本發(fā)明涉及精密測量領域，尤其涉及一種自主流動式三維形貌測量方法。

背景技術：

三維形貌測量是精密測量重要的研究內容，目前已經有成熟的方法和裝置在許多領域發(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，在許多應用場合仍存在諸多問題。并且隨著對測量要求(測量范圍、測量效率、環(huán)境狀態(tài))不斷提高，現(xiàn)有步進式測量方法及裝置將會面臨更多挑戰(zhàn)，甚至在某些測量環(huán)境中不再適用。

以隧道變形檢測為例，隧道延伸數(shù)百米，測量任務巨大。若采用現(xiàn)有視覺測量方法，需要在多個位置逐次停下來測量，依靠外部測量拼接多次測量結果。這種間斷步進式測量過程相對復雜，必須有足夠的操作時間，不適合于連續(xù)運動狀態(tài)下進行測量。若要得到完整的形貌信息，必須精確控制傳感器在測量過程中的空間分布。在實際交通全天候運行的情況下，測量設備只能安裝在車載平臺上隨著交通流向前行。受時間和空間的限制，現(xiàn)有視覺測量方法不具備可操作性。目前隧道變形檢測主要采用激光掃描測距方法，其測量精度和掃描頻率均無法滿足實際測量需求。

在軌道交通故障及缺陷檢測中，也存在類似問題，列車運行調控有序，檢測工作沒有專門的作業(yè)窗口，同樣要求在運行過程中完成連續(xù)測量。在制造業(yè)，隨著制造技術的發(fā)展及工藝的進步，流水式生產線節(jié)拍越來越快。生產線連續(xù)運作，要求測量設備在生產線流動過程中自主完成測量，否則會阻礙生產線流動性。顯然，現(xiàn)有視覺測量方法不能滿足要求。

可見，現(xiàn)有基于視覺原理的三維形貌測量方法不適合在相對運動狀態(tài)下進行連續(xù)測量。其根源是由于現(xiàn)有方法均屬于間斷步進式測量。在相對運動環(huán)境中，缺少測量所需的時間、空間及其他必要的外部條件。測量過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現(xiàn)連續(xù)測量的內在條件，即使在外部條件均滿足的前提下，也無法從本質上解決連續(xù)測量問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種自主流動式三維形貌測量方法，本發(fā)明以線陣高速圖像傳感技術為基礎，利用相對運動條件并結合慣性測量技術，解決測量設備在相對被測對象連續(xù)運動的測量環(huán)境中的高精度三維形貌測量問題，詳見下文描述：

一種自主流動式三維形貌測量方法，所述測量方法包括以下步驟：

以線陣高速圖像傳感技術為基礎，利用相對運動條件并結合慣性測量技術，在連續(xù)相對運動過程中進行自主流動式高精度三維形貌測量。

進一步地，所述測量方法具體包括以下步驟：

測量時使多元信息測量傳感器沿被測物體表面連續(xù)運動；運動過程中，視覺測量單元采集被測物表面的圖像信息，慣性測量單元同步采集傳感器運動過程中的慣性信息；

實現(xiàn)視覺測量信息和慣性測量信息在空間、時間上的配準；

將視覺測量單元采集的圖像按照全局時鐘順序建立圖像序列間的對應關系，在對應序列內應用圖像匹配算法對同名點進行精確匹配，根據(jù)立體視覺測量原理計算得到每個時鐘周期對應的被測物體表面點在視覺測量坐標系下的空間坐標：

將慣性測量單元獲得的慣性信息進行狀態(tài)更新，得到每個時鐘周期下傳感器相對于初始位置的空間位姿；

根據(jù)視覺測量信息與慣性測量測量信息在空間和時間上的配準結果，將視覺測量坐標系下的坐標轉換到慣性測量單元初始坐標系，得到全部點在慣性測量單元初始坐標系下的空間坐標。

所述實現(xiàn)視覺測量信息和慣性測量信息在空間、時間上的配準具體為：

測量前預先標定傳感器，得到由視覺測量坐標系到慣性測量單元坐標系的轉換關系實現(xiàn)兩種測量信息在空間上的配準；

建立全局時鐘，以全局時鐘的脈沖序列視覺測量單元與慣性測量單元同步采集數(shù)據(jù)，通過全局時鐘將視覺測量信息和慣性測量信息統(tǒng)一到同一時間基準，實現(xiàn)兩種測量信息在時間上的配準。

進一步地，所述多元信息測量傳感器由視覺測量單元與慣性測量單元構成。

所述視覺測量單元由兩個高分辨率線陣相機和一個可編程控制的結構光投射裝置構成。

進一步地，所述慣性測量單元采用高性能慣性測量裝置。

本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是：

1、采用線陣圖像傳感技術并充分利用了運動信息，能夠在連續(xù)運動過程中進行高速、高精度流動式三維形貌測量；

2、利用線陣圖像傳感技術在相對運動過程中連續(xù)采集圖像，從信息源頭上為連續(xù)測量提供保障；

3、將視覺測量與慣性測量結合，使本發(fā)明能夠不依賴外部測量裝置自主工作；

4、與現(xiàn)有的斷續(xù)步進的工作方式相比，本發(fā)明測量精度與效率更高，測量靈活性更好，能夠更好地適應現(xiàn)場測量環(huán)境。

附圖說明

圖1為一種自主流動式三維形貌測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明提供的自主流動式三維形貌測量裝置示意圖；

圖中：1：線陣相機；2：結構光投射裝置；3：高性能慣性測量裝置；4：投射到被測物表面的條紋；5：被測物體。

圖3為以全局時鐘為基準的不同來源及類型的測量信息。

圖中：6 為全局時鐘脈沖序列；7 為兩個線陣相機采集的圖像序列；8 為慣性測量單元測量的慣性信息。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

為達到上述目的，本發(fā)明實施例將視覺測量方法與慣性測量方法有機結合，并設計了由視覺測量單元和慣性測量單元構成的多元信息傳感器。

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

視覺測量精度高，但只能輸出相對于自身坐標系的測量結果。慣性測量能夠實時提供位置和姿態(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，將兩種方法有機結合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，既能夠自主工作又能夠實時輸出高精度的測量結果。

本發(fā)明實施例的關鍵技術是如何將視覺測量單元和慣性測量單元輸出的不同來源及類型的信息在時間與空間上精確配準，將連續(xù)運動過程中視覺測量單元測量的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系。

實施例1

一種自主流動式三維形貌測量方法，參見圖1，該測量方法包括以下步驟：以線陣高速圖像傳感技術為基礎，利用相對運動條件并結合慣性測量技術，在連續(xù)相對運動過程中進行自主流動式高精度三維形貌測量。

其中，測量方法具體包括以下步驟：

101：測量時使多元信息測量傳感器沿被測物體表面連續(xù)運動；運動過程中，視覺測量單元采集被測物表面的圖像信息，慣性測量單元同步采集傳感器運動過程中的慣性信息；

102：實現(xiàn)視覺測量信息和慣性測量信息在空間、時間上的配準；

103：將視覺測量單元采集的圖像按照全局時鐘順序建立圖像序列間的對應關系，在對應序列內應用圖像匹配算法對同名點進行精確匹配，根據(jù)立體視覺測量原理計算得到每個時鐘周期對應的被測物體表面點在視覺測量坐標系下的空間坐標：

104：將慣性測量單元獲得的慣性信息進行狀態(tài)更新，得到每個時鐘周期下傳感器相對于初始位置的空間位姿；

105：根據(jù)視覺測量信息與慣性測量測量信息在空間和時間上的配準結果，將視覺測量坐標系下的坐標轉換到慣性測量單元初始坐標系，得到全部點在慣性測量單元初始坐標系下的空間坐標。

進一步地，步驟101中的實現(xiàn)視覺測量信息和慣性測量信息在空間、時間上的配準具體為：

測量前預先標定傳感器，得到由視覺測量坐標系到慣性測量單元坐標系的轉換關系實現(xiàn)兩種測量信息在空間上的配準；

建立全局時鐘，以全局時鐘的脈沖序列視覺測量單元與慣性測量單元同步采集數(shù)據(jù)，通過全局時鐘將視覺測量信息和慣性測量信息統(tǒng)一到同一時間基準，實現(xiàn)兩種測量信息在時間上的配準。

其中，步驟102中的多元信息測量傳感器由視覺測量單元與慣性測量單元構成。

其中，上述的視覺測量單元由兩個高分辨率線陣相機和一個可編程控制的結構光投射裝置構成。慣性測量單元則采用高性能慣性測量裝置。

綜上所述，本發(fā)明實施例以線陣高速圖像傳感技術為基礎，利用相對運動條件并結合慣性測量技術，解決測量設備在相對被測對象連續(xù)運動的測量環(huán)境中的高精度三維形貌測量問題。

實施例2

下面結合圖2、圖3對實施例1中的方案進行詳細的介紹，詳見下文描述：

參見圖2，視覺測量單元由兩個高分辨率線陣相機1和一個可編程控制的結構光投射裝置2構成。慣性測量單元采用高性能慣性測量裝置3(例如：高精度光纖陀螺、激光陀螺、陀螺積分加速度計等)。

201：測量前，標定視覺測量單元中的兩個線陣相機1的參數(shù)(包括：焦距、主點、外方位參數(shù)等，具體實現(xiàn)時，根據(jù)實際應用中的需要進行設定，本發(fā)明實施例對此不做限制)并建立視覺測量坐標系，再標定視覺測量坐標系與慣性測量單元坐標系(慣性測量單元坐標系由高性能慣性測量裝置3的自身結構定義，該部分為本領域技術人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述)間的轉換關系(包括旋轉矩陣和平移向量)，得到由視覺測量坐標系到慣性測量單元坐標系的轉換關系實現(xiàn)兩種測量信息在空間上的配準；

其中，C為轉換關系，I表示慣性測量單元坐標系，V表示視覺測量坐標系。

202：設計頻率可控的周期性脈沖信號發(fā)生裝置，根據(jù)實際需求設置脈沖頻率(具體設計和設置的步驟為本領域技術人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述)，將該脈沖信號作為全局時鐘6并通過硬件連接分別輸出給兩個線陣相機1、結構光投射裝置2和高性能慣性測量裝置3。

然后將兩個線陣相機1、結構光投射裝置2和高性能慣性測量裝置3均設置為外觸發(fā)模式，使所有裝置均在全局時鐘驅動下同步工作，將視覺測量信息和慣性測量信息統(tǒng)一到同一時間基準，實現(xiàn)兩種測量信息在時間上的配準。

203：測量時使視覺測量單元(包括：兩個線陣相機1、結構光投射裝置2)與高性能慣性測量裝置3構成的多元信息測量傳感器沿被測物體表面5連續(xù)運動(保持與被測物體5的距離在有效工作距離范圍內)。

參見圖3，運動過程中，結構光投射裝置2在全局時鐘驅使下向被測物體5表面投射結構光條紋4，兩個線陣相機1同步采集被測物體5表面的圖像信息7，同時高性能慣性測量裝置3同步采集運動過程中的慣性信息8(包含：加速度a_i和角速度ω_i(i＝1,2,3...N)，其中i為全局時鐘序號；N為時鐘序列總數(shù))。

其中，結構光條紋4應根據(jù)具體需要選擇投射隨機二進制條紋、周期性正弦相位條紋等不同類型的條紋。

204：將步驟203中兩個線陣相機1采集的圖像信息7按照全局時鐘6順序建立圖像序列間的對應關系，并在對應圖像序列內應用圖像匹配算法對同名點進行精確配準；

精確配準后，根據(jù)步驟201的標定結果，依據(jù)立體視覺測量原理計算每個時鐘所對應的被測物體5表面點在視覺測量坐標系下的坐標：

其中，i為全局時鐘序號，k_i為第i個時鐘下的點的個數(shù)；V表示視覺測量坐標系；為第i個時鐘對應的在視覺測量坐標系下的k_i個點。

其中，圖像匹配算法取決于步驟203中所投射到的條紋類型。若投射的是隨機二進制條紋，則采用區(qū)域匹配方法，將對應區(qū)域內灰度相關值最大的點作為匹配點；若投射的是周期性正弦相位條紋，則采用相位匹配方法，通過計算絕對相位將相同具有相位的點作為匹配點。具體進行精確配準的步驟為本領域技術人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述。

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

實際操作時，慣性測量單元應優(yōu)先采用高性能的慣性測量器件，同時應對測量過程中的累積誤差進行修正，以保證測量精度。

206：根據(jù)視覺測量信息與慣性測量測量信息在空間和時間上的配準結果，將視覺測量坐標系下的坐標轉換到慣性測量單元初始坐標系，得到全部點在慣性測量單元初始坐標系下的空間坐標。

其中，為第i個時鐘下高性能慣性測量裝置3相對于初始狀態(tài)的轉換關系；為由視覺測量坐標系到慣性測量單元坐標系的轉換關系。

綜上所述，本發(fā)明實施例以線陣高速圖像傳感技術為基礎，利用相對運動條件并結合慣性測量技術，解決測量設備在相對被測對象連續(xù)運動的測量環(huán)境中的高精度三維形貌測量問題。

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

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

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