（测试计量技术及仪器专业论文）激光扫描三维形貌测量系统的优化研究.pdf

摘要 近年来，逆向工程迅速发展，带动了相关很多领域的发展，非接触式激光 扫描测量技术也随之产生发展起来。尤其，激光扫描三维形貌测量系统具有测量 速度快、测量效率高、易于自动化和柔性好等优点，在现代工业需求中受到了越 来越高的重视，是三维形貌测量技术研究发展的新趋势。 在充分了解国内外激光扫描测量技术发展现状的情况下，对正在研究的激 光扫描三维形貌测量系统的特性进行分析，提出了更高的要求，研究出一套硬件 和软件整体性能都比较良好的测量系统，大大提高了测量系统的稳定性和测量的 效率。 论文研究的主要内容如下： 1 、对测量系统硬件部分进行了详细的分析和研究，并对硬件中扫描测头、 机械传动结构、控制电路及控制程序等几部分进行了优化设计，使系统测量效率 得到有效地提高。其中，测头部分将激光器的数目增加为7 个，重新设计了测头 结构；扫描传动部分采用电机控制芯片代替电机驱动接插件j 同时使用齿轮传动 结构，提高了测量数据的有效性；重新设计了激光器控制电路和电机驱动电路， 并通过控制程序的优化增强了主机和下位机的通信。 2 、通过扫描得到被测表面的数据点云，对这些数据点云进行分析和研究， 针对数据中存在的问题，对数据进行一定得处理如显示、去噪、精简采样等，得 到更接近真实值的测量结果，同时为后续的三维重构打下良好的基础。 3 、使用优化后的系统对被测物进行扫描实验，实验表明优化设计达到了预 期的设想，扫描的效率得到明显提高，测量数据真实可靠，经过处理后更加有利 于后期三维重构。 关键词：激光三维扫描测量系统优化 数据处理三维重构 a b s t r a c t ： i nr e c e n ty e a r s ，m a n yf i e l d sc o r r e l a t i v ew i t ht h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga r ed r i v e d b yt h er a p i dd e v e l o p m e n t o ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g e s p e c i a l l yt h en o n c o n t a c t l a s e rs c a n n i n gm e a s u r e m e n tw h i c hh a v eg o o dm e a s u r e m e n ts p e e d ，m e a s u r e m e n to f h i g he f f i c i e n c y e a s ya u t o m a t i o n , a n dg o o df l e x i b i l i t y ，n l et h r e e d i m e n s i o n a ls h a p e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sb e e ni n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nt h em o d e m i n d u s t r ya n di st h en e wt r e n do fd e v e l o p m e n t w i mat h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta t h o m ea n da b r o a d ，a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rt h r e e - d i m e n s i o n a ls c a n n i n g s y s t e mw h i c hi sb e i n gs t u d i e d w i mh i g h e rd e m a n d s d e v e l o pa s e to fm e a s u r e m e n t s y s t e mw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo fr e l a t i v e l yg o o do v e r a l lp e r f o r m a n c e ， w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n de f f i c i e n c yo f m e a s u r e m e n t 功es p e c i f i cw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 d e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c hh a v eb e e nc a r r i e d b u to nh a r d w a r ec o m p o n e n t s o ft h em e a s u r i n gs y s t e ma n dt h eo p t i m a ld e s i g nh a sb e e nc a r r i e do u to nt h es c a n n i n g p r o b eh a r d w a r e ，m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e ，c o n t r o lc i r c u i ta n d c o n t r o l p r o c e d u r e s ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fm e a s u r e m e n t a m o n gt h e m , t h en u m b e ro ft h el a s e r si n c r e a s et os e v e na n dt h ep r o b es t r u c t u r ei sr e - d e s i g n e d ； s c a n n i n gt r a n s m i s s i o np a r ti sr e p l a c e db ym o t o rc o n t r o lc h i p ，a n dt h eu s eo fg e a r t r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ei m p r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e a s u r e m e n td a t a ；r e d e s i g na l a s e rc o n t r o lc i r c u i ta n dm o t o rd r i v ec i r c u i ta n de n h a n c ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e h o s tc o m p u t e ra n dt h es l a v ec o m p u t e rt h r o u g ho p t i m i z a t i o no fc o n t r o lp r o c e d u r e s 2 n ed a t ao f p o i n tc l o u d sc a nb ea c q u i r e db ys c a n n i n gt h es u r f a c e t h e s e d a t ao fp o i n tc l o u d sf o ra n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rt h ed a t ap r o b l e m s ，t h ed a t aw i l lh a v e t 0b ed e a l tw i t h , s u c ha sd i s p l a y s ，d e n o i s i n g ，s t r e a m l i n es a m p l i n ga n ds oo n ，t og e t t h ev a l u ec l o s e rt ot h et r u ev a l u eo f t h em e a s u r e m e n t sa n dl a yag o o df o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w u pt h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n 3 1 1 1 eo p t i m i z e ds y s t e mi su s e dt os c a nt h eo b j e c t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w s t h a tt h eo p t i m a ld e s i g na c h i e v e st h ed e s i r e dv i s i o n , s c a n n i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e d a n dm e a s u r e m e n td a t ai st r u ea n dr e l i a b l e a f t e rp r o p e rt r e a t m e n t ，i tw i l lb em o r e p r o p i t i o u st ot h ef o l l o w - u pt h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n 一2 k e yw o r d s ：l a s e rs c a n n i n gm e a s u r e m e n t ，s y s t e mo p t i m i z a t i o n , m o t o rd r i v e ， i m a g ep r o c e s s i n g ，3 dr e c o n s t r u c t i o n 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎：或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：忘硗红 签字r 期土一年月? f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数扼库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：融韶0 钮 签字r 期：2 一年月) 同 导师签名： 签字嗍：2 7 年夕月弓同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 三维测量技术是近年来几何量测量技术中的重点研究领域，其中非接触式光 学扫描三维形貌测量技术具有测量速度快、测量效率高、易于自动化和柔性好等 优点，在现代工业需求中受到了越来越高的重视，是三维形貌测量技术研究发展 的新趋势。该技术以获取被测物体表面的三维数据为目的，主要包括被测物表面 的扫描、特征点的获取与数据的处理等几个部分，具有代表性的技术是基于视觉 检测原理的三维形貌测量技术。目前已成为c a d 、c a m 、逆向工程( r e ) 和快速成 形( r p ) 中产品研发的新趋势，涉及汽车制造、通信、家电、玩具、模具、航天和 五金等行业。 本文中对一套基于视觉检测原理的双目视觉三维形貌测量系统进行了研究， 分析了原有系统的特性，对该系统提出了更高的要求。针对目前对该系统的需求， 在原有系统的基础上，根据新的要求对该系统进行了优化研究，设计出了一套硬 件和软件性能都更加稳定，测量效率更高的系统。 1 2 光学扫描三维测量技术 光学三维测量方法根据光源的照明方式可以分为主动式和被动式两种。前者 是指对被测物体投射特定的结构光，使之被物体调制，再经过解调得到被测物体 的三维信息；后者则不需要额外的光源，在自然光照明下通过一定技术来检测物 体三维信息雎3 。主动法主要包括主动三角法( 也即结构光法) 、全息干涉法、基 于调制的三维轮廓测量法；被动法主要包括单目视觉法和立体视觉法( 双目或多 目) ，很多时候我们根据测量将主动法和被动法结合在一起使用。不管是主动法 还是被动法，机器视觉原理都是应用最广泛的技术。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 基于机器视觉的三维形貌测量方法 机器视觉测量的主要思路是模仿生物视觉成像中的匹配和空间定位原理，即 利用光电敏感元件作为图像接收元件，通过目标体在像面的像素位置来判定其对 应的空间距离，再借助结构光以及机械位移对整个目标的三维测量口1 。 ( 1 ) 单目结构光法该方法投射结构光与物体表面，与物体表面相交产生 光条或光点，c c d 相机拍摄图像，提取光点的像素坐标，通过确定结构光在世 界坐标系下的空间位置方程，以及世界坐标系与摄像机坐标系的转换关系，便可 以计算出光点在世界坐标系下的坐标。 u a ) 平移扫描方式b ) 旋转扫描方式 图1 1 激光扫描系统示意图 单摄像机是一个由三维n - 维的转换模型，与被测物体位置相对固定时，无 法获得空间点的坐标，结构光扫描方法有效的解决了此问题。如图1 1 所示结构 光投射于物体表面产生的亮条或亮点图像比较清晰，有利于准确的提取像素坐 标，因此该方法具有较高的测量精度；但需要借助辅助机械扫描系统，位移精度 将直接影响测量精度。当测量回转体时，被测物体的回转中心要求与位移转台的 旋转中心重合，需要很高的定位精度；而且对于一些反射特性较差，以及一些分 布复杂的被测表面，常常会因为反射光线模糊，或凸起区域遮挡了c c d 的视线 以及投射光线而导致数据丢失。采用多目体视法呤1 虽减少了因目标特征模糊而产 生的误匹配现象，但大大增加了计算量。 ( 2 ) 双目立体视觉法 立体视觉法是模仿人类视觉成像原理的一种空间 三维测量技术，常用的是双目立体视觉法，即利用两台相对位置固定的摄像机与 被测物体构成三角形，目标点分别在两像面成像，分别提取左右像面成像点的像 2 天津大学碗士学位论文 搪一章绪论 素坐标，利用两摄像机的视差关系，进行立体匹配运算，反求出目标点的空间坐 标叱 在立体视觉测量中，常常需要授射一定的结构光或者编码光作为特征光源， 标记出进行立体匹配运算的测量点，这些结构光的几何参数本身并不参与三维测 量计算，仅仅作为匹配测量点的种标识光源无额标定其与两摄像机之间的位 置关系，如图1 2 所示。加入激光扫描结构，使测头兼具了结构光扫描方式的优 点。 像面 图1 - 2 立体视觉扫描测量 像面2 双目立体视觉方法在原理上具有通用性，能够满足一般的三维测量要求。 l2 2 三维形貌测量技术的应用现状 三维形貌测量方法是数字近景摄影测量和机器视觉系统在工业方面的个 重要应用。由于各个领域、各个行业的迫切需求及三维测量技术的进步与发展， 经过多年的开发与研究，目前已有多种三维外彤轮廓测量系统面世如三维扫描 系统，但国内起步较晚，激光三维扫描机太 多是从国外进口。3 。现在对已有的典型三维扫 描系统做简单介绍。 一、德国g o m 公司的a t o s 便携式三维 扫描仪，现在已经发展到第三代，如图1 3 所示，采用光栅编码技术。在距被罚物体约 7 0 0 r a m 处随意绕着被测物体移动高速摄取实 图l 3 a t o s 便携式三维扫描仪 物表面数据。该系统的铡量( 扫描) 范围可选8 m 如，曲面拼接精度达到o l m m m 。 天肆大学硕士学位论文第一章绪论 这种扫描系统的扫描不用编程，不受场地和实物、检具等位置的限制，操作方便， 又由于重量较轻、体积较小，可实现异地测量。a t o s 扫描仪不但可以用于尖角、 凹槽、复杂轮廓及软质工件的测量，而且可用于汽车、摩托车外饰件的造型和大 型模具的制造m 。价格约为1 8 万美元。 二、英国雷尼绍公司的c y c l o ns e r 难s 2 扫描仪“。如图】4 所示，采用激 光扫描头和接触扫描头结合，对易碎、易变形的形体及内夹角、精细花纹等进行 激光扫描，扫描精度为00 2 r a m 扫描速度为 4 - 6 m m i n 。现已广泛应用于汽车、摩托车零部 件、家用电器、医疗器械、玩具、首饰、造币、 鞋檀等注塑模、压铸模的设计制造中。 三、 日本罗兰公司的p d ( 一3 0 台式扫描仪， 采用网点接触式扫描方式，其最大扫描范围 3 0 28 x 2 0 32 x 6 05 m m 。该扫描仪很适合于雕 刻行业应用。这种扫描仪虽具有一系列特点， 但由于采有网点接触式扫描，扫描速度较低( x 、 y 轴3 0 m s ，z 轴9 r a m s ) ，扫描时间长，也没有 断电保护，突然断电会使扫描数据全部丢失”。 如图l - 5 所示。 四、英国3 d _ s 锄e r 公司的m 0 d e l m a b 系 列便携式激光扫描仪“1 。如图l - 6 所示。该扫描 仪运用线结构激光扫描技术配舍关节式测量手 臂，进行多轴、多角度测量，可以安装在机械 手臂上绕物体移动也可以使用三脚架进行 操作。 矗蕾 。零，。 砉秘 f 宣羼卫【二 鼍引彰避 图1 - 6m 0 d d m a l c 汀产品测量过程图1 7t d v 彩色三维扫描仪 天津大学硕士学位论文第一章绪论 五、深圳特得维公司的彩色三维扫描系统t d v 1 5 0 0 ，如图1 7 所示。扫描 尺寸为1 5 0 0 1 5 0 0 x1 5 0 0 m m ，扫描精度为0 。0 3 0 0 5 m m ，不受光照的限制。可 应用于制造、电子商务、多媒体及影视娱乐制作等。深圳特得维公司以美国波士 顿光学仪器公司为技术依托m 3 。 六、台湾智泰科技有限公司的e ，m o n s t e r 便携式三维扫描仪，采用光条扫 描的方式，每秒1 0 条扫描线。测量范围为3 0 0 3 0 0 2 0 0 m m ，测量精度为 0 4 - 0 8 m m 。适合于电子商务、资讯业、游戏业、电子业、玩具业、鞋业、高尔 夫球业、模具业、医学工程及产品设计等行业口3 。 1 3 本文所研究的三维形貌测量系统 对光学三维形貌测量技术的研究，美国、德国、日本、英国等发达国家开始 得较早，在上世纪6 0 年代后期就提出了许多测量原理和方法，自9 0 年代，不少成 熟的商业产品面世，如前一节所述，但是其中的关键技术一直处于保密的状态。 我国在这方面的研究开展得较晚，清华大学、天津大学、西安交通大学、中 科院自动化所、中科院计算所等少数几所高校和科研院所的研究小组有一些三维 形貌测量的研究，成型的产品较少。三维形貌测量系统还有待进一步的研究，对 于本文所研究的系统实验证明原理上是可行的，但是在实验过程中也发现一些问 题，随着发展对该系统也有了新的需求，就产生了对该系统进行优化的需要。下 面将首先简要介绍一下整个测量系统的组成。 1 3 1 系统组成 整个测量系统主要包括两部分：三维数据的获取硬件和数据的处理软件。该 系统的测头部分应用激光扫描技术配合双目立体视觉技术，将主动光学法和被动 光学法结合，各取所长，完成对被测形体表面局部的测量，获得物体表面局部的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 特征数据：然后通过建立全局坐标测量系统，将每个局部的扫描数据通过坐 标变换，统- - n 全局坐标系下，形成完整的三维形貌测量数据。然后再对数据进 行处理，使测量结果更加直观。 具体系统硬件部分包括一台主机、两台c c d 摄像机、一个激光投射装置、 扫描传动装置。如图1 8 所示：整个控制系统的由一台主机控制，同时激光投射 扫描装置和扫描传动机构有自己独立的c p u ，接受来自主机的指令后，执行相 应的操作。激光器投射线结构光到物体表面，c c d 摄像机采集图像，然后传到 主机进行相应的处理，提取出物体表面的三维坐标数据。然后扫描传动机构动作 带动激光条在物体表面进行扫描。激光条每动一个位置，c c d 摄像机就采集一 张图片，直至测量完一个局部单元，再进行下一个单元的测量，最后直至被测物 的整个表面被测量完。接下来就是后续的软件处理，提取出特征点，在对这些特 征点进行处理，甚至在此基础上进行被测物体三维形貌的重构。 1 3 2 系统中需要优化的问题 该系统中原理经验证是可行的，但是随着科技的发展，对类似这样的测量系 统有了更高的要求，需要进行优化研究。根据新的要求，对系统测量的各个环节 进行优化研究，使该系统成为一套比较成功的可以应用在实际的工程中的测量系 统，进而推进国内三维形貌测量系统的研究和发展。 系统整体性能有待进一步提高，因为测量的过程中需要频繁的启停，经常导 致信号发出以后，电机没有反应，也就是所谓的丢步现象；为了提高效率，可以 增加激光器的数量，但这势必会造成电路中的电流增大，同时数据处理的难度增 加，就需要对该部分控制电路和软件进行相应的优化；采用普通的照明灯来照亮 背景，由于光照的不均匀，引入一些噪点，而且对图像处理也造成一定得困难， 需要改善。 系统优化必然离不开软件的优化，系统的自动化程度，需要从软件上进行调 整，以实现连续扫描拍摄，同时提高效率。系统软件只提取出来物体表面散乱的 点云数据，数据中必然存在噪声点，也不够直观，所以还需要对数据进行进一步 的处理，如去噪、精简、平滑等，为了使测量结果直观，还可以利用处理完的数 据进行三维重构，得到物体的直观的三维模型。 在后续章节中将会对系统优化进行详细的讲解。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题目标及本文工作 1 4 1 课题目标 本文的出发点是研制一种具有工程实用性的双目视觉三维形貌测量系统。在 原有实验阶段的系统的基础上，根据新的需求，对系统提出了新的要求，在原来 系统的基础上进行优化研究，进而得到这样一种能够应用在实际测量中各方面都 比较稳定的系统。 优化的过程不仅仅体现在硬件上，软件的优化也是非常重要的，图像处理软 件已经比较成熟，提取出图像信息中物体表面的特征点信息现在并不是很困难的 事情，我们想要的也不仅仅是得到物体表面的特征点，最好的结果是能够利用这 些数据得到物体表面的三维模型，因此有必要对获得的特征点数据进行去噪、精 简、平滑等操作，得到更接近真实的数据。再利用这些数据进行三维重构，得到 物体表面的三维信息，使测量结果也交得更加直观，可以用于后续的快速成型、 加工制造等领域。 总之是希望通过本课题得到这样一套具有工程实用性的测量系统。 1 4 2 本文主要工作 本文在充分了解光学三维测量技术及其发展应用现状的基础上，对实验室原 有三维形貌测量系统进行了详细而全面的分析，充分了解了系统测量原理及整个 系统的构建的同时，根据新的系统需求，提出了一系列优化方案。 l 、本文完成的主要工作 a 、激光投射装置的优化设计 系统中是多个半导体激光器空间以微小张角立体排布，产生近似等间距的扫 描光条，对物体表面进行扫描。通过激光器数目的增加，可以有效地缩短扫描的 时间。但是由于激光器的增加，电流势必增加，控制电路部分也要进行相应的改 变，才能够保证激光器正常的工作。 b 、传动结构的优化设计 系统中直接把激光投射装置固定在电机的转轴上，由电机转动带动激光器光 条转动，从而完成对物体表面的扫描，电机轴向受力比较大，会导致了整体结构 的不稳定，而且电机的频繁启停也可能导致电机出现丢步现象。因此，对传动系 统进行了优化，设计了一对齿轮传动机构来进行传动，简化了系统的结构，重新 设计了电机驱动控制电路来取代电机控制接插件。 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 c 、背景照明的设计 新增加两个环形光源，以提供较均匀的背景照明，明显减少了引入噪点的数 目，降低了图像处理的难度。 d 、图像及后续数据处理软件的优化 在软件中增加了数据的旋转、缩放、平移等功能，实现了噪声点的删除、数 据的精简、平滑等操作，并对后续的三维重构进行了探索性研究。 e 、实验及结果分析 选择合适的被测物，分别在多个不同的位置上对其进行测量。通过激光扫描、 数据提取、数据处理等过程，最后得到处理后易于实现三维重构的被测物形貌的 三维点云数据。 2 、本文章节安排 第二章在理论上分析研究了原系统中存在的问题，并完成对系统测头结 构、扫描传动结构、控制电路、控制程序等几个方面的优化。 第三章在理论上分析了图像及数据处理方法，并进行了数据处理软件的设 计和编程，完成了数据的基本处理，并对后续的三维重构进行了探索性研究， 为更好的完成整个系统，打下了很好的基础。 第四章完成三维测量实验并对所得数据加以分析和处理。 第五章总结全文内容，提出今后工作努力的方向。 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 第二章系统硬件的研究及优化 本系统中激光三维扫描测头结构示意图如下图2 1 所示： 图2 1 激光三维扫描测头结构示意图 考虑到测头两端是两个对称的c c d 相机，故把激光器投射装置放在中间， 激光投射装置有7 个线状激光器，发出7 条线结构光，但是测头的扫描运动是由 电机带动机械传动结构运动，然后机械传动结构带动激光器测头旋转实现的。系 统扫描测头硬件部分也即系统硬件按功能可以分为激光投射扫描装置，扫描传动 结构和其他如背景照明等几个功能模块。 对于激光投射装置，综合考虑相机的视场和测量效率，将系统中半导体激光 器的数目确定为7 个，半导体激光器空间以微小张角立体排布，产生近似等间距 的扫描光条，对物体表面进行扫描，明显缩短了扫描时间，在一定程度上提高了 测量的效率。 对于扫描传动结构，最终是通过电机带动激光光条在被测表面进行扫描的。 电机负载过重加上电机的频繁启停容易导致电机出现丢步现象，对整个测量过程 来说也是需要避免的。因此本文中设计了齿轮传动机构，由电机带动齿轮转动， 从而带动激光光条在被测表面进行扫描。 其他，如果不考虑背景照明这个问题，在实验过程中直接采用了普通的白炽 灯进行照明，造成物体表面的照度非常不均匀，引入大量噪点，加重了图像处理 过程中的负担。本文中设计了环形光源在改善此问题。 下面针对不同功能模块，对其结构及控制电路、控制程序进行了详细的研究 及优化。 系统测头部分是整个系统的重要组成其结构和性能的好坏，决定了整个系统 性能的优劣。 9 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 2 1 激光投射装置部分 2 1 1 激光投射装置结构 三维视觉测量中空间特征点的获得通常采用空间编码的方法，如光栅编码或 结构光扫描。前者测量速度快、编码方式灵活，但是图像处理复杂，横向分辨率 较低；后者需要借助于扫描系统，速度较慢，但是图像处理简单、测量精度高。 结构光光源有点结构光、线结构光，多线结构光和面结构光。由于点结构光 一次只能采集一个点的数据，图像处理最简单，但测量速度慢，需要二维扫描系 统；线结构光和多线结构光一次可以采集一个截面上的数据，图像处理相对简单， 测量速度较快；面结构光一次可获得一个局部面形的数据，测量速度最快，但是 图像处理也最为复杂。 f j f? 一f 卜 i7 丁 4 ，鹞l j ! 一厂 、! ： i3 5 3 j l i | j 77 5 0 l i j s 一 一 7 r 射角度投 f l ! i9 图2 2 激光投射装置结构原理图 综合考虑，本系统中激光扫描测头采用了多线结构光扫描方式，原系统中 使用了三个激光器来投射出三条近乎等间距的激光条，对物体表面进行扫描。该 原理经验证是没有问题的，所以为了提高效率，当然也考虑了其他的因素，如相 机的视场，后续处理的难度等因素，决定将激光条的数目增加到7 条，即采用了 7 个线状激光器。 l o 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 激光器采用的是西安光电华科有限公司的型号为l h 6 5 0 2 5 3 ( 5 ) 的红光线 状激光器。每个激光器的外形尺寸为西1 2 3 2 m m ，重量为1 0 9 ，工作电压为 5 v ，工作电流 5 0 m a 。激光投射装置如图2 2 所示：本系统在工作距离为7 0 0 m m 的地方，打出的激光光条覆盖范围为2 6 0 r a m 左右。 2 1 2 激光器控制电路 激光器要求的供电电源为稳定的5 v 。电压波动较大时，有可能使激光器烧 坏。因此激光器保护电路是整个电路中重要的一部分。以前系统电路如图2 3 和 图2 4 所示，1 2 v 电压由p n p l 输入，先通过l c 滤波网络后，经过5 v 稳压电 源7 8 0 5 的转换，再经r c 滤波网络，最终输出稳定的5 v 7 8 0 5 0 u t 电压。5 v 电 压7 8 0 5 0 u t 由两级n p n 、p n p 三极管构成激光器的电源控制电路，控制将1 2 v 电源加载到主要由稳压电源7 8 0 5 构成的保护网络中或者关断，从而保证了激光 器的安全工作。 l ：财 ； 。+ v 酣 ；0 恼it o k 。1 f ： ：l5 x2 敞3 卜：甲n p ： 1 十 王：f 砷1 n j ， 。t 。 7 8 0 5 l n s w t i 陀 f f 。r 1 9 。 一：1以q 1 0 二c 6 h 州： k 蔓2 = c 2 p 一 ! = c 2 6 n j , o x 0 1 u4 7 u o 1 u 一 ：一：一：l 。7 图2 3 原激光器控制电路 图2 _ 4 原激光器稳压电路 此电路设计在原应用中尚能正常使用，但在本文的后续设计应用中效果却不 是太好，电路运行不稳定，经常出现烧管的现象。综合分析实验现象，发现烧管 天津大学硕士学位论文第二章系统硬件优化的研究 多数出在q 3 三极管上，每次实验结束后q 3 管温度也极高，分析电路参数发现， 7 8 0 5 的1 2 v 输入电流要通过q 3 管的c e 结。7 8 0 5 的5 v 输出主要用于激光器的 供电，每个激光器需要5 0 m a 的电流，原应用采用的是3 个激光器，折合通过 q 3 c e 结的电流为1 5 0 m a ，结合经验值估计q 3 c e 间电压为1 v ，那么功率为 1 v * 0 1 5 a = 0 1 5 w ，q 3 勉强能承受：此应用中采用了7 个激光器，折合通过q 3 c e 结的电流为3 5 0 m a ，结合经验值估计q 3 c e 间电压为1 v ，那么功率为 1 v * 0 3 5 a = 0 3 5 w ，q 3 就很难能承受了，所以才会出现实验中烧管的问题。 要解决这个问题，一是将q 3 换为带散热片的大功率三极管，二是彻底改变 电路结构。如果换大功率三极管就会增加系统的发热量，而且这是一种治标不治 本的解决方法，故本文采用后者。 之前的方案表面上看起来采用两级两套三极管控制7 8 0 5 的方案可以更有效 的保护后续电路的安全，但经过长时间的实验，发现使用中，这样用一套n p n 、 p n p 结合方式反而会引入更多的问题。所以在重新设计的过程中，本例放弃两 级控制的方案，采用一级控制的方案，即7 8 0 5 的1 2 v 输入采用机械开关控制， 只采用一级m o s 管控制5 v 输出到激光器来达到控制激光器亮灭的目的，具体 实 j 伐1 亡 = 图2 。5 系统激光器m o s 控制原理图 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 如图2 5 所示，1 2 v 通过机械开关输入7 8 0 5 ，被转为5 v 加到i r f 3 2 0 5 的源 极，单片机通过l a z e r c 信号来控制m o s 管i r f 3 2 0 5 的通断。此处，因为考 虑到三极管的带负载能力不强，本例中一路输出要带三个激光器的，为了避免再 度出现烧管的问题，才采用导通电路很小的m o s 管控制。通过分析各类m o s 管的性能曲线，最终采用了阈值电压较小的i r f 3 2 0 5 。 从图2 - 6i r f 3 2 0 5 的特性图可以看出，当主控芯片的i o 口输出5 v 信号时， i r f 3 2 0 5 完全能够进入截止区，那么根据芯片手册所给参数可以推算出此时其 r o n 为0 0 0 8 欧。 0 1 1 0 v 嘴啪s o l , m z ev o l t a g e 图2 - 6i r f 3 2 0 5v d s 特性图 由于一路要带三个激光器，那么这一路的电流为1 5 0 m a ，i r f 3 2 0 5 的功率 为0 0 0 8 * 0 1 5 0 1 5 = 0 0 0 0 1 8 w ，i r f 3 2 0 5 完全能够胜任，在实际应用中也发现 i r f 3 2 0 5 上的温度基本与室温持平。图中电阻r 2 7 、r 2 0 和电容c o u t u 组成的 低通网络的作用在于延缓l a z e r u 信号的上升速度，信号缓慢上升，减小单片 机输出的阶跃信号对m o s 管的冲击，但是需要保证在信号的上升期不会有下一 个阶跃，故电容c o u t u 的容值需要结合系统的响应时间来加以确定。 2 2 扫描传动部分优化 原系统中测头选用斯达特( s t a r t ) 两相混合式步进电机1 7 s h 0 0 1 ，配套驱动 器s h 一2 h 0 4 2 m b 。结构如图所示，电机竖直放置，整个测头是固定在电机的轴上。 很明显，电机的轴向受力比较大，所以只能选用这样马力比较大的电机，电机体 积也比较大，而且这种结构导致测头中间部分高度太高，而且不利于稳定。最主 要的还是电机受力大，启动转矩比较大，加上激光扫描过程需要电机频繁的启停， 如 ， (v一皇墨，50。2_56叩童，6o一 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 容易导致电机出现丢步现象，影响后续数据处理，对测量本身来讲也是需要避免 的。 2 2 1 扫描传动结构 s t 激光器 摄像机a ) 扫描原理图 b ) 结构示意图 图2 7 原系统传动结构示意图 减速器 电机 图2 7 中图a 中s t a r t 为扫描亮线的初始位置，e n d 为终止位置。设计 有效扫描范围s t a r t - e n d 为3 0 0 m m 。 原来电机的形状及尺寸数据如下图2 8 所示：其中l = 3 3 5 m m ，即电机长、 宽均为4 2 3 m m ，加上转轴高度为5 7 5 m m 该电机重量为0 2 k g ，步距角为1 8 。 e 2 _ 口o ll e h j ”1 叁。 ill 二 2 4l 图2 8 步进电机形状及主要尺寸 原系统中使用了驱动器s h 2 h 0 4 2 m b 。该驱动器厚度为19 m m ，长度和宽度 分别为8 4 r a m 和5 9 m m ( 该尺寸不包括安装部分) ，重量为1 0 5 克，体积比较大， 相对来说安装不是很方便，如图2 - 9 所示。 1 4 天津大学硬士学位论文第二章系统硬：t 4 化的研究 图2 - 9 驱动器s h 一2 h 0 4 2 m b 外形及板面图 本课题中改变了原系统的传动结构，设计了齿轮传动结构，改变了电机的受 力方向，新的结构如图2 一i o 所示，不管是径向还是轴向，电机的受力都很小， 所以选用了信达恒的a m l 5 2 4 电机就可以达到我们想要的目白q 。 图2 1 0 系统传动示意图 新的传动结构由一对大小齿轮构威，电机转动，带动小齿轮转动，通过小齿 轮把动力传递给大齿轮，撤光投射装置固定在大齿轮上，大齿轮转动的同时自然 就带动撒光条在物体表面进行扫描。 其中，大齿轮的模数m = l ，齿数五= 1 0 0 ，小齿轮的横数m = l ，齿数z 1 = 2 0 得到齿轮的传动比为5 ：i 。小电机a m l 5 2 4 为两相步进电机，2 4 步旋转一周。 天津大学硬士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 2 22 电机驱动控制电路 出于减轻了徽处理器和程序设计的负担的考虑，控制电路中选用了一个1 6 脚p 。岬1 6 却s o i c w i m t u t r u t ht ”l e 鬟多 圈2 1 1 a 3 9 6 6 圈2 1 2a 3 9 6 6 控制逻辑 的电机控制芯) t h 3 9 6 6 ，来实现对电机的控制，如图2 1 1 和2 1 2 所示。a 3 9 6 6 s a 型电机驱动器可驱动双相双极步进电动机的两个绕阻，该器件包括两个能够连续 输出电流为6 5 0 毫安以及操作电庄至3 0 伏特的h 电桥。可通过内部圃定 频率、脉宽调制( p w m ) 及电流控制电路来控制电动机绕阻电流。用户可通过 选择参考电压和电流感测电阻设置峰值载荷电流限制。用户可通过选择外部r c 计时阿络设置固定频率脉冲持续时间。r c 计时网络中的电容器也可以确定用户 可选择空白窗1 3 ，该窗口在开关转换过程中可防止对p w m 电流控制电路的误 触发。为减少芯片功率耗散，已优化h 电桥功率输出以适应低饱和电压汲入 型驱动器，具有a l l e g r o 已取得专利的s a t l i n g t o n 输出结构。s a t l i n g t o n 输出将饱 和晶体管的低电压降落与达林顿高峰值电流容量相结合。每个电桥的相位输 可 通过选择适当的源极与汲入型驱动器件控制负载电流的极性。每个电桥的启用输 八持高时，禁用输出驱动器，不需要特别的加电排序。内部电路保护包括因滞后 引起的过热关机、接地钳位反激二极管及交叉电流保护。 一一_ 一 图2 1 3 电机控制原理 天津大学硕士学位论文第二章系统硬件优化的研究 如上图2 1 3 所示，本例采用的是芯片技术手册中所提供的原理图，利用主控 芯片的两路i o 输出方波，两路输出控制信号来达至1 j a 3 9 6 6 的时序要求。其中为 p h a s e l 、p h a s e 2 方波时序口，e n a b l e l 、e n a b l e 2 为控制口，o u t l a 、 o u t 2 a 、o u t l b 、o u t 2 b 为步进电机的驱动接口。此处，由于步进电机的电压 需要6 v 驱动，因此第7 管脚的电压即电机驱动电压采用7 8 0 6 的输出，而芯片的控 制电压仍采用7 8 0 5 的输出。7 8 0 6 的使用原理图如下图2 1 4 所示，与7 8 0 5 类似，输 入控制放弃了电子管控制方式转为机械开关控制方式，输出利用电阻电容滤波网 络滤波后输出恒定的6 v 电压。 p 2 ：7 8 0 6 5 s 7 8 0 6 q 扣 冉- v i n 。 丫b2 ：y b b 西b0 。 f 、一 k ，一 一 一 ll r 7 8 0 6i ：i ! - - in，l _ 一 - - 一印c 1 呵5 1 严f 。一一 一 _ t = 乙1 1 乙1 0 o 3 3 u 。l 0 r u 一 一一 图2 1 47 8 0 6 的使用原理图 使用时，a 3 9 6 6 可以等效为下图2 1 5 的h 型电机驱动电路，当e n a b l e l 、 图2 - 1 5a 3 9 6 6 1 内部控制 1 7 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件优化的研究 e n a b l e 2 选通译码器后，p h a s e l 、p h a s e 2 采用四拍的方式模拟出驱动时 序，a 3 9 6 6p q 部通过译码器解码后，其译码器输出信号控制h 型电机驱动电路产 生能够驱动电机的大电流信号，以此达到控制电机转动的目的，而电机的正反转 则通过改变p h a s e i 、p h a s e 2 通断的先后顺序的方式来控制。 2 3 背景照明及激光标记点的设计 2 3 1 背景照明 三维形貌测量的直接目的就是获得物体表面的特征数据，为此我们需要根据 物体表面的形貌特征布置相应数目的标记点，这些标记点是用反光材料制作成 的，需要育一定得亮度才能得到比较明显的标记点图像。 以前系统在措建的过程中没有考虑到这个问题，在拍摄的过程中临时采用的 是普通的白炽灯进行照明，图像如图所示： 圈2 - 1 6 普通照明灯照明效果 白炽灯照到物体表面的亮度非常不均匀，很多点的灰度和反光标记点灰度相 近，很明显会影响到标记点的提取，增加了在提取特征点的过程中图像处理的难 度，也很难保证提取的特征点的准确性。 为此，在优化系统的过程中对该问题进行了思考，经试验决定在相机的镜 头上，安装环形光源，照射到物体表面的光比较均匀。 天津大学硕士学位论文第二章系统硬件优化的研究 图2 - 17 环形光源 采集到的圈像如下图所示，基本看不到背景光的不良影响。相反，反光标记 点的亮度显得比较亮，很明显，图像处理过程中图像的二值化是非常容易的，特 征点的提取相对来说就容易很多，准确很多了。 露蓊需 一 目2 - 8 采集到图像 天津大学硕士学位论文第二章系统硬件优化的研究 23 2 激光标记点 激光光条在扫描的过程中，在每个测量区域的边缘部分，每个相机的视场中 可能就只能够出现4 、5 条左右的光条，左右相机匹配时，如果光条对应不正确 就会出现误匹配现象，为此，新加了一个激光标记点，利用一个点状小激光器， 投射一个标记点到7 条激光条的中间位置，就可以根据该激光点来确定光条的对 应关系。 2 4 总体控制 图2 1 9 基于激光标记点光条匹配 在本控制系统中，通过主机控制双目视觉测头的一切动作。测头内部有独立 的c p u ( 单片机) 及控制电