物體表面點三維坐標測量裝置及測量方法與流程

2023-06-14 07:19:46 2

本發明涉及一種物體測量技術領域，特別涉及一種物體表面點三維坐標測量裝置及測量方法。

背景技術：

物體的三維測量技術在工業設計與製造、質量檢測與控制、地形測量與勘探等領域應用廣泛。然而，目前市場上的三維測量設備複雜，且造價成本較高，不利於廣泛推廣。

技術實現要素：

有鑑於此，有必要提出一種結構簡單的物體表面點三維坐標測量裝置。此外，本發明還提供一種物體表面點三維坐標測量方法。

一種測量裝置，用於非接觸性地測量一待測物體表面各點的三維坐標。該測量裝置包括：一存儲器，用於預先存儲一計算待測物表面點的三維坐標的算法，該算法所需的參數包括：參考坐標系參數、距離傳感器的位置參數、距離傳感器與待測點之間的距離；一驅動裝置；一距離傳感器，安裝在所述驅動裝置上，用於測量該距離傳感器與待測點之間的距離；所述驅動裝置用於給所述距離傳感器提供動力並驅動所述距離傳感器移動到多個不同的測量位置；所述距離傳感器在驅動裝置的驅動下能測量到一待測物體表面上多個待測點之間的距離；一位置傳感器，附著在所述距離傳感器上，用於測量所述距離傳感器處於每一測量位置時的位置參數值；及一處理器，與所述距離傳感器、位置傳感器及存儲器進行通訊連接，用於確定一參考坐標系參數的值，並根據該確定的參考坐標系參數的值、所述距離傳感器在每一測量位置測量其到的其與待測點之間的距離及所述位置傳感器測量到的所述距離傳感器處於每一測量位置的位置參數值，從所述存儲器中調用所述三維坐標點的算法計算出每一待測點的三維坐標值。

一種測量方法，用於非接觸性地測量一待測物體表面各點的三維坐標。所述方法包括步驟：在一存儲器中預先存儲一計算待測物表面點的三維坐標的算法，該算法所需的參數包括：參考坐標系參數、距離傳感器的位置參數、距離傳感器與待測點之間的距離；控制一驅動裝置給安裝在該驅動裝置上的一距離傳感器提供動力並驅動該距離傳感器移動到多個不同的測量位置，所述距離傳感器在驅動裝置的驅動下能測量到其與一待測物體表面上多個待測點之間的距離；獲取所述距離傳感器在每一測量位置測量到的其與待測點之間的距離及附著在所述距離傳感器上的一位置傳感器測量到的所述距離傳感器處於每一測量位置時的位置參數值；及確定一參考坐標系參數的值，並根據該確定參考坐標系參數的值及所述獲取到的數據從所述存儲器中調用所述三維坐標點算法計算出每一待測點的三維坐標值。

本發明的測量裝置及方法能對待測物體表面進行重組及還原，可用於記錄人臉面部特徵、測量物體尺寸、勘測地形等。結構簡單、成本較低且方便批量製造及廣泛推廣。

附圖說明

圖1是本發明一實施方式中測量裝置的應用環境示意圖。

圖2是本發明一實施方式中測量裝置的功能模塊示意圖。

圖3是本發明一實施方式中測量裝置的結構示意圖。

圖4為圖3中所示測量裝置的驅動裝置的俯視圖。

圖5是本發明一實施方式中測量裝置計算三維坐標的工作原理示意圖。

圖6是本發明一實施方式中測量方法的步驟流程圖。

主要元件符號說明

測量裝置 100

存儲器 10

距離傳感器 20

驅動裝置 30

馬達 31

轉子 32

底板 321

上殼 322

滑槽 3221

彈性件 33

第一端 331

第二端 332

位置傳感器 40

處理器 50

顯示單元 60

輸入裝置 70

測量系統 80

存儲模塊 81

控制模塊 82

獲取模塊 83

計算模塊 84

重組模塊 85

待測物體 200

測量方法 6

步驟 S601-S605

如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。

具體實施方式

如圖1所示，是本發明一實施方式中的測量裝置100的應用環境示意圖。該測量裝置100用於非接觸性地測量待測物體200表面各點的相對三維坐標，並能根據所測量出的待測物體200表面各點的相對三維坐標對該待測物體200的表面進行重組及還原。該待測物體200可以是任何待測量的物體，例如路面，人臉等。

請參閱圖2，是本發明一實施方式中測量裝置100的功能模塊示意圖。在本實施方式中，該測量裝置100包括，但不限於，存儲器10、距離傳感器20、驅動裝置30、位置傳感器40、處理器50、顯示單元60及輸入裝置70。

所述存儲器10可以是所述測量裝置100本身的內存，也可以是與所述測量裝置100相互獨立並能與所述測量裝置100進行數據交換的存儲單元，如安全數字卡、智能媒體卡、快閃記憶體卡等。所述存儲器10用於存儲所述測量裝置100中安裝的程序代碼以及各類數據。

所述距離傳感器20用於測量所述測量裝置100與待測物體200表面上待測點之間的距離。所述距離傳感器20測量距離的原理屬於現有技術範疇，在此不再贅述。所述距離傳感器20的測量精度及靈敏度與其發射頻率、輸出功率等有關，具體地，所述距離傳感器20的發射頻率越高，測量精度越高；輸出功率越高，靈敏度越高。此外，所述距離傳感器20的測量精度也會受到待測物體屬性(例如材質)的影響，例如金屬物質對距離傳感器20的發射波具有良好的反射效果，而人體皮膚會吸收部分發射波，如此一來，對於同頻率同功率的距離傳感器20，其測量金屬的精度比測量人體皮膚的精度高。實際應用中，用戶可以根據待測物體的具體屬性等相應調整所述距離傳感器20的發射頻率及輸出功率等以達到較為理想的測量精度。所述距離傳感器20可以是電磁波距離傳感器、雷射距離傳感器、超聲波距離傳感器等，各種不同類型的距離傳感器各有優缺點，用戶可以根據待測物體的屬性進行相應的考量。在本實施方式中，所述距離傳感器20為超聲波距離傳感器。

請一併參閱圖3，是本發明一實施方式中測量裝置100的結構示意圖。所述距離傳感器20安裝在所述驅動裝置30上，所述驅動裝置30用於給所述距離傳感器20提供動力，所述距離傳感器20在所述驅動裝置30的動力驅動下可移動到不同的測量位置。如此，距離傳感器20可測量距離傳感器20與所述待測物體200表面上不同測量位置處的待測點之間的距離。

具體地，請一併參閱圖4，是本發明一實施方式中的驅動裝置30的俯視圖。所述驅動裝置30包括一馬達31、一轉子32及一彈性件33。所述轉子32安裝在所述馬達31上，並在所述馬達31的驅動下轉動。在本實施方式中，所述轉子32安裝在所述馬達31的轉軸上，故該轉子32可在所述馬達31的驅動下與馬達31做同軸運動。所述轉子32包括一底板321及固定於底板321上的一上殼322。所述底板321固定於所述馬達31上。所述上殼322呈半球形，其上開設有一滑槽3221。所述彈性件33收容並固定在所述滑槽3221內。具體地，所述滑槽3221為開設於所述上殼322的弧面端且經過所述半球形轉子32球心的半圓形滑槽。所述彈性件33的第一端331固定在轉子32的底板321的中心位置，即所述馬達31、轉子32與彈性件33可同軸轉動，所述彈性件33的第二端332可滑動地容置在所述滑槽3221內。所述距離傳感器20固定在所述彈性件33的第二端332上，當所述馬達31驅動所述轉子32轉動時，所述彈性件33隨著轉子32轉動並能在不同的向心力作用下滑動到所述滑槽3221內的不同位置，從而帶動距離傳感器20移動到不同的測量位置。在本實施方式中，所述彈性件33為一彈簧。

所述距離傳感器20上還附著有一位置傳感器40。在本實施方式中，所述位置傳感器40通過粘膠附著在距離傳感器20的外表面上。所述位置傳感器40用於測量所述距離傳感器20處於每一測量位置時的位置參數值。所述位置參數包括所述轉子32相對於一轉子初始位置的偏轉角度θ、所述距離傳感器20相對於一距離傳感器初始位置的偏轉角度α及所述距離傳感器20轉動時的向心加速度a。在本實施方式中，為了保證測量精度，所述位置傳感器40設置於所述距離傳感器20上遠離所述彈性件33的第二端332的位置處。所述轉子初始位置為轉子32靜止時所處的一位置，所述距離傳感器初始位置為所述轉子32靜止且所述彈性件33處於自然狀態時所述距離傳感器20所處的一位置。

所述處理器50與位置傳感器40及距離傳感器20進行通訊連接，用於運行所述存儲器10中存儲的程序代碼及運算各類數據，以執行相應的功能。在本實施方式中，所述存儲器10中存儲有一測量系統80，所述測量系統80被所述處理器50所執行，用來實現所述測量裝置100的部分功能。所述顯示單元60受所述處理器50的控制，用於顯示各類信息。顯示單元60可以是觸控螢幕、顯示器等，所述輸入裝置70為鍵盤、滑鼠等，用於供用戶輸入信息。

在本實施方式中，所述測量系統80可以被分割為一個或多個模塊，所述一個或多個模塊被存儲在所述存儲器中，並被配置成由一個或多個處理器(本實施方式為所述處理器50)執行，以完成本發明。例如，如圖2所示，所述測量系統80被分割成存儲模塊81、控制模塊82、獲取模塊83、計算模塊84及重組模塊85。本發明所稱的模塊是指一種能夠完成特定功能的一系列程序指令段，比程序更適合於描述軟體在所述測量裝置100中的執行過程。

所述存儲模塊81預先將一計算待測物表面點的三維坐標的算法存儲於所述存儲器10中，該算法所需的參數包括：參考坐標系參數m、距離傳感器的位置參數、距離傳感器與待測點之間的距離。

請一併參閱圖5，是本發明一實施方式中測量裝置計算三維坐標的工作原理示意圖。在本實施方式中，所述參考坐標系的位置由所述參考坐標系參數m確定。具體地，所述參考坐標系的z軸為所述距離傳感器20處於初始位置時所述彈性件33所在的直線，xy平面為垂直於該z軸的一參考平面且該xy平面的x軸為所述滑槽3221投影在該xy平面的直線，所述xy平面的具體位置由所述參考坐標系參數m確定，所述參考坐標系參數m為所述轉子32的底板321到該xy平面的距離。所述參考坐標系參數m可以為所述底板321(或所述彈性件33第一端331)到所述待測物體200表面最低點之間的距離，也可以為用戶根據需要設置的數值。即所述xy平面可以為經過所述待測物體200表面最低點的一平面，也可以為根據用戶的設置的m值而確定的一平面。

在所述參考坐標系中，假定所述距離傳感器20處於所述距離傳感器初始位置時測量到的所述待測物體200表面的點P0的坐標為P0(x0，y0，z0)，其中，x0＝0；y0＝0；z0＝m-kx-lx。

如圖5所示，可根據該P0點及相應的參數確定任意點P(x，y，z)的位置，具體算法如下：

x＝R*cosθ＝(kx+lx)*sinαcosθ

y＝R*sinθ＝(kx+lx)*sinαsinθ

z＝m-(kx+lx)cosα

其中，kx為所述距離傳感器20到所述彈性件33第一端331的距離。具體的，該kx所述彈性件33的自身長度L加上所述彈性件33隨所述轉子32轉動時被拉升時的拉伸長度k*a，即kx＝L+k*a，其中k為所述彈性件33的勁度係數，與彈性件33的屬性有關，但同一彈性件33的勁度係數k不變，為一定量。a為所述距離傳感器20的向心加速度，為變量，由所述位置傳感器40測量；即kx為根據所述位置傳感器40測量的加速度a確定的一變量。

lx為所述距離傳感器20與待測點P之間的距離，為變量，由所述距離傳感器20測量。α為所述距離傳感器20相對於所述距離傳感器初始位置的偏轉角度，為一變量，由所述位置傳感器40測量；θ為所述轉子32相對於所述轉子32的初始位置的轉角，為一變量，由所述位置傳感器40測量。

所述控制模塊82控制所述驅動裝置30驅動所述距離傳感器20移動到多個不同的測量位置，以測量所述距離傳感器20與所述待測物體200表面上多個待測點之間的距離。具體地，所述控制模塊82通過發送不同的電流脈衝信號控制所述馬達31以不同的轉速轉動，從而帶動所述距離傳感器20偏轉到多個不同的測量位置。

所述獲取模塊83獲取所述距離傳感器20在每一測量位置測量到的其與每一測量位置的待測點之間的距離及所述位置傳感器40測量到的所述距離傳感器20處於每一測量位置的位置參數值。

所述計算模塊84確定一參考坐標系參數m的值，並根據該確定的參考坐標系參數m的值及獲取模塊83所獲取到的距離傳感器20及位置傳感器40所測量到的數據，從所述存儲器10中調用預設的三維坐標點的算法計算出每一待測點的三維坐標值。所述參考坐標系參數m的值可為預先存儲在所述存儲器10中的一預設值，也可以是用戶根據自己的需求通過所述輸入裝置70輸入的一數值。

所述重組模塊85根據所述計算模塊84計算出的所述待測物體200的表面每一待測點的三維坐標值繪製該待測物體200的3D圖像，並將所繪製出的待測物體200的3D圖像顯示於所述顯示單元60上。

請參閱圖6，是本發明一實施方式中物體表面點三維坐標測量方法6的流程圖。根據不同的需求，圖6所示的流程圖中步驟的執行順序可以改變，某些步驟可以省略。

步驟S601，在一存儲器中預先存儲一計算待測物表面點的三維坐標的算法，該算法所需的參數包括：參考坐標系參數m、距離傳感器的位置參數及距離傳感器與待測點之間的距離。在一些實施方式中，如果存儲器中已經存儲有該算法，則不需要再次存儲，該步驟S601可以省略。

步驟S602，控制一驅動裝置驅動與安裝在該驅動裝置上的一距離傳感器移動到多個不同的測量位置，以測量所述距離傳感器與一待測物體表面上多個待測點之間的距離。

步驟S603，獲取所述距離傳感器在每一測量位置測量到的其與每一測量位置的待測點之間的距離及附著在所述距離傳感器上的一位置傳感器測量到的所述距離傳感器處於每一測量位置時的位置參數值。

步驟S604，確定一參考坐標系參數m的值，並根據所述確定參考坐標系參數參數m的值及所述獲取到的數據從所述存儲器中調用所述三維坐標點算法計算出每一待測點的三維坐標值。

步驟S605，根據計算出的所述待測物體的表面每一待測點的三維坐標值繪製該待測量物體的3D圖像，並將所繪製出的待測物的3D圖像顯示於所述顯示單元上。

本發明的物體表面點三維坐標測量裝置及方法通過控制一距離傳感器移動到不同的位置對待測物體表面的多個測量點進行測量，並根據距離傳感器所處的位置及其測量的數據以及一預設算法計算出待測物體表面點的三維坐標，最後根據計算出的三維坐標對待測物體表面進行重組並顯示，可用於記錄人臉面部特徵、測量物體尺寸、勘測地形等。本發明的結構簡單，造價成本較低，方便批量製造及廣泛推廣。

最後應該說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。