在工业设备的几何检测中，经常遇到检测单一部件的外形、各关键部件位置相对关系等问题。如在对汽轮机定子转子的检测中，需检测转子的同轴度、定子中关键部件的相对关系、转子和定子间相对位置关系。目前已有的检测方法劳动强度大，检测的内容相对比较单一。由上述背景考虑利用手持三维激光扫描仪和V-STARS联合测量，对现有检测方法进行改进。

手持式三维激光扫描仪(下文简称手持扫描仪)是三维激光扫描仪发展到第4代的产物，具有采样密度高、测量速度快、位置变换灵活方便等优势，能够快速方便地获取物体的数字模型信息，广泛应用在文物保护^[1-5]、逆向工程^[6]等领域。但是由于手持扫描仪单幅图像像幅较小，随着测量范围的增大其测量精度难以保证^[7]。

V-STARS摄影测量系统能够获取定位标点的坐标，在较大范围内一次性地建立高精度的控制场，常用来进行控制测量^[8]。如对大型天线面型进行精确调整^{[9, 10]}，对物体变形进行检测^{[11, 12]}等。其不足之处在于获得的点位较为稀疏，不能充分反映待测物体的实际结构。

为了充分利用两种仪器的优势，新的检测方法可以先用V-STARS建立高精度的统一坐标系再用手持扫描仪获取高密度的点云信息^[13-18]，对点云信息进行处理从而提取出关键检测元素。要验证这一新方法的可行性，首先必须对手持扫描仪与V-STARS的联合测量的实际精度情况进行研究。

本文以加拿大Creaform公司生产的最高精度的手持扫描仪HandySCAN700为研究对象，主要研究以下两个内容：一是手持扫描仪单独作业的精度保持程度; 二是V-STARS与手持扫描仪联合作业对精度的影响。

1 实验过程 1.1 设备的选取与实验流程

本次实验使用的手持扫描仪为HandySCAN700，标称精度为0.02 mm+0.06 mm/m，用它来采集待测物体的点云信息。V-STARS为美国GSI公司生产的V-STARS N系列，标称精度为5 μm+5 μm/m，它的作用是测量定位标点的坐标建立高精度控制场，以研究使用V-STARS控制测量提高手持扫描仪测量精度的可行性。激光跟踪仪为LeicaAT960，标称精度为15 μm+6 μm/m，对于手持扫描仪的测量结果究竟如何，需要有高精度的测量值作为比较基准，激光跟跟踪仪的作用就是提供比较的基准。实验设备如图 1所示，实验流程如图 2所示。

1.2 实验场布设

实验场的布设如图 3所示。

1) 在3 m长的空间内，每隔0.5 m左右布设一个磁性基座，磁性基座底部需用热熔胶固定，保证其在多次测量过程中位置不发生变化。

2) 在磁性基座周围与延伸方向上粘贴黑色圆周定位标点，标点应随机布设，距离20~100 mm之间。不要成组堆放标点(距离＜20 mm)或将标点整齐地排列成一条线(无法进行准确的三角测量)。

3) 使用V-STARS测量定位标点坐标时，基准尺长度为1 099.989 8 mm，摆放在实验场中部、方向与实验场延伸方向平行。

1.3 实验实施

1) 在磁性基座上放置测量靶球，用激光跟踪仪测得靶球球心坐标。

2) 使用手持扫描仪单独作业，先用扫描定位标点模式测量所有定位标点坐标并存储，之后再用扫描表面模式扫描靶球的三维点云信息。

3) 用V-STARS测量得到定位标点坐标导入手持扫描仪的测量软件VXelements中，再扫描得到靶球的三维点云信息。

实验注意事项：

1) 扫描过程中确保扫描仪视野内始终至少有4个可见标点;

2) 扫描仪基准距为30 cm，景深为25 cm，扫描过程中应保持中等扫描距离，以便快速地采集数据;

3) 扫描仪尽量与待测表面垂直，入射角越大，定位模型的精度越高;

4) 对齐摄像头，使两个摄像头能够拍摄到同一束激光线。

1.4 数据处理

对手持扫描仪采集到的点云数据，用polyworks软件拟合得到靶球在7个位置的球心坐标。因为3次测量结果不在同一坐标系下，若是归化到同一坐标系可能会存在坐标系转换误差，故不进行坐标系的统一，而是在各自坐标系内计算出距离与角度再进行比较。激光跟踪仪测量精度较高，作为比较的基准。

2 数据分析

使用激光跟踪仪测得的7个靶球球心P1~P7的坐标如表 1所示。手持扫描仪直接扫描得到7个靶球的三维点云信息，再拟合得到的球心坐标如表 2所示。先用V-STARS建立控制场，再用手持扫描仪扫描拟合得到的球心坐标如表 3所示。

由表 1~表 3中的7点坐标，计算出P1至其余各点的距离，如表 4所示，距离差值折线图如图 4所示。再计算出夹角值，如表 5所示。

由图 4可以看到，手持扫描仪独立作业时距离误差随着测量范围的增大而呈现出线性增大趋势，测量范围在3 m时，距离误差将达到1.2 mm。当先采用V-STARS建立控制场再用手持扫描仪扫描时，距离误差显著下降，在整个测量空间内误差平稳分布，且误差均值控制在0.2 mm以内，与手持扫描仪独立作业时在0.5 m范围内的精度相当。

由表 5可以看到，手持扫描仪独立作业时角度误差较大且没有明显规律，3 m范围内角度误差分布在-368″~258″范围内，最大值达到了6′8″; 采用V-STARS建立控制场再用手持扫描仪扫描时，角度误差下降明显，误差最大值不超过30″。

综上所述，随着测量范围的增大手持扫描仪的角度与距离测量精度都明显下降; 而使用V-STARS建立控制场后再利用手持扫描仪进行扫描，误差可以得到有效控制。

3 结束语

在3 m测量范围内，手持扫描仪独立作业距离测量误差达到1.2 mm，角度测量误差达到6′8″。而使用V-STARS与手持扫描仪联合作业可以使手持扫描仪的距离测量精度提升至0.3 mm以内，角度测量精度提升至30″以内，这对于有着高精度测量需求的项目而言具有重要意义。

本实验测量对象是同一平面呈近似线状排列的7个点，对于其他形状物体的误差情况未做研究; 由于实验器材和场地的限制，对于更大范围内手持扫描仪的测量误差也未做研究。这些都是将来可以进一步研究的方向。