損傷車體表面重建及噴槍位姿規劃研究

李榮華,王振宇,溫帥方,李金明

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0　引言

隨著世界經濟的不斷發展，汽車的使用越來越普及，交通事故的發生頻率越來越高.交通事故中，車體表面的損傷是最普遍的問題，它不僅影響汽車的美觀，更影響汽車的安全.汽車噴涂是解決這一問題的常見辦法，通常情況下，各汽車維修公司都通過人工操作來進行汽車表面噴涂，但噴涂作業時，會對人體造成危害[1]，且人工噴涂難以保證效果優良.另外，現代社會的人力成本越來越高，汽車噴涂行業的成本也隨之提高.因此，急需一種可以針對不同車型、不同部位進行自動識別車體噴漆系統替代噴涂工人進行作業.這一系統不僅可以減少噴涂工人的人身危害，也能在提升噴涂效果的前提下，有效降低噴涂成本.

在自動化噴涂作業中，機械手的導引是其中的難點和關鍵點，噴涂過程中不僅要求機械手引導噴槍均勻的移動，更要滿足噴槍噴射方向始終垂直于被噴車體表面.視覺導引[2]是解決這一問題的有效方式，本文通過線掃描傳感器獲取目標車體的三維點云信息[3]對目標車體進行三維重建[4]，并對點云進行處理找到各點對應法向量，以此引導機械手來規劃噴槍的合理位姿[5].本測量系統對汽車的型號和損傷部位均無要求，有較好的應用價值.

汽車噴涂是由來已久的問題，針對此問題很多學者進行了大量研究.吳月琴[6]提出了一種汽車輪轂的自動噴漆系統，其采用了鏈傳動、滾珠滑軌和多個噴槍進行實現.許偉偉[7]闡述了一種“無塵干磨”的新式噴涂方式，但其操作仍需人工手動進行.付文龍[8]用靜電噴槍在某汽車生產線上進行了實現，這一方法能夠減少油漆損耗，提高效率，但仍需手工操作.綜上所述，針對不用車型、不同部位進行自動化噴漆仍然是待解決的難題，本文針對這一問題，提出了基于線掃描傳感器的損傷車體表面重建系統及噴槍位姿規劃方法，通過視覺導引的方法為噴涂機械手提供位姿規劃.

1　損傷車體表面重建系統

損傷車體的表面點云信息重建是實現噴槍位姿規劃的基礎和前提.本文基于大恒公司的Gocator2350A- 3B- 00型體式掃描型傳感器，建立損傷車體表面重建系統.

1.1　系統組成

系統由以下模塊組成：

(1)TH20單軸滑臺一臺，用于承載掃描傳感器在其上移動，實現目標車體點云掃描；

(2)750 W伺服電機一臺，配套15 A驅動器一臺，用于驅動滑軌上的傳感器運動；

(3)大恒Gocator2350A- 3B- 00型傳感器一臺，為系統的核心部件，通過其結構光線掃描的方式對車體表面進行三維點云恢復；

(4)光電編碼器一臺，用于對滑軌上傳感器在世界坐標系下的實時位置進行控制，從而實現坐標系之間的轉換；

(5)計算機一臺，用于對整套系統進行軟件控制.

1.2　車體表面點云信息重建

該系統基于Gocator掃描型傳感器通過結構光線掃描的方式獲取目標車體點云，首先建立坐標系如圖1所示.

圖1　坐標系的建立

其中，O-XYZ為傳感器坐標系，Ow-XwYwZw為世界坐標系，測量時，通過光電編碼器能夠確定傳感器在世界坐標系下的位置，傳感器會測出目標車體的表面點云數據.將點云數據換算到世界坐標系下的點云后，即可恢復車體表面三維點云信息.圖2為被測目標車體，圖3為該車體恢復的三維點云信息.

圖2　被測車體

圖3　被測車體點云數據

2　車體修復噴槍位姿規劃方法

2.1　噴槍位姿規劃理論

噴槍在運動時，其軌跡沿著直線行走即可，但其滿足噴槍與車體表面被噴點實時垂直的要求是自動化噴漆的核心問題，因此，這一問題的根源是從三維點云中找到被噴點的法向量[9].

依靠深度相機、光編碼技術及結構光原理測量出目標(車體表面)到傳感器或噴槍頭的深度距離，結合光線發射角度解算出車體表面有限個均勻的點集的三維坐標，即利用密集的三維點云集合來近似車體表面形貌，那么可以認為傳感器所發射的紅外線面陣越密集，模擬的表面形貌效果越好[10].初步假設深度相機分辨率為(640×480)滿足技術要求.

通過線掃描激光傳感器得到車體點云數據，即每個點的坐標(X,Y,Z)，運用數值分析的方法對曲面進行擬合，可設曲面方程為：

Z=a+b·X+c·Y+d·X·Y+e·X2+f·Y2

(1)

即曲面方程可寫為兩向量相乘的形式：

(2)

圖4　曲面25點示意圖

圖5　曲面相鄰4區域示意圖

由于點云數據量過大，在程序中對點云數據進行了間段取樣，同時每相鄰25個點為一個取樣面，從而將整個點云數據分為許多個小面，對每個曲面進行擬合，如圖4所示，相鄰四個曲面示意圖如圖5所示.

但在曲面擬合過程中，相鄰兩個曲面之間關系斷裂，兩個曲面擬合后在相鄰兩點處發生翹邊現象.由于以上原因，采用重疊間段采樣手段，增加相鄰兩曲面之間的關系，解決相鄰兩點處的翹邊現象.重疊取樣方法如圖6所示，先取出25個點作為第一個曲面進行擬合求出曲面方程，在取第二個曲面時，從第一個曲面的第三列點作為第二個曲面的第一列點，使得內部的一個3×3的曲面間隔取樣.運用此種方法實現了曲面間的聯接，解決的曲面生成時的平整度誤差.

圖6　重疊取樣方法

取每25個點作為一個曲面，可設

B25*1=A25*6·S6*1

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

(7)

根據上述求得的6大參數信息：

(8)

2.2　噴槍位姿規劃效果

由于車體表面在測量過程中，會因為外界光線干擾以及采集過程中產生的噪聲等，產生噪點.需要將目標車體點云進行初步點云數據處理，去除非車體上的噪點以及離群點，方便后續點云數據處理.去除噪點后車體點云數據如圖7所示.

圖7　去除噪點后的車體

傳感器掃描得到的點云為致密點云，處理耗時較長，效率低下.同時，由于受到噴槍最小噴涂直徑以及其他因素影響，整個噴涂過程所能保證的噴涂精度有限，故無需全部精確取點.因此可將點云數據進行稀疏處理，降樣本后，取出取樣面的中心點，從而提高點云處理效率，同時能保證最大噴涂精度.點云數據稀疏后如圖8所示.

圖8　稀疏點云數據

運用前一節詳細介紹的重疊取樣算法，通過逐次重疊取樣25點構造曲面，依次將車體表面點云數據進行分片處理，從而通過構造出各曲面方程，得到各曲面法向量，法向量如圖9所示.

圖9　體點云法向量表示

依據此法向量，可保證噴槍垂直于車身表面，機械手可以驅動噴頭調整其與車體表面之間的角度，從而形成整個噴涂過程.

3　結論

(1)基于線掃描傳感器建立了損傷車體表面重建系統，對車體被測部位的三維點云進行了恢復，為尋找車體表面法向量提供了先驗模型;

(2)基于車體被測表面點云模型，提出車體表面法向量求取方法，通過法向量對噴槍進行了位姿規劃，噴頭與被測部位保持標準垂直狀態.

參考文獻：

[1]彭小龍. 汽車噴涂作業中常見的漆面缺陷及預防措施[J]. 汽車維護與修理,2015(9)：80- 82.

[2]侯震, 許艷玲, 黃色吉,等. 視覺傳感技術在機器人焊接中的應用[J]. 上海交通大學學報，2016(S1)：55- 58.

[3]周富強, 李章, 張廣軍. 基于三維測量掃描線點云的表面重建[J]. 儀器儀表學報,2006, 27(6)：619- 623.

[4]陳輝, 馬世偉, ANDREAS NUECHTER. 基于激光掃描和SFM的非同步點云三維重構方法[J]. 儀器儀表學報， 2016, 17(5)：1148- 1157.

[5]郭闖強, 倪風雷, 劉宏. 多目標位姿約束下空間機器人載體姿態擾動優化[J]. 空間科學學報,2015, 35(2)：230- 236.

[6]吳月琴, 汪惠芬. 汽車輪毅自動噴涂系統的設計[J]. 機械制造與自動化,2015(5)：23- 25.

[7]許偉偉. 汽車修補噴涂新工藝——無塵干磨[J]. 汽車維護與修理，2015(9)：44- 46.

[8]付文龍. 手動靜電噴槍在某汽車噴涂線上的應用[J]. 現代涂料與涂裝， 2015, 18(9)：59- 61.

[9]劉艷菊, 張永德, 楊波. 三維點云法向量的模糊估值算法[J]. 華南理工大學學報(自然科學版)，2013, 41(5)：68- 72.

[10]李國俊, 朱光耀, 李宗春, 等. 利用Voronoi協方差矩陣重建隱式曲面[J]. 中國圖像圖形學報，2016, 21(3)：323- 330.