线结构光测头外参数的精确标定方法.pdf

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第41卷第8期机械工程学报Vo141N08
2005年8月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGAug.2005

线结构光测头外参数的精确标定方法’

解则晓张成国
(中国海洋大学工程学院青岛266071)
张国雄
(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072)

摘要:为了利用线结构光测头实现三维扫描测量,首先建立了将线结构光测头的二维测量数据转换为三维数据的
变换矩阵;通过测量标准球确定球面上两圆弧之led’的距离与测量机扫描轴的移动距离之间存在线性关系,使得线

,,
结构光测头能测量空间一固定点际准球球心)从而确定了求解变换矩阵的“共扼对”;最后提出搜索寻优法将
3个旋转角度值在设定范围内以微小步长递增,利用每组具体角度将测量标准球的二维数据转换为三维数据并拟
合球,以离散点到拟合球面的距离之和最小为寻优条件,与之相对应的三个旋转角为寻优目标。该方法标定过程
简单,便于实际应用,试验结果表明,变换矩阵的求解具有很高的精度。
关键词:线结构光测头标定外参数共扼对搜索寻优法
中图分类号:TG806TP391

。
换关系,即标定线结构光测头的“外参数”Che等,f56]
O前言将测头二维坐标系和测量机扫描轴一起构成了一个

。
三维坐标系,由上述分析可知该坐标系是非正交的

,
随着现代制造业的发展逆向工程处于越来越他们建立了从非正交坐标系向世界坐标系转换的数

,
重要的地位三维数字化技术是逆向工程中的首要学模型,并以正四面体为标定器具确定解此模型的

。
环节线结构光测头因具有高测量速度和高精度等“共扼对”,这种变换关系会引入非线性误差而使被
,
特点而成为最常用的三维扫描测头1周它利用激光测物体发生变形。为了克服非正交坐标系带来的问

,
三角法原理工作直接输出的数据是光平面内被测题和标定过程的复杂性,直接建立从测头二维坐标

,。
物体的二维数据要实现三维测量就必须将这种二系向测量机三维坐标系的变换关系
维数据转换为三维数据。光平面内的二维坐标系是

”,
在对测头进行标定(即确定“内参数)时确定的,[34]
将其中的两个坐标轴分别定义为ys和zs,用三坐标
测量机的x轴驱动该测头进行扫描测量时如果凡和

,
zs分别与测量机的y轴和:轴平行则测头的二维

,
测量值可直接与测量机y轴和:轴的坐标值相加
测量机x轴的坐标作为第三个坐标,这样就实现了

。
三维扫描测量然而,由于ys和zs在光平面内是不
可见的,在将线结构光测头安装在测量机上时无法

,
保证ys和zs分别与y轴和:轴平行;另外由于测
头工作原理的限制,沿一个方向进行扫描测量时只
图15自由度扫描测量系统的构成
能测量物体的一部分,对结构复杂的形体需要从多

,,
个视角进行测量这时也不能保证ys和zs与测量机采用由Leader865三坐标测量机PHro回转体

。,。
的两个坐标轴平行和线结构光测头组成的5自由度测量索统如图1

,
总之在实际应用中无法直接由线结构光测头线结构光测头是英国3DScalmers公司生产的X35
,
。,;
输出的二维数据得到被测物体的三维数据因此系列测头标称精度为住025rnrnPH10是英国

,
必须确定测头二维坐标系到测量机三维坐标系的变RENISHAW公司生产的高精度回转测头它有水平

,
(A轴)和竖直(B轴)两个回转轴绕A轴的转动范围

,,
0一1050B一1800一1800PH10
。是绕轴的转动范围是
山东省中青年科学家科研奖励基金助项目0Bso加以。912
资(2045002),
收到初稿,加050310收到修改稿具有很高的重复定位精度角度重复性误差小于
2005年8月解则晓等:线结构光测头外参数的精确标定方法

.,,
098"而绝对转角误差则比较大实际测量绕B轴礁是从氏xmymzm到osyszs的旋转矩阵

护,
的最大转角误差为2.68绕A轴的最大转角误差为
价气礼nz
。‘几
2.2砂刀因此在本系统建模时不把PH10的转动做为
嵘一(3)
中间变换环节,这样它每变换一次角度就需要对系

。
统标定一次为了充分利用PH10具有高重复定位
n,
,式中价是ys轴在xmymzm中的方向
精度这一特点在测量之前根据被测物体的结构形[lxrom
;:n:T25m。
,mz
态确定测量所需要的全部测头位姿个数建立测量数[lzI是轴在Omxmym中的方向数

,
该物体所需要的“测头库”,并对其中的每个“测头”因此从世界坐标系到测头二维坐标系的变换矩
进行标定,测量过程中根据物体形状变化和测量进阵为
程的需要从“测头库”中调出所需要的“测头”,实Les,l.厂J门es.l
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