本發(fā)明涉及精密測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

三維形貌測(cè)量是精密測(cè)量重要的研究?jī)?nèi)容，目前已經(jīng)有成熟的方法和裝置在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。盡管如此，現(xiàn)有的方法及裝置受到自身原理及方法的限制，在許多應(yīng)用場(chǎng)合仍存在諸多問(wèn)題。并且隨著對(duì)測(cè)量要求(測(cè)量范圍、測(cè)量效率、環(huán)境狀態(tài))不斷提高，現(xiàn)有步進(jìn)式測(cè)量方法及裝置將會(huì)面臨更多挑戰(zhàn)，甚至在某些測(cè)量環(huán)境中不再適用。

以隧道變形檢測(cè)為例，隧道延伸數(shù)百米，測(cè)量任務(wù)巨大。若采用現(xiàn)有視覺(jué)測(cè)量方法，需要在多個(gè)位置逐次停下來(lái)測(cè)量，依靠外部測(cè)量拼接多次測(cè)量結(jié)果。這種間斷步進(jìn)式測(cè)量過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，必須有足夠的操作時(shí)間，不適合于連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。若要得到完整的形貌信息，必須精確控制傳感器在測(cè)量過(guò)程中的空間分布。在實(shí)際交通全天候運(yùn)行的情況下，測(cè)量設(shè)備只能安裝在車載平臺(tái)上隨著交通流向前行。受時(shí)間和空間的限制，現(xiàn)有視覺(jué)測(cè)量方法不具備可操作性。目前隧道變形檢測(cè)主要采用激光掃描測(cè)距方法，其測(cè)量精度和掃描頻率均無(wú)法滿足實(shí)際測(cè)量需求。

在軌道交通故障及缺陷檢測(cè)中，也存在類似問(wèn)題，列車運(yùn)行調(diào)控有序，檢測(cè)工作沒(méi)有專門(mén)的作業(yè)窗口，同樣要求在運(yùn)行過(guò)程中完成連續(xù)測(cè)量。在制造業(yè)，隨著制造技術(shù)的發(fā)展及工藝的進(jìn)步，流水式生產(chǎn)線節(jié)拍越來(lái)越快。生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)作，要求測(cè)量設(shè)備在生產(chǎn)線流動(dòng)過(guò)程中自主完成測(cè)量，否則會(huì)阻礙生產(chǎn)線流動(dòng)性。顯然，現(xiàn)有視覺(jué)測(cè)量方法不能滿足要求。

可見(jiàn)，現(xiàn)有基于視覺(jué)原理的三維形貌測(cè)量方法不適合在相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。其根源是由于現(xiàn)有方法均屬于間斷步進(jìn)式測(cè)量。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，缺少測(cè)量所需的時(shí)間、空間及其他必要的外部條件。測(cè)量過(guò)程中采集的圖像本身就不是連續(xù)的，從信息源頭不具備實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量的內(nèi)在條件，即使在外部條件均滿足的前提下，也無(wú)法從本質(zhì)上解決連續(xù)測(cè)量問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量方法，本發(fā)明以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件并結(jié)合慣性測(cè)量技術(shù)，解決測(cè)量設(shè)備在相對(duì)被測(cè)對(duì)象連續(xù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量環(huán)境中的高精度三維形貌測(cè)量問(wèn)題，詳見(jiàn)下文描述：

一種自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量方法，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件并結(jié)合慣性測(cè)量技術(shù)，在連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行自主流動(dòng)式高精度三維形貌測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述測(cè)量方法具體包括以下步驟：

測(cè)量時(shí)使多元信息測(cè)量傳感器沿被測(cè)物體表面連續(xù)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，視覺(jué)測(cè)量單元采集被測(cè)物表面的圖像信息，慣性測(cè)量單元同步采集傳感器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性信息；

實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息在空間、時(shí)間上的配準(zhǔn)；

將視覺(jué)測(cè)量單元采集的圖像按照全局時(shí)鐘順序建立圖像序列間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)應(yīng)序列內(nèi)應(yīng)用圖像匹配算法對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行精確匹配，根據(jù)立體視覺(jué)測(cè)量原理計(jì)算得到每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)的被測(cè)物體表面點(diǎn)在視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)：

將慣性測(cè)量單元獲得的慣性信息進(jìn)行狀態(tài)更新，得到每個(gè)時(shí)鐘周期下傳感器相對(duì)于初始位置的空間位姿；

根據(jù)視覺(jué)測(cè)量信息與慣性測(cè)量測(cè)量信息在空間和時(shí)間上的配準(zhǔn)結(jié)果，將視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系，得到全部點(diǎn)在慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。

所述實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息在空間、時(shí)間上的配準(zhǔn)具體為：

測(cè)量前預(yù)先標(biāo)定傳感器，得到由視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系到慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在空間上的配準(zhǔn)；

建立全局時(shí)鐘，以全局時(shí)鐘的脈沖序列視覺(jué)測(cè)量單元與慣性測(cè)量單元同步采集數(shù)據(jù)，通過(guò)全局時(shí)鐘將視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息統(tǒng)一到同一時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在時(shí)間上的配準(zhǔn)。

進(jìn)一步地，所述多元信息測(cè)量傳感器由視覺(jué)測(cè)量單元與慣性測(cè)量單元構(gòu)成。

所述視覺(jué)測(cè)量單元由兩個(gè)高分辨率線陣相機(jī)和一個(gè)可編程控制的結(jié)構(gòu)光投射裝置構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述慣性測(cè)量單元采用高性能慣性測(cè)量裝置。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、采用線陣圖像傳感技術(shù)并充分利用了運(yùn)動(dòng)信息，能夠在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行高速、高精度流動(dòng)式三維形貌測(cè)量；

2、利用線陣圖像傳感技術(shù)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)采集圖像，從信息源頭上為連續(xù)測(cè)量提供保障；

3、將視覺(jué)測(cè)量與慣性測(cè)量結(jié)合，使本發(fā)明能夠不依賴外部測(cè)量裝置自主工作；

4、與現(xiàn)有的斷續(xù)步進(jìn)的工作方式相比，本發(fā)明測(cè)量精度與效率更高，測(cè)量靈活性更好，能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境。

附圖說(shuō)明

圖1為一種自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明提供的自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量裝置示意圖；

圖中：1：線陣相機(jī)；2：結(jié)構(gòu)光投射裝置；3：高性能慣性測(cè)量裝置；4：投射到被測(cè)物表面的條紋；5：被測(cè)物體。

圖3為以全局時(shí)鐘為基準(zhǔn)的不同來(lái)源及類型的測(cè)量信息。

圖中：6 為全局時(shí)鐘脈沖序列；7 為兩個(gè)線陣相機(jī)采集的圖像序列；8 為慣性測(cè)量單元測(cè)量的慣性信息。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例將視覺(jué)測(cè)量方法與慣性測(cè)量方法有機(jī)結(jié)合，并設(shè)計(jì)了由視覺(jué)測(cè)量單元和慣性測(cè)量單元構(gòu)成的多元信息傳感器。

視覺(jué)測(cè)量單元采用了線陣高速圖像傳感技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高速條件下的高分辨率圖像采集。慣性測(cè)量單元采用高性能慣性測(cè)量裝置以實(shí)現(xiàn)高精度的慣性信息測(cè)量。

視覺(jué)測(cè)量精度高，但只能輸出相對(duì)于自身坐標(biāo)系的測(cè)量結(jié)果。慣性測(cè)量能夠?qū)崟r(shí)提供位置和姿態(tài)信息，并且完全自主地工作，不需要任何外部信息。兩者性能上互補(bǔ)，將兩種方法有機(jī)結(jié)合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，既能夠自主工作又能夠?qū)崟r(shí)輸出高精度的測(cè)量結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施例的關(guān)鍵技術(shù)是如何將視覺(jué)測(cè)量單元和慣性測(cè)量單元輸出的不同來(lái)源及類型的信息在時(shí)間與空間上精確配準(zhǔn)，將連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中視覺(jué)測(cè)量單元測(cè)量的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系。

實(shí)施例1

一種自主流動(dòng)式三維形貌測(cè)量方法，參見(jiàn)圖1，該測(cè)量方法包括以下步驟：以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件并結(jié)合慣性測(cè)量技術(shù)，在連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行自主流動(dòng)式高精度三維形貌測(cè)量。

其中，測(cè)量方法具體包括以下步驟：

101：測(cè)量時(shí)使多元信息測(cè)量傳感器沿被測(cè)物體表面連續(xù)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，視覺(jué)測(cè)量單元采集被測(cè)物表面的圖像信息，慣性測(cè)量單元同步采集傳感器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性信息；

102：實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息在空間、時(shí)間上的配準(zhǔn)；

103：將視覺(jué)測(cè)量單元采集的圖像按照全局時(shí)鐘順序建立圖像序列間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)應(yīng)序列內(nèi)應(yīng)用圖像匹配算法對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行精確匹配，根據(jù)立體視覺(jué)測(cè)量原理計(jì)算得到每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)的被測(cè)物體表面點(diǎn)在視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)：

104：將慣性測(cè)量單元獲得的慣性信息進(jìn)行狀態(tài)更新，得到每個(gè)時(shí)鐘周期下傳感器相對(duì)于初始位置的空間位姿；

105：根據(jù)視覺(jué)測(cè)量信息與慣性測(cè)量測(cè)量信息在空間和時(shí)間上的配準(zhǔn)結(jié)果，將視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系，得到全部點(diǎn)在慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，步驟101中的實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息在空間、時(shí)間上的配準(zhǔn)具體為：

測(cè)量前預(yù)先標(biāo)定傳感器，得到由視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系到慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在空間上的配準(zhǔn)；

建立全局時(shí)鐘，以全局時(shí)鐘的脈沖序列視覺(jué)測(cè)量單元與慣性測(cè)量單元同步采集數(shù)據(jù)，通過(guò)全局時(shí)鐘將視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息統(tǒng)一到同一時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在時(shí)間上的配準(zhǔn)。

其中，步驟102中的多元信息測(cè)量傳感器由視覺(jué)測(cè)量單元與慣性測(cè)量單元構(gòu)成。

其中，上述的視覺(jué)測(cè)量單元由兩個(gè)高分辨率線陣相機(jī)和一個(gè)可編程控制的結(jié)構(gòu)光投射裝置構(gòu)成。慣性測(cè)量單元?jiǎng)t采用高性能慣性測(cè)量裝置。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件并結(jié)合慣性測(cè)量技術(shù)，解決測(cè)量設(shè)備在相對(duì)被測(cè)對(duì)象連續(xù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量環(huán)境中的高精度三維形貌測(cè)量問(wèn)題。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖2、圖3對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹，詳見(jiàn)下文描述：

參見(jiàn)圖2，視覺(jué)測(cè)量單元由兩個(gè)高分辨率線陣相機(jī)1和一個(gè)可編程控制的結(jié)構(gòu)光投射裝置2構(gòu)成。慣性測(cè)量單元采用高性能慣性測(cè)量裝置3(例如：高精度光纖陀螺、激光陀螺、陀螺積分加速度計(jì)等)。

201：測(cè)量前，標(biāo)定視覺(jué)測(cè)量單元中的兩個(gè)線陣相機(jī)1的參數(shù)(包括：焦距、主點(diǎn)、外方位參數(shù)等，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制)并建立視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系，再標(biāo)定視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系與慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系(慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系由高性能慣性測(cè)量裝置3的自身結(jié)構(gòu)定義，該部分為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做贅述)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量)，得到由視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系到慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在空間上的配準(zhǔn)；

其中，C為轉(zhuǎn)換關(guān)系，I表示慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系，V表示視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系。

202：設(shè)計(jì)頻率可控的周期性脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置脈沖頻率(具體設(shè)計(jì)和設(shè)置的步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做贅述)，將該脈沖信號(hào)作為全局時(shí)鐘6并通過(guò)硬件連接分別輸出給兩個(gè)線陣相機(jī)1、結(jié)構(gòu)光投射裝置2和高性能慣性測(cè)量裝置3。

然后將兩個(gè)線陣相機(jī)1、結(jié)構(gòu)光投射裝置2和高性能慣性測(cè)量裝置3均設(shè)置為外觸發(fā)模式，使所有裝置均在全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下同步工作，將視覺(jué)測(cè)量信息和慣性測(cè)量信息統(tǒng)一到同一時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量信息在時(shí)間上的配準(zhǔn)。

203：測(cè)量時(shí)使視覺(jué)測(cè)量單元(包括：兩個(gè)線陣相機(jī)1、結(jié)構(gòu)光投射裝置2)與高性能慣性測(cè)量裝置3構(gòu)成的多元信息測(cè)量傳感器沿被測(cè)物體表面5連續(xù)運(yùn)動(dòng)(保持與被測(cè)物體5的距離在有效工作距離范圍內(nèi))。

參見(jiàn)圖3，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)光投射裝置2在全局時(shí)鐘驅(qū)使下向被測(cè)物體5表面投射結(jié)構(gòu)光條紋4，兩個(gè)線陣相機(jī)1同步采集被測(cè)物體5表面的圖像信息7，同時(shí)高性能慣性測(cè)量裝置3同步采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性信息8(包含：加速度a_i和角速度ω_i(i＝1,2,3...N)，其中i為全局時(shí)鐘序號(hào)；N為時(shí)鐘序列總數(shù))。

其中，結(jié)構(gòu)光條紋4應(yīng)根據(jù)具體需要選擇投射隨機(jī)二進(jìn)制條紋、周期性正弦相位條紋等不同類型的條紋。

204：將步驟203中兩個(gè)線陣相機(jī)1采集的圖像信息7按照全局時(shí)鐘6順序建立圖像序列間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在對(duì)應(yīng)圖像序列內(nèi)應(yīng)用圖像匹配算法對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行精確配準(zhǔn)；

精確配準(zhǔn)后，根據(jù)步驟201的標(biāo)定結(jié)果，依據(jù)立體視覺(jué)測(cè)量原理計(jì)算每個(gè)時(shí)鐘所對(duì)應(yīng)的被測(cè)物體5表面點(diǎn)在視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)：

其中，i為全局時(shí)鐘序號(hào)，k_i為第i個(gè)時(shí)鐘下的點(diǎn)的個(gè)數(shù)；V表示視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系；為第i個(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的在視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的k_i個(gè)點(diǎn)。

其中，圖像匹配算法取決于步驟203中所投射到的條紋類型。若投射的是隨機(jī)二進(jìn)制條紋，則采用區(qū)域匹配方法，將對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)灰度相關(guān)值最大的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)；若投射的是周期性正弦相位條紋，則采用相位匹配方法，通過(guò)計(jì)算絕對(duì)相位將相同具有相位的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。具體進(jìn)行精確配準(zhǔn)的步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做贅述。

205：利用步驟203中高性能慣性測(cè)量裝置3測(cè)量的慣性信息8按照姿態(tài)更新算法(例如：四元數(shù)算法、旋轉(zhuǎn)矢量算法、歐拉角法、方向余弦法等，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制)計(jì)算每個(gè)時(shí)鐘周期，高性能慣性測(cè)量裝置3相對(duì)于初始狀態(tài)的空間位姿信息

實(shí)際操作時(shí)，慣性測(cè)量單元應(yīng)優(yōu)先采用高性能的慣性測(cè)量器件，同時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量過(guò)程中的累積誤差進(jìn)行修正，以保證測(cè)量精度。

206：根據(jù)視覺(jué)測(cè)量信息與慣性測(cè)量測(cè)量信息在空間和時(shí)間上的配準(zhǔn)結(jié)果，將視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系，得到全部點(diǎn)在慣性測(cè)量單元初始坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。

其中，為第i個(gè)時(shí)鐘下高性能慣性測(cè)量裝置3相對(duì)于初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；為由視覺(jué)測(cè)量坐標(biāo)系到慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件并結(jié)合慣性測(cè)量技術(shù)，解決測(cè)量設(shè)備在相對(duì)被測(cè)對(duì)象連續(xù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量環(huán)境中的高精度三維形貌測(cè)量問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說(shuō)明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。