手持式非標定2D輪廓傳感器的應用

劉藝

摘 要：隨著2D輪廓檢測行業的發展，市場需求的不斷變化以及應用領域的不斷變革，針對輪廓檢測技術，人們在不斷提高傳感器性能和可靠性的同時，還謀求檢測領域的拓展和檢測便攜度的提升。對此，本文對基于非標定攝像技術的2D輪廓傳感器的應用展開論述。

關鍵詞：手持式非標定2D輪廓傳感器;非標定攝像技術;應用

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

隨著信息時代的到來，傳感器技術得到飛速發展，并成為獲取信息的重要手段。越來越廣泛的應用領域和越來越豐富的使用功能，使得人們對其要求不斷提高，需求也越來越迫切。智能傳感器可廣泛用于工業、農業、商業、交通、環境監測、醫療衛生、軍事科研、航空航天、現代辦公設備和家用電器等領域。在各個領域中，2D輪廓檢測都占據著相對重要的地位。但目前，占據主導市場的2D輪廓傳感器進行測量前需要重復標定，使用場景受限且難以滿足用戶需求。由此，本文提出手持式非標定2D輪廓傳感器，以滿足市場應用市場。

1 2D輪廓傳感器在應用中存在的問題

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

然而，現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計算機進行計算，體積大不易搬運、重量大、耗電大，只能安裝在設備中才能使用，無法單獨使用。在高速軌道客車、大型飛機、大型艦船、核能、風能等行業，由于尺寸非常巨大，因此，采用模塊化制造再組合的生產方式，在裝配過程中要實時檢測各模塊的裝配參數，如縫隙、平面度高度差、角度等?，F有的固定式激光輪廓產品由于上述原因不能適用，且目前還依靠傳統的游標卡尺、角度尺等手段進行測量，具有效率低、精度無法保證、無法實時保存數據、需要人員多等一系列缺點。

2 非標定技術的設計與實現

傳統攝像機標定方法是用一個結構已知、加工精度較高的標定塊作為空間參照物，通過空間點和圖像點之間的對應關系來建立攝像機模型參數的約束，然后通過優化算法來求取這些參數[1-2]。為了實現2D輪廓傳感器的手持化，使其能夠應用在特殊場景和復雜結構的測量工作中，本文提出了一種基于激光圖案輔助的非標定技術。

世界坐標系與攝像機坐標系的轉換如圖1所示。

非標定算法的思想是：被測物體與攝像頭的位姿關系變化后，則移動前后攝像頭的內參矩陣[M]均不變，平移矩陣[T]和旋轉矩陣[R]的變化滿足固定的規律[4]。根據這種變化關系，輔以滿足特定條件的激光圖案，可以根據移動前的攝像機距離姿態精確求出移動后的攝像機距離姿態。在算法設計中，對于數據的處理，加入了穩健性局部加權回歸法，減少了測量噪聲對數據的處理，提高了測量精度。

3 手持式非標定2D輪廓傳感器的應用

手持式非標定2D輪廓傳感器可以對大型模塊裝配參數進行直接測量，也可測量任意工件的尺寸、焊縫寬度、平面度、高度差等。本設備使用較為靈活，在測量前無須進行標定，可廣泛應用于鐵路、汽車、機械、航空、船舶、冶金等行業的測量，以改善固定式傳感器靈活度不夠的問題。

3.1 手持式非標定2D傳感器在鐵軌檢修中的應用

在鐵路檢修中，對鋼軌進行打磨前，必須先測量鋼軌磨耗量，以掌握鋼軌的磨損狀態，預測鋼軌磨損趨勢，從而對鋼軌進行相應打磨維修。其中，精確測量鋼軌磨耗量、高效和準確預測鋼軌磨耗趨勢十分重要。因此，鐵路局在鐵路檢修方面對手持式非標定2D輪廓傳感器有著巨大的需求。圖2為2009—2018年我國鐵路營業里程。

由圖2可以看出，我國鐵路營業里程在逐年增長，鐵路的高速發展勢必會引起各鐵路局對手持式非標定2D輪廓智能傳感器需求的持續增長。

3.2 手持式非標定2D傳感器在轉向架檢測中的應用

轉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系到車輛的運行和行駛安全。轉向架上的輪背與構架之間的間隙大小為重要影響參數。目前，多數車輛廠一般采用游標卡尺對這兩個參數進行測量，在測量時對操作者的測量技術要求較高，且測量精度較低，容易出現測量偏差，從而導致轉向架裝配精度低，易出現質量問題。

手持式非標定2D輪廓傳感器通過激光發射器射出的激光束照射待測面，利用非標定攝像技術使測量數據更加精準，極大地提高了測量的精度，而且測量時測量人員只需手持設備移動激光束便可以保證測量精度，測量操作簡單。

3.3 手持式非標定2D傳感器在大曲率熱彎工藝中的應用

鎂合金管等材料在大曲率熱彎成形過程中通常會出現截面畸變（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，使平面光通過相機鏡頭建立與像平面的透視對應關系，即利用激光三角測量原理，獲取高精度數字圖像，最終測得輪廓數據。利用激光視覺測量系統沿管材縱向進行測量，得到各截面點云數據[5]。對各截面輪廓數據逐一進行觀察，發現數據中存在明顯的測量噪聲，主要表現為孤立異常值和異常數據波動值。

手持式非標定2D輪廓傳感器結合了非標定攝像技術和穩健性局部加權回歸法后，可適應較復雜的非線性變化，無須假定總體分布的具體形式和誤差分布，通過估計就可獲得數據的分布結構，對減小偏差、提高預測精度、了解樣本序列的動態結構都有重要意義[6]。

3.4 手持式非標定2D傳感器的應用市場

通過分析手持式2D輪廓傳感器的應用可知，本設備在鐵路、汽車、機械市場行業前景廣闊，相比同類產品具有性能和技術的優越性，應用前景總結如表1所示。

4 結語

手持式非標定2D輪廓傳感器通過圖像輔助的攝像機位姿精確計算方法解決了固定攝像頭測量的問題，能有效擴展本裝置的使用場景，提高測量效率，降低測量難度，覆蓋現有固定式傳感器無法測得的盲區。隨著物聯網和工業智能化的不斷發展，勢必需要一款能提高生產效率和安全性、操作靈活的2D輪廓傳感器來控制產品品質。手持式非標定2D輪廓傳感器具有智能化程度高、非接觸測量、無磨損的特點，是工業升級的不二之選。

參考文獻：

[1]Faugeras O D . The calibration problem for stereo[J]. Proc Cvpr Miami Beach Fl，1986（12）：195-213.

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[4]方帥，曹洋，徐心和.一種非標定攝像機的定位新算法[J].儀器儀表學報，2005（8）：845-848.

[5]要志斌，周研，王榮軍，等.激光輪廓檢測技術在鎂合金管大曲率熱彎工藝中的應用[J].熱加工工藝，2019（21）：76-79，85.

[6]周宏，蔣志勇，羅宇，等.基于高頻感應技術的船體曲面彎板成型的研究[J].中國造船，2014（1）：128-135.