激光跟踪测距三维坐标视觉测量系统建模讲解

LDV激光测振与3D视觉传感技术融合的实践与展望严建伟(浙江舜宇智能光学技术有限公司，浙江省杭州市310000)摘要：随着LDV激光测振技术与3D视觉技术的迅猛发展，两项应用性技术的有效结合及融合发展的产品已广泛应用于各行业.同时衍生出应用于不同领域、具有各种特殊功能性的科技产品.着重介绍相关产品的研发实践过程和产品展望.关键词：3D视觉；激光测振1引言随着智能化产业的高速发展，3D视觉技术与LDV 测振技术融合的产品，已广泛应用于工、农、医和物联网等产业，并呈落地之势。

本文以应用实例，全面论述了融合技术的产品发展过程和未来产品趋向。

2振动概述2.1振动起源在大自然、人们日常生活中，振动是常见的一种自然现象。

古代，智慧的劳动人民就已发现釆用振动的方式可以清理掉衣物表面上的尘埃。

17世纪初，伽利略开始了研究单摆周期和物体振动；17世纪中叶，荷兰物理学家克里斯蒂安•惠更斯(Christiaan Huygens)从系统理论上对振动展开了深入研究。

2.2振动分类振动可分为宏观振动和微观振动。

在大规模机械加工过程中，不良振动会导致机械加工件表面光洁度不合格，影响产品质量。

在加工过程中，过度的不良振动会对机床寿命、刀具的磨损度产生直接影响。

交通运输上，航空飞行器上出现的机翼猛烈振动，会导致机毁人亡事故。

建筑工程上出现的失控振动，将导致建筑物墙体开裂及整体倒塌。

2.3振动的基本参数及相关公式可用于正弦或余弦函数描述的振动过程称为简谐振动,振动的参数有位移、速度和加速度。

振动位移X=^sin(®r+^>)(1)振动速度V=—=Aa)sin\ot+<Z>+—|(2)d/I2)振动加速度a==Aa)2sin^coT+0+n)(3)式中，&为振动的最大值，称为振幅；®为园频率。

振动三要素为振幅4、频率/和相位角0。

2.4振动检测分类在工农业生产过程及人们日常生活中，振动的安全检测控制甚为重要。

第37卷，增刊红外与激光工程2008年4月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringApr.2008收稿日期：2008-04-13基金项目：国家自然科学基金项目(50475038)作者简介：欧阳健飞(6)，男，河南省特聘教授，博士，博士生导师，主要从事精密测试技术与仪器方面的研究。

j y 3@激光跟踪仪坐标测量精度的研究欧阳健飞1，刘万里2，闫勇刚1，梁智勇1（1.河南理工大学精密工程研究所，河南焦作454000；2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)摘要：激光跟踪仪是目前最新型的便携式空间大尺寸坐标测量系统，其坐标测量精度的校准目前常用标准件进行评定，但标准件的加工制造困难且易变形。

因此本文利用高精度三坐标测量机及标准球，在三坐标测量机上建立虚拟三维网格标准球板，并通过移站对激光跟踪仪坐标测量精度进行实验研究。

虚拟三维网格标准球板消除了由于标准件变形给坐标测量精度带来的影响，移站测量可以从不同的角度和位置全方位地测量工件各部位待测点的坐标，避免了外界环境的影响，也改善通视条件，实验结果证明该方法具有理论正确性和实际可行性。

关键词：激光跟踪仪；虚拟三维网格；坐标测量精度；移站中图分类号：TB92文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0015-04Coordinate measuring accur acy of laser trackerOUYANG Jian-fei 1,LIU Wan-li 2,YAN Yong-gang 1,LIANG Zh-iyong 1(1.Precis i on Engi neering Institute,Henan Pol ytechni c University,Jiaozuo 454003，China;2．State Key Laboratory of Precision Meas uring Technology and Instruments ,Ti anj in Univers i ty,Tianjin 300072，China )Abstr act:Laser tracker system (LTS)is one of the latest portable three dimensional large size coordinate measuring machines (CMMs).The major calibrating method of LTS coordinate measuring accuracy is using standard gauge,but the gauge manufacturing is more difficulty and expensive.In order to resolve the above problem,a novel m ethod of using virtual standard ball plate grid to calibrate LTS coordinate measuring accuracy is proposed.The virtual 3D grid established by high accuracy CMM can eliminate the effect of standard gauge deformation;the moving station measurement can avoid the impact of different angles and locations.Experiment results show that this method is correct and practical.Key wor ds:Laser tracker;V irtual 3D grid;Coordinate measuring accuracy;Moving station0引言激光跟踪仪是一种便携式三维大尺寸测量设备，通过靶镜（SMR ）反射跟踪仪发射的激光束，测量空间任意点的三维坐标，其测量半径达35m ，测量精度1×10-6，采样速度高达1000点/s 。

如何进行三维建模和测量三维建模和测量是当今科技领域中一项极为重要的技术。

它不仅在工程、建筑和制造行业中有着广泛的应用，也在医学、地质和艺术等领域发挥着重要的作用。

本文将探讨三维建模和测量的基本原理、常用的方法以及其在不同领域中的应用。

一、三维建模的基本原理三维建模是将实际世界中的物体或场景通过数学和计算机技术转化为数字化表示的过程。

它的基本原理是通过捕捉物体的空间几何信息和表面纹理等特征，然后将其转化为计算机可以识别和处理的数据。

常用的捕捉手段包括激光扫描、摄影测量和物体跟踪等技术。

二、三维测量的常用方法三维测量可以通过多种方法来实现，根据不同需求选择不同的方法可以提高测量效率和准确性。

以下是几种常用的三维测量方法：1. 激光扫描技术：利用激光器发射激光束，通过测量激光束与物体表面的反射或散射来获取物体的几何形状和表面特征。

激光扫描技术广泛应用于三维建模、工业检测和文物保护等领域。

2. 光学测量技术：通过相机或其他光学传感器记录物体的投影图像，并利用计算机算法进行图像处理和数据分析，从而得到物体的三维形状和尺寸信息。

光学测量技术常用于工程测量、医学影像和虚拟现实等领域。

3. 超声波测量技术：利用超声波在物体内部的传播特性来测量物体的形状和尺寸。

超声波测量技术广泛应用于医学影像、材料测试和地质勘探等领域。

4. 视觉测量技术：通过相机或其他视觉传感器记录物体的图像或视频，并通过图像处理和计算机视觉算法来提取物体的三维信息。

视觉测量技术适用于机器人导航、智能交通和虚拟现实等领域。

三、三维建模和测量在不同领域中的应用三维建模和测量在各个领域中都有着广泛的应用，以下列举几个例子：1. 工程和建筑领域：三维建模和测量可以用于工程设计、土方计算和建筑施工等环节。

通过精确的三维模型和测量数据，可以提高工程质量和效率，减少人力和资源的浪费。

2. 制造业：三维建模和测量在制造业中被广泛应用于产品设计、模具加工和质量控制等环节。

第30卷第9期2022年5月Vol.30No.9May2022光学精密工程Optics and Precision Engineering基于深度学习和PnP模型的激光跟踪仪自动姿态测量周道德1，2，高豆豆1，董登峰1，2*，周维虎1，2，崔成君1（1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.中国科学院大学，北京100049）摘要：针对航空航天、汽车装配等高端制造领域对姿态测量的迫切需求，提出一种面向激光跟踪仪的快速高精度姿态测量方法，利用深度学习结合视觉PnP模型实现了激光跟踪过程中被测件姿态的自动测量。

针对PnP姿态求解模型所需的3D特征点和2D特征点之间的对应关系难以直接确定的问题，设计了一个特征提取网络用于提取特征点对应的高维特征，采用最优传输理论确定特征向量之间的联合概率分布，从而完成3D-2D特征点的自动匹配；使用Ransac-P3P结合EPnP算法对匹配好的3D特征点和2D像素点进行姿态求解，获得高精度的姿态信息；在此基础上，利用隐式微分理论计算PnP求解过程的雅克比矩阵，从而将PnP姿态求解模型集成到网络中并指导网络训练，实现了深度网络匹配能力与PnP模型姿态求解能力的优势互补，提高了解算精度。

最后，制作了一个含有丰富标注信息的数据集，用于训练面向激光跟踪仪的姿态测量网络。

基于高精度二维转台进行了姿态测量实验，结果表明，该方法在3m处对俯仰角的测量精度优于0.31°，横滚角精度优于0.03°，单次测量耗时约40ms，能够实现激光跟踪仪的高精度姿态测量。

关键词：激光跟踪仪；姿态测量；单目视觉；深度学习中图分类号：TP391.4；TH744文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20223009.1047Automatic attitude measurement of laser tracker based ondeep learning and PnP modelZHOU Daode1，2，GAO Doudou1，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，CUI Chengjun1（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）*Corresponding author，E-mail：Dongdengfeng@Abstract：In view of the urgent demand for attitude measurement in high-end manufacturing applications，such as aerospace and automobile assembly，a fast and high-precision attitude measurement method for a laser tracker was proposed.The method employed deep learning in conjunction with the visual PnP model to realize automatic attitude measurement of the laser tracker.The correspondence between3D feature points and2D feature points required by the traditional PnP model were directly determined through a fea⁃ture extraction network designed to extract high-dimensional features.The joint probability distribution be⁃tween feature vectors was determined using optimal transmission theory to complete the matching of3D-文章编号1004-924X（2022）09-1047-11收稿日期：2022-03-04；修订日期：2022-03-16.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2019YFB1310100）第30卷光学精密工程2D feature points.Subsequently，Ransac-P3P combined with EPnP algorithm was used to obtain high-pre⁃cision attitude information；Based on this，the Jacobian matrix of PnP solution process was calculated us⁃ing implicit differential theory，and the PnP attitude solution model was integrated into the network to guide the training of the network.The complementary advantages of strong depth network matching abili⁃ty and high attitude solution accuracy of the PnP model improved the solution accuracy of the network.In addition，a dataset with rich annotation information was used to train the attitude measurement network for the laser tracker.Finally，an attitude measurement test was conducted using a high-precision two-dimen⁃sional turntable.The experimental results show that the calculation error of pitch angle is less than0.31°，the rolling angle error is less than0.03°，and the single measurement takes approximately40ms.The pro⁃posed method can potentially be applied to attitude measurement scene of the laser tracker.Key words：laser tracker；attitude measurement；monocular vision；deep learning1引言随着制造业的快速发展，在航空航天、汽车装配等领域，大尺寸高精度姿态测量技术越来越重要。

激光跟踪仪精度仿真与实验分析雷振尧;陈伟刚;陈文礼;任海峰【摘要】随着现代工业技术的迅猛发展,制造业对设备尺寸及空间位置精度要求越来越严苛,已达微米级.激光跟踪仪作为一种高精密,便携测量工具被越来越广泛地应用于工业测量项目中.本文在误差传递理论及空间几何学基础上,推算激光跟踪仪在空间测量中定向误差与测程和测角之间的关系,并通过MATLAB软件进行定性与定量仿真分析,最终设计实验对结果加以验证.所得结论为构建大尺寸空间测量体系提供了理论依据并对今后工业现场测量作业起到指导性作用.【期刊名称】《北京测绘》【年(卷),期】2018(032)001【总页数】5页(P132-136)【关键词】激光跟踪仪;误差传播理论;定向误差;仿真分析【作者】雷振尧;陈伟刚;陈文礼;任海峰【作者单位】首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063299;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063299;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063299;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063299【正文语种】中文【中图分类】P2040 引言激光跟踪仪的测距采用激光干涉原理,精度达到亚微米级,且固定误差仅十几微米,甚至更小,相对于全站仪几百微米的固定误差,微米级的测距误差,大大提高了近距离测量的精度[1,2]。

而现代工业,直径数米设备,其装配精度仅0.1 mm,传动测量设备根本无法满足精度要求。

因此,如何正确使用激光跟踪仪,并通过测量方案设计降低测量结果误差,已成为现代设备空间位置精度控制研究的热题[3]。

现场实际测量作业中,通过测程粗算出的点位误差对测量体系构建的参考性较差[4]。

例如激光跟踪仪,其测距精度要远远高于测角精度,因此点位误差在各特定方向的误差分量的差距很大,而往往对于测量结果,恰是某一个方向的误差分量起到决定性作用[5,6]。

例如,对于相对较远的两点间距的测量,基站应尽量建立在两点连线上的某一位置,才可充分利用仪器的测距精度,避免测角误差对于测量结果的影响。

第31卷 第3期光 学 学 报V ol.31,N o.32011年3月ACTA OPTICA SINICAMarch,2011单目摄像机-激光测距传感器位姿测量系统晁志超1 伏思华1 姜广文1 于起峰21国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙4100732国防科学技术大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073摘要 在单目视觉测量中,由于模型自身的限制,沿摄像机光轴方向上的位移测量精度一般远低于垂直光轴方向上的位移测量精度。

首先,从数学模型上分析了单目视觉位姿测量在沿光轴方向上位移测量精度低的原因;然后,为了提高沿摄像机光轴方向上的位移测量精度,通过在沿摄像机光轴方向上加装一个高精度的激光测距传感器,设计了一种单目摄像机-激光测距传感器位姿测量系统,从而利用激光测距传感器的高精度测距数据提高系统在沿摄像机光轴方向上的位移测量精度;最后,分别对单目摄像机-激光测距传感器系统的测量原理、参数标定以及测量过程中的数据融合等方面进行了理论推导与实验研究,实验数据表明了系统方案的可行性和有效性。

关键词 光学测量;位姿测量;单目摄像机;激光测距传感器;数据融合中图分类号 T P242;T P391 文献标识码 A d oi :10.3788/AOS 201131.0312001Mono Camera and Lase r Range finding Se nsor Position -PoseMe asureme nt SystemChao Zhichao 1 Fu Sihua 1 Jiang Guangwen 1 Yu Qifeng 21Opto-Elect r onic Scien ce a nd En gineer ing ,Na tion al U niv er sity of Defence T echn ology ,Cha ngsha ,Hu na n 410073,Chin a2College of Aer ospa ce En gineer in g ,Na tion al Un iver sity of Def ence T echnology ,Chan gsha ,Hun a n 410073,Chin a Abstract Precision of translation measurements along the camera c s optica l axis is generally much lower than that of which is perpendicular to the optical axis in monocular vision measurement due to the inherent lim itation of the system.First of all,mathematical m odel is analyzed to explain the cause,then a high -precision laser rangefinding sensor (DLS)is installed near the c amera t o construct the Monoocular Camera -DLS pose measurement system,which will improve the precision of translation measurements along the optic al axis with DLS m ea surements;Finally,princ iple of the system c s calibration and data fusion method are conducted.Experimental results show the feasibility and validity of the position -pose measurement system .Key wo rds optical mea surement;position -pose measurement;monoocular camera ;laser rangefinding sensor;data fusionOCIS co des 120.0280;110.3925;280.3400;150.1135;150.5670收稿日期:2010-07-02;收到修改稿日期:2010-09-15基金项目:国家自然科学基金(10727202)资助课题。

收稿日期:2004-12-20作者简介:毛方儒(1940-),男,研究员,主要从事几何量计量测试技术的研究。

　2005年4月宇航计测技术Apr .,2005第25卷　第2期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol .25,No .2文章编号:1000-7202(2005)02-0001-06 中图分类号:TN249 文献标识码:A三维激光扫描测量技术毛方儒　王　磊(中国航天科技集团公司五院514所,北京100080) 摘　要　介绍了三维激光扫描测量系统的技术构成、测量原理,并简要地介绍了法国MENSI 三维激光测量系统的技术特点;三维激光扫描测量技术在航空、航天工程中所具有的极其重要的应用价值。

关键词　三维激光扫描　测量系统　CCD 技术Measurement Technology of 3D Laser ScanningMAO Fang -r u W ANG Lei(China Aerospace Science Company No .514institute ,Beijing 100080) A bstract The structur e and principle of 3D laser scanning system ,and the feature of the ME NSI laser scanner are introduced .The measurement technology of 3D laser scanning is very useful in aer ospace engineer -ing . Key words 3D laser scanning Measuring system CCD technology1　引　言在现代制造业中,正向设计仅占40%,逆向设计占60%,逆向技术是为正向技术服务的。

飞机装配中的数字化测量系统作者：杨海燕来源：《中国科技博览》2013年第18期摘要：近年来，我国飞机制造业不断向数字化进程迈进，传统的二维图样和模拟量手段检验产品质量的模式已经无法满足新型飞机的制造要求。

零件的数控加工、精准成形等各方面对数字化测量技术要求越来越严格，因此，基于模型和三维标注的面向装配的数字化测量技术已经成为机检测装配的发展方向。

关键词：数字化测量飞机装配中图分类号：P231.51 数字化测量技术的特点和优势数字化测量检测技术是通过数字化的测量设备，根据飞机数字化模型的定义，在计算机网络系统的控制下，实现飞机装配中关键特征的自动、快速、精密的测量，同时对其数据进行处理。

这些测量设备包括激光跟踪仪、测量照相仪、电子经纬仪、雷达扫描仪等。

目前，数字化测量技术主要有以下几个方面的优势：（1）在当今飞机尺寸不断变化的情况，可进行大型测量工件。

（2）数字化测量系统虽然比传统测量手段复杂、昂贵，但是其使用无论是使用范围或使用周期，都叫传统技术有了很大的发展。

（3）数字化测量系统能完成更加复杂的形位测量任务。

因其具有动态实时测量能力，可以完成多目标点位置数据的同时反馈和控制。

（4）能够简化工装，更具通用性和柔性。

（5）数字化测量系统具有离线测量标定和网络异地并行工作的能力。

（6）数字化测量系统可以与机电控制系统、机械随动装置等组成一套完整的数字化装配体系。

根据测量分析结论通过计算机发出运动的指令，从而容易实现对机电结构运动的控制。

不仅如此，面向飞机装配的数字化测量系统还具有测量范围大、精度高的特点，同时测量过程是可以通过编程控制的，因此测量结果可以使用数字量进行表征，可读性好。

因为数字化测量设备采用表征的TCP/IP接口，因此测量设备之间可以非常容易的进行数据通信，使得测量数据具有非常好的共享性。

2 飞机装配中应用的典型数字化测量系统当前存在的数字化测量系统种类很多，在飞机装配中应用较为广泛的主要有以下四种：激光跟踪测量系统、i维激光扫描测量系统、数字照相测量系统以及iGPS系统。