基于線結(jié)構(gòu)光的輪胎胎胚外形檢測(cè)

北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 劉杰 郭陽(yáng)寬 張曉青

基于激光三角測(cè)量原理研制了輪胎胎胚外形輪廓檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)過程中由于激光傳感器和待測(cè)物體間的相對(duì)位姿問題，可能導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了位姿調(diào)整算法進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，首先利用胎胚的圓周特性確定理想結(jié)構(gòu)光線條，然后使用理想結(jié)構(gòu)光和實(shí)際結(jié)構(gòu)光的位置分析，對(duì)三種常見偏差進(jìn)行調(diào)整。最后系統(tǒng)掃描采集胎胚外輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用貪婪投影三角化算法進(jìn)行三維重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本檢測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確對(duì)輪胎胎胚三維輪廓進(jìn)行還原。

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展、行駛道路的改善以及車速的提升，對(duì)輪胎的質(zhì)量提出了更高的要求[1，2]。但是，有研究表明目前市面所售新輪胎產(chǎn)品合格率大約為94%，意味著消費(fèi)者有6%的幾率買到原廠出產(chǎn)的質(zhì)量不太合格的輪胎[3]。因此，對(duì)輪胎胎胚的質(zhì)檢工作迫在眉睫，而胎胚外形是質(zhì)量檢測(cè)中必不可少的部分。

傳統(tǒng)檢測(cè)采用人工的方式進(jìn)行，該方式誤差大且重復(fù)性低下。而基于激光測(cè)距原理的非接觸式測(cè)量法卻自動(dòng)化程度高、精度可靠、穩(wěn)定性好[4]。本系統(tǒng)基于該原理研制一種輪胎胎胚外形檢測(cè)系統(tǒng)[5，6]，對(duì)激光傳感器和待檢測(cè)胎胚進(jìn)行位姿調(diào)節(jié)計(jì)算[7]，以獲得更高的準(zhǔn)確度，最后利用貪婪投影三角化算法對(duì)采集胎胚點(diǎn)云進(jìn)行三維重建[8]，以期直觀地展示胎胚的外形。

1 檢測(cè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

輪胎胎胚外形輪廓檢測(cè)系統(tǒng)是由硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括GOCATOR 線結(jié)構(gòu)光傳感器、伺服電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，依據(jù)激光三角測(cè)量原理，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 System structure design

軟件系統(tǒng)則是對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器的SDK 進(jìn)行二次開發(fā)，并利用VS 結(jié)合PCL 點(diǎn)云處理庫(kù)編寫。

2 傳感器位姿調(diào)整

本系統(tǒng)使用的線結(jié)構(gòu)光傳感器為了掃描整體胎面輪廓，理想情況下應(yīng)平行照射到胎面。但是，通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真實(shí)線結(jié)構(gòu)光和理想線結(jié)構(gòu)光之間會(huì)出現(xiàn)位置偏差，因此，需要對(duì)傳感器的位姿進(jìn)行調(diào)整。

2.1 理想線結(jié)構(gòu)光查找

在首次測(cè)量的時(shí)候，由于待檢測(cè)輪胎胎胚和結(jié)構(gòu)光傳感器的相對(duì)位置并不確定，因此無(wú)法定位理想結(jié)構(gòu)光線條。為了實(shí)現(xiàn)在位姿校準(zhǔn)過程當(dāng)中，不利用輔助標(biāo)志點(diǎn)查找待檢測(cè)物上的理想線結(jié)構(gòu)光位置。本文結(jié)合胎胚圓周特性，對(duì)胎面進(jìn)行豎直檢測(cè)，查找趨于理想狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)圓，該圓離線結(jié)構(gòu)光傳感器最近的點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)光平行照射下，理想結(jié)構(gòu)光線條上的點(diǎn)。通過上述方式找出理想結(jié)構(gòu)光的位置。

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圓的擬合，查找趨近于圓的結(jié)構(gòu)光線條。采用最小二乘擬合的方式進(jìn)行圓的擬合，豎直掃描并點(diǎn)云擬合標(biāo)準(zhǔn)圓如圖2 所示。

圖2 掃描模式和點(diǎn)云擬合圓Fig.2 Scan pattern and point cloud fitting circle

通過上述方法，可以找到橫向檢測(cè)時(shí)的結(jié)構(gòu)光在輪胎上的理想位置。此時(shí)，傳感器轉(zhuǎn)為橫向掃描。轉(zhuǎn)換過程中，為了保證實(shí)際結(jié)構(gòu)光線條無(wú)限趨近于理想結(jié)構(gòu)光，軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)下位姿進(jìn)行判斷。

2.2 位姿偏差調(diào)整

線結(jié)構(gòu)光傳感器采集數(shù)據(jù)為三維坐標(biāo)X、Y、Z，其中的X 代表結(jié)構(gòu)光一維橫坐標(biāo)，Z 軸表示傳感器到檢測(cè)胎面的距離，Y 軸為系統(tǒng)采集頻率。而結(jié)構(gòu)光和待檢測(cè)胎胚之間的常見的位置偏差及調(diào)整方式有如下幾方面:

2.2.1 水平偏差計(jì)算

當(dāng)出現(xiàn)水平方向上位置偏差時(shí)，傳感器橫坐標(biāo)0 點(diǎn)左右兩邊的x值的個(gè)數(shù)不同。結(jié)構(gòu)光偏左，負(fù)方向上的激光點(diǎn)未在胎面，即未在傳感器工作范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)光偏右，正方向上的激光點(diǎn)未在采集區(qū)間。因此，可以通過獲取胎面數(shù)據(jù)上的x值的正負(fù)個(gè)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算水平方向的左右偏差。

調(diào)節(jié)公式如式（1）所示:

式（1）中，d為激光正負(fù)點(diǎn)個(gè)數(shù)差的絕對(duì)值，n表示的是激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2.2.2 仰角調(diào)整

理想線結(jié)構(gòu)光位置的確定意味著傳感器到待檢測(cè)胎面的距離值z(mì)的確定，當(dāng)實(shí)際線結(jié)構(gòu)光在胎面位置過上或過下時(shí)，z值會(huì)變大，通過計(jì)算得出仰角的大小，對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，如式（2）所示:

式（2）中，z1為傳感器到輪胎胎面的標(biāo)準(zhǔn)垂直距離，z2為存在位置偏移的線結(jié)構(gòu)光傳感器到胎面的距離，r0為輪胎的理想半徑，θ為理想結(jié)構(gòu)光和真實(shí)線結(jié)構(gòu)光間的角度偏差。

2.2.3 傾斜角調(diào)整

當(dāng)理想線結(jié)構(gòu)光與實(shí)際線結(jié)構(gòu)光之間產(chǎn)生傾斜夾角的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光傳感器不同的x值處所對(duì)應(yīng)的輪胎圓不夠統(tǒng)一，因此，通過反三角函數(shù)即可求出傾斜角度如式（3）所示:

式（3）中α為傾斜角的角度，x為結(jié)構(gòu)光中心點(diǎn)到選定的待測(cè)點(diǎn)的值，Δz為理想線結(jié)構(gòu)光和實(shí)際結(jié)構(gòu)光線條在同一x值下所對(duì)應(yīng)的距離之差。

3 輪胎胎面三維重建

采集到的數(shù)據(jù)均為傳感器坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行直觀顯示，需要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系下。需先轉(zhuǎn)換至極坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（4）所示:

式（4）中，r0為輪胎的理論半徑，z為傳感器到待檢測(cè)物的距離，z1為標(biāo)準(zhǔn)距離，n為轉(zhuǎn)換過程中選取的任意點(diǎn)，φ為轉(zhuǎn)換角度。

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至三維笛卡爾坐標(biāo)系后，為展示胎胚的三維外形特征，利用貪婪投影三角化算法進(jìn)行三維重建。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

輪胎勻速旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)光傳感器掃描式采集胎面外形輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，點(diǎn)云數(shù)據(jù)離散，對(duì)其進(jìn)行三維重建，重建前后胎胚輪廓如圖3 所示。

5 結(jié)論

通過線結(jié)構(gòu)光傳感器掃描胎胚輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用二乘擬合標(biāo)準(zhǔn)圓的方法，找到傳感器和胎胚間的標(biāo)準(zhǔn)距離，再對(duì)傳感器和待測(cè)胎胚間進(jìn)行相對(duì)位姿調(diào)整，最后，使用貪婪投影三角化算法對(duì)采集到的點(diǎn)云三維重建，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案和算法的可行性。