基于線結(jié)構(gòu)光的枕簧三維圖像測量系統(tǒng)研究

王永勝，宋鐵民

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 石家莊車輛段，河北 石家莊 050222)

目前，車輛段檢測貨車枕簧高度以接觸式檢測為主，如圖1所示。接觸式檢測機(jī)測量枕簧高度存在檢測質(zhì)量穩(wěn)定性差、準(zhǔn)確性難以控制、檢修作業(yè)效率低的缺點(diǎn)，造成枕簧高度選配尺寸不夠精確。

圖1 接觸式枕簧檢測機(jī)

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于線結(jié)構(gòu)光的枕簧三維圖像測量系統(tǒng)，對檢測輸送線上的枕簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行空間變換與圖像處理，得到枕簧三維輪廓信息，完成枕簧自由高度值的測量。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)檢測效率與檢測精度高，適用于多種類型的枕簧自由高度測量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

線結(jié)構(gòu)光圖像測量技術(shù)是一種非接觸式光學(xué)三維空間測量方法，測量原理如圖2所示，使用激光源投射條狀光束到被測物體表面，相機(jī)面陣感光元件從其他方向接收到物體表面的散射光，依據(jù)系統(tǒng)光路的幾何參數(shù)和感光原件的像點(diǎn)偏移量的標(biāo)定結(jié)果，運(yùn)用結(jié)構(gòu)光三角測量法[1]可以得到被測物體表面輪廓信息。

圖2 線結(jié)構(gòu)光圖像測量原理示意圖

本文開發(fā)的采集裝置使用激光源與面陣相機(jī)組合固定在高精度伺服電缸平臺上，如圖3所示，根據(jù)相機(jī)成像參數(shù)和結(jié)構(gòu)光源投射光線分布特點(diǎn)，設(shè)置激光源與面陣相機(jī)組合的相對位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)相機(jī)對被測枕簧表面輪廓數(shù)據(jù)的最優(yōu)采集。基于Visual Studio開發(fā)平臺、OpenCV視覺類庫和PCL點(diǎn)云庫完成測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。測量過程中，枕簧輸送線將待測枕簧送至指定檢測位置后停止，空間標(biāo)定[2]后的激光源與面陣相機(jī)組合通過電缸平臺平動(dòng)掃描枕簧外表面，獲得其結(jié)構(gòu)光線條紋數(shù)據(jù)。然后結(jié)合裝置空間標(biāo)定信息應(yīng)用圖像處理技術(shù)[3-4]得到枕簧三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而求得待測枕簧的自由高度，主要流程如圖4所示。

圖3 枕簧圖像檢測裝置

圖4 測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)流程

2 系統(tǒng)試驗(yàn)

按照鐵路貨車枕簧檢測檢修相關(guān)文件規(guī)定，對枕簧三維圖像測量系統(tǒng)從檢測精度、穩(wěn)定性和適應(yīng)性3個(gè)角度進(jìn)行測試。

2.1 檢測精度和穩(wěn)定性分析

采用測量系統(tǒng)(以下稱“本文方法”)和彈簧自由高測量尺(以下稱“人工測量”)2種檢測方式分別對不同批次的2組(每組10個(gè))轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架枕簧進(jìn)行自由高度測量，測量結(jié)果如表1所示。

由表1可知，轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架枕簧自由高度測量值變化范圍為0～0.19 mm，平均差值為0.093 mm，測量結(jié)果精確度較高。測量標(biāo)準(zhǔn)差為0.054 mm，表明差值波動(dòng)范圍小，測量結(jié)果穩(wěn)定性好。

2.2 適應(yīng)性分析

使用本文開發(fā)的圖像測量系統(tǒng)分別對轉(zhuǎn)K2型、轉(zhuǎn)K4型、轉(zhuǎn)K5型和轉(zhuǎn)K6型枕簧套組(共計(jì)17種)進(jìn)行自由高度測量，各類型枕簧自由高度測量值變化范圍均不大于0.2 mm，因此，研發(fā)的測量系統(tǒng)適用于各型枕簧自由高度測量。

3 結(jié)束語

本文研制的基于線結(jié)構(gòu)光的枕簧三維圖像測量系統(tǒng)使用激光源與面陣相機(jī)組合動(dòng)態(tài)采集被測枕簧表面線結(jié)構(gòu)光圖像，通過空間變換與圖像處理完成枕簧點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重建，從而得到枕簧自由高度值。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該測量方法有較高的檢測精度，同時(shí)穩(wěn)定性和適用性較強(qiáng)，對提高枕簧檢修的技術(shù)水平和工作效率具有重要意義。