基于線激光傳感器旋轉(zhuǎn)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(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000)

近年來，產(chǎn)業(yè)需求的強(qiáng)力推動(dòng)使傳感器、計(jì)算機(jī)和機(jī)電控制等相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)逐步成熟，鐵路、高鐵和地鐵在國家交通運(yùn)輸中大規(guī)模使用，大型車體制造業(yè)，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(nèi)部空間尺寸的檢測問題成為一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題[1-2]。目前國內(nèi)對于車體尺寸和幾何量的測量主要是使用限界規(guī)的方法，這種檢測方法存在浪費(fèi)空間、安裝過程復(fù)雜、效率低下、測量精度難以保證以及無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等問題[3]。

針對車體等大空間的三維測量，光學(xué)測量已經(jīng)成為一項(xiàng)高新技術(shù)[4]，并廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)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(diào)整激光使得4組激光平面處于同一車體截面，利用相機(jī)獲得的激光條紋圖像，計(jì)算出車體單個(gè)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(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測量，并將多個(gè)測量站的數(shù)據(jù)擬合到同一坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)車體多點(diǎn)位數(shù)據(jù)測量。本文提出了基于線激光傳感器旋轉(zhuǎn)掃描的空間高精度三維測量方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸測量、測量迅速、測量精度高以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決現(xiàn)有測量方法所存在的問題，對于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的提高具有實(shí)際意義。

1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及測量原理

線激光傳感器旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)示意圖如圖1所示。測量系統(tǒng)主要由線激光傳感器、圓形光柵編碼器和精密步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。線激光傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)臂上，可旋轉(zhuǎn)360°，以便測量完整的環(huán)形空間。圓形光柵編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，給線激光傳感器提供精確的旋轉(zhuǎn)角度值。

圖1 線激光傳感器旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)示意圖

測量時(shí)，由上位機(jī)對控制器發(fā)送消息，使線激光傳感器和光柵編碼器處于預(yù)備狀態(tài)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以固定的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)0.08°，光柵編碼器給線激光傳感器發(fā)送脈沖信號(hào)，觸發(fā)傳感器獲取當(dāng)前位置激光線的二維數(shù)據(jù)。通過編碼器精確的角度值與線激光傳感器測量結(jié)果，將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，即可計(jì)算出當(dāng)前激光線三維點(diǎn)云坐標(biāo)。這樣，旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)1周就能夠得到空間完整的帶狀三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 數(shù)學(xué)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(fā)射器將一束激光線投射到被測物體表面，由CCD相機(jī)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(diǎn)p(u,v)，根據(jù)相機(jī)小孔成像模型[7]，p點(diǎn)和相機(jī)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(jù)式1和式2，即可求解出空間三維點(diǎn)P的坐標(biāo)。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(shù)據(jù)；通過旋轉(zhuǎn)掃描多次，并將多次測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，即可獲得被測物體表面的三維數(shù)據(jù)。

圖2 線激光傳感器測量原理

2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)一模型

(3)

式中，[na]x為na引導(dǎo)的反對稱矩陣。因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)線激光傳感器旋轉(zhuǎn)1周后，即可獲得被測空間的三維數(shù)據(jù)。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測量結(jié)果

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)

開發(fā)的線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)樣機(jī)如圖4所示，硬件主要包括：1個(gè)單目線激光傳感器、1個(gè)精密電動(dòng)機(jī)(配減速機(jī))、1個(gè)圓形光柵編碼器、1套齒輪齒條、2個(gè)限位開關(guān)、1套運(yùn)動(dòng)控制板卡、3個(gè)升降電動(dòng)機(jī)、1套機(jī)架結(jié)構(gòu)和1臺(tái)計(jì)算機(jī)。線激光傳感器獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，光柵編碼器獲取每個(gè)測量位置精確的角度值，限位開關(guān)配合齒輪齒條用于防止多圈旋轉(zhuǎn)繞線，升降電動(dòng)機(jī)能夠升降機(jī)架。測量時(shí)平穩(wěn)放置，移動(dòng)時(shí)輪子著地。整套設(shè)備只需要1根外界電源線與外界相連接。

測量時(shí)，將測量設(shè)備搬運(yùn)至車體內(nèi)。首先，調(diào)整好線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)位置，使其處于車體空間的中央；然后，啟動(dòng)測量系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)線激光傳感器旋轉(zhuǎn)1周，進(jìn)行車體內(nèi)部空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在軟件界面上；最后，結(jié)束測量并保存測量數(shù)據(jù)。車體內(nèi)部空間測量數(shù)據(jù)圖如圖5所示。

圖5 車體測量數(shù)據(jù)圖

3.2 精度分析

為了驗(yàn)證線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的測量精度，先利用權(quán)威的三坐標(biāo)測量機(jī)測量出球規(guī)的參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值；然后將線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)測量的球規(guī)參數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，來驗(yàn)證線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的掃描精度。

球規(guī)(見圖6)是利用鋁合金基板來固定2個(gè)漫反射陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)準(zhǔn)器件。該球規(guī)的表征參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)球A直徑、標(biāo)準(zhǔn)球B直徑及球心距。球規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是通過型號(hào)為GLOBAL Classic SR07.10.07的三坐標(biāo)測量機(jī)在溫度為26 ℃條件下的測量值來表示。

圖6 球規(guī)

利用線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)對上述經(jīng)過三坐標(biāo)測量的球規(guī)進(jìn)行測量，將球規(guī)在線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)測量范圍內(nèi)擺放在10個(gè)不同的位置，獲取標(biāo)準(zhǔn)球的表面數(shù)據(jù)。對線激光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取球規(guī)的參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。由表1可知，系統(tǒng)的最大測量偏差控制在0.66 mm，標(biāo)準(zhǔn)差在0.32 mm以內(nèi)，證明了所提系統(tǒng)測量方法滿足大空間三維檢測需求。

表1 標(biāo)準(zhǔn)球測量結(jié)果 (mm)

4 結(jié)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(shù)據(jù)。文中詳細(xì)介紹了測量系統(tǒng)的組成及測量原理，建立了線激光傳感器的數(shù)學(xué)模型及測量坐標(biāo)系統(tǒng)一模型，同時(shí)對設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)進(jìn)行了精度驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)測量精度高、測量速度快，滿足大尺寸車體內(nèi)部空間的三維測量。