三维光学测量系统在汽车行业中的应用

2019年第8期

汽车智能制造专辑

祝小超

贾龙

邸太龙

（中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春130013）

【摘要】三维光学测量系统是集光发射与接收、电波和计算机图像处理与大数据分析技术于一体的高科技技术，主要

用于对各种结构复杂、不易接触的物体表面轮廓和特征进行扫描，以获得物体轮廓和特征的点云，进而通过计算机技术将点云转换为三维模型。它的重要意义在于为物体的轮廓和特征信息转换为计算机能直接处理的三维模型提供了简单快捷的解决方案。由于具有功能强大、使用方便、测量效率高、测量结果可视化程度高等特点，三维光学测量系统近年来发展迅速，具有广泛的应用前景。

主题词：三维光学测量激光三角测距

Application of Three-Dimensional Optical Measurement System in

Automotive Industry

Zhu Xiaochao,Jia Long,Di Tailong

（General Research and Development Institute,China FAW Corporation Limited,Changchun 130013）

【Abstract 】Three-dimensional optical measurement system is a high-tech technology which integrates optical emission and reception,radio wave,computer image processing and large data analysis technologies.It is mainly used to scan the surface contours and features of various complex and non-contact objects,so as to obtain the feature clouds of object contours and features,and then transform point clouds into three-dimensional models through computer technology.Its significance lies in providing a simple and fast solution for transforming the contour and feature information of an object

into a three-dimensional model that can be directly processed by a computer.Because of its powerful function,convenient use,high measurement efficiency and high visualization of measurement results,the three-dimensional optical measurement system has developed rapidly in recent years and has a wide application prospect.

Key words:Three-dimensional,Optical measurement,Laser,Triangulation

【引用】祝小超,

贾龙,邸太龙.三维光学测量系统在汽车行业中的应用[J].汽车文摘，2019（08）：6-9.

【Citation 】Zhu X.,Jia L.,Di T.Application of Three-Dimensional Optical Measurement System in Automotive Industry [J].Automotive

Digest (Chinese),2019（08）：6-9.

三维光学测量系统在汽车行业中的应用

1前言

随着5G 时代的来临，信息化、数字化成为企业发展必然趋势，而在产品研发领域，产品应用三维信息化模型的优势日渐突出。随着近年来光电技术和计算机图像处理技术的不断发展，用非接触的方式对物体轮廓进行快速测量已成为新常态。这种非接触式测量不会造成被测物体表面损伤或变形，并且避免了三坐标测量中测头位移传感所产生的系统误差，可以实现对被测物体表面轮廓和特征进行快速和精准扫描。通过计算机对扫描得到的点云进行三维重建，可构建出被测物体的三维模型，这是一般测量手段无法

做到的[1-2]。

但是，三维光学测量系统仍然存在诸多限制，比如很难对高反光表面和透明、半透明物体进行扫描，扫描时需喷粉或粘贴具黏性、可反射的贴片等。

2三维光学测量系统概述

2.1

三维光学测量系统发展历程

三维光学测量系统兴起于上世纪七十年代，主要分为三维激光扫描系统和照相式三维扫描系统[3]。

激光以其单色性、亮度高、发散小等优点成为早期三维光学测量系统的首选光源。第一代三维激光扫描系统采用激光光点进行扫描，但单一激光光点测

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Special Issue on Intelligent Manufacturing for Automotive

量效率低，于是以一条线性激光条纹取代单一激光光点对被测物体进行扫描，发展出第二代三维激光扫描系统，大幅提高了测量速度。随着光电技术和计算机数据处理技术的进步，目前采用7线、14线甚至更多激光线的产品已经投入使用，扫描速度和精度也大幅提高。

照相式三维扫描系统以结构光为光源，第一代产品光源为白光，但白光的抗环境干扰能力弱，对环境光线要求高，扫描操作标定比较麻烦，扫描速度较慢。2010年以色列Cognitens公司率先发布新一代照相式三维扫描仪-蓝光三维扫描仪。蓝光的波长更短，并且光源为LED冷光源，光源能耗更低，抗干扰能力强，以及对环境要求低、不需喷粉等特点，已经得到广泛应用。

2.2测量技术原理

测量原理主要有脉冲测距、相位差测距和三角测距法。

2.2.1脉冲测距原理

测量系统由激光发射系统和探测系统组成。工作时，激光发射系统发射一束激光，光束经被测量物体漫反射后被探测系统捕获，测量系统计算出光束往返一次的时间（图1）。

图1脉冲测距原理

如果光在空气中传播速度为c，在测量系统和被测量物体之间往返一次所需时间为t，则被测量物体与测量系统之间距离D可表示为：

D=c∙t/2（1）脉冲激光的单色性好、发散小、亮度高、功率大、测量精度为米级，适用于中远距离测量，如地形地貌测量、地质勘探、天体之间距离测量等技术方面。2.2.2相位差测距原理

相位差测距原理是对发射光波的光强进行调制，然后激光发射系统发射一束激光，光束经被测量物体漫反射后被探测系统捕获，测量系统测量出发射和捕获激光的相位差，间接测量出时间（图2）。这种方式较直接测量往返时间的处理难度降低了许多。

如果光在空气中传播速度为c，调制信号的周期时间为T，发射与接收波形的相位差为Φ，则被测量物体与测量系统之间的距离D可表示为：

2D=Φ∙c∙T/2π（2）

图2相位差测距原理

相位式激光测距可以达到毫米级别的测量精度，但受周围环境影响较大，并且大测程和高精度不能同时满足。

2.2.3三角测距原理

光源以一定角度β射出一束激光，激光被目标物体反射，然后被摄像头捕捉到（图3）。

图3三角测距原理

已知摄像头焦距是f，由相似三角形原理可得到测量系统与被测物体之间的距离D为：

D=f∙s/(X∙sinβ)（3）三角测距具有结构简单、效率高、灵活方便等优点，测量精度可达微米级，广泛应用于物体表面特征与轮廓、孔位、高度、宽度等项目的测量中，如汽车行业中造型设计、逆向工程、零部件测量和土地测量、扫地机器人等。

2.3三维光学测量系统分类

根据传感方法不同可分为三维激光扫描系统和照相式三维扫描系统[3]，照相式三维扫描系统根据光源不同可分为白光三维扫描系统和蓝光三维扫描系统。

2.3.1三维激光扫描系统

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项技术，现在已经由点扫描发展为多线扫描

技术。

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