應(yīng)用于地鐵限界的激光測(cè)量系統(tǒng)的工藝研究

楊曉云，李　麗，李吉彬

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210032)

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應(yīng)用于地鐵限界的激光測(cè)量系統(tǒng)的工藝研究

楊曉云，李麗，李吉彬

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210032)

摘要：隨著軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)軌道車輛的制造要求也越來越高，對(duì)車體空間尺寸自動(dòng)化檢測(cè)的需求日益急迫，要求能夠?qū)崟r(shí)顯示車體空間尺寸，檢測(cè)車體是否超過限界。研究了利用基于線激光的視覺測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)車體空間尺寸及車體尺寸限界的檢測(cè)，以及上述測(cè)量方法中的關(guān)鍵技術(shù)——激光中心提取。對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試表明，該測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量精度高，系統(tǒng)響應(yīng)快，完全滿足限界試驗(yàn)的要求。該測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)成功，對(duì)于提高車體制造水平有很大幫助，且在未來項(xiàng)目中，對(duì)車體大部件及整車生產(chǎn)的實(shí)施監(jiān)控有重要意義。

關(guān)鍵詞：車輛限界；機(jī)器視覺；線激光測(cè)量

對(duì)地鐵車體限界進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，有助于車體焊接前后尺寸數(shù)據(jù)的采集，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而通過改善工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)對(duì)于軌道車輛車體空間尺寸自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究仍處于起步階段，對(duì)于檢測(cè)裝備運(yùn)行模式也仍然處于探索階段。研究車體空間尺寸自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，建立項(xiàng)目生產(chǎn)過程中車體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于提升車體制造水平有很大幫助，對(duì)車體大部件及整車生產(chǎn)的實(shí)施監(jiān)控有重要意義。本文提出了基于線激光技術(shù)的軌道車輛斷面快速自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車體限界的自動(dòng)化檢測(cè)。

1車輛限界概述

限界是指列車沿固定的軌道安全運(yùn)行時(shí)所需要的空間尺寸。限界主要分為車輛限界、設(shè)備限界、建筑限界和受電弓限界等。車輛限界是車輛在正常狀態(tài)下形成的最大動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，即計(jì)算車輛(不論是空車或重車)在平直線的軌道上按規(guī)定速度運(yùn)行，計(jì)及了規(guī)定的測(cè)量和軌道的公差值、磨耗量、彈性變形量以及車輛的振動(dòng)等正常狀態(tài)下運(yùn)行的各種限定因素，而產(chǎn)生的車輛各部位橫向和豎向動(dòng)態(tài)偏移后的統(tǒng)計(jì)軌跡，并以基準(zhǔn)坐標(biāo)系表示的界限[1]。城市軌道交通車輛限界制定是限界標(biāo)準(zhǔn)編制工作中最基本關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。只有在準(zhǔn)確科學(xué)的車輛限界計(jì)算基礎(chǔ)上, 才能合理確定設(shè)備限界和建筑限界, 形成完整的城市軌道交通限界標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2系統(tǒng)原理

2.1系統(tǒng)方案

地鐵車輛限界系統(tǒng)方案如圖1所示。裝置安裝在原限位檢測(cè)的工裝上，在龍門內(nèi)側(cè)安裝若干套(初步確定為4個(gè))單目線激光三維測(cè)量單元，將每個(gè)測(cè)量單元的線激光器精確調(diào)整在位于車體的同一個(gè)截平面內(nèi)，形成一個(gè)激光投影平面，并保證激光投影平面與車體縱向中心線垂直；然后根據(jù)三角測(cè)量原理和預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)內(nèi)外部參數(shù)，即可計(jì)算得到車體斷面的精確三維輪廓尺寸，形成一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)單元[3]；通過對(duì)比原始限位數(shù)據(jù)，得到是否超出限界的檢測(cè)結(jié)果，并在軟件界面上顯示。

圖1　地鐵車輛限界系統(tǒng)方案示意圖

2.2單元技術(shù)

上述整體測(cè)量方案中的關(guān)鍵在于單目線激光三維測(cè)量單元。本項(xiàng)目計(jì)劃采用的測(cè)量單元為單目線激光三維測(cè)量單元(見圖2)，每個(gè)測(cè)量單元由1個(gè)線激光器和1個(gè)高精度工業(yè)相機(jī)組成。

圖2　單目線激光三維測(cè)量單元示意圖

單目線激光三維測(cè)量原理如圖3所示。以CCD攝像機(jī)鏡頭中心點(diǎn)O為系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立系統(tǒng)坐標(biāo)系OXYZ，以透鏡中心點(diǎn)O和激光器中心的連線建立X軸；同時(shí)，CCD攝像機(jī)的坐標(biāo)系OXcYcZc也以透鏡中心點(diǎn)O為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，Y軸和Yc軸同向。假設(shè)激光器發(fā)出一束激光照亮空間物體某一點(diǎn)P，其坐標(biāo)值在系統(tǒng)坐標(biāo)系OXYZ中為(x,y,z)，物點(diǎn)P成像于CCD攝像機(jī)光敏面(m,n) 上[4]。使用針孔攝像機(jī)模型可得到物點(diǎn)P的坐標(biāo)值：

(1)

式中,(m,n) 為物點(diǎn)在光敏面上的像素坐標(biāo)；L為視覺系統(tǒng)的間距；f0為CCD攝像機(jī)透鏡的有效焦距。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)通過系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定確定后，可通過式1求得物點(diǎn)P的坐標(biāo)值(x,y,z)。

圖3　單目線激光三維測(cè)量原理

2.3關(guān)鍵技術(shù)

基于線結(jié)構(gòu)光的視覺測(cè)量系統(tǒng)，以帶有激光條紋的數(shù)字圖像為信息源，通過適當(dāng)?shù)奶幚頇z測(cè)出激光條紋的中心位置信息，進(jìn)而計(jì)算物體表面的三維信息；因此，獲取激光條紋中心的準(zhǔn)確位置信息是結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)中一個(gè)非常重要的任務(wù)。在拍攝圖像時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)光源復(fù)雜、CCD內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲和電噪聲、圖像采集卡本身和信號(hào)在電子電路傳輸過程中帶來的隨機(jī)噪聲，以及被測(cè)面的不同的顏色、表面粗糙度和材質(zhì)所體現(xiàn)出的漫反射性能的差異，給提取激光條紋中心帶來了困難。為了保證激光條紋中心提取的精度，本文提出一種結(jié)合梯度銳化和重心法的光條中心提取法。

由于圖像的局部邊緣定義為2個(gè)強(qiáng)度明顯不同的區(qū)域之間的過渡，圖像的梯度函數(shù)即圖像灰度變化的速率將在這些過渡邊界上存在最大值；因此，通過基于梯度算子或一階導(dǎo)數(shù)的檢測(cè)器來估計(jì)圖像灰度變化的梯度方向，增強(qiáng)圖像的這些變化區(qū)域，然后對(duì)該梯度進(jìn)行閾值運(yùn)算，如果梯度值大于給定門限值，則存在邊緣。

(2)

梯度有2個(gè)重要的性質(zhì)：1) 梯度的方向在函數(shù)f(x,y)最大變化率方向上；2) 梯度的幅值用G[f(x,y)]表示。其值為：

(3)

所有基于梯度的邊緣檢測(cè)器之間的根本區(qū)別是算子應(yīng)用的方向，以及在這些方向上逼近圖像一維導(dǎo)數(shù)的方式和將這些近似值合成為梯度幅值的方式。

對(duì)于離散的數(shù)字圖像，可將圖像的一階差分直接替代圖像函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，上式改寫為：

(4)

為了計(jì)算方便，也可以采用下述近似計(jì)算公式：

|f(x,y)-f(x+1,y)|+|f(x,y)-f(x,y+1)|

(5)

通常，也可以近似為如下2種形式：

(6)

|f(x,y)-f(x+1,y+1)|+|f(x+1,y)-f(x,y+1)|

(7)

式6和式7稱為羅伯特(Roberts)梯度，本文采用該梯度算子。

梯度銳化采用梯度值G[f(x,y)]來表示圖像，即令g(x,y)=G[f(x,y)]，則由上述公式可見，在圖像中光強(qiáng)變化緩慢的地方梯度值較小，對(duì)應(yīng)的圖像較暗；而在激光條紋的輪廓處，光強(qiáng)變化快，梯度值較大，對(duì)應(yīng)的圖像較亮。

測(cè)量過程拍攝的包含有激光條紋的圖像，在經(jīng)過梯度銳化后，圖像中的背景和一些大面積的反光由于圖像灰度變化緩慢得到的圖像很暗，而激光條紋邊緣光強(qiáng)變化很快，會(huì)形成很亮的邊緣，這樣利用閾值變換就可以將激光條紋的邊緣準(zhǔn)確提取出來，進(jìn)而利用激光條紋的邊緣得到光條的近似中心線，在該中心線的左、右各T(T=20，經(jīng)驗(yàn)值)個(gè)像素內(nèi)，利用重心法即可求取光條的準(zhǔn)確中心線。具體過程如下：1) 梯度銳化，提取激光條紋的邊緣；2) 閾值變換，將圖像二值化；3) 計(jì)算光條的近似中心線；4) 利用重心法求取激光條紋的中心。

采用本算法提取的光條中心結(jié)果如圖 4 所示。

圖4　本項(xiàng)目算法提取的光條中心結(jié)果

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了進(jìn)行工藝研究，盡可能模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了可行性試驗(yàn)。利用高精度垂直運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)激光器與高精度CCD相機(jī)的測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行平移，模擬車體和檢測(cè)龍門之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。模擬測(cè)試示意圖如圖5所示。

圖5　模擬測(cè)試示意圖

將每個(gè)測(cè)量單元的線激光器精確調(diào)整在一個(gè)與車體縱向中心線垂直的截面內(nèi)，形成一個(gè)激光投影平面，由計(jì)算機(jī)控制的高精度CCD相機(jī)對(duì)包括激光切面在內(nèi)的車體部分進(jìn)行同步拍攝；然后根據(jù)三角測(cè)量原理和預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)內(nèi)外部參數(shù)，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)地計(jì)算出車體斷面的精確三維輪廓尺寸。隨著車輛在軌道上運(yùn)動(dòng)，逐個(gè)截面地測(cè)量出整個(gè)車輛的輪廓尺寸。

試驗(yàn)計(jì)算機(jī)程序是基于WindowsMFC框架編寫的，其界面截圖如圖6所示。軟件具有導(dǎo)入編輯斷面標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、相機(jī)標(biāo)定、實(shí)時(shí)車體斷面測(cè)量、比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并報(bào)警、保存測(cè)量數(shù)據(jù)以及任意測(cè)量點(diǎn)距離測(cè)量等功能。軟件運(yùn)行時(shí)，測(cè)量截面數(shù)據(jù)，若超過限界范圍，點(diǎn)變?yōu)榧t色，并伴有聲音提示。

圖6　軟件界面截圖

試驗(yàn)平臺(tái)CCD采用大恒MER-125-30UM(SONY1/3inchCCD)工業(yè)相機(jī)，垂直運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為定制。

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1越界試驗(yàn)

試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，將紙箱置于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，模擬列車通過檢測(cè)門。當(dāng)只有紙箱時(shí)，程序正常顯示，并輸出正確的測(cè)量結(jié)果(見圖7)。試驗(yàn)時(shí)，將異物分別放置在紙箱的正面和側(cè)面，軟件正確測(cè)試出異物的大小和位置，并將越界數(shù)據(jù)標(biāo)紅，實(shí)現(xiàn)報(bào)警(見圖8和圖9)。

圖7　限界測(cè)試環(huán)境及結(jié)果

圖8　側(cè)面越界測(cè)試環(huán)境及結(jié)果

圖9　正面越界測(cè)試環(huán)境及結(jié)果

4.2物體表面測(cè)試

以其他物體為例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試對(duì)復(fù)雜平面和不同材質(zhì)平面測(cè)量的適應(yīng)程度。測(cè)試掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖10和圖11 所示。結(jié)果顯示，測(cè)量細(xì)節(jié)完好，相機(jī)之間拼合完好，整體輪廓清晰。

圖10　人體掃描結(jié)果 　　　圖11　紙箱掃描結(jié)果

5結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的地鐵限界系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量精度高，系統(tǒng)響應(yīng)快，完全滿足限界試驗(yàn)的要求，軟件界面友好且易于操作，具備地鐵車輛限界檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、傳輸、打印以及快速給出相應(yīng)檢測(cè)結(jié)果等功能。系統(tǒng)在大范圍視場(chǎng)下的標(biāo)定和激光中心條紋提取抗干擾方面仍有一定不足，但已經(jīng)找到了解決方案，這將使系統(tǒng)更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,北京城建設(shè)計(jì)研究總院.CJJ96—2003地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中華人民共和國(guó)建設(shè)部,2003.

[2] 劉永中.地鐵設(shè)備限界的檢測(cè)方法[J].隧道建設(shè)，2005(4):71-72.

[3] 楊鳳春,吳旺青,于國(guó)丞.激光掃描在軌道限界檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2007(2): 31-32.

[4] 張廣軍.機(jī)器視覺[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

責(zé)任編輯馬彤

Technical Study of Laser Measurement System Applied to the Subway Limit

YANG Xiaoyun, LI Li, LI Jibin

(Nanjing SR Puzhen Rail Transport Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Abstract：With the rapid development of rail transit industry, there is more of a requirement to the manufacturing of railway vehicles and the automatic inspection for the space size of railway vehicle body. The demand mainly reflects in real-time display of railway vehicle body space size and detecting the railway vehicle body is more than a limit or not. In this article, by the use of optical measurement method based on line laser, we achieve the space size detection and limitation of railway vehicle body. We also study the key technology of the above measuring method: the extraction of the laser stripe center. By the simulation test, the measuring system is found to be stable, accurate, and fast response. It fully meets the requirement of limit test and is of a great help to improve the level of railway vehicle body manufacturing. And in the future projects, it is of great significance for the implementation of railway vehicle body production monitoring.

Key words:vehicle limit, machine vision, laser measurement

收稿日期：2014-03-14

作者簡(jiǎn)介：楊曉云(1985-)，女，工程師，主要從事車輛制造等方面的研究工作。

中圖分類號(hào)：TN 209

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A