[发明专利]基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法

权利要求书

1.基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，其特征在于，包括激光跟踪仪(11)和便携式手持测量终端(13)，便携式手持测量终端(13)包括激光跟踪仪靶球(1)、高精度CCD摄像机(2)、半导体激光投射器(6)、手持支架(7)、图像处理与通讯单元(8)和惯性导航单元(9)，其中高精度CCD摄像机(2)固定在手持支架(7)的上部，图像处理与通讯单元(8)位于手持支架(7)的中部，半导体激光投射器(6)夹持在手持支架(7)的下部，惯性导航单元(9)夹持在手持支架(7)的上部，便携式手持测量终端(13)与计算机(12)之间的通讯与控制通过图像处理与通讯单元(8)来进行，激光跟踪仪(11)数据输出端与计算机(12)相连，激光跟踪仪靶球(1)设置在手持支架(7)的顶部，激光跟踪仪靶球(1)与激光跟踪仪(11)相适配工作。

2.权利要求1所述的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将上述装置连接后，测量时，半导体激光投射器(6)向被测物体(4)投射光刀(5)，高精度CCD摄像机(2)采集光刀(5)投射在被测物体(4)上的激光条纹图像，与此同时，安装于便携式手持测量终端(13)中的惯性导航单元(9)监控此时便携式手持测量终端(13)的三个姿态角，即滚动、俯仰和航偏，激光跟踪仪靶球(1)获取手持测量终端(13)在以激光跟踪仪(11)为基准的全局坐标系中的位置坐标；

测量过程首先对获得的激光条纹图像进行处理，提取图像的像素坐标，进而获得激光条纹中心的点云坐标，如式1所示：

xL=Σi=0p-1Σj=0q-1ai,j*xCi*yCjyL=Σi=0p-1Σj=0q-1bi,j*xCi*yCj---1]]>

式1中，是通过图像处理得到的被测点的像素坐标，x_L，y_L为被测点在光刀坐标系中的坐标，a_i，j和b_i，j采用了虚拟网格映射标定法或实物网格标定法标定出，标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的；

步骤二、进行光刀坐标系到世界坐标系的建模

根据步骤一已经建立的从图像中提取点在光刀坐标系坐标的模型，则整个手持测量终端13获取三维数据，即点在W中的坐标的数学模型如下：

P_W＝^WT_R·^RT_L·^TT_C·P_C其中P_L＝^LT_C*P_C

展开即为

xWyWzW1=TRW·TLR·xLyL01---2]]>

式2即为手持式测头的数学模型，式中^WT_R是通过激光跟踪仪靶球和惯性导航单元确定的坐标系与全局坐标系的转换关系即：

TRW=cosαcosβcosβsinβsinγ-sinαcosγcosαsinβcosγ+sinαsinγxsinαcosβsinαsinβsinγ+cosαcosγsinαsinβcosγ-cosαsinγy-sinβcosβsinγcosβcosγz0000]]>

α，β，γ通过惯性导航单元(9)读取，x，y，z是新建坐标系和全局坐标系的平移关系，通过激光跟踪仪的靶球(1)读取，将相应的数据带入上式得到^WT_R，^RT_L是由L到R的刚性转换矩阵，需要通过标定得到；

步骤三、计算机(12)采用步骤二中建立的光刀坐标系到世界坐标系的转换模型对步骤一获得的被测点在便携式手持测量终端(13)局部坐标系的三维坐标及便携式手持测量终端(13)的姿态、位置信息进行融合运算，从而获得的被测点在全局坐标系中的三维坐标，移动便携式手持测量终端(13)，对被测物体(4)进行全面扫描，从而完成大尺寸被测物体高精度的三维形貌测量。