基于線激光傳感器的客車輪廓三維測(cè)量方法

孟慶林，谷森，唐飛揚(yáng)，尤勇，汝長海

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

目前，針對(duì)車體較大的大型客車空間輪廓檢測(cè)是一項(xiàng)較大的難題[1]。人工參與檢測(cè)的穩(wěn)定性差。由于客車尺寸較大，檢測(cè)耗費(fèi)時(shí)間比較長，檢測(cè)效率低[2]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很難適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)需求[3]。相對(duì)于大體積、非接觸式物體測(cè)量，光學(xué)測(cè)量有測(cè)量精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)物體尺寸檢測(cè)做了大量研究。許銘等[5]研究汽車零部件的虛擬裝配技術(shù)，通過虛擬點(diǎn)技術(shù)提高ICP配準(zhǔn)速度和精度，有效地實(shí)現(xiàn)了汽車外形匹配質(zhì)量的檢測(cè)。LIU Xingjan等[6]設(shè)計(jì)了一套基于GPU并行運(yùn)算加速的人體測(cè)量系統(tǒng)，在圖像處理中使用GPU加速計(jì)算，和使用CPU運(yùn)算相比，速度提高了100多倍。

本文提出了基于線激光的客車輪廓測(cè)量方法，研究相機(jī)標(biāo)定、激光標(biāo)定的方法，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本方法可以改善現(xiàn)有測(cè)量方式存在的問題，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 線激光測(cè)量原理

線激光掃描系統(tǒng)主要包括1個(gè)線激光發(fā)生器和1臺(tái)工業(yè)相機(jī)。原理如圖1所示：線激光發(fā)生器投射出一條激光線，在空間形成激光平面，激光平面和物體相交的表面形成一條激光線。該激光線的形狀受到物體表面高度變化影響。同時(shí)工業(yè)相機(jī)拍照捕捉到變形的激光線[7]，并提取激光線像素中心坐標(biāo)，然后根據(jù)三角測(cè)量原理即可獲得待測(cè)點(diǎn)三維位置坐標(biāo)。

圖1 線激光測(cè)量原理圖

假設(shè)Oc-xcyczc為相機(jī)坐標(biāo)系，Ou-uv為圖像坐標(biāo)系，Ow-xwywzw為世界坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系下點(diǎn)P的坐標(biāo)為Pw(xw,yw,zw,1)，激光線中心坐標(biāo)Pc(xc,yc,zc,1)，該點(diǎn)相機(jī)像素坐標(biāo)為Pu(u,v,1)。相機(jī)坐標(biāo)系三維點(diǎn)坐標(biāo)和相機(jī)像素坐標(biāo)之間關(guān)系如式1所示:

(1)

式中A為相機(jī)的內(nèi)參矩陣。

2 系統(tǒng)標(biāo)定

保證三維測(cè)量精度的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確標(biāo)定相機(jī)和線激光、運(yùn)動(dòng)軸之間的旋轉(zhuǎn)平移矩陣參數(shù)。本文根據(jù)張正友平面標(biāo)定法[8]提出一種基于平面靶標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)標(biāo)定算法。

2.1 激光平面標(biāo)定

激光平面標(biāo)定原理如圖2所示，標(biāo)定時(shí)將線激光投射到標(biāo)定板上，根據(jù)張正友平面標(biāo)定法可以確定標(biāo)定板平面的世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。

圖2 激光標(biāo)定原理圖

激光平面方程在相機(jī)坐標(biāo)系下的表示形式為：

ALx+BLy+CLz+DL=0 (C≠0)

(2)

假設(shè)標(biāo)定板平面所在的世界坐標(biāo)為Z=0，相機(jī)坐標(biāo)系中，向量N和標(biāo)定板法向量平行，且‖N‖等于相機(jī)到標(biāo)定板平面的距離。則標(biāo)定板平面可以用法向量N(x，y，z)表示[9]:

(3)

式中:R3為旋轉(zhuǎn)矩陣的第3列；t為平移向量，也是世界坐標(biāo)系中相機(jī)的坐標(biāo)。

已知標(biāo)定板平面法向量N和平移向量t，得相機(jī)坐標(biāo)系下標(biāo)定板平面方程：

A1x+B1y+C1z+D1=0 (C≠0)

(4)

標(biāo)定上激光中心坐標(biāo)均位于標(biāo)定板平面，結(jié)合式(1)，可以求解激光中心線在相機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)Pc。移動(dòng)標(biāo)定板位置，重復(fù)采集圖像，兩條或兩條以上激光線可以擬合相機(jī)坐標(biāo)系下激光平面方程。

2.2 運(yùn)動(dòng)軸標(biāo)定

標(biāo)定過激光平面后，還需要標(biāo)定相機(jī)和運(yùn)動(dòng)軸。運(yùn)動(dòng)軸標(biāo)定原理圖如圖3所示，將標(biāo)定板置于相機(jī)視野范圍，運(yùn)動(dòng)軸每移動(dòng)固定距離d拍攝1張圖片。

圖3 運(yùn)動(dòng)軸標(biāo)定原理圖

每次標(biāo)定板平面外參為R和T，相機(jī)坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸分量分別移動(dòng)Δx、Δy、Δz。單位距離相機(jī)和運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)增量為Dx、Dy、Dz，則

(5)

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和測(cè)試

根據(jù)本文提出的方法，搭建完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件包括：大恒水星相機(jī)、單線激光器、運(yùn)動(dòng)模組、大連榕樹光柵尺等組成。為提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)精度，本實(shí)驗(yàn)使用光柵尺獲取精確位置并觸發(fā)相機(jī)采集圖像。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.1 精度分析

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)精度采用的陶瓷球規(guī)儀如圖5所示，球規(guī)儀標(biāo)準(zhǔn)值來自國家高新技術(shù)計(jì)量站校準(zhǔn)報(bào)告。使用該標(biāo)準(zhǔn)值和本實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該車體輪廓測(cè)量系統(tǒng)精度。

圖5 陶瓷球規(guī)儀

將球規(guī)儀擺放到不同位置，利用本實(shí)驗(yàn)設(shè)備采集球規(guī)儀點(diǎn)云圖，分別計(jì)算A球、B球和球間距。實(shí)驗(yàn)共測(cè)試10組，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，測(cè)量最大誤差為0.549 5 mm，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差<0.32 mm。可以滿足客車輪廓測(cè)量的精度要求。

圖6 線激光相機(jī)測(cè)量誤差圖

3.2 客車模型測(cè)量

將車體置于檢測(cè)平臺(tái)，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)客車車體進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)采集的客車部分點(diǎn)云如圖7所示，最后根據(jù)點(diǎn)云圖檢測(cè)車輛位置和外形尺寸。

圖7 客車點(diǎn)云圖

4 結(jié)語

根據(jù)客車實(shí)際生產(chǎn)和裝配過程中尺寸等形位公差測(cè)量要求，基于本文提出的方法設(shè)計(jì)的客車輪廓測(cè)量系統(tǒng)，可以有效地提高客車測(cè)量的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量精度可以達(dá)到±0.6 mm，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)時(shí)車身輪廓測(cè)量精度要求。