基于2D激光掃描的基準檢測技術研究

李現坤，曾德標，孟華林，譚紅

(1. 成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610092； 2. 四川省航空智能制造裝備工程技術研究中心，四川 成都 610092)

0 引言

近年來，我國制造業正在向自動化、智能化方向發展。在航空制造領域，基于工業機器人的自動制孔技術憑借其高效率、高質量和高精度等顯著優勢，已成為飛機數字化柔性裝配的重要發展趨勢[1]。在機器人自動制孔過程中，為了得到準確的待加工孔位信息，常在機器人末端執行器上安裝檢測裝置，在加工前對加工基準進行測量，得到加工基準的點位信息，反饋給機器人控制系統從而對待加工孔的位姿進行修正。加工基準檢測是一個非常重要的環節，其檢測的準確性會直接影響整個機器人制孔過程中的位置精度[2-3]。

目前常用的基準檢測方式是采用工業相機，該方式測量精度較低，并且對加工現場環境要求較高，為了保證測量的可靠性，需要配置專門的光源。激光測量技術具有原理簡單、測量速度快、測量精度高的優點[4]，能夠更好地適應加工環境，提高檢測的準確度。本文采用激光掃描的方式對加工基準進行檢測。首先設計了2D線激光測量點云的三維轉換方法，然后提出了一種基于坐標差值的基準孔邊界提取算法，通過引入兩個邊界條件，使該算法能有效地剔除點云中的噪聲點，從而獲得準確的加工基準信息。

1 測量點云的三維擴展

機器人控制系統讀取加工基準信息時只能識別三維信息，而在機器人自動制孔系統中，為了方便標定刀尖點和檢測裝置的位置關系，檢測裝置多為二維檢測，只能得到兩個方向的坐標位置信息。本文采用的線激光掃描儀米銥2950-50(一種二維檢測裝置)，如圖1所示，其z軸方向為激光出射方向，是線激光掃描儀內部原點到檢測點的距離信息；x軸為光條方向，掃描儀內部自動在光條方向按設定分為若干等份(一般取x方向上的兩個間距為0.01mm)，以此確定x坐標的值。為實現基準孔的三維測量，控制機器人帶動掃描儀沿著與xz平面垂直的方向等距離平移，并把該方向作為掃描儀坐標系的y軸，y軸滿足右手坐標系的規定方向。此時掃描儀坐標系是一個動態坐標系，通過設定機器人沿y方向的平移量d，將檢測到的基準邊緣特征信息進行標定，實現檢測信息從二維到三維的擴展。

圖1 二維線激光點云三維擴展示意圖

線激光掃描儀的點云三維擴展分兩步完成，先根據2D線激光掃描儀對基準孔進行測量，從而完成其在xz平面內的特征點提取，然后機器人帶動掃描儀沿y方向平移，實現xy平面內的數據耦合[5-6]。選定機器人移動過程中掃描儀檢測的某一瞬時位置，則掃描儀坐標系下基準孔點云的三維坐標轉換方法如式(1)：

(1)

其中：(x'i,y'i,z'i)為基準孔特征點云在線激光掃描儀坐標系下的三維坐標；(xi,0,zi)為2D線激光掃描儀本身坐標系下的原始檢測值；d為機器人每次沿y方向的平移量，di=i·d為掃描儀第i行時機器人的總平移量；α、β、γ為掃描儀坐標系的方向角；由于線激光掃描儀的局部運動為平移運動，R是一個3×3的單位矩陣。

2 基準孔邊緣特征提取

為了獲得基準孔邊緣點云坐標，需要分析基準孔邊緣特征信息。針對每一條線激光掃描三維點云信息，在x軸方向上點云等距離分布，即xi,2-xi,1=…=xi,n-xi,n-1=Δx=0.01mm，其坐標值不會發生突變。y軸方向點云坐標相等，即yi,2-yi,1=…=yi,n-yi,n-1=Δy=0，坐標值亦不存在突變。只有在線激光掃描儀出射方向z軸上點云坐標值會在基準孔邊緣位置發生突變。為此針對每一行線激光掃描點云，可以通過設置z軸方向上突變閾值提取出基準孔在該行上的邊界點，計算公式為：

|ΔZi,j|=Zi,j-Zi,j-1

(2)

其中：Zi,j表示線激光掃描儀在第i行第j點的z坐標值，|ΔZi,j|表示相鄰2個點z軸方向的坐標差值。為了設定z軸方向的突變閾值，使用線激光掃描儀對基準孔進行掃描，對點云進行三維化處理以后，得出如圖2所示三維點云。圖3為基準孔點云的側視圖。

圖2 基準孔點云三維顯示

圖3 基準孔點云側視圖

由圖3可知在基準孔點云中存在大量的噪聲點，這與被測材料本身材質屬性有關，是在測量過程中線激光遇到空氣中的粉塵、雜質顆粒反光折射造成的。通過對這些三維點云側視圖進行分析可知，除了少量噪聲點以外，線激光掃描儀測量點云邊界點在z軸方向上突變點的絕對值均在87.5以上，92以下，故設定判別邊界點的第1個條件：

deltaTh<|ΔZi,j|=|Zi,j-Zi,j-1|

(3)

按照上述選定的邊界條件1，提取上述三維測量點云在x-y坐標系下的點云分布圖，如圖4所示。

圖4 條件1下基準孔邊界提取分布圖

由圖4可以看出，通過邊界提取條件1得出的基準孔邊界點，在孔周圍的噪聲點并沒有完全剔除。這是因為這些噪聲點同樣滿足條件1。為了進一步去除這些噪聲點，獲取更為精確的基準孔邊界點信息，引入邊界提取的第2個條件。在掃描儀掃描點云中，任意選取一行基準孔三維點云，對其分布進行局部放大，如圖5所示。

圖5 基準孔三維噪點局部放大圖

由圖5發現，所有的噪聲點分布相對孤立，并且點云之間在z軸方向上的差值大于平面上正常點云之間的差值，因此設定基準孔邊界提取的第2個條件：

(4)

(5)

當邊界提取條件1下的點云滿足上述提取條件2時，才認定該點為基準孔邊界點。經試驗現場分析，SelectTh的值取0.1，n的大小依據基準孔的孔徑確定，一般取20。加入邊界提取條件2，再次提取三維點云在x-y的坐標系下的點云分布圖，如圖6所示。

圖6 加入條件2后基準孔邊界提取分布圖

對比圖6和圖4擬合結果可以看出，加入邊界提取條件2以后能有效地剔除基準孔周圍的噪聲點，使得計算得到的基準孔邊界點更加準確。

3 結語

本文提出一種基于線激光掃描的機器人自動制孔基準檢測方法，在檢測過程中通過使用機器人帶動掃描儀沿著y軸方向等距離移動，對二維點云進行擴展。在得到基準孔的三維點云后，分析了基準孔點云分布特點，先通過邊界提取條件1得到包含噪聲點的基準孔邊界點，為了去除邊界點中的噪聲點，引入了邊界提取條件2，限定邊界點周圍點云z軸方向差值。通過擬合結果可知，該算法能有效地去除掉基準孔周圍的噪聲點，使得計算得到的基準孔信息更加準確。