以六自由度跟蹤的結(jié)構(gòu)光掃描儀的補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br>【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本文所公開的主題涉及一種用于獲取物體的表面上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)的系統(tǒng)和方法，并且特別地，涉及一種用于結(jié)合掃描儀裝置來操作激光跟蹤儀以在操作期間跟蹤掃描儀裝置的位置和取向的系統(tǒng)和方法。
[0002]可以已知的是，使用各種測(cè)量裝置來獲取物體或環(huán)境的三維坐標(biāo)。環(huán)境被定義為測(cè)量裝置的范圍內(nèi)的物體表面的集合。一種類型的測(cè)量裝置為將光束例如激光束導(dǎo)向要測(cè)量的回射器目標(biāo)的飛行時(shí)間系統(tǒng)例如激光跟蹤儀。在實(shí)施方式中，使用絕對(duì)距離測(cè)量?jī)x以基于光傳播到目標(biāo)并返回所用的時(shí)間長(zhǎng)度來確定從跟蹤儀到回射器目標(biāo)的距離。通過將回射器目標(biāo)放置成與物體表面接觸，可以確定物體表面的坐標(biāo)。激光跟蹤儀通過使用電動(dòng)機(jī)使兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)在選擇的方向上引導(dǎo)光束。使用角度傳感器例如角度編碼器來測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角度。通過測(cè)量一個(gè)距離和兩個(gè)角度，激光跟蹤儀可以確定回射器目標(biāo)的三維(3D)坐標(biāo)。一些激光跟蹤儀另外具有測(cè)量目標(biāo)的取向的能力，從而提供六自由度(6D0F)的測(cè)量。
[0003]飛行時(shí)間測(cè)量裝置的替選為基于三角測(cè)量原理來確定3D坐標(biāo)的掃描系統(tǒng)。使用飛行時(shí)間距離測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)例如激光跟蹤儀在一些情況下比三角測(cè)量掃描儀更準(zhǔn)確，但是因?yàn)槿菧y(cè)量掃描儀在每個(gè)時(shí)間瞬間將多個(gè)光斑投影到表面上，所以三角測(cè)量掃描儀可以更快。
[0004]三角測(cè)量掃描儀將光線(例如來自激光線探頭的光)或光在區(qū)域上的圖案(例如結(jié)構(gòu)光)投影到表面上。在系統(tǒng)中，攝像機(jī)以固定的機(jī)械關(guān)系耦接至投影機(jī)。從投影機(jī)發(fā)射的投影光圖案被表面反射并且通過攝像機(jī)成像。因?yàn)橐怨潭ǖ年P(guān)系布置攝像機(jī)和投影機(jī)，所以根據(jù)三角測(cè)量原理，可以由投影圖案、捕獲的攝像機(jī)圖像以及分隔投影機(jī)和攝像機(jī)的基線距離來確定到物體的距離和角度。三角測(cè)量系統(tǒng)在快速獲取較大區(qū)域上的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)方面提供了優(yōu)勢(shì)。
[0005]在一些系統(tǒng)中，在掃描過程期間，掃描儀獲取一系列3D圖像，所述一系列3D圖像可以相對(duì)于彼此配準(zhǔn)以使得每個(gè)3D圖像相對(duì)于其他3D圖像的位置和取向是已知的。如果掃描儀為固定的，則這樣的配準(zhǔn)不是必需的。類似地，如果掃描儀被附接至能夠測(cè)量掃描儀的位置和取向的機(jī)械裝置，則不需要提供這樣的配準(zhǔn)。這樣的機(jī)械裝置的示例包括關(guān)節(jié)臂CMM和笛卡爾CMM。當(dāng)掃描儀為手持式的并因此可移動(dòng)時(shí)，可以使用各種技術(shù)來配準(zhǔn)圖像。一個(gè)常用技術(shù)使用圖像的特征來匹配相鄰圖像幀的交疊區(qū)域。當(dāng)被測(cè)量的物體具有與掃描儀的視場(chǎng)有關(guān)的許多特征時(shí)，該技術(shù)效果良好。然而，如果物體包含相對(duì)大的平面或彎曲的表面，則圖像可能不能夠相對(duì)于彼此正確地配準(zhǔn)。
[0006]因此，雖然現(xiàn)有的坐標(biāo)測(cè)量裝置適于其預(yù)期目的，但仍然需要改進(jìn)，特別地，在對(duì)由掃描儀裝置獲取的圖像的配準(zhǔn)方面需要改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種使用坐標(biāo)測(cè)量裝置和便攜式結(jié)構(gòu)光掃描儀裝置來確定物體的表面上的點(diǎn)的坐標(biāo)的方法。該方法包括設(shè)置結(jié)構(gòu)光掃描儀，結(jié)構(gòu)光掃描儀具有主體、耦接至主體的第一攝像機(jī)和第一投影機(jī)，其中，第一攝像機(jī)被配置成接收從物體表面反射的光。結(jié)構(gòu)光掃描儀包括從主體的第一側(cè)延伸的探頭以及耦接至主體的第二側(cè)的六自由度回射器。結(jié)構(gòu)光掃描儀還具有被配置成確定物體表面上的點(diǎn)在掃描儀參照系中的坐標(biāo)的第一處理器。設(shè)置了坐標(biāo)測(cè)量裝置。坐標(biāo)測(cè)量裝置被配置成測(cè)量平動(dòng)坐標(biāo)集和取向坐標(biāo)集，平動(dòng)集是結(jié)構(gòu)光掃描儀在裝置參照系中的三個(gè)平動(dòng)自由度的值，而取向集是結(jié)構(gòu)光掃描儀在該裝置參照系中的三個(gè)取向自由度的值。平動(dòng)集和取向集定義結(jié)構(gòu)光掃描儀在空間中的位置和取向，坐標(biāo)測(cè)量裝置被配置成將第一光束發(fā)送到回射器并且被配置成接收來自回射器的第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標(biāo)測(cè)量裝置包括裝置處理器。該裝置處理器被配置成確定取向集和平動(dòng)集，平動(dòng)集至少部分地基于第二光束。設(shè)置具有被配置成接納探頭的部分的固定裝置。探頭被放置在所述部分上。在保持探頭與所述部分接觸并且跟蹤六自由度回射器的坐標(biāo)和取向的同時(shí)，以預(yù)定模式移動(dòng)結(jié)構(gòu)光掃描儀探頭。響應(yīng)于結(jié)構(gòu)光掃描儀的移動(dòng)針對(duì)該結(jié)構(gòu)光掃描儀來確定平動(dòng)坐標(biāo)集和取向坐標(biāo)集。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法。該方法包括設(shè)置結(jié)構(gòu)光掃描儀，該結(jié)構(gòu)光掃描儀具有彼此以固定關(guān)系布置的第一攝像機(jī)和第一投影機(jī)，結(jié)構(gòu)光掃描儀被配置成獲取物體的多個(gè)圖像，結(jié)構(gòu)光掃描儀具有與第一攝像機(jī)和第一投影機(jī)以固定關(guān)系布置的六自由度回射器。設(shè)置坐標(biāo)測(cè)量裝置，該坐標(biāo)測(cè)量裝置具有彼此以固定關(guān)系布置的光源和第二攝像機(jī)，坐標(biāo)測(cè)量裝置被配置成至少部分地基于平動(dòng)坐標(biāo)集和取向坐標(biāo)集來確定結(jié)構(gòu)光掃描儀的定位和取向。平動(dòng)集是結(jié)構(gòu)光掃描儀在裝置參照系中的三個(gè)平動(dòng)自由度的值，而取向集是結(jié)構(gòu)光掃描儀在該裝置參照系中的三個(gè)取向自由度的值。使用結(jié)構(gòu)光掃描儀掃描物體，并且獲得至少第一圖像幀和第二圖像幀。使用坐標(biāo)測(cè)量裝置跟蹤六自由度回射器，以確定取向坐標(biāo)集和平動(dòng)坐標(biāo)集。至少部分地基于第一圖像幀、第二圖像幀、取向坐標(biāo)集以及平動(dòng)坐標(biāo)集在裝置參照系中確定物體的表面上的多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0009]結(jié)合附圖，根據(jù)以下描述，這些優(yōu)勢(shì)和特征以及其他優(yōu)勢(shì)和特征將變得更明顯。
【附圖說明】
[0010]在本說明書的結(jié)尾部分處的權(quán)利要求書中特別指出并且明確要求保護(hù)被認(rèn)為是發(fā)明的主題。結(jié)合附圖，根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述特征和其他特征以及優(yōu)勢(shì)是明顯的，在附圖中:
[0011]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的測(cè)量物體的系統(tǒng)的透視圖；
[0012]圖2為在固定裝置中的掃描儀探頭構(gòu)件的局部透視圖；
[0013]圖3為具有掃描物體的掃描儀裝置的圖1的系統(tǒng)的局部透視圖；
[0014]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的確定物體的表面上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法的流程圖；以及
[0015]圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的確定物體的表面上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法的流程圖。
[0016]該詳細(xì)描述參考附圖以舉例的方式說明了本發(fā)明的實(shí)施方式以及優(yōu)勢(shì)和特征。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的實(shí)施方式在由掃描儀裝置獲取的圖像的配準(zhǔn)方面提供了優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的實(shí)施方式還在使用坐標(biāo)測(cè)量裝置例如激光跟蹤儀裝置跟蹤手持式掃描儀裝置方面提供了另外的優(yōu)勢(shì)。此外，本發(fā)明的另外的實(shí)施方式還在校準(zhǔn)/補(bǔ)償被激光跟蹤裝置跟蹤的掃描儀裝置方面提供了優(yōu)勢(shì)。
[0018]參考圖1至圖3，示出了用于測(cè)量物體22的三維坐標(biāo)的系統(tǒng)20。該系統(tǒng)包括第一坐標(biāo)測(cè)量裝置，例如與第二坐標(biāo)測(cè)量裝置例如掃描儀26協(xié)作的激光跟蹤儀24。激光跟蹤儀24可以是例如于2010年8月3日提交的共有美國(guó)專利8，659，749或者于2012年4月23日提交的美國(guó)專利公開2013/0155386中所描述的裝置。
[0019]激光跟蹤儀24包括距離測(cè)量?jī)x以及發(fā)射光例如激光的投影機(jī)。投影機(jī)和距離測(cè)量?jī)x被配置成經(jīng)由光孔30發(fā)射和接收光28。距離測(cè)量?jī)x可以是使激光跟蹤儀24能夠光學(xué)地測(cè)量激光跟蹤儀24與協(xié)作目標(biāo)例如回射器之間的距離的絕對(duì)距離測(cè)量?jī)x組件。
[0020]六自由度(6D0F)激光跟蹤儀24可以包括電動(dòng)機(jī)、角度編碼器以及位置檢測(cè)器，位置檢測(cè)器使激光跟蹤儀24能夠在6D0F回射器目標(biāo)穿過空間時(shí)跟蹤6D0F回射器目標(biāo)的位置。6D0F回射器目標(biāo)為可以由6D0F激光跟蹤儀在6D0F中測(cè)