超大尺度线结构光传感器及扫描测量中的关键技术研究

Modern manufacturing industry put forward high demands on product quality control, fast online measurement of large part becomes very urgent. The existing non contact optical measurement method with small measurement range and low measuring efficiency cannot meet the urgent demand. Therefore, in this study a structured light sensor with large scanning field and working depth is proposed to implement fast scanning. Firstly, a quasi one-dimensional target is designed and used to calibrate the CCD camera, and at the same time it also applied to obtain calibration points in the laser plane according to the principle of cross ratio invariability, thus the intrinsic parameters of structured light sensor is realized. The distance difference between the quasi one dimensional target code point and the true distance is taken as the constraint to optimize the intrinsic parameters. A marking point is measured along one axis, and according to the coordinates on the image plane and the corresponding machine positions the vector of the scanning axis can be determined. The two-dimensional coordinate in the light plane can be transformed into 3D coordinate in the scanning mechanism. The significance of this issue is to resolve the problem of the field rapid measurement of large parts, implementation of 100% quality control.This method is also suitable for the detection of small and medium size of workpiece. Moreover, the method of calibrating large field of view camera, the intrinsic parameters and extrinsic parameters of the large scale structured light sensor in this field also have directive significance.

现代制造业对产品的质量控制提出越来越高的要求，大型工件的在线快速检测变得十分迫切。现有的非接触光学测量方法均存在测量范围小，测量效率低等缺点。基于此本课题提出一种超大扫描视场和超大景深的线结构光扫描测量方法。首先，提出利用准一维靶标标定大视场摄像机，同时利用该靶标根据交比不变原理获取光平面内的标定点，实现线结构光传感器内参数的标定；以准一维靶标上的编码点之间的测量距离和真实距离之差为约束对结构光内参数进行优化；在扫描运动过程中测量同一个标记点，根据标记点的像面坐标和对应的位置确定运动轴在摄像机坐标系中的方向矢量，实现将光平面中的二维坐标转换到扫描运动机构的三维坐标系中。本课题的意义在于解决了大型工件的现场快速检测问题，实现100%的质量控制，该方法同样适合中小尺寸工件的检测。其中的大视场摄像机标定，超大尺度线结构光传感器内参数标定方法和外参数标定方法对本领域的相关研究均具有指导意义。

在制造业中，对生产过程中零部件和产品的加工质量的要求越来越高，许多大型工件需要在线快速测量，如动车车门，轿车车门，汽车覆盖件，大型钣金件，大型铸件等。这类物体尺寸大，制造速度快，要求其测量速度与加工速度相适应，通常是几十秒或几分钟就要测完；同时这类物体中通常包含复杂自由曲面，对他们的测量需要采集大量的点云数据，然后将这些点云数据与他们的原始设计数模进行比对可以快速判断该产品是否合格。在这种情况下由于被测物体的尺寸大，而且包含复杂几何特征，需要大量的点云数据来描述，同时要求对这类物体进行在线快速测量。.针对这种需求本项目提出超大尺度快速三维扫描测量技术。采用新型标定靶标解决了超大视场摄像机内外参数的标定问题，提出超大尺度线结构光激光平面内标定点的获取方法，以及线结构光内参数的优化方法；确定从二维光平面到三维扫描运动机构机器坐标系的变换关系，实现了将线结构光传感器获取的二维数据转换到扫描运动机构的三维坐标系中变为三维数据。在此基础上提出了一种旋转式超大尺度线结构光测量方法，并对其内外参数的标定进行了研究。超大尺度线结构光传感器由于尺度的变化在相机标定，结构光内参数标定，结构光外参数标定等与传统的结构光标定方法有很大差别。传统的摄像机标定，线结构光内参数和外参数的标定在超大尺度中不在适应。因此，本文所提出的摄像机标定方法，线结构光内外参数的同时标定方法都具有较大的创新性，为三维大场景的快速扫描测量奠定了较好的理论基础。由实验结果可知，使用设计的结构光传感器内外参数同时标定方法计算得到的结构光内外参数具有更高的测量精度和稳定性，该方法满足超大尺度线结构光扫描系统的各方面需求。.本课题的意义在于解决了大型工件的现场快速检测问题，实现100%的质量控制，该方法同样适合中小尺寸工件的检测。其中的大视场摄像机标定，超大尺度线结构光传感器内参数标定方法和外参数标定方法对本领域的相关研究均具有指导意义。