【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维测量，尤其是涉及一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置及方法。
技术介绍
1、三维测量是指对某个三维物体的外型通过技术手段进行精确量测，从而获得其外型的尺寸大小，为建立适合计算机表示和处理的数学模型、或逆向工程设计、或便于计算机对被测物体进行分析、处理，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。常见的三维测量的方法有：结构光法，飞行时间法，单目/多目相机法和深度学习法等，不同方法有着各自的优势和适用范围。
2、专利cn110702007b公开了一种基于mems扫描振镜的线结构光三维测量方法，该方法通过设定每个光点的亮度区分不同的光点，并采用二维棋盘靶标标定激光发射点和光点的光线方程确定光线方向，减小计算复杂度，同时消除提取光条中心的误差，提高测量准确度。专利申请cn116412772a公开了一种基于mems的面阵光谱共焦3d测量装置及方法，该装置通过去除位移机构，简化了设备以提高检测效率。然而目前常见的基于激光的三维重建设备有着成本高，搭建不方便，较少用于小型物体外型测量、三维物体小模型重建等复杂小系统的精确测量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了提供一种实现小型复杂物体精确测量的基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置及方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置，包括：单线激光器、激光控制器、mems扫描微镜、微镜控制器、激光
4、所述单线激光器：用于发射单线激光并投射到所述mems扫描微镜的镜面上；
5、所述激光控制器：与单线激光器连接，用于控制所述单线激光器发射所述单线激光；
6、所述微镜控制器：与mems扫描微镜连接，用于控制所述mems扫描微镜在水平和垂直方向的偏转角度；
7、所述mems扫描微镜：用于基于将所述单线激光扩展为二维扫描面，将所述二维扫描面投射到被测物体表面，并基于所述偏转角度实现被测物体所有表面的扫描；
8、所述激光接收器：用于接收所述二维扫描面在被测物体表面反射的反射光束；
9、所述计算机：分别与激光控制器、激光接收器和微镜控制器连接，用于获取所述单线激光器和激光接收器的发射时间和接收时间计算被测物体表面的深度距离数据，将所述深度距离数据扩展为三维点云数据，并基于所述三维点云数据进行拟合，获得被测物体的三维测量结果。
10、进一步地，所述单线激光扩展为二维扫描面的步骤包括：
11、将所述mems扫描微镜调整至二维扫描工作状态；
12、按照mems扫描微镜分别按慢轴的工作频率和快轴的工作谐振频率对被测物体进行扫描，形成二维扫描条件；
13、基于所述二维扫描条件将所述单线激光扩展为二维扫描面。
14、进一步地，所述的mems扫描微镜分别按慢轴的工作频率和快轴的工作谐振频率扫描使得mems扫描微镜分别在水平和垂直方向产生谐振偏转，根据谐振偏转确定所述水平和垂直方向的偏转角度。
15、进一步地，采用放缩比例系数校准所述深度距离数据，以确保所述深度距离数据反映实际物理距离，所述放缩比例系数为：
16、
17、式中，α为放缩比例系数，d为mems扫描微镜到被测物体的直线距离，s为mems扫描微镜在静止状态下的激光发射器与被测物体之间距离数据的平均值。
18、进一步地，将所述深度距离数据扩展为三维点云数据的表达式为：
19、
20、
21、
22、
23、
24、式中，x(t)、y(t)和z(t)为t时刻点云数据的三维坐标，r为深度距离数据，和θ(t)分别为t时刻mems扫描微镜在水平和垂直方向上偏转角度，k为mems扫描微镜快轴的角度比例系数，l为mems扫描微镜慢轴的角度比例系数，m和n分别表示快轴和慢轴的偏转周期。
25、进一步地，在所述三维点云数据进行拟合之前，对所述三维点云数据进行预处理。
26、进一步地，所述预处理操作包括采用高斯滤波方法滤除所述三维点云数据中的噪声数据和滤除坐标原点附近的扰动数据，所述坐标原点附近的扰动数据满足：
27、x2+y2+z2<δ
28、式中，x、y、z分别为点云数据的三维坐标，δ为mems扫描微镜在最大偏转角度内的线性变化步长。
29、进一步地，所述获得被测物体的三维测量结果的步骤包括：
30、确定邻域：对于所述三维点云数据中的每个点云，确定一个局部邻域；
31、拟合平面：基于确定的局部邻域，采用最小二乘法为每个点云拟合一个平面；
32、提取法向量：提取每个点云所在拟合平面上的法向量，所有法向量构成被测物体的三维测量结果。
33、进一步地，拟合的平面的表达式为：
34、ax+by+cz+d＝0
35、a2+b2+c2＝1
36、式中，a、b、c和d为拟合平面的系数，其中(a,b,c)为法向量，x、y、z分别为点云数据的三维坐标。
37、本专利技术还提供一种根据上述所述的基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置的测量方法，包括以下步骤：
38、激光控制器控制单线激光器发射单线激光，并投射到所述mems扫描微镜的镜面上；
39、mems扫描微镜将所述单线激光扩展为二维扫描面，并将所述二维扫描面投射到被测物体表面；
40、微镜控制器控制mems扫描微镜在水平和垂直方向上偏转角度，以扫描到被测物体的所有表面；
41、激光接收器接收所述二维扫描面在被测物体表面反射的反射光束；
42、计算机根据所述单线激光器和激光接收器的发射时间和接收时间计算被测物体表面的深度距离数据，将所述深度距离数据扩展为三维点云数据，并基于所述三维点云数据进行拟合，获得被测物体的三维测量结果。
43、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
44、(1)本专利技术针对小型复杂物体，通过使用激光发射器发射单线激光照射到mems扫描微镜上扩展为二维扫描面，mems扫描微镜能够在水平和垂直方向上偏转，因此可以扫描完物体的所有复杂表面，并通过距离计算方式进行精确拟合，从而实现小型复杂物体精确测量。
45、(2)本专利技术采用放缩比例系数作为校准因子调整mems扫描微镜在移动过程中激光发射器测量到的距离数据，以确保数据的准确性，使得测量结果更加精确。
46、(3)相比于现有的测量装置，本专利技术简化了测量装置的结构、降低测量装置的成本。
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1.一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，包括：单线激光器(1)、激光控制器(2)、MEMS扫描微镜(4)、微镜控制器(13)、激光接收器(9)和计算机(14)，
2.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述单线激光扩展为二维扫描面的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述的MEMS扫描微镜(4)分别按慢轴的工作频率和快轴的工作谐振频率使得MEMS扫描微镜(4)分别在水平和垂直方向产生谐振偏转，根据谐振偏转确定所述水平和垂直方向的偏转角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，采用放缩比例系数校准所述深度距离数据，以确保所述深度距离数据反映实际物理距离，所述放缩比例系数为：
5.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，将所述深度距离数据扩展为三维点云数据的表达式为：
6.根据权利要求1所述的一种基于单
7.根据权利要求6所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述预处理操作包括采用高斯滤波方法滤除所述三维点云数据中的噪声数据和滤除坐标原点附近的扰动数据，所述坐标原点附近的扰动数据满足：
8.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述获得被测物体(7)的三维测量结果的步骤包括：
9.根据权利要求8所述的一种基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，拟合的平面的表达式为：
10.一种根据权利要求1-9任一所述的基于单线激光和MEMS扫描微镜的三维测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，包括：单线激光器(1)、激光控制器(2)、mems扫描微镜(4)、微镜控制器(13)、激光接收器(9)和计算机(14)，
2.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述单线激光扩展为二维扫描面的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，所述的mems扫描微镜(4)分别按慢轴的工作频率和快轴的工作谐振频率使得mems扫描微镜(4)分别在水平和垂直方向产生谐振偏转，根据谐振偏转确定所述水平和垂直方向的偏转角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和mems扫描微镜的三维测量装置，其特征在于，采用放缩比例系数校准所述深度距离数据，以确保所述深度距离数据反映实际物理距离，所述放缩比例系数为：
5.根据权利要求1所述的一种基于单线激光和mems扫描微镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭永红，王虎虎，顾亚，蒋海涛，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：
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