基于線結構光傳感器的汽車后橫梁前板尺寸測量

楊金祥， 章海， 陳勝

（浙江海洋大學 海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316000）

0 引言

隨著汽車行業的迅速發展，對于汽車總成零件的需求在數量上和種類上在不斷增加；其中后橫梁前板總成零件作為汽車的重要零部件，其裝配在前保險杠后面作為第一橫梁并決定了整車的安全性能。在工業生產中為了制造出后橫梁前板零件，已有完整的全自動沖壓工藝產線。后橫梁前板零件在沖壓工藝中會形成不同的孔徑的圓和曲面，該重要部分尺寸精度高以滿足裝配要求。在落料沖壓過程中，鈑金材料要和模具緊緊貼合并嚴格標定精確位置，不能在沖壓過程中發生位置偏移，工藝要求其孔徑和曲面在一定的公差范圍以內[1]。因此，對于沖壓后的后橫梁前板的尺寸檢測尤為重要，主要目的是比較劃邊、孔徑、曲面和曲線的測量坐標與真實坐標之間的偏差，以確保整車的安全性能和提高保險杠的可靠性能。

在以前的汽車后橫梁前板總成零件生產過程中，對于該零件的尺寸檢測主要由人工使用通止規、塞尺、型面通止規等工具來完成。現如今隨著機器視覺的圖像處理技術的日益成熟[2]，該技術特點是在不觸碰零件的情況下用圖像分析出精確尺寸及抗噪能力強的特點，在現代化工業總成零件生產測量中有其應用。由于圖像處理僅限于二維平面內的面積、長度、體積，無法映射出被測物體的真實三維坐標信息，并且極易受到光線和明亮度等環境因素影響。使用線結構光傳感器可以快速掃描汽車的后橫梁前板總成零件。

其線結構光傳感器具有快速、穩定性強、測量精度高等優點，廣泛應用在工業測量領域[3-4]，零件如圖1所示。

圖1 汽車后橫梁前板

1 線結構光傳感器的原理

線結構光傳感器主要由半導體激光、發射器凸透鏡鏡片組、接受器凸透鏡鏡片組、CCD感光相機等組成[5]。線結構光傳感器的測量方法可以分為光點式、光線式、光面式[6]，由于該系統基于曲面的三維尺寸測量，所以選用光線式獲取零件的三維坐標模型。其原理是：由半導體激光發生器發射出激光，經過發射器鏡頭的折射把一束激光衍生為線激光，進而通過空氣傳輸照射在總成零件的表面上，在零件表面會調制漫反射把線激光射入另外一個鏡頭，緊接著折射出的線激光束會被傳輸，并且通過接受器凸透鏡傳到CCD相機中，在相機中傳輸到電腦里經過圖像處理可以分析所接受的激光線條，并通過大量的線激光條解析可以得到總成零件的模擬圖像。其主要利用三角原理計算光平面和零件表面輪廓相交的光條，進而得到物體的三維坐標，如圖2所示。

圖2 線結構光傳感器結構

2 點云平面擬合算法研究

2.1 點云數據和二值化處理

通過線結構光傳感器獲得了具有X、Y、Z三維坐標的點云數據庫，但是為了簡便計算測量的坐標數據，通常會把零件的點云數據庫三維形態特征映射到鳥瞰圖像。點云坐標軸和圖像坐標軸有著明顯的區別，在圖像坐標軸中原點位于左上方且坐標值為正整數，在點云坐標軸中坐標值為實數，X軸向前為正、Y軸向左為正、Z軸向上為正。點云數據庫映射到灰度圖像素位置的原理為保持點云坐標的X、Y方向不發生改變，然后從數據庫中獲取Z軸的最小、最大的高度值進行二次縮放以適應0～255的范圍的圖像坐標，所得到的灰度圖像如圖3所示。

圖3 后橫梁前板的灰度圖

2.2 基于總體最小二乘法擬合點云平面

使用最小二乘法在點云數據上擬合[7]最佳平面，假設該系統的數據誤差在X軸上，其平面擬合的方程為x=ay+bz+c。設觀察點云數據為n時，以X軸作為觀察軸可以得到觀測方程為x+W=ay+bz+c。可將該進行數值變換為矩陣誤差方程為

由最小二乘法的基本原理可得WTPW最小時，再進行等權平方差可以解出X?，即為式X?=(BTB)-1BTl。將所得的數值代入到平面擬合的方程就能擬合最佳點云平面。

2.3 特征值擬合點云平面

使用特征值法[8]擬合點云平面，設后橫梁前板點云的特征值擬合方程為

并將解出的A、B、C值代入式（2）中即可用特征值法擬合最佳的點云平面。

3 實驗結果與分析

根據該系統的方案，可以對線結構光傳感器獲取的汽車后橫梁前板模型進行三維坐標的實時測量。為了擬合平面特征模型并對該系統的穩定性和可靠性進行了多組數據的測量，并通過對比標準的X、Y、Z坐標值來驗證系統的精確性和便捷性，得到的數據如表1、表2所示。

表1 測量結果 mm

表2 測量公差 mm

從表2中發現系統的測量公差控制在0.01 mm范圍內，其中X軸的測量公差在0.009 mm范圍，Y軸測量公差在0.002 mm范圍左右，Z軸測量公差在0.012 mm范圍左右，原坐標系的測量公差為0.015 mm范圍左右。通過大量的實時測量數據可知，該系統在測量后橫梁前板時測量精度達到生產要求，并且實時的非接觸測量為工業生產提高了生產效率并確保了整車的安全性能。

4 結語

隨著人們生活質量的提高，對于汽車的需求也越來越多并趨向于功能化和智能化，與此同時也促進了汽車零部件工業的發展。在保證安全性和美觀性的前提下，本文提出了一種提高總成零件生產率的線結構光傳感器的汽車后橫梁前板尺寸測量系統。使用CCD攝像機可以高像素、清晰、穩定地捕捉總成零件的三維外貌特征，經過二值化處理得到灰度圖，用總體最小二乘法擬合零件點云平面或用特征值法擬合零件的點云平面，測量汽車后橫梁前板的各個X、Y、Z坐標值數據。最后將實時測得的數據與標準零件的坐標數據進行對比分析，結果表明該系統的測量精度控制在0.01 mm范圍內，因此該系統能夠實時、準確、穩定地測量后橫梁前板的位置尺寸，可以滿足工業生產中對于總成零件的測量要求。