三維形貌測量儀的控制方法及其系統與流程
2023-09-20 10:09:30 4
本發明涉及測量儀控制技術領域，尤其涉及三維形貌測量儀的控制方法及其系統。
背景技術：
目前對刑偵物證，如槍彈的彈頭、彈殼及工具線條痕跡等方面的比對和檢測，尚處在以實物樣本存儲來分析的狀況，對痕跡信息的檢測仍停留在藉助單一儀器直接觀察二維圖像比對的技術層面上，無法解決在三維空間物體形貌技術和痕跡比對技術中存在的精確定位測量難題。
近年來，隨著原先主要用於工程方面的物體表面三維形貌重建的非接觸檢測技術的成熟及發展，現在已經出現有將物體三維形貌重建的非接觸移相檢測技術，應用於刑偵物證三維形貌重建的測量裝置。它是基於投影條紋原理而設計的，其中條紋投影儀將電腦產生的正弦強度光柵條紋投射於物體上，ccd攝像機將含有被測物面大量信息的條紋圖像採集回來，計算機利用相移技術及二進位編碼技術，計算求得相對應點的高度值，進而重建出被測物面的表面形貌。
其中，中國專利公開了一種三維形貌測量儀（專利申請號201210116597.7）。該裝置具有6軸的可調節結構，用以高精度的調整ccd攝像機、條紋投影儀以及物證工作檯。為實現對於物體三維形貌的完整重建，需要使用合理的方法對目標物體的姿態進行調整，這樣的操作依賴於對於目標物在立體空間中準確的定義和變換。
因此，現有技術還有待發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供三維形貌測量儀的目標姿態控制算法及其軟體實現，旨在解決現有技術中尚無對三維形貌測量儀進行快速，準確控制測量目標姿態的問題。
為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：
一種三維形貌測量儀的控制方法及其系統，所述三維形貌測量儀包括三個正交的平移軸以及對應的三個旋轉軸，所述平移軸包括：x方向平移軸、y方向平移軸以及z方向平移軸；所述旋轉軸包括：繞所述x方向平移軸旋轉的x旋轉軸，繞所述y方向平移軸旋轉的y旋轉軸以及繞所述z方向平移軸旋轉的z旋轉軸；其中，所述方法包括：
標定所述平移軸；
標定所述旋轉軸的軸向，
以初始姿態矩陣表示目標點的當前位置，並且以x旋轉軸不變矩陣表示目標點的目標位置；
旋轉所述旋轉軸，以使所述初始姿態矩陣轉換為準x旋轉軸不變矩陣；所述準x旋轉軸不變矩陣的坐標軸方向與所述x旋轉軸不變矩陣的坐標軸方向相同；
移動所述平移軸，以使所述準x旋轉軸不變矩陣的原點與所述x旋轉軸不變矩陣重合。
所述的方法，其中，所述標定所述平移軸的軸向，具體包括：
控制所述三維形貌測量儀的平移軸和旋轉軸均歸零；
將標定板放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內；
分別沿所述x方向平移軸、y方向平移軸移動若干個脈衝單位；
確定標定板的標定點在xy方向構成的平面上的移動；
計算標定點的移動方向以標定所述x方向平移軸和y方向平移軸。
所述的方法，其中，所述標定所述平移軸的軸向，具體包括：
控制所述三維形貌測量儀的平移軸和旋轉軸均歸零；
將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內；
沿z方向平移軸移動若干個脈衝單位以改變所述標定球的位置；
分別計算所述標定球在不同位置上的三維數據；
標定所述標定球在不同位置上的球心連線為z方向平移軸。
所述的方法，其中，所述標定所述平移軸的軸向，具體包括：
在所述x方向和y方向運動平面與所述三維形貌測量儀的感光元件之間的夾角大於預定閾值時；
將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內；
分別沿所述x方向平移軸、y方向平移軸移動若干個脈衝單位以改變所述標定球的位置；
計算所述標定球在不同位置的三維數據及其球心位置；
根據所述球心位置的變化標定所述x方向平移軸和y方向平移軸。
所述的方法，其中，所述標定旋轉軸的軸向，具體包括：
將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內；
選擇移動一個旋轉軸，使標定球移動至三個不同的位置；
計算所述標定球在三個不同的位置的三維數據並確定所述標定球的球心位置；
根據所述球心位置，確定一個圓的圓心以及圓面的法向，所述圓心及圓面的法向分別與所述旋轉軸的軸向和旋轉中心位置對應。
所述的方法，其中，所述標定旋轉軸的軸向還包括：
在所述旋轉軸移動過程中，標定球的位置超出所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍時，通過移動所述平移軸，將所述標定球移動至所述視場範圍內。
所述的方法，其中，所述初始姿態矩陣為4×4矩陣。
所述的方法，其中，所述旋轉所述旋轉軸，以使所述初始姿態矩陣轉換為準x旋轉軸不變矩陣，具體包括：
繞z方向旋轉軸旋轉所述初始姿態矩陣，以使初始姿態矩陣的x方向旋轉軸與y方向旋轉軸之間的第一夾角與x方向旋轉軸與y方向旋轉軸之間的第二夾角相等；
繞y方向旋轉軸旋轉，以使初始姿態矩陣的x方向旋轉軸與x方向旋轉軸重合；
繞x方向旋轉軸旋轉，以使所述初始姿態矩陣的y方向旋轉軸、z方向旋轉軸分別與y方向旋轉軸、z方向旋轉軸重合。
所述的方法，其中，所述移動所述平移軸具體包括：
確定所述準x旋轉軸不變矩陣的第一原點和x旋轉軸不變矩陣的第二原點之間的連線向量；
計算所述連線向量在所述x方向、y方向以及z方向上的分量；
分別在x方向、y方向以及z方向移動對應的分量。
一種三維形貌測量儀的控制系統，其中，包括至少一個或多個處理器以及存儲器，其中，
所述存儲器存儲有可被所述至少一個或多個處理器執行的指令程序，所述指令程序被設置為執行如上所述的控制方法。
有益效果：本發明提供的三維形貌測量儀的控制方法及其系統，通過使用特定的矩陣定義體系能夠很好的實現對於物體在六軸立體空間體系中的姿態控制。通過對六軸的調整量，可以精確的將目標物體移動到正確的位置進行觀測，具有良好的技術效果。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的三維形貌測量儀的第一結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的三維形貌測量儀的第二結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的三維形貌測量儀的控制方法的方法流程圖；
圖4為本發明實施例提供的三維形貌測量儀的標定方法的方法流程圖；
圖5為本發明實施例提供的控制方法步驟400的方法流程圖；
圖6為本發明實施例提供的控制系統的硬體結構示意圖。
具體實施方式
本發明提供三維形貌測量儀的控制方法及其系統。為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
圖1和圖2為本發明實施例提供的一種三維形貌測量儀。如圖1和圖2所示，該三維形貌測量儀包括：z軸垂直移動電機10、被測物體旋轉電機20、x軸旋轉電機30、y軸平移電機40、y軸旋轉電機50、x軸旋轉電機60、z軸旋轉電機70、z軸平移電機90以及用於固定待測物體的載物臺80。
通過上述驅動電機，在控制系統的控制下，載物臺上固定設置的待測物體可以具有三個正交的平移軸以及對應的三個旋轉軸。亦即，待測物體可以在電機活動機構下，帶動其沿六軸方向移動，調整在空間中的位置。該三維形貌測量儀具體的硬體結構以及驅動機構等，均可以使用中國發明專利三維形貌測量儀（專利申請號201210116597.7）中公開的技術方案，為陳述簡便，在此不作贅述。
圖3為本發明實施例提供的，用以控制所述三維形貌測量儀的控制方法。如圖3所示，該方法包括：
s100、標定所述平移軸。
s200、標定所述旋轉軸的軸向。慣常的，在進行控制前，為保證控制的精確，需要將上述六個軸進行標定，確定或者標定其軸向。
具體的，分別可以採用下述方法對平移軸和旋轉軸進行標定：
對於平移軸的標定過程具體可以為：首先，控制所述三維形貌測量儀的平移軸和旋轉軸均歸零。
然後，將標定板放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內；並分別沿所述x方向平移軸、y方向平移軸移動若干個脈衝單位。根據ccd採集到的圖像，可以確定標定板的標定點在xy方向構成的平面上的移動，最後通過計算標定點的移動方向以標定所述x方向平移軸和y方向平移軸。
在另一些實施例中，所述x方向和y方向運動平面與所述三維形貌測量儀的感光元件之間的夾角較大，例如大於一定的預定閾值時。基於精確度的考慮，無法使用上述簡單的方式進行標定，需要使用標定球的方式。
在該標定方法中，首先將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內。然後，分別沿所述x方向平移軸、y方向平移軸移動若干個脈衝單位以改變所述標定球的位置，計算所述標定球在不同位置的三維數據及其球心位置。最後，根據所述球心位置的變化標定所述x方向平移軸和y方向平移軸。
完成對x方向和y方向的標定後，可以據此進行z方向上的標定。具體的，可以將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內，然後，沿z方向平移軸移動若干個脈衝單位以改變所述標定球的位置；分別計算所述標定球在不同位置上的三維數據。最後，標定所述標定球在不同位置上的球心連線為z方向平移軸。
如圖4所示，對於旋轉軸的標定過程具體可以包括如下步驟：
410、將標定球放置在所述三維形貌測量儀的感光元件的視場範圍內。
420、選擇移動一個旋轉軸，使標定球移動至三個不同的位置。
430、計算所述標定球在三個不同的位置的三維數據並確定所述標定球的球心位置。
440、根據所述球心位置，確定一個圓的圓心以及圓面的法向，所述圓心及圓面的法向分別與所述旋轉軸的軸向和旋轉中心位置對應。通過圖4所示的軸向標定過程，可以依次完成x方向，y方向以及z方向上的旋轉軸。
在一些實施例中，在進行軸向標定，標定球移位的過程中，標定球可能會移動到感光元件（如ccd）的視場範圍外。因此，需要重新將標定球移動會視場範圍內。由於在此之前平移軸均已經標定完畢，因此，上述平移過程可以基於平移軸的移動來完成，不影響旋轉軸的標定，只需要將移動原點恢復即可。亦即在計算標定球在某個旋轉軸的球心位置時，必須將x平移軸，y平移軸，z平移軸的運動量考慮進去。
完成標定後，可以即可進行對於目標物的姿態控制步驟。可以理解，該控制過程為：給定目標點一個初始姿態以及最終姿態，通過目標點在初始姿態時的6軸位置，計算目標點在最終姿態時的6軸位置。
s300、以初始姿態矩陣表示目標點的當前位置，並且以x旋轉軸不變矩陣表示目標點的目標位置。
本領域技術人員可以通過數學證明：該問題等價於給定目標點一個姿態（即初始姿態），如何運動6軸，使得目標點的姿態矩陣變成以xr為x軸的一個姿態矩陣。在此使用術語「x旋轉軸不變矩陣」命名這一矩陣，設其原點為xro。在一些實施例中，可以使用大小為4×4的矩陣表示初始姿態。
s400、旋轉所述旋轉軸，以使所述初始姿態矩陣轉換為準x旋轉軸不變矩陣；所述準x旋轉軸不變矩陣的坐標軸方向與所述x旋轉軸不變矩陣的坐標軸方向相同。
首先通過旋轉軸的運動，可以將初始姿態矩陣調整為與x旋轉軸不變矩陣之間坐標軸方向相同的一些矩陣，例如準單位矩陣，準x旋轉軸不變矩陣等。這樣的一些矩陣與目標矩陣的區別在於：其矩陣的原點有所不同。
s500、移動所述平移軸，以使所述準x旋轉軸不變矩陣的原點與所述x旋轉軸不變矩陣重合。該令原點重合的步驟是一個容易實現的過程，例如只要計算兩個原點之間的連線向量在三個平移軸上的分向量即可。
具體的，以下結合具體實例，進一步闡述步驟400的過程，完成初始矩陣恢復準x旋轉軸不變矩陣的目標的方法。設準xr不變矩陣的三個坐標軸為uxdir，uydir，yzdir，準xr不變矩陣為umat。當前姿態矩陣的三個坐標軸的方向為curxdir,curydir,curzdir,當前姿態矩陣為curmat。
如圖5所示，該方法可以包括：
510、繞z方向旋轉軸旋轉所述初始姿態矩陣，以使初始姿態矩陣的x方向旋轉軸與y方向旋轉軸之間的第一夾角與x方向旋轉軸與y方向旋轉軸之間的第二夾角相等。
通過步驟510，可以為下一步繞y方向旋轉軸的旋轉作好準備。在滿足上述條件下，無論y方向旋轉軸如何旋轉，curxdir與xr都在以yr為中心軸的一個錐面上。
520、繞y方向旋轉軸旋轉，以使初始姿態矩陣的x方向旋轉軸與x方向旋轉軸重合。在步驟520中，由於curxdir與x方向旋轉軸都在以y方向旋轉軸為中心軸的一個錐面上，因此可以通過步驟520，通過繞y方向旋轉軸旋轉，使得curxdir與x方向旋轉軸重合。當然，在繞y方向旋轉軸旋轉時，x方向旋轉軸是不變的，因為是串聯機構，x方向旋轉軸是y方向旋轉軸的前一軸。
530、繞x方向旋轉軸旋轉，以使所述初始姿態矩陣的y方向旋轉軸、z方向旋轉軸分別與y方向旋轉軸、z方向旋轉軸重合。通過步驟510和520，x方向旋轉軸與curxdir已經重合，因此繞x方向旋轉軸轉動時，curxdir是不變的，故可以繞x方向旋轉軸旋轉curmat（步驟530），使得curydir,curzir與uydir,uzdir重疊。最終，經過三個方向上的旋轉軸的旋轉後，curmat與umat的三個坐標軸實現重合。
圖6為本發明實施例提供的控制系統的硬體結構示意圖。如圖6所示，該設備包括：一個或多個處理器610以及存儲器620，圖6中以一個處理器610為例。
處理器610、存儲器620可以通過總線或者其他方式連接，圖5中以通過總線連接為例。
存儲器620作為一種非易失性計算機可讀存儲介質，可用於存儲非易失性軟體程序、非易失性計算機可執行程序以及模塊，如本發明實施例中的控制方法對應的程序指令/模塊。處理器610通過運行存儲在存儲器620中的非易失性軟體程序、指令以及模塊，從而執行伺服器的各種功能應用以及數據處理，即實現上述方法實施例控制方法。
存儲器620可以包括存儲程序區和存儲數據區，其中，存儲程序區可存儲作業系統、至少一個功能所需要的應用程式。此外，存儲器620可以包括高速隨機存取存儲器，還可以包括非易失性存儲器，例如至少一個磁碟存儲器件、快閃記憶體器件、或其他非易失性固態存儲器件。
上述產品可執行本發明實施例所提供的控制方法，具備執行控制方法相應的功能模塊和有益效果。未在本實施例中詳盡描述的技術細節，可參見本發明實施例所提供的方法。
專業人員應該還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬體和軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本申請的範圍。所述的計算機軟體可存儲於計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體或隨機存儲記憶體等。
可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及本發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。