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三维视觉测量技术的研究与开发

孟伟  
【摘要】:随着现代工业技术飞速发展,传统的测量方式很难满足自动化、高效率、无人值守的现代工艺生产、检测要求。视觉测量技术以其非接触、精度高、实时性好的特点近年来在非接触测量领域发挥着越来越重要的作用。结合“光机电一体化”技术,以计算机、图像采集卡、精密机械为基础的激光视觉扫描系统正在成为目标三维测量的主流。 激光三维视觉测量技术最早出现于20世纪70年代,它不仅包含视觉感知、图像处理、图像分析和模式识别等机器视觉的一般内容,也包含着空间几何尺寸的精确检测,定位和识别等测量领域的特殊性。为了实现使点激光测量系统具有精密测量性能的目的,建立了结构可调的点激光测量系统,对该系统中的机器视觉成像和激光三角测距原理进行了研究。首先,建立相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式;其次,建立点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数;最后,利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。 为了实现对目标物体的全三维信息扫描,寻找特征点进行跟踪的目的,建立了线激光平动扫描和旋转扫描系统。利用射影几何知识建立了线激光扫描系统的数学模型,根据靶标角点自动匹配世界坐标提供的训练集完成对系统模型得标定,并建立数据模型利用优化算法完成对系统模型的优化。根据图像处理算法提取激光条及需要跟踪的特征点,完成对物体三维信息的恢复并将需要跟踪的特征点送入机器臂的控制器完成对特征点的跟踪。 综上,针对不同工业现场应用需求设计了结构现场可调的点激光一维深度信息测量以及线激光全三维平动扫描系统和旋转扫描系统,并将其应用在平面对接焊缝和风机螺旋焊缝的自动焊接中,推广了激光三维视觉测量技术在工业生产和工业检测中的应用。


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