宋雨彪 馬兆利 胡文浩 董李揚(yáng)

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京100013）

1 引言

近年來，三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于測繪、逆向工程、文物修復(fù)等領(lǐng)域[1]。多位學(xué)者針對不同類型三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度開展了大量研究。文獻(xiàn)[2]分析了機(jī)載激光掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)觀測誤差和系統(tǒng)集成誤差，認(rèn)為通過動態(tài)差分技術(shù)和提高硬件設(shè)施提高精度可以大幅提高系統(tǒng)精度；文獻(xiàn)[3]研究了地面激光掃描系統(tǒng)誤差及控制方法，認(rèn)為影響掃描精度的主要因素為控制網(wǎng)精度、標(biāo)靶測量精度、掃描距離及目標(biāo)物反光率，在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[4～9]將地面激光測量系統(tǒng)誤差的影響因素分為三類：儀器誤差、目標(biāo)物體反射面相關(guān)誤差、外界環(huán)境條件。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為影響便攜式掃描系統(tǒng)誤差的主要因素為掃描儀內(nèi)部光學(xué)部件的影響、CCD 分辨率的影響、激光光強(qiáng)與光斑形狀的影響、反射面顏色的影響和邊緣效應(yīng)的影響。

上述研究結(jié)果表明系統(tǒng)誤差、儀器精度、目標(biāo)物體材料特性、測量方法和外界環(huán)境等因素對三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度均有顯著影響，但關(guān)于工藝參數(shù)對掃描精度的影響缺少研究，因此本文以Handyscan700 便攜式三維激光掃描儀為研究對象，簡要介紹了三維激光掃描儀測量原理及特點(diǎn)，結(jié)合某航天產(chǎn)品艙體實(shí)例，著重分析工藝參數(shù)（掃描入射角度、靶點(diǎn)密度、測量距離）引入的誤差，重點(diǎn)探究了工藝參數(shù)對測量精度的影響規(guī)律，并得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，為便攜式三維激光掃描儀作業(yè)和進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)降低誤差影響提供了理論基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。

2 便攜式三維激光掃描儀測量原理及特點(diǎn)

2.1 測量原理

便攜式三維激光掃描儀應(yīng)用激光三角測距法采集目標(biāo)體三維信息，其基本原理[9]是利用具有規(guī)則的幾何形狀激光束或模擬探針沿著被測物體表面連續(xù)掃描，利用被測物體表面漫反射，反射的光點(diǎn)或者光帶在光路中的圖像傳感器上成像，通過三角形法則直接計(jì)算出被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三角測距法分為直射式和斜射式，與斜射式測量法相比直射式測量法具有結(jié)構(gòu)緊湊空間利用率高、測量盲區(qū)小、測量結(jié)果有位移性等優(yōu)勢，更適合測量多特征異形復(fù)雜曲面，本文所使用的三維激光掃描儀屬于直射式，其測距原理如圖1所示。

圖1 直射式三角測量原理圖

三維激光掃描儀由激光發(fā)生器、聚透鏡、目標(biāo)表面、接收透鏡和光電感應(yīng)器五部分組成，激光發(fā)生器射出的光線經(jīng)聚透鏡聚焦后垂直照射到被測物體表面，入射光點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡后在光電位置探測器敏感面上成像，當(dāng)目標(biāo)體空間位置或表面高度發(fā)生變化時(shí)，入射光點(diǎn)沿入射光軸移動，光電感應(yīng)器敏感面上的像也會有對應(yīng)的位移增量[11～15]，由三角幾何關(guān)系和成像關(guān)系可知：

將上式變換，得到被測點(diǎn)A的高度值為：

當(dāng)γ＝90°時(shí)，上式可變換為：

式（3）為直射式三角測距法目標(biāo)體表面上點(diǎn)的高度計(jì)算關(guān)系表達(dá)式，為確保測量范圍內(nèi)的點(diǎn)都能準(zhǔn)確在光電感應(yīng)器敏感面上成像，夾角γ必須滿足：

其中，W是橫向放大系數(shù)。

2.2 主要特點(diǎn)

相比于全站儀單點(diǎn)測量方式，便攜式三維激光掃描儀是全自動、高精度掃描測量儀器，可以獲得全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)三維掃描坐標(biāo)，其主要特點(diǎn)：a.高精度：實(shí)際操作條件下的高精確性，體積精度達(dá)0.02mm+0.06mm/m；b.直觀性：在VXelements軟件中實(shí)時(shí)更新掃描結(jié)果；c.適用復(fù)雜環(huán)境：自帶LED光源，不受光線影響；d.高效率：掃描速度可達(dá)500000次測量每秒。

3 工藝參數(shù)引入的誤差探究

工藝參數(shù)對三維激光掃描結(jié)果的影響主要分為四個(gè)方面，即測量距離、入射角度、靶點(diǎn)密度以及標(biāo)靶位置和過渡方式，鑒于標(biāo)靶位置和過渡方式對掃描結(jié)果的影響是固定的，本文后續(xù)以測量距離、入射角度和靶點(diǎn)密度三個(gè)工藝參數(shù)為關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，通過正交試驗(yàn)法探究工藝參數(shù)對測量精度的影響規(guī)律，進(jìn)而獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3.1 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

本文以某實(shí)際產(chǎn)品為對象采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行三維激光掃描試驗(yàn)研究，以測量距離、入射角度和靶點(diǎn)密度為試驗(yàn)因素，采取三因素四水平正交表，具體試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

本正交試驗(yàn)利用單位現(xiàn)有設(shè)備Creaform Handyscan700 便攜式三維激光掃描儀、SanLiang 萬能角度尺和聯(lián)想筆記電腦Y480 開展。

表1 試驗(yàn)因素與水平表

表2 三因素四水平正交試驗(yàn)表

表3 三維激光掃描試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 設(shè)備校準(zhǔn)和參數(shù)配置

圖2 校準(zhǔn)及參數(shù)配置

設(shè)備校準(zhǔn)和參數(shù)配置是三維激光掃描儀根據(jù)目標(biāo)體表面反光特性進(jìn)行快門自適應(yīng)調(diào)整的過程，合理的快門可以有效提高掃描精度，調(diào)整過程界面見圖2。

3.2.2 貼黑白反光標(biāo)點(diǎn)并掃描

合理設(shè)置靶點(diǎn)位置和過渡方式能夠有效提高掃描精度。工件變換位置后，應(yīng)保證不少于四個(gè)公共標(biāo)靶，合理增加靶點(diǎn)數(shù)量可以有效提高后期拼接精度。但是，靶點(diǎn)位置應(yīng)避免定位點(diǎn)過密、線形排列或有規(guī)律地分布現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 粘貼靶點(diǎn)位置及注意事項(xiàng)

掃描具有多個(gè)特征面的零件時(shí)，需要設(shè)置過渡面，過渡面的設(shè)置可以有效降低人為掃描誤差。此外，掃描過程中需要注意將過渡點(diǎn)刪除，否則掃描所獲得的三維模型存在過渡靶點(diǎn)位置區(qū)域掃描數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，對比如圖4所示。

圖4 掃描數(shù)據(jù)對比圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用固定點(diǎn)周圍取九點(diǎn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，如果正值數(shù)大于負(fù)值數(shù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差取正，反之為負(fù)，這種初步處理數(shù)據(jù)方式所得數(shù)據(jù)稱之為等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差，本文等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差即為等價(jià)誤差。為描述試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)劣，采用打分制將試驗(yàn)結(jié)果量化，打分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。根據(jù)掃描結(jié)果與理論模型的誤差評級對掃描質(zhì)量進(jìn)行打分，如表4、表5所示。

表4 打分標(biāo)準(zhǔn)

表5 掃描誤差分?jǐn)?shù)表

3.3.1 直觀分析

采用正交試驗(yàn)極差分析方法對三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行直觀分析，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。表中的Li=，L1、L2、L3和L4分別代表各個(gè)因素在水平1/2/3/4下的三維掃描質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)分析可以得到工藝參數(shù)測量距離、和靶點(diǎn)密度對掃描質(zhì)量的影響程度相同。質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高代表掃描質(zhì)量越好，因此選取每個(gè)工藝參數(shù)中使Li取最大值的水平即為最優(yōu)參數(shù)組合，即得到較高掃描質(zhì)量的工藝參數(shù)組合為入射角度90°、靶點(diǎn)密度60mm、測量距離300mm。效應(yīng)曲線圖可以直觀形象的反映出正交試驗(yàn)直觀分析結(jié)果，如圖5所示。

表6 試驗(yàn)結(jié)果直觀分析表

圖5 各因素分?jǐn)?shù)直觀分析效應(yīng)圖

3.3.2 方差分析法

對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，置信度分別取90%、95%、99%，分析結(jié)果如表7所示，三個(gè)因素的F比在置信度為95%時(shí)均大于臨界值3.86，即達(dá)到了顯著水平，這說明正交試驗(yàn)是合理可信的。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對比試驗(yàn)以上文所用的某實(shí)際產(chǎn)品為對象，試驗(yàn)安排如表8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表9和圖6所示。

表8 對比試驗(yàn)參數(shù)

表9 掃描誤差分?jǐn)?shù)表

通過圖6所示各因素分?jǐn)?shù)直觀分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)3和試驗(yàn)5并列為最高評分，但試驗(yàn)3與試驗(yàn)5相比，前者比后者靶點(diǎn)密度大掃描質(zhì)量基本一致，從經(jīng)濟(jì)性角度和操作便捷性角度考慮，試驗(yàn)3參數(shù)組合即入射角度90°、靶點(diǎn)密度60mm、測量距離300mm為最優(yōu)組合。

圖6 各因素分?jǐn)?shù)直觀分析效應(yīng)圖

4 結(jié)束語

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)法重點(diǎn)探究了入射角度、靶點(diǎn)密度和測量距離等工藝參數(shù)對便攜式三維激光掃描儀掃描質(zhì)量的影響規(guī)律，提出了采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)法來評價(jià)掃描質(zhì)量，最終獲取了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：入射角度對掃描質(zhì)量影響最大，靶點(diǎn)密度和測量距離對掃描質(zhì)量的影響程度相同，且三者之間無耦合作用，各工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為入射角度90°、靶點(diǎn)密度60mm 和測量距離300mm。