结构光三维测量系统集成的两轴转台标定及视点规划

摘要

光学测量以其高效率、高精度、非接触、大视场、可视化、智能化等传统测量技术无法比拟的优势被广泛应用于逆向工程、产品质量控制和检测、生物,医学工程、文物修复等领域。在光学测量中,由于光线遮挡、视场范围限制等原因,要获得物体表面完整的三维点云信息,必须进行多视角测量和多视角点云拼合。本文针对目前多视点云拼合效率低的问题,从硬件角度出发,开发出一套两轴转台结构光三维扫描仪,实现了多视点云的自动拼合,同时采用视点规划策略对测量过程进行了优化,提高了测量效率。介绍了三维光学测量的应用和发展,以三角测量法为理论基础,阐述了格雷码和相移综合的测量方法。从提高多视点云拼合效率和测量效率出发,提出了本文的主要研究问题,两轴转台标定和视点规划,并阐述和分析了相应的研究现状。根据测量原理,搭建出两轴转台结构光三维测量实验平台,并对整个控制系统进行了开发。实验平台主要包括投影拍摄模块和两轴数控转台模块。控制系统开发包括,控制方案选择、控制流程设计、PLC梯形图编写和控制系统通信的开发。选择PLC控制方案实现了对整个系统的精确稳定控制。同时选择用MSComm控件实现PLC和PC的串口通信。提出了一种两轴转台自动标定的新方法。将两个标定球按一定布局固定在转台上,在转台绕摆动轴转动过程中选取不同的角度进行测量,通过图像处理分割两个标定球的测量数据,计算两个标定球在不同位置的球心,再通过数据拟合得到两个标定球球心所在圆的圆心,两个圆心坐标就精确标定了转台摆动轴轴线。同理,标定出转动轴的初始轴线。根据转动角度,通过计算得到转动轴在任意视角的轴线位姿,从而精确标定了两轴转台的位姿,并以此为基准实现了光学测量中多视测量数据在线自动拼合。同时设计了相应的实验系统,对该标定方法的精度进行了评价。针对两轴转台结构光三维测量系统,从视点规划的角度出发,对任意零件的测量过程进行了规划。提出了预扫描视点规划算法,较好地实现了对任意零件的快速初步扫描,为后续测量提供了基础数据;在此基础上提出了基于点云孔洞位置快速估计的后续测量视点规划方案。最后,开发出两轴转台结构光三维扫描仪样机,并通过对义齿模型、鼻子模型和工艺兔子模型的工程实际测量,验证了所开发的测量系统的性能,达到了满意的结果。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光学三维测量技术概述

1.1.1 应用背景

1.1.2 测量方法

1.1.3 本文采用的测量方法

1.2 研究问题的提出

1.3 当前研究现状

1.3.1 现有转台标定理论

1.3.2 现有视点规划理论

1.4 本文研究目标及研究内容

第二章 实验平台搭建及控制系统开发

2.1 投影拍摄模块

2.1.1 图像采集系统的选择

2.1.2 结构光栅投影系统

2.1.3 投影拍摄装置结构设计

2.2 两轴转台模块

2.2.1 驱动方式选择

2.2.2 电机的选择

2.2.3 结构设计

2.3 控制系统搭建

2.3.1 控制方案选择

2.3.2 控制系统搭建

2.4 控制流程设计及PLC 控制代码开发

2.4.1 控制流程设计

2.4.2 PLC 控制代码开发

2.5 控制系统通信开发

2.5.1 通信方案及协议

2.5.2 通信程序开发

2.6 本章小结

第三章 基于结构光测量数据的两轴转台位姿标定研究

3.1 基于两轴转台的点云回转拼接数学模型

3.1.1 测量与转台系统结构配置关系

3.1.2 基于两轴转台的回转拼接数学模型建立

3.1.3 基于两轴转台自动回转拼接的程序实现

3.2 两轴转台位姿标定

3.2.1 两轴转台位姿关系及标定方案

3.2.2 两轴转台位姿标定过程

3.3 标定精度评价及误差分析

3.3.1 转动轴初始位姿标定误差分析

3.3.2 摆动轴标定误差分析

3.4 本章小结

第四章 两轴转台位姿自动标定研究

4.1 基于图像识别的数据分割研究

4.1.1 数据分割方案选择

4.1.2 基于图像识别的数据分割

4.2 球拟合

4.2.1 球的拟合研究

4.2.2 圆球度误差的计算

4.3 空间圆拟合

4.3.1 空间圆的拟合研究

4.3.2 圆度误差的计算

4.4 程序实现

4.5 本章小结

第五章 基于两轴转台结构光测量系统的视点规划研究

5.1 视点规划方案

5.1.1 视点规划任务

5.1.2 视点规划方案设计

5.2 预扫描视点规划

5.2.1 预扫描视点规划方案

5.2.2 空间最小包围圆算法

5.3 后续扫描视点规划

5.3.1 后续扫描视点规划方案

5.3.2 点云孔洞位置快速估算

5.4 本章小结

第六章 样机开发与工程应用

6.1 样机开发

6.2 工程应用

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果