[发明专利]激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法

说明书

本发明激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定。设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系。分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标，采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。该方法有效扩展了结构光3D扫描仪的应用范围，是一种具有广泛应前景的标定方法。

技术领域

本发明属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。

背景技术

工业领域的发展对测量技术提出了越来越高的要求，大尺寸零部件表面高精度扫描测量则是其中极为重要的组成部分。表面轮廓、工件间隙、三维形貌以及表面缺陷等各种类型的测量问题都对测量方法的精确性和便利性提出很高的要求。在现有的测量技术中，结构光扫描测量具有快速、高精度、使用灵活方便、设备结构简单、非接触等测量优势，因此在工业生产中逐渐推广开来。但是，受目前基础科学与工业技术的限制，结构光3D扫描仪存在视野偏小的问题。要以高精度获取大尺寸部件的表面形貌以及几何尺寸，就必须要对结构光3D扫描仪的拍摄结果进行拼接。有学者提出了通过激光跟踪仪直接测量结构光3D扫描仪位姿进行拼接的办法。这一方法测量空间大，测量精度高，测量效率高，极大地扩展了结构光3D扫描仪在工业中的运用。

对于激光跟踪仪与结构光3D扫描仪的组合式测量，在进行拼接前必须要进行系统的标定，即求解结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵。结构光3D扫描仪基于相位移法，通过扫描靶球外表面，进而拟合球心获取靶球球心坐标，而激光跟踪仪则直接通过飞行时间法获取激光靶球的球心坐标。显然两者测量方法不同。最常见的标定方法是设计一个公共靶标组，该公共靶标组由多个标准陶瓷球和普通的激光靶球组成，靶球间的相互位置关系在标定前已由三坐标测量机检定，例如，沈阳航空航天大学的曲学军于2015年发表的《大尺寸自由曲面部件组合测量现场全局标定优化方法与应用》。这种方法需要多个靶球，结构复杂，成本较高，靶标组固定不便拆卸，需要经常检定确保精度。或者采用替换测量的方法，即结构光3D扫描仪同时拍摄多个标准陶瓷球，再替换成尺寸可视为相等的激光靶球进行测量，通过前后两组靶球的球心坐标矩阵进行普氏分析，进而完成标定。这种替换式测量的方法本身就引入了误差，而且需要多个标准陶瓷球和激光靶球参与测量；受限于结构光3D扫描仪的视野，单次拍摄最多能拍摄6个0.5英寸靶球。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；仅使用四个激光靶球，就可完成结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵而完成标定。该方法有效简化了激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量的标定流程，使用的靶球数量少，降低了综合成本，是一种具有广泛应用前景的标定方法。

本发明采用的技术方案是一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b，结构光3D扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标分别在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。标定方法具体步骤如下：