无参考坐标点下光学扫描测量系统的理论研究

　　逆向工程技术是90年代发展起来并广泛应用在家电,汽车等曲面测量建模的一种高新技术,该技术的出现使汽车车身造型设计由几年缩短到几个月,近几年该技术在我国也得到广泛应用,它是轿车车身设计造型的必要设备,其关键设备是一台3D数字化扫描仪,在对车身进行数字化扫描时必须已知车身上在同一坐标下被测物体上的参考的坐标点,才能将每次扫描所得的点云坐标转化到同一坐标下,因此在测量中常按以下步骤进行: (1)将轿车放在一台双臂三坐标量仪(CMM)的工作平台上,使用CMM对车身找正后把车身定位在其正常行驶状态。(2)测出车身上参考坐标点以供扫描时坐标转化使用,目前一般采用在车身上粘贴一种有反光性能极好的Retro-reflector Targets点和Coded targets点[1],然后采用工业相机对其进行全方位照相,通过专业软件对相片中Targets处理求出Retro-reflectorTargets中心的坐标值,即把Targets中心的坐标值视为相应车身上点的坐标值,很明显产生了反光膜厚度误差。(3)采用光学扫描仪对整个车身进行数字化处理,在每次数字化中必须包含三个以上的Retro-reflector Targets中心的坐标点,才能将每次数字化所得的云点坐标转化到Targets的坐标系下。事实上在对车身上近千个targets和cod-ed targets点照相时,只要任意点移动都会导致求解失败,即使完全排除该情况,也可能因求解不收敛而失败,因此大多采用对车身进行分片处理后再进行转化到同一坐标系下,这样必定增加累计误差,因此对无需参考坐标点的光学扫描测量仪的研究具有重要意义。

　　在国外有人试图采用航空照相测量技术原理,通过建立一个类似于同步卫星的参考系来跟踪光学扫描仪,但因投资大且过于复杂没有得到应用[2]。现把光学测量仪安装在CMM的横臂上,相当于CMM的“探针”。光学扫描仪(XYZ)坐标又CMM输出,其转动角度由角度传感器输出,通过采集CMM、角度传感器和光学测量仪的数据,通过软件处理后使光学扫描仪测得的点云数据转化到同一坐标系下。其工作原理如图1。

　　图中: 1为CMM的横臂; 2、3、4分别代表使光学测量仪在坐标系X1Y1Z1下沿X1、Y1、Z1轴旋转的连接仪,A/B/C点分别表示连接仪旋转中心; 5为光学测量仪;物体坐标系X0Y0Z0:测量物体最终点云坐标系;横臂上相对于X0Y0Z0平行的坐标系X1Y1Z1: (坐标原点A) CMM输出坐标值;X2Y2Z2: (坐标原点D)光学扫描仪点云坐标系。通过对图1简化可得其数学模型图2:

　　A点坐标由CMM输出,测量系统坐标系(在α=β=γ=0)与CMM坐标系的夹角k1, k2, k3,通过在(α=β=γ=0)时通过标定时得出,AB、BC、CD距离值为设计参数,故可得B、C、D点在X1Y1Z1, XBYBZB, XCYCZC(三坐标系的相互平行)下的坐标为(XB, YB, ZB) (XC, YC,ZC) (XD, YD, ZD),α,β,λ由传感器输出。故在X1Y1Z1坐标系下: