激光掃描物品

1、.3光切法光切法LSM(light-section method)是一種線結構光法，其基本原理是激光器配合一定的光學元件發(fā)出條狀激光照射在被測物體上，光條在物體表面漫反射后在攝像機中成像，它是近十幾年來在激光逐點掃描法9基礎上發(fā)展起來的一種非接觸測量方法。該方法是基于點光源的三角測量原理，但是采用線光源代替點光源，這樣可以減少對物體表面的掃描時間，而且通過簡單的運算就能夠進行圖像匹配。由于該方法測量速度較快、對測量對象要求低等優(yōu)點，最近十幾年來，不僅有多篇論文發(fā)表，而且商品化的產品也很多，并衍生了多光源、多光條等多種形式。光切法中光源、光條與攝像機構成三角形，對圖像進行一定的處理，可以得到物體

2、表面上的光條的三維坐標；掃描機構帶動光源掃描物體，并重構物體表面的三維坐標，就可以得到物體的三維曲面，如圖1-4所示。Franz Pernkopf采用此方法測得了鋼鐵產品的三維表面10。由于光切法仍然存在采樣速度較慢等缺點，在此基礎上，又提出結構光編碼的方法，編碼方式包括顏色編碼、二進制編碼、位相編碼等。Kai等運用二進制編碼并結合相移技術實現(xiàn)了轎車白車身三維尺寸的在線檢測11。光切法經過一定的改造，可以測量熱物體的表面，但是對于大件物體來說，其最大的問題是，攝像機的景深有限，測量范圍不大，不能測量大尺寸的物件；多個攝像頭配合測量雖可解決此類問題，但是涉及到速度較慢、拼接過多的問題，有諸多問題

3、需要解決。4.雙目體視法雙目體視法是最近開始研究的一種新的三維非接觸尺寸測量方法，它是計算機視覺的一個重要分支。所謂的雙目體視法就是通過仿照人的雙目感知距離的方法來實現(xiàn)對物體三維輪廓的測量，在實現(xiàn)上采用三角測量方法，用兩個或多個攝像機對同一物體從不同的角度成像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，以獲取物體表面點的三維信息12,13。雙目成像幾何模型，如圖1-5所示， 雙目體視法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結構簡單、成本低等優(yōu)點，但必須要從兩幅圖片中通過匹配找出兩幅圖像中的同名像點，而從兩幅圖像中去找取這樣的點，其計算量是相當大的，以目前的計算機技術要準確無誤的找出這些同名像點來還是比較困難的，對物

4、體的形狀描述主要是利用被測物上的特征點、邊界線等特征描述物體形狀，因而這種測量方法的測量誤差是比較大的。5.激光雷達法激光雷達法是通過機械掃描機構配合激光距離傳感器測量一個矢徑和兩個角度來實現(xiàn)的。掃描機構帶動激光距離傳感器旋轉或移動，同時測量測距器到被測物體表面的距離，再配合掃描機構的角度信息，就可以得到被測物體表面上一點的三維坐標，隨著掃描機構的轉動或移動，可以得到整個物體表面上點的坐標14,15。目前激光測距的原理主要有兩種：相位雷達法和脈沖雷達法。相位雷達法是根據激光相位的變化測量距離的，該方法測量相對距離時有較高的精度，但是測量絕對距離時精度不高，不適合遠距離、大范圍測量。脈沖雷達法又

5、稱飛行時間法，是激光器發(fā)射激光脈沖并后，遇到被測物體發(fā)射回來被探測器接收到；根據光在空氣中傳播為常數的特點，從發(fā)射激光到探測到反射光之間的時間，在乘以光速，就得到了距離的兩倍。該方法的優(yōu)點是：不限制物體表面的性質，可測得絕對距離，可遠距離大范圍測量。本文開發(fā)的尺寸測量系統(tǒng)即采用激光雷達法測距配合球面二自由度并聯(lián)機構來測量大鍛件的尺寸。1. 日本的線性位移傳感器該方法是將被測物相對于物鏡前焦點的位移量轉換為探測器上的軸向位移量，進而求出被測點與物鏡前焦點的相對距離。將這種方法加以改進，可以使接收器件全方位接收被測面的漫反射光，從而減小被測面傾斜對測量結果的影響19。圖1-6是以軸向位移轉換法為原

6、理的線性位移傳感器。半導體激光器發(fā)出的激光束經準直反射后，入射到被測表面上；接收物鏡全方位地接收被測面的漫反射光照明環(huán)形狹縫，可以認為環(huán)形狹縫是一個圓形刻劃板或特征環(huán)，經成像物鏡后在其像面上形成這一特征環(huán)的光環(huán)像，該光環(huán)像的大小隨被測面的離焦量變化。該光環(huán)像由攝像機接收圖像處理后，再經多點最小二乘法即可求得光環(huán)大小，從而求出位移量。2. 美國基于Hot Eye的坐標測量機3. 德國的LaCam-Forge系統(tǒng)該系統(tǒng)是將激光測量系統(tǒng)安裝在某一固定位置，通過對大鍛件的連續(xù)掃描，采集大量的鍛件表面數據，最終通過圖像處理完成鍛件的尺寸測量，如圖1-8所示。2.2測量系統(tǒng)的基本原理測量系統(tǒng)的基本思想測量

7、系統(tǒng)是一套基于激光雷達測量原理的三維非接觸測量系統(tǒng)，它是通過激光測距傳感器對鍛件表面的連續(xù)掃描測量得到表面點的坐標，利用這些坐標完成鍛件表面的構造，最終實現(xiàn)鍛件的尺寸測量，因此鍛件的尺寸測量關鍵是要實現(xiàn)鍛件表面點坐標的精確測量。測量系統(tǒng)可以通過激光測距傳感器的空間位姿和傳感器返回的距離信息確定被測點的坐標。當激光傳感器旋轉或移動時，其空間位姿變化，鍛件上的被測點的位置也變化，通過連續(xù)測量傳感器的空間位置和返回的距離得到鍛件表面的點云信息，激光傳感器可以通過精密機械系統(tǒng)來驅動從而實現(xiàn)其在空間的轉動或移動。如圖2-1，以激光傳感器的發(fā)射點O作為原點，建立固定坐標系O-XYZ，其中X軸在橫向掃描面內

8、，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。假設已知激光傳感器的發(fā)射光線與XY平面的夾角為；發(fā)射光線在XY平面內的投影線與Y軸的夾角為，即和決定了激光傳感器在O -XYZ坐標系下的位姿，通過測量鍛件上被測點P到激光傳感器的距離S，就可以得到被測點的坐標，經過連續(xù)的數據采集，從而得到一定分辯率的三維空間點云的信息，完成被測鍛件表面的三維采樣。通過已知的三維信息，每一個掃描點在固定坐標系下的坐標可表示為：對于機載激光掃描測量系統(tǒng)，依然以激光傳感器的發(fā)射中心點O為原點，以激光傳感器的發(fā)射光軸為W軸，建立一動坐標系O -UVW，如圖2-2所示，該坐標系可理解為固連于傳感器上的坐標系。當傳感器

9、的位置變化時，該坐標系是隨著固定坐標系O ?XYZ旋轉的，如果已知O-UVW與O-XYZ之間的位置關系，依然可以通過傳感器的距離信息和被測點P在O-UVW坐標系下的坐標得到P點在固定坐標系O-XYZ下的坐標。激光測距原理激光測距傳感器一般采用兩種方式來測量距離：脈沖式激光測距29-32和相位式激光測距33,34,35。本測量系統(tǒng)的激光距離傳感器測距的基礎是脈沖激光測距技術它是采用高精度的測量飛行時間36,37,38（time-of-flight）原理來檢測到被測物體的距離的。如圖2-3所示，傳感器的發(fā)射器通過激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長的激光束，激光經過目標物體的漫反射部分反射信號被接收器接

10、收，通過信號處理系統(tǒng)計算出激光傳感器和目標被掃描點間的距離?；陲w行時間（time-of-flight）測距是利用激光脈沖連續(xù)時間極短、能量在時間上相對集中、瞬時功率很大的特點，通?？蛇_到極遠的測程。如圖2-4所示，由脈沖激光器發(fā)出一持續(xù)時間極短的脈沖激光，稱之為主波。經過待測距離d后射向被測目標，被反射回來的脈沖激光稱之為回波，回波返回激光測距傳感器，由光電探測器接收，根據主波信號和回波信號之間的時間間隔，即激光脈沖從激光器到被測目標之間的往返時間t，就可以算出待測目標的距離：式（2-2）中，v =C，即光速。激光傳感器的驅動機構為了使激光距離傳感器能按照一定的軌跡進行連續(xù)測量，在測量系統(tǒng)中

11、必須設計一套可控制的機械驅動裝置來定位激光傳感器的位置。由于激光傳感器自身可以測量距離信息，以要設計的驅動掃描機構只需實現(xiàn)傳感器的兩個方向的位置控制即可，即只需設計一個二自由度的機械掃描機構來控制激光傳感器在空間內完成重復掃描運動即可。實現(xiàn)激光距離傳感器的二自由度掃描運動可以通過采用大型導軌X-Y工作臺（圖2-5）和二自由度旋轉機構來實現(xiàn)。由于大型鍛件尺寸大，要求尺寸測量系統(tǒng)的測量空間很大。若采用X-Y工作臺就需要長度大于被測鍛件外形尺寸的精密導軌，導軌本身的制造和測量就很困難，加工成本也相對比較高，而且不可能用于現(xiàn)場快速測量，所以考慮選用二自由度旋轉機構。二自由度旋轉機構分為串聯(lián)機構和并聯(lián)機構。并聯(lián)機構和串聯(lián)機構