[發明專利]一種高精度三維工件尺寸檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201910700896.7
• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN110763136B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 尹勇;夏雨;洪梓銘;史征宇;劉宇峰;齊雨航;曾成;曾鵬程
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/25;G06T5/00;G06T5/20;G06T7/60;G06T7/66;G06T7/80
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 劉琰

1.一種高精度三維工件尺寸檢測系統，其特征在于，該系統包括：

線激光發射器，用于向待檢測的物體發射激光線形成激光光條，激光光條對應物體的表面形狀；

圖像采集裝置，用于通過攝像頭采集表面附有激光光條的物體表面圖像，并將采集到的物體表面圖像發送給設備主控制器；

設備主控制器，用于將圖像采集裝置采集的物體表面圖像數據發送至服務器端；

服務器端，用于接收設備主控制器發送的圖像數據，通過標定板投影映射方法提取物體表面圖像中的光條中心線，獲取物體表面形狀，進而計算待檢測物體的具體尺寸；

服務器端采用的標定板投影映射方法具體包括以下步驟：

(1)建立標定板坐標，標定板上的黑白網格提供了標定板平面的實際尺寸信息，通過將標定板與線激光平面共面放置，并用相機獲取標定板圖像，即可在三維測量中將照射于物體表面的激光線映射至標定板平面；

(2)計算旋轉軸在標定板平面的方程；

(3)光條中心線提取，線激光照射至被測物體表面的激光線表征了當前角度下物體的輪廓及尺寸信息，通過計算出激光線的圖像坐標，進而從相機拍攝的圖像上提取激光線；

該方法中計算旋轉軸在標定板平面的方程的具體方法為：

通過多邊形面積逼近圓面積的方法求解旋轉軸在標定板平面的直線方程；對于一個圓柱橫截面，O為旋轉軸心，θ為單次旋轉角度，A與B分別為第i次與第i+1次成像時激光線在圓柱橫截面的位置，d_i表示第i張圖像中圓柱表面激光線與旋轉軸的距離；ΔAOB的面積可通過三角形面積公式求解；將所有三角形面積求和，并令求和結果與標準圓柱橫截面面積之差最小，即可得到旋轉軸在標定板平面的縱截距；旋轉軸在標定板平面的方程y＝kx+b通過求解如下所示的優化問題得到：

s.t.b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

k＝k_i i＝0,1,…,N-1

目標函數中，S為圓柱體截面的面積，N為拍攝圖像的數量，θ為單次旋轉角度，d_i表示第i張圖像中提取出的圓柱表面的激光線與旋轉軸的距離，d_i為k、b以及b_i的隱函數；約束項中，k_i與b_i分別為第i張圖像中圓柱表面的激光線在標定板平面的斜率以及縱截距；

對目標函數進行簡化，簡化后的優化問題為帶有約束項的單變量非凸優化問題，其中目標函數為優化變量的四次多項式；將等式約束帶入目標函數中，對優化變量b求一階偏導，并令其等于0，再選擇滿足不等式約束的解，即可完成求解，得到旋轉軸在標定板平面的方程：

s.t.b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

其中，等式約束中的x_i與y_i分別為第i張圖像中圓柱表面的激光線段的中點在標定板平面的橫縱坐標。

2.根據權利要求1所述的高精度三維工件尺寸檢測系統，其特征在于，服務器端包括以下模塊：

預處理模塊，用于建立標定版坐標以及進行旋轉軸的計算，將照射于待檢測物體表面的激光線映射至標定板平面，進而得到被測物體的尺寸；

光條中心線提取模塊，用于從所拍攝的物體表面圖像中提取出激光光條的中心線，計算出激光線的圖像坐標；

坐標變換模塊，用于根據激光中心線的坐標信息來計算出三維空間中被測物體表面的點云數據；

表面重建模塊，用于將物體表面的點云數據重建成表面。

3.根據權利要求1所述的高精度三維工件尺寸檢測系統，其特征在于，圖像采集裝置包括攝像頭和樹莓派；待檢測物體下方放置在旋轉平臺上，旋轉平臺底部設置有舵機，通過舵機帶動旋轉平臺進行旋轉運動。