3控制点轮廓提取

3.3.1边缘检测算子概述

3.3.2 Canny边缘检测流程

3.3.3自适应Canny算法

3.3.4控制点像面轮廓追踪和判断

3.4控制点中心定位

3.4.1基于最小二乘法的椭圆拟合算法

3.4.2改进的高斯曲面拟合法

3.5控制点物像对应

第四章光笔测头标定

4.1标定方法的设计

4.2标定算法设计

4.2.1非线性方程组最小二乘解的广义逆法

4.2.2迭代算法的初始参数

4.2.3计算步骤

4.3测头标定实验

第五章系统实验与误差分析及改进方案

5.1测量精度比对实验

5.2系统误差分析

5.3系统改进方案

5.3.1利用直线不变性的自修正光笔

5.3.2控制点亮度可控技术

全文总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢