非接触式光电体积测量系统

非接触式光电体积测量系统一、系统简介我设计的这个装置的作用是测量一个有复杂表面的物体体积。基本思想是通过对被测物体从最底面到最高点进行逐层扫描，来获取构成被测物体外表面的密集点云的三维坐标数据，然后根据获取的被测物体空间三维信息和相关算法计算出物体的实际体积。具体的实现方法是上位机机控制COMS摄像头和线激光发射器作为三维数据获取和数据处理单元，单片机控制步进电机作为机械控制单元，串口通信单元使上位机和单片机的这两个核心控制模块协同工作以达成体积测量的目的。二、系统结构1.原理框图被测物体图像二值化的图像外表面二维点云坐标数据外表面三维点云坐标数据被测物体实际体积数据点云提取高度维信息匹配体积计算CMOS成像扫描光圈边缘提取1、硬件部分1).2个两相四线制步进电机2).2片L298n电机驱动芯片模组3).1片51单片机开发板（带MAX232电平转换芯片）4).3个小功率线激光管5).1个微焦COMS摄像头6).PC机2、软件部分1).上位机主是基于vs2012平台和opencv库开发的c++程序，包括图像预处理单元、三维信息提取单元、数据处理单元、串口通信单元。2).下位机是采用Keil平台和c语言开发的程序，主要是控机械控制单元。3、效果图三、运行流程1、流程图单片机操控机械单元使整个测量装置恢复到初始状态（方便下次测量）PC控制摄像头来获取当前高度维截面，并得出截面边缘的二维坐标信息，向单片机发送处理完成信号通过对当前高度维二维点云的自动分析，判断是否已经扫描完整个被测物体？单片机操控机械单元微调以达到另外一个高度维，完成后向PC机发送完成信号整合所有数据，完成三维点云坐标数据的构建，然后通过相关算法计算出被测物体实际体积结束YN开始放置被测物体使它的底面与激光圈处于同一水平高度，调整摄像头的倾角来选择一个合理的摄像角度，打开PC端程序，输入测量精度和测量速度和倾斜角度，点击“开始”按钮。2、重要过程说明1）、获取截面边缘的方法是：将3个线激光管水平调整在同一高度，放在一个等边三角形的三个顶点位置，沿着内角平分线的方向发射线激光，这样将被测物体水平置于三角形中心处后，它的一个横截面的边缘就会被激光清晰地勾勒出来（尤其是放在暗光条件下），此时视线垂直于水平面并且放在被测物体正上方的摄像头可以完整地获取横截面的边缘信息。2)、景深对测量距离限制的解决方法:不移动线激光发射器，移动搭载着被测物体的升降平台，这样物体的每个截面都可以被测到而且每个截面到摄像头的距离都可以固定在焦平面上。3)、如何从跟实际比起来被放大或缩小的截面图片来获取真实的截面边缘点坐标信息：入上所述，激光管不用移动，那么每个横截面到摄像头的距离都是不变的，那么可以预先制作一个已知尺寸的平面放到跟截面同样的位置，得出它在图片中的尺寸信息，以后通过截面图片与标准尺寸平面图片比例关系就可以得出截面的实际边缘点坐标信息。4)、精确控制升降高度的方法：步进电机转动的角度与脉冲的个数成正比，所以每次给与步进电机同样的脉冲数就可以保证每次移动的距离一致，并且可以做到最小100微米的步进距离以实现精确三维信息获取（相对于实际中分米级尺寸物体的大小而言）。5)、有整体趋同倾斜的物体的体积测量:可以将摄像头倾斜一定角度，所得到的投影在该方向上的面积除以该倾斜角度的余弦值即可得到实际的截面边缘点坐标数据（并不是所有物体都可以用该方法处理，下面详细说明可以测量的条件）。四、适用范围由于只是从一个角度来获取被测物体的信息，所以该系统有它的测量局限性，只适用于满足一定条件的物体的测量，下面给出需要满足的条件。1、必须要有一个基本平整的平面作为底面2、被测物体各个竖直截面的边界除开掉底边上的点，其他所有的在同一边(以最高点[以摄像头视线为作为参考方向，因为摄像头可能会倾斜]为分界点分成左右两边)的点的切线之间的相对倾角差不能超过90度，否则会有部分横截面边界不能被摄像头完全获取，通俗地说就是上面把下面挡住了。