无线光笔式三坐标测量机关键技术的研究

　　作为一种新型的三坐标测量机,光笔式三坐标测量机结构简单,仅需要1个带有发光点的光靶标,1台摄像机和1台用于数据显示的计算机。在测量时,把相机架设在待测物体的旁边,用光笔触测物体上感兴趣的点,相机对光笔上的发光点进行采集。通过对这些发光点的三维坐标进行建模,即可得出被测点的坐标,在进行建模时采用的是最简单的P3CP模型。在对系统进行控制和数据传输时,传统的光笔式三坐标测量机采用的是RS232串口传输,影响了整个系统的灵活性和便携性。与有线通信系统相比,无线系统主要有成本低、移动方便和省去布线烦恼等优点。因此当系统的可靠性达到要求并且开发成本可以接受时,无线技术成为人们的首选,从而应用射频无线传输对系统进行改进。由于需要进行无线传输的模块比较多,仅仅实现无线传　　输的功能还不行,还需要对多个射频无线传输模块进行组网。

　　1　系统总体设计

　　采用无线传输技术的光笔式坐标测量机应用情况如图1所示。系统包括3个基本组成部分,即光靶标端,1个摄像机和1台计算机,3个模块上都安装有无线收发模块,可以将这3个模块组成1个无线收发网络。

　　在光笔上有3个点光源和1个带球形笔尖的触发测头,点光源和触发测头之间的相互位置固定且已知。在进行测量时,触发测头的球形笔尖接触被测表面,发出开始采集信号,该信号传到上位机系统端,上位机控制相机采集光笔上点光源的图像,照片适合要求后,由上位机系统端发出采集成功信号。

　　若光笔端发出命令后一小段时间内收不到采集成功信号,则表示没有采集成功。这时需要调整光笔的位置,直到能够采集到照片信息为止[1]。

　　在相机采集完图像后,通过对图像进行建模处理,就可以得出球形笔尖测头中心的三维坐标,利用同样的方法可以测量被测面上其他点的坐标。将得出的被测点的坐标传输到计算机,计算机就可以利用这些点的坐标做后续处理,如评价被测表面的尺寸、形状和位置等。

　　2　系统数学模型

　　在对图像进行处理上,系统模型是一个很关键的部分。我们采用的是最简单的P3CP模型,光笔上点光源的数目可以达到最少,仅需要在一条直线上的3个点光源就可以求解,并且P3CP有唯一解,控制点之间的几何形态简单[2]。以单摄像机的透视中心为坐标原点O,成像系统光轴方向为Z轴,平行于CCD像素的纵横方向分别为Y轴和X轴,建立了系统的三维坐标系统,如图2所示。

　　点A代表探头,B、C、D为共线结构上的3个控制点,A、B、C、D位于同一条直线上,其相互之间的距离是已知的。点B、C、D通过理想的透视变换在图像平面坐标系中所成的像为b、c、d;CCD像平面是感光面,在此平面上建立X′O′Y′是计算机帧存坐标系,O′是帧存的起点也是坐标系的原点,X′与摄像机坐标系的X轴方向一致,Y′与摄像机坐标系的Y轴方向相反,帧存平面与原点O距离为f。那么由CCD摄像机采集到的这3个点在帧存坐标系X′O′Y′下的坐标分别是(X′d,Y′d),(X′c,Y′c),(X′b,Y′b),该坐标系的原点在图像框架的左上角,需要将帧存坐标转换到摄像机图像坐标系OXYZ中,即一个平移变换: