[发明专利]一种三维点坐标测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，将接触式测量和非接触式测量这两种方法有机结合，特别是一种测量探头和任意移动的便携式三维坐标测量方法及测量装置。

背景技术

三坐标测量机方面已经非常成熟，根据目前的测量设备的发展状况，按通常的分类，可以把测量系统分为三坐标测量系统、柔性三坐标测量系统和以三维激光扫描测量系统、光学照相扫描测量系统等为代表的结构光扫描测量系统等。接触式的三坐标测量系统测量技术已经非常成熟，即使是结构光扫描三维测量手段日益普及的今天，传统CMM仍是占市场份额最大的三维测量手段。一般来讲，传统CMM具有精度高、可靠性好、技术成熟等特点，但测量速度慢、对被测物体的大小和重量有一定要求，并且需要比较严格的实验室环境。所以，测点量要求较少的标准件的高精度测量一般都采用传统CMM。

目前柔性测量臂的研制开发已成为逆向工程研究的热点。世界上柔性测量臂制造厂有十多家，主要的有：美国CIMCORE（ROMER-USA）、法国ROMER公司、美国FARO公司、日本Vectron公司，德国ZettMess公司、意大利的Garda公司等。

上述的便携式三坐标测量机相对于传统的三坐标测量机具有更好的便携性、灵活性和现场检测能力，因此大大降低了对测量环境的限制，扩大了三维测量的应用场合。但是，现有柔性测量臂具有制造成本高，设备复杂，对测量现场要求较高，一次测量范围受到臂长的限制，测量速度慢，测量效率低等弱点。

以三维激光扫描测量系统和光学照相扫描测量系统等为代表的结构光扫描测量系统，具有测量速度快的优点，能够在短时间内获取大量的测量数据，但是却有两个重大的缺点，一是无法进行单点测量，不能有选择的、单独的获取某些点的坐标；二是有断光干扰，不能对深孔、遮光部分等位置进行测量。

发明内容

为更好发挥便携式三坐标测量使用方便的优势，同时提高测量系统的柔性和测量速度，并尽可能满足各种现场测量，更适应对深孔、遮光部分等不易测量点的测量和降低便携式三坐标测量仪器的制造成本，本发明公开一种三维点坐标测量方法及测量装置，该方法结合接触式测量和非接触式测量这两种方法，建立的数学模型通过测量探头与被测点接触，对检测点三维坐标进行确定。有效地克服目前三坐标测量机柔性低、造价高以及非接触式扫描仪不能探测内表面等遮光部分、能够单独测量某个点的缺陷。

本发明实现测量方法的发明目的采用的技术方案是，一种三维点坐标测量方法，该方法是通过测量探头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头部分图像信息，通过配套的计算机软件确定被测点的三维点坐，该方法通过以下步骤实现：

⑴、建立摄像机坐标系，对固定设置的两台CCD摄相机，利用相机自标定算法，解算出摄相机的内部参数和两个摄相机的相对方位，从而建立摄相机坐标系；

⑵、根据双目立体视觉匹配算法计算出测量探头上固定设置的一组标志点Pg1-PgN在摄像机坐标系下实施测量时刻的空间三维坐标，采用光束法平差的原理标定测量探头上固定设置的该组标志点Pg1-PgN在测量探头坐标系下的三维坐标；

⑶、通过一组固定在测量探头上点Pg1-PgN在探头坐标系下的三维坐标和实施测量时刻在摄像机坐标系下的三维坐标，可以确定实施测量时刻的测量探头坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，从而建立实施测量时刻两个坐标系的逻辑关系；

⑷、采用测量探头单点多姿态的标定算法，来标定出测量探头前端球形测头的球心点Pg在测量头坐标系的三维坐标；

⑸、在测量的时候，测量探头前端球形测量头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头上不少于3个以上标志点的图像信息，配套的计算机软件重复步骤（3）建立测量时刻的两个坐标系的逻辑关系并利用步骤（4）的标定结果，即可实时获得测量探头前端球形测量头的球心点Pg在摄像机坐标系下的三维坐标，配套的计算机软件在通过测量探头前端球形测量头的球心点Pg的三维坐标值确定被测点在摄像机坐标系中的三维坐标，并保存在配套的计算机的数据库中，重复上述测量过程，可以完成对n个测量点的测量。

本发明实现测量装置的发明目的采用的技术方案是，一种三维点坐标测量装置，包括支架、CCD摄像机、测量探头和配套的计算机和配套软件构成，配套软件是采用本发明所述的三维点坐标测量方法实现的，所述的CCD摄像机为两台,并固定在支架上，所述的测量探头包括T形杆、球形测量头和一组标志点，球形测量头固定在T形杆的前端，一组标志点呈T形固定在T形杆上。