激光扫描物品

1、.3光切法光切法LSM(light-section method)是一种线结构光法，其基本原理是激光器配合一定的光学元件发出条状激光照射在被测物体上，光条在物体表面漫反射后在摄像机中成像，它是近十几年来在激光逐点扫描法9基础上发展起来的一种非接触测量方法。该方法是基于点光源的三角测量原理，但是采用线光源代替点光源，这样可以减少对物体表面的扫描时间，而且通过简单的运算就能够进行图像匹配。由于该方法测量速度较快、对测量对象要求低等优点，最近十几年来，不仅有多篇论文发表，而且商品化的产品也很多，并衍生了多光源、多光条等多种形式。光切法中光源、光条与摄像机构成三角形，对图像进行一定的处理，可以得到物体

2、表面上的光条的三维坐标；扫描机构带动光源扫描物体，并重构物体表面的三维坐标，就可以得到物体的三维曲面，如图1-4所示。Franz Pernkopf采用此方法测得了钢铁产品的三维表面10。由于光切法仍然存在采样速度较慢等缺点，在此基础上，又提出结构光编码的方法，编码方式包括颜色编码、二进制编码、位相编码等。Kai等运用二进制编码并结合相移技术实现了轿车白车身三维尺寸的在线检测11。光切法经过一定的改造，可以测量热物体的表面，但是对于大件物体来说，其最大的问题是，摄像机的景深有限，测量范围不大，不能测量大尺寸的物件；多个摄像头配合测量虽可解决此类问题，但是涉及到速度较慢、拼接过多的问题，有诸多问题

3、需要解决。4.双目体视法双目体视法是最近开始研究的一种新的三维非接触尺寸测量方法，它是计算机视觉的一个重要分支。所谓的双目体视法就是通过仿照人的双目感知距离的方法来实现对物体三维轮廓的测量，在实现上采用三角测量方法，用两个或多个摄像机对同一物体从不同的角度成像，通过计算图像对应点间的位置偏差，以获取物体表面点的三维信息12,13。双目成像几何模型，如图1-5所示， 双目体视法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，但必须要从两幅图片中通过匹配找出两幅图像中的同名像点，而从两幅图像中去找取这样的点，其计算量是相当大的，以目前的计算机技术要准确无误的找出这些同名像点来还是比较困难的，对物

4、体的形状描述主要是利用被测物上的特征点、边界线等特征描述物体形状，因而这种测量方法的测量误差是比较大的。5.激光雷达法激光雷达法是通过机械扫描机构配合激光距离传感器测量一个矢径和两个角度来实现的。扫描机构带动激光距离传感器旋转或移动，同时测量测距器到被测物体表面的距离，再配合扫描机构的角度信息，就可以得到被测物体表面上一点的三维坐标，随着扫描机构的转动或移动，可以得到整个物体表面上点的坐标14,15。目前激光测距的原理主要有两种：相位雷达法和脉冲雷达法。相位雷达法是根据激光相位的变化测量距离的，该方法测量相对距离时有较高的精度，但是测量绝对距离时精度不高，不适合远距离、大范围测量。脉冲雷达法又

5、称飞行时间法，是激光器发射激光脉冲并后，遇到被测物体发射回来被探测器接收到；根据光在空气中传播为常数的特点，从发射激光到探测到反射光之间的时间，在乘以光速，就得到了距离的两倍。该方法的优点是：不限制物体表面的性质，可测得绝对距离，可远距离大范围测量。本文开发的尺寸测量系统即采用激光雷达法测距配合球面二自由度并联机构来测量大锻件的尺寸。1. 日本的线性位移传感器该方法是将被测物相对于物镜前焦点的位移量转换为探测器上的轴向位移量，进而求出被测点与物镜前焦点的相对距离。将这种方法加以改进，可以使接收器件全方位接收被测面的漫反射光，从而减小被测面倾斜对测量结果的影响19。图1-6是以轴向位移转换法为原

6、理的线性位移传感器。半导体激光器发出的激光束经准直反射后，入射到被测表面上；接收物镜全方位地接收被测面的漫反射光照明环形狭缝，可以认为环形狭缝是一个圆形刻划板或特征环，经成像物镜后在其像面上形成这一特征环的光环像，该光环像的大小随被测面的离焦量变化。该光环像由摄像机接收图像处理后，再经多点最小二乘法即可求得光环大小，从而求出位移量。2. 美国基于Hot Eye的坐标测量机3. 德国的LaCam-Forge系统该系统是将激光测量系统安装在某一固定位置，通过对大锻件的连续扫描，采集大量的锻件表面数据，最终通过图像处理完成锻件的尺寸测量，如图1-8所示。2.2测量系统的基本原理测量系统的基本思想测量

7、系统是一套基于激光雷达测量原理的三维非接触测量系统，它是通过激光测距传感器对锻件表面的连续扫描测量得到表面点的坐标，利用这些坐标完成锻件表面的构造，最终实现锻件的尺寸测量，因此锻件的尺寸测量关键是要实现锻件表面点坐标的精确测量。测量系统可以通过激光测距传感器的空间位姿和传感器返回的距离信息确定被测点的坐标。当激光传感器旋转或移动时，其空间位姿变化，锻件上的被测点的位置也变化，通过连续测量传感器的空间位置和返回的距离得到锻件表面的点云信息，激光传感器可以通过精密机械系统来驱动从而实现其在空间的转动或移动。如图2-1，以激光传感器的发射点O作为原点，建立固定坐标系O-XYZ，其中X轴在横向扫描面内

8、，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。假设已知激光传感器的发射光线与XY平面的夹角为；发射光线在XY平面内的投影线与Y轴的夹角为，即和决定了激光传感器在O -XYZ坐标系下的位姿，通过测量锻件上被测点P到激光传感器的距离S，就可以得到被测点的坐标，经过连续的数据采集，从而得到一定分辩率的三维空间点云的信息，完成被测锻件表面的三维采样。通过已知的三维信息，每一个扫描点在固定坐标系下的坐标可表示为：对于机载激光扫描测量系统，依然以激光传感器的发射中心点O为原点，以激光传感器的发射光轴为W轴，建立一动坐标系O -UVW，如图2-2所示，该坐标系可理解为固连于传感器上的坐标系。当传感器

9、的位置变化时，该坐标系是随着固定坐标系O ?XYZ旋转的，如果已知O-UVW与O-XYZ之间的位置关系，依然可以通过传感器的距离信息和被测点P在O-UVW坐标系下的坐标得到P点在固定坐标系O-XYZ下的坐标。激光测距原理激光测距传感器一般采用两种方式来测量距离：脉冲式激光测距29-32和相位式激光测距33,34,35。本测量系统的激光距离传感器测距的基础是脉冲激光测距技术它是采用高精度的测量飞行时间36,37,38（time-of-flight）原理来检测到被测物体的距离的。如图2-3所示，传感器的发射器通过激光二极管向物体发射近红外波长的激光束，激光经过目标物体的漫反射部分反射信号被接收器接

10、收，通过信号处理系统计算出激光传感器和目标被扫描点间的距离。基于飞行时间（time-of-flight）测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大的特点，通常可达到极远的测程。如图2-4所示，由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离d后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回激光测距传感器，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离：式（2-2）中，v =C，即光速。激光传感器的驱动机构为了使激光距离传感器能按照一定的轨迹进行连续测量，在测量系统中

11、必须设计一套可控制的机械驱动装置来定位激光传感器的位置。由于激光传感器自身可以测量距离信息，以要设计的驱动扫描机构只需实现传感器的两个方向的位置控制即可，即只需设计一个二自由度的机械扫描机构来控制激光传感器在空间内完成重复扫描运动即可。实现激光距离传感器的二自由度扫描运动可以通过采用大型导轨X-Y工作台（图2-5）和二自由度旋转机构来实现。由于大型锻件尺寸大，要求尺寸测量系统的测量空间很大。若采用X-Y工作台就需要长度大于被测锻件外形尺寸的精密导轨，导轨本身的制造和测量就很困难，加工成本也相对比较高，而且不可能用于现场快速测量，所以考虑选用二自由度旋转机构。二自由度旋转机构分为串联机构和并联机构。并联机构和串联机构