手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器的應(yīng)用

劉藝

摘 要：隨著2D輪廓檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的不斷變化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷變革，針對(duì)輪廓檢測(cè)技術(shù)，人們?cè)诓粩嗵岣邆鞲衅餍阅芎涂煽啃缘耐瑫r(shí)，還謀求檢測(cè)領(lǐng)域的拓展和檢測(cè)便攜度的提升。對(duì)此，本文對(duì)基于非標(biāo)定攝像技術(shù)的2D輪廓傳感器的應(yīng)用展開論述。

關(guān)鍵詞：手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器;非標(biāo)定攝像技術(shù);應(yīng)用

Abstract： With the development of 2D contour detection industry， the continuous change of market demand and application field， aiming at contour detection technology， people are not only improving the performance and reliability of sensors， but also seeking to expand the detection field and improve the detection portability. In this paper， the application of 2D contour sensor based on non calibrated camera technology was discussed.

Keywords： hand-held non calibrated 2D contour sensor;non calibration camera technology;application

隨著信息時(shí)代的到來，傳感器技術(shù)得到飛速發(fā)展，并成為獲取信息的重要手段。越來越廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和越來越豐富的使用功能，使得人們對(duì)其要求不斷提高，需求也越來越迫切。智能傳感器可廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。在各個(gè)領(lǐng)域中，2D輪廓檢測(cè)都占據(jù)著相對(duì)重要的地位。但目前，占據(jù)主導(dǎo)市場(chǎng)的2D輪廓傳感器進(jìn)行測(cè)量前需要重復(fù)標(biāo)定，使用場(chǎng)景受限且難以滿足用戶需求。由此，本文提出手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器，以滿足市場(chǎng)應(yīng)用市場(chǎng)。

1 2D輪廓傳感器在應(yīng)用中存在的問題

現(xiàn)有的2D輪廓傳感器大多采用激光三角法進(jìn)行測(cè)量，其原理為：激光束被投射到被測(cè)物體表面，反射光通過相關(guān)雙采樣CCD噪聲消除技術(shù)，被投射到成像矩陣上，經(jīng)過計(jì)算得到傳感器到被測(cè)表面的距離（Z軸）和沿著激光線的位置信息（X軸）。移動(dòng)被測(cè)物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測(cè)量值。利用該傳感器可對(duì)物體的輪廓進(jìn)行高精度和快速測(cè)量，如縫隙寬度、孔深度、角度、高度差、平面度、圓弧、倒角測(cè)量等。同時(shí)，其具有非接觸測(cè)量、無磨損的特點(diǎn)，在各行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。在汽車行業(yè)，可用于汽車裝配位置、縫隙檢測(cè)，汽車把手曲面檢測(cè)，輪胎檢測(cè)，復(fù)雜輪廓尺寸檢測(cè)等;在手機(jī)行業(yè)，可用于手機(jī)面板裝配對(duì)位、手機(jī)元件尺寸檢測(cè)、手機(jī)屏幕厚度檢測(cè)、手機(jī)表明曲弧面測(cè)量等;在半導(dǎo)體行業(yè)，可用于PCB板檢測(cè)，電子元器件高、寬、角度檢測(cè)，IC管腳間距與歪曲測(cè)量等;在五金行業(yè)，可用于齒輪卡齒對(duì)位檢測(cè)、齒輪齒距檢測(cè)、軸承高度檢測(cè)等。

然而，現(xiàn)有的激光輪廓裝置都是以需要外部供電、需要連接外部大型工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，體積大不易搬運(yùn)、重量大、耗電大，只能安裝在設(shè)備中才能使用，無法單獨(dú)使用。在高速軌道客車、大型飛機(jī)、大型艦船、核能、風(fēng)能等行業(yè)，由于尺寸非常巨大，因此，采用模塊化制造再組合的生產(chǎn)方式，在裝配過程中要實(shí)時(shí)檢測(cè)各模塊的裝配參數(shù)，如縫隙、平面度高度差、角度等?，F(xiàn)有的固定式激光輪廓產(chǎn)品由于上述原因不能適用，且目前還依靠傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、角度尺等手段進(jìn)行測(cè)量，具有效率低、精度無法保證、無法實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)、需要人員多等一系列缺點(diǎn)。

2 非標(biāo)定技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定方法是用一個(gè)結(jié)構(gòu)已知、加工精度較高的標(biāo)定塊作為空間參照物，通過空間點(diǎn)和圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來建立攝像機(jī)模型參數(shù)的約束，然后通過優(yōu)化算法來求取這些參數(shù)[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)2D輪廓傳感器的手持化，使其能夠應(yīng)用在特殊場(chǎng)景和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測(cè)量工作中，本文提出了一種基于激光圖案輔助的非標(biāo)定技術(shù)。

世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換如圖1所示。

非標(biāo)定算法的思想是：被測(cè)物體與攝像頭的位姿關(guān)系變化后，則移動(dòng)前后攝像頭的內(nèi)參矩陣[M]均不變，平移矩陣[T]和旋轉(zhuǎn)矩陣[R]的變化滿足固定的規(guī)律[4]。根據(jù)這種變化關(guān)系，輔以滿足特定條件的激光圖案，可以根據(jù)移動(dòng)前的攝像機(jī)距離姿態(tài)精確求出移動(dòng)后的攝像機(jī)距離姿態(tài)。在算法設(shè)計(jì)中，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理，加入了穩(wěn)健性局部加權(quán)回歸法，減少了測(cè)量噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的處理，提高了測(cè)量精度。

3 手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器的應(yīng)用

手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器可以對(duì)大型模塊裝配參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量，也可測(cè)量任意工件的尺寸、焊縫寬度、平面度、高度差等。本設(shè)備使用較為靈活，在測(cè)量前無須進(jìn)行標(biāo)定，可廣泛應(yīng)用于鐵路、汽車、機(jī)械、航空、船舶、冶金等行業(yè)的測(cè)量，以改善固定式傳感器靈活度不夠的問題。

3.1 手持式非標(biāo)定2D傳感器在鐵軌檢修中的應(yīng)用

在鐵路檢修中，對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨前，必須先測(cè)量鋼軌磨耗量，以掌握鋼軌的磨損狀態(tài)，預(yù)測(cè)鋼軌磨損趨勢(shì)，從而對(duì)鋼軌進(jìn)行相應(yīng)打磨維修。其中，精確測(cè)量鋼軌磨耗量、高效和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼軌磨耗趨勢(shì)十分重要。因此，鐵路局在鐵路檢修方面對(duì)手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器有著巨大的需求。圖2為2009—2018年我國鐵路營(yíng)業(yè)里程。

由圖2可以看出，我國鐵路營(yíng)業(yè)里程在逐年增長(zhǎng)，鐵路的高速發(fā)展勢(shì)必會(huì)引起各鐵路局對(duì)手持式非標(biāo)定2D輪廓智能傳感器需求的持續(xù)增長(zhǎng)。

3.2 手持式非標(biāo)定2D傳感器在轉(zhuǎn)向架檢測(cè)中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的核心部件，其制造精度及裝配精度直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行和行駛安全。轉(zhuǎn)向架上的輪背與構(gòu)架之間的間隙大小為重要影響參數(shù)。目前，多數(shù)車輛廠一般采用游標(biāo)卡尺對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量時(shí)對(duì)操作者的測(cè)量技術(shù)要求較高，且測(cè)量精度較低，容易出現(xiàn)測(cè)量偏差，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架裝配精度低，易出現(xiàn)質(zhì)量問題。

手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器通過激光發(fā)射器射出的激光束照射待測(cè)面，利用非標(biāo)定攝像技術(shù)使測(cè)量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，極大地提高了測(cè)量的精度，而且測(cè)量時(shí)測(cè)量人員只需手持設(shè)備移動(dòng)激光束便可以保證測(cè)量精度，測(cè)量操作簡(jiǎn)單。

3.3 手持式非標(biāo)定2D傳感器在大曲率熱彎工藝中的應(yīng)用

鎂合金管等材料在大曲率熱彎成形過程中通常會(huì)出現(xiàn)截面畸變（扁化）的缺陷，向其表面投射激光束形成輪廓線，再通過CCD鏡頭捕獲，使平面光通過相機(jī)鏡頭建立與像平面的透視對(duì)應(yīng)關(guān)系，即利用激光三角測(cè)量原理，獲取高精度數(shù)字圖像，最終測(cè)得輪廓數(shù)據(jù)。利用激光視覺測(cè)量系統(tǒng)沿管材縱向進(jìn)行測(cè)量，得到各截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。對(duì)各截面輪廓數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在明顯的測(cè)量噪聲，主要表現(xiàn)為孤立異常值和異常數(shù)據(jù)波動(dòng)值。

手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器結(jié)合了非標(biāo)定攝像技術(shù)和穩(wěn)健性局部加權(quán)回歸法后，可適應(yīng)較復(fù)雜的非線性變化，無須假定總體分布的具體形式和誤差分布，通過估計(jì)就可獲得數(shù)據(jù)的分布結(jié)構(gòu)，對(duì)減小偏差、提高預(yù)測(cè)精度、了解樣本序列的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)都有重要意義[6]。

3.4 手持式非標(biāo)定2D傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)

通過分析手持式2D輪廓傳感器的應(yīng)用可知，本設(shè)備在鐵路、汽車、機(jī)械市場(chǎng)行業(yè)前景廣闊，相比同類產(chǎn)品具有性能和技術(shù)的優(yōu)越性，應(yīng)用前景總結(jié)如表1所示。

4 結(jié)語

手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器通過圖像輔助的攝像機(jī)位姿精確計(jì)算方法解決了固定攝像頭測(cè)量的問題，能有效擴(kuò)展本裝置的使用場(chǎng)景，提高測(cè)量效率，降低測(cè)量難度，覆蓋現(xiàn)有固定式傳感器無法測(cè)得的盲區(qū)。隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能化的不斷發(fā)展，勢(shì)必需要一款能提高生產(chǎn)效率和安全性、操作靈活的2D輪廓傳感器來控制產(chǎn)品品質(zhì)。手持式非標(biāo)定2D輪廓傳感器具有智能化程度高、非接觸測(cè)量、無磨損的特點(diǎn)，是工業(yè)升級(jí)的不二之選。

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