基于線激光傳感器的客車輪廓三維測量方法

孟慶林，谷森，唐飛揚，尤勇，汝長海

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

目前，針對車體較大的大型客車空間輪廓檢測是一項較大的難題[1]。人工參與檢測的穩定性差。由于客車尺寸較大，檢測耗費時間比較長，檢測效率低[2]。傳統的檢測方法很難適應現代自動化生產需求[3]。相對于大體積、非接觸式物體測量，光學測量有測量精度高、速度快的優點[4]。

國內外學者針對物體尺寸檢測做了大量研究。許銘等[5]研究汽車零部件的虛擬裝配技術，通過虛擬點技術提高ICP配準速度和精度，有效地實現了汽車外形匹配質量的檢測。LIU Xingjan等[6]設計了一套基于GPU并行運算加速的人體測量系統，在圖像處理中使用GPU加速計算，和使用CPU運算相比，速度提高了100多倍。

本文提出了基于線激光的客車輪廓測量方法，研究相機標定、激光標定的方法，并搭建實驗平臺。實驗驗證本方法可以改善現有測量方式存在的問題，提高生產效率和產品質量。

1 線激光測量原理

線激光掃描系統主要包括1個線激光發生器和1臺工業相機。原理如圖1所示：線激光發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。同時工業相機拍照捕捉到變形的激光線[7]，并提取激光線像素中心坐標，然后根據三角測量原理即可獲得待測點三維位置坐標。

圖1 線激光測量原理圖

假設Oc-xcyczc為相機坐標系，Ou-uv為圖像坐標系，Ow-xwywzw為世界坐標系。世界坐標系下點P的坐標為Pw(xw,yw,zw,1)，激光線中心坐標Pc(xc,yc,zc,1)，該點相機像素坐標為Pu(u,v,1)。相機坐標系三維點坐標和相機像素坐標之間關系如式1所示:

(1)

式中A為相機的內參矩陣。

2 系統標定

保證三維測量精度的關鍵在于準確標定相機和線激光、運動軸之間的旋轉平移矩陣參數。本文根據張正友平面標定法[8]提出一種基于平面靶標的直線運動平臺系統標定算法。

2.1 激光平面標定

激光平面標定原理如圖2所示，標定時將線激光投射到標定板上，根據張正友平面標定法可以確定標定板平面的世界坐標系和相機坐標系的旋轉矩陣R和平移向量T。

圖2 激光標定原理圖

激光平面方程在相機坐標系下的表示形式為：

ALx+BLy+CLz+DL=0 (C≠0)

(2)

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

(3)

式中:R3為旋轉矩陣的第3列；t為平移向量，也是世界坐標系中相機的坐標。

已知標定板平面法向量N和平移向量t，得相機坐標系下標定板平面方程：

A1x+B1y+C1z+D1=0 (C≠0)

(4)

標定上激光中心坐標均位于標定板平面，結合式(1)，可以求解激光中心線在相機坐標系下坐標Pc。移動標定板位置，重復采集圖像，兩條或兩條以上激光線可以擬合相機坐標系下激光平面方程。

2.2 運動軸標定

標定過激光平面后，還需要標定相機和運動軸。運動軸標定原理圖如圖3所示，將標定板置于相機視野范圍，運動軸每移動固定距離d拍攝1張圖片。

圖3 運動軸標定原理圖

每次標定板平面外參為R和T，相機坐標系各坐標軸分量分別移動Δx、Δy、Δz。單位距離相機和運動軸的運動增量為Dx、Dy、Dz，則

(5)

3 實驗平臺搭建和測試

根據本文提出的方法，搭建完整的實驗平臺如圖4所示。實驗平臺硬件包括：大恒水星相機、單線激光器、運動模組、大連榕樹光柵尺等組成。為提高實驗平臺精度，本實驗使用光柵尺獲取精確位置并觸發相機采集圖像。

圖4 實驗裝置圖

3.1 精度分析

驗證實驗精度采用的陶瓷球規儀如圖5所示，球規儀標準值來自國家高新技術計量站校準報告。使用該標準值和本實驗設備測量值進行對比，驗證該車體輪廓測量系統精度。

圖5 陶瓷球規儀

將球規儀擺放到不同位置，利用本實驗設備采集球規儀點云圖，分別計算A球、B球和球間距。實驗共測試10組，測試結果如圖6所示，測量最大誤差為0.549 5 mm，測量標準差<0.32 mm?？梢詽M足客車輪廓測量的精度要求。

圖6 線激光相機測量誤差圖

3.2 客車模型測量

將車體置于檢測平臺，啟動測量系統，對客車車體進行測量，實驗采集的客車部分點云如圖7所示，最后根據點云圖檢測車輛位置和外形尺寸。

圖7 客車點云圖

4 結語

根據客車實際生產和裝配過程中尺寸等形位公差測量要求，基于本文提出的方法設計的客車輪廓測量系統，可以有效地提高客車測量的精度。實驗結果表明：該系統測量精度可以達到±0.6 mm，可以滿足實際生產時車身輪廓測量精度要求。