[发明专利]一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及三维形貌视觉测量技术领域，尤其涉及一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统。

背景技术

大型构件表面三维形貌的测量是现代逆向工程和产品数字化设计及制造的基础支撑技术，在许多领域特别是制造行业有着广泛的应用，如汽车、飞机、船舶、航天器外形测量，大型模具测量，无缝钢管等大型机械构件测量，大型天线安装及变形监测等。因此，研究大型构件表面三维形貌测量方法对保证国家重大装备的顺利研制和生产具有重要意义，是目前亟待解决的重要关键技术。目前，大型飞机工程已列入国家中长期科学与技术发展纲要，大型飞机设计、制造及装配的数字化和自动化是该工程的重点攻关内容，大型构件如机舱、机翼、尾翼等三维形貌的测量及重构是亟需解决的重要关键技术之一。

目前，大型构件表面三维形貌的测量的主要手段有三坐标测量机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪、视觉测量系统等。三坐标测量机是完成三坐标测量的通用设备，具有很好的测量精度，主要缺点是测量效率低，且测量范围较小，一般在1～2米之内。激光跟踪仪、全站仪及由两台经纬仪构成双目测量系统均较适于现场使用，测量范围大，但主要缺点是测量效率低，且易出现测量盲区。

随着计算机技术、电子学、光学技术的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步，视觉检测技术得到快速发展，已逐渐成为大型构件表面三维最主要的检测手段，其具有自动化程度高、量程大、精度高、非接触等优点。

大型构件尺寸大，存在自身遮挡，单个视觉传感器无法实现整个大型构件表面三维形貌动态测量。通常可将测量区域分成多个子区域，将各子区域三维数据统一到全局坐标系，获得整个大型构件表面的三维形貌。根据全局统一方式的不同，视觉检测主要分为两大类：流动式视觉检测法和多传感器视觉检测法。

流动式视觉检测法通过单个视觉传感器以流动方式测量整个大型构件表面的三维形貌，以粘贴在大型构件上的标志点或放置在大型构件前的靶标标志点为中介，将所有流动测量得到的子区域测量数据统一到全局坐标系。比较典型的有美国GOM公司研制的ATOS流动式三维光学测量系统和国内北京天远公司研制的流动式三维扫描系统等。该方法优点是设备简单，操作方便，适合工业现场测量。现有流动式测量方法一种需要在被测物体上黏贴标志点，该方法的缺点对于无法测量的软性物体及不允许黏贴标志点的物体表面三维形貌测量具有局限性；另一种是需要在在测量现场安置全局统一设备，这里指的全局统一设备主要包括单、双经纬仪，单、双目视觉传感器，激光跟踪仪等，该方法的主要缺点存在全局统一设备价格昂贵，现场标定困难，且有视觉盲区等等。

多传感器视觉检测法在测量前完成多视觉传感器全局标定，测量时根据全局标定结果，将每个视觉传感器测量的子区域数据统一到全局坐标系。目前，多传感器视觉检测法比较典型的产品有美国Perceptron公司的车身几何尺寸检测系统和国内天津大学叶声华院士课题组研制的轿车白车身视觉检测系统等。该方法原理简单，可以实现整个大型构件表面三维形貌的视觉测量，但存在多视觉传感器现场全局标定困难，全局标定后系统测量精度容易受现场强振动环境影响较大等局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统，能够简便快速地实现大型构件表面三维形貌视觉测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大型构件表面三维形貌视觉测量系统，所述系统包括图像采集系统、控制器、计算机、一个三维光学测头、多个平面靶标，所述平面靶标分布在大型构件的周围，所述三维光学测头和平面靶标连接所述控制器和图像采集系统，所述控制器和图像采集系统连接所述计算机；其中，所述三维光学测头包括光栅式双目视觉传感器和宽视场摄像机；

所述光栅式双目视觉传感器，用于进行大型构件表面不同子区域的三维形貌测量；

所述宽视场摄像机，用于测量布置于大型构件周边的平面靶标；

所述计算机，用于以所述宽视场摄像机测量的平面靶标为中介，将所述光栅式双目视觉传感器测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。

其中，所述光栅式双目视觉传感器进一步包括两个摄像机和一个光栅激光器；

所述计算机，还用于控制所述控制器点亮平面靶标上的特征点，触发所述光栅激光器投射光栅光条；还用于采集图像，算法实现和结果显示；

所述光栅式双目视觉传感器的两个摄像机，用于进行所述光栅光条图像的采集；

所述宽视场摄像机，具体用于不同进行平面靶标图像的采集。