基于線激光傳感器旋轉掃描的空間高精度三維測量方法

隋顯庭，王燕生，趙佳佳，梁連杰

(南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 210000)

近年來，產業需求的強力推動使傳感器、計算機和機電控制等相關技術基礎逐步成熟，鐵路、高鐵和地鐵在國家交通運輸中大規模使用，大型車體制造業，特別是對于大型車廂，制造需求量日益增加。而對于大型車體內部空間尺寸的檢測問題成為一個亟待解決的技術難題[1-2]。目前國內對于車體尺寸和幾何量的測量主要是使用限界規的方法，這種檢測方法存在浪費空間、安裝過程復雜、效率低下、測量精度難以保證以及無法實現自動化等問題[3]。

針對車體等大空間的三維測量，光學測量已經成為一項高新技術[4]，并廣泛應用于其他工業生產檢測。楊曉云[5]等提出將4組線激光測量單元固定于龍門上，通過調整激光使得4組激光平面處于同一車體截面，利用相機獲得的激光條紋圖像，計算出車體單個截面三維輪廓尺寸的方法。羅春龍等[6]利用激光全站儀對車體上多個點位進行測量，并將多個測量站的數據擬合到同一坐標系中實現車體多點位數據測量。本文提出了基于線激光傳感器旋轉掃描的空間高精度三維測量方法。該方法具有結構簡單、非接觸測量、測量迅速、測量精度高以及自動化程度高等優點，可以有效解決現有測量方法所存在的問題，對于生產效率和產品品質的提高具有實際意義。

1 測量系統的結構及測量原理

線激光傳感器旋轉掃描系統示意圖如圖1所示。測量系統主要由線激光傳感器、圓形光柵編碼器和精密步進電動機等組成。線激光傳感器安裝在旋轉臂上，可旋轉360°，以便測量完整的環形空間。圓形光柵編碼器安裝在旋轉軸上，給線激光傳感器提供精確的旋轉角度值。

圖1 線激光傳感器旋轉掃描系統示意圖

測量時，由上位機對控制器發送消息，使線激光傳感器和光柵編碼器處于預備狀態，控制步進電動機以固定的速度勻速轉動。每轉動0.08°，光柵編碼器給線激光傳感器發送脈沖信號，觸發傳感器獲取當前位置激光線的二維數據。通過編碼器精確的角度值與線激光傳感器測量結果，將極坐標轉換成直角坐標，即可計算出當前激光線三維點云坐標。這樣，旋轉臂轉動1周就能夠得到空間完整的帶狀三維點云數據。

2 數學模型的建立

2.1 線激光傳感器測量模型

線激光傳感器測量原理如圖2所示，線激光發射器將一束激光線投射到被測物體表面，由CCD相機拍攝到物體表面的激光條紋，并提取激光條紋中心。在圖像中激光條紋上任取一點p(u,v)，根據相機小孔成像模型[7]，p點和相機光心Oc可以確定一條空間直線，公式如下：

(1)

ax+by+cz+d=0

(2)

根據式1和式2，即可求解出空間三維點P的坐標。因此，利用線激光每測量一次，即可獲得物體表面上激光條紋所在位置的三維數據；通過旋轉掃描多次，并將多次測得的數據進行拼合，即可獲得被測物體表面的三維數據。

圖2 線激光傳感器測量原理

2.2 坐標系統一模型

(3)

式中，[na]x為na引導的反對稱矩陣。因此，當旋轉臂帶動線激光傳感器旋轉1周后，即可獲得被測空間的三維數據。

圖3 坐標系轉換示意圖

3 實驗與分析

3.1 實驗平臺搭建與測量結果

圖4 實驗系統樣機

開發的線激光旋轉掃描系統樣機如圖4所示，硬件主要包括：1個單目線激光傳感器、1個精密電動機(配減速機)、1個圓形光柵編碼器、1套齒輪齒條、2個限位開關、1套運動控制板卡、3個升降電動機、1套機架結構和1臺計算機。線激光傳感器獲取三維點云數據，光柵編碼器獲取每個測量位置精確的角度值，限位開關配合齒輪齒條用于防止多圈旋轉繞線，升降電動機能夠升降機架。測量時平穩放置，移動時輪子著地。整套設備只需要1根外界電源線與外界相連接。

測量時，將測量設備搬運至車體內。首先，調整好線激光旋轉掃描系統位置，使其處于車體空間的中央；然后，啟動測量系統，電動機帶動線激光傳感器旋轉1周，進行車體內部空間三維點云數據的采集，并將數據實時顯示在軟件界面上；最后，結束測量并保存測量數據。車體內部空間測量數據圖如圖5所示。

圖5 車體測量數據圖

3.2 精度分析

為了驗證線激光旋轉掃描系統的測量精度，先利用權威的三坐標測量機測量出球規的參數作為標準值；然后將線激光旋轉掃描系統測量的球規參數值與標準值進行對比，來驗證線激光旋轉掃描系統的掃描精度。

球規(見圖6)是利用鋁合金基板來固定2個漫反射陶瓷標準球的標準器件。該球規的表征參數有標準球A直徑、標準球B直徑及球心距。球規的標準參數是通過型號為GLOBAL Classic SR07.10.07的三坐標測量機在溫度為26 ℃條件下的測量值來表示。

圖6 球規

利用線激光旋轉掃描系統對上述經過三坐標測量的球規進行測量，將球規在線激光旋轉掃描系統測量范圍內擺放在10個不同的位置，獲取標準球的表面數據。對線激光旋轉掃描系統的三維數據進行處理，獲取球規的參數，并與標準值進行對比，結果見表1。由表1可知，系統的最大測量偏差控制在0.66 mm，標準差在0.32 mm以內，證明了所提系統測量方法滿足大空間三維檢測需求。

表1 標準球測量結果 (mm)

4 結語

本文提出了一種基于線激光傳感器的高精度快速測量方法，能夠快速精確獲取大尺寸空間三維數據。文中詳細介紹了測量系統的組成及測量原理，建立了線激光傳感器的數學模型及測量坐標系統一模型，同時對設計的測量系統進行了精度驗證。結果表明，所設計的測量系統測量精度高、測量速度快，滿足大尺寸車體內部空間的三維測量。