敖平;云中煌;李东风;黄坤
【摘 要】在轨道车辆车体三维尺寸检测过程中,为实现线激光扫描系统多个视角位置扫描数据拼合,需要精确标定出扫描仪激光平面参数和扫描系统的转轴参数;为此,提出了基于多视约束系统标定方法.该方法充分利用了图像数据样本和多视几何约束,对扫描系统的激光平面和转轴参数进行精确标定,有效地保证了测量系统整体标定精度;同时实现了多个视角位置采集三维数据的精确拼合. 米饭碗【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2018(000)010
【总页数】5页(P39-43)
【关键词】轨道车辆测量;线激光检测;激光平面标定;三维重建;转轴标定;数据拼合
【作 者】敖平;云中煌;李东风;黄坤
三维数据采集
【作者单位】南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司,江苏 南京 210000;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司,江苏 南京 210000;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司,江苏 南京 210000;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司,江苏 南京 210000
电动刻字笔【正文语种】中 文
【中图分类】TN209
近年来，随着我国高速铁路和城市轨道交通的迅猛发展，市场对轨道车辆需求呈现出高速增长态势[1]。为保证列车平稳、快速和安全运行，对列车的生产工艺和检测技术提出了更高的要求。在轨道车辆检测过程中，为保证车辆运营安全，应对车内高、车内宽、车内对角方和侧墙倾斜度等进行严格检测。目前，对轨道车辆的检测通常是利用限界规[2]。该方法安装调试过程复杂，人工参与环节多，致使检测稳定性难以保障，且检测成本高，检测步骤繁琐，检测效率低下。在检测过程中，需要预留出1倍车长检查区段，显著增加了检测所需场地空间，同时需要使用钢卷尺、平尺和经纬仪等多种仪器，使检测精度难以保证[3]。
基于以上问题，近年来越来越多的新技术新设备被应用于该领域，如数字经纬仪[4]、激光跟踪仪[5]、WPS(Workshop Positing System)[6]和摄影测量[7]等。其中，基于线激光扫描检测系统具有如下优点：1)检测精度较高，以LMI公司Gocator线激光扫描仪为例，其最高扫描精度可以达到0.02 mm；2)线激光对环境光不敏感，对检测环境鲁棒性较好，具有较强抗干扰能力；3)扫描仪自身体积小，质量轻，易于实现工装，具有良好的适应性[8-9]。以上所述诸多优点使该类设备越来越多地应用于该领域的检测工作中。
本文提出了一种基于线激光轨道车厢扫描系统的标定方法，采用该方法能方便、快速、准确地标定出系统参数。
1 测量原理
1.1 线激光三维重建原理
线激光扫描仪主要由激光发射装置和面阵工业相机构成，其检测原理图如图1所示。
平板电脑支撑架图1 单目线激光检测原理
在进行测量时，激光发射器向被测物表面投射“一”字形激光线，通过工业相机采集投射有激光线的图像，并提取图中激光线。根据小孔成像原理[10]可知，该图像中激光线任意一点p(up,vp)与相机光心可以确定一条直线。在世界坐标下，与图像中p(up,vp)的对应点p(xp,yp,zp)同样也在该条直线上，两点间关系如下：
(1)
转向节
式中，up vp 1T和xp yp zp 1T分别是图像坐标系和世界坐标系中p点所对应的齐次坐标；R和t分别是世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；s是比例因子；A3×3是由相机内参构成的矩阵。
线激光传感器所投射的激光线与激光中心在空间中构成一个平面，而p点同时也在该平面上，该平面的参数方程如下：
axp+byp+czp+d=0
(2)
通过对式1和式2联立求解，求得空间直线和空间平面交点，即点P的空间三维坐标。因此，对于被测物每一次测量，都能计算出激光线所在位置的三维形貌数据，将多次测量数据进行拼合即可获得完整测量数据。
1.2 多视角扫描数据拼合
基于线激光传感器旋转扫描系统如图2所示。
图2 单目线激光传感器旋转扫描系统
系统中，线激光传感器固定在扫描系统悬臂上，通过转动悬臂调整扫描视角。当悬臂处于初始位置时，系统坐标系为O0X0Y0Z0，并默认为世界坐标系OwXwYwZw。当悬臂转动到视角1位置时，对应坐标系为O1X1Y1Z1，到达视角2时对应坐标系为O2X2Y2Z2，……，到达视角n时，坐标系为OnXnYnZn。测量过程中，测量系统通过旋转悬臂到达不同视点位置扫描被测物体。设扫描系统悬臂旋转轴线的方向向量在默认世界坐标系下是n(nx,ny,nz)，该轴上的一点为Pa，悬臂由初始位置转到当前视角位置转动角度为θ，则将当前视角位置所采集数据转换到默认世界坐标系下的公式[11]为：
(3)
式中，是该点在视角位置i对应坐标系中的坐标值；P0是该点在默认世界坐标系中的坐标值；[na]x为由n(nx,ny,nz)推导的反对称矩阵。根据式3，可以将系统在不同视角所采集数据统一到一个坐标中，因此单目扫描系统悬臂旋转1周，即可获得被测物体表面完整三维点云数据。
2 扫描系统标定方法
利用线激光扫描仪完成车体高精度扫描的关键是实现多个视角扫描数据拼合。为了精确地实现多个视角扫描数据拼合，需要准确地标定出悬臂旋转转轴。在标定转轴过程中，将带有编码信息标志点制作的标靶放置在不同视角位置，采集不同视角位置上标靶图像，获取不同视角位置上标志点点云数据，通过迭代最近点进行求解(Iterative Closest Point，ICP)，可得2个不同视角空间位姿关系 [12]，利用不同视点间位姿关系求解悬臂旋转轴的空间位置。因此，对于悬臂转轴标定包括如下2个方面：1)标定线激光扫描仪的激光平面，对编码标识点进行三维重建，获得各个视点位置标志点三维点云数据；2)求解各个视点位置间的位姿关系，并求解悬臂旋转轴的空间位置。
2.1 激光平面标定
线激光扫描装置通过激光发射装置向被测物体表面投射“一”字形激光线，空间中该条激光线和激光发射光心定义了待标定平面。激光平面标定过程中采用了基于最小二乘拟合方法，标定原理图如图3所示。
图3 激光平面标定原理图
在标定过程中，利用张正友相机标定方法[13]对线激光扫描系统中相机进行内参标定。激光平面标定过程中，采用9×11规格的标定板作为标靶(见图4)。
图4 标定板
将标靶放置在n个不同位置，并将“一”字形线激光投射在标靶上并采集图像，利用圆心提取算法对不同位置标靶图像进行圆心提取，通过标靶中5个大点确定标靶中99个圆点的相对顺序。利用介绍的EPnP算法确定标靶在相机坐标系中的位姿[14]，将标靶中在局部坐标系中的点转换到相机坐标中相关表达式如下：
(4)
式中，R,t分别是利用EPnP算法计算出旋转矩阵和平移向量。利用直线拟合算法将同属一行(列)的11个点进行拟合，得到9条空间直线，对于每个标靶位置都将获取9条空间直线。
通过图像处理算法分割出图像中的激光线，并对其进行激光中心提取。利用基于激光中心像素点灰度值方法进行插值，使激光中心提取精度达到亚像素级 [15]。利用式5，将激光中心上点pp由图像坐标系转化到相机坐标系中对应点pc。
(5)
式中，s是比例因子；fx、fy分别是x轴和y轴的归一化焦距；u0、v0分别是主点在图像中横、纵坐标值；γ是倾斜因子。
在相机坐标系空间中，在位置j(j=0～n)所提取的激光中心与相机光心构成一个平面，该平面与该位置所提取出空间直线的交点一定位于激光平面上，每一个标定位置都有9个交点。分别对每个标靶位置进行交点求解，即可得9n个交点，而这些交点都在激光平面上，利用所求解交点pi(i=1～9n)构建求解激光平面目标方程如下：
(6)
董育铭
式中,v为激光平面法矢构成的向量；pi为交点坐标；d为激光平面到相机坐标系原点的距离，通过求解ε的最小值即可计算出激光平面的参数。
2.2 悬臂转轴标定
扫描系统通过悬臂旋转使测头转动到各个视点位置进行数据采集，通过悬臂转轴参数与悬臂转动角度计算出不同视点位置与初始位置间的旋转矩阵，对不同视点位置所采集数据进行拼合形成完整扫描数据。对于标靶中任意一点p在不同视角位置时对应的点分别为p0,p1,…,pn，在扫描过程中悬臂做圆周运动，因此在不同视角位置标志点p位于某个空间圆上。在不同视角位置的三维点满足：
pj=Rijpi
(7)
式中，pj是点p在视点位置j对应坐标系的坐标值；pi是点p在视点位置i对应坐标系的坐标值；Rij是视点位置i到视点位置j的旋转矩阵。
通过对各视点位置编码标志点解码可以获得不同视角位置间的位姿关系，利用该位姿关系结合罗德里格斯变换可求解出旋转轴方向向量。通过求解检测空间中各个视角位置与默认初始位置间位姿关系，即可求解出多组悬臂转轴方向向量，对多组方向向量数据平均求解，即可获得悬臂转轴在空间中的方向向量如下：
(8)
式中，r是转轴方向向量；rij是由初始位置到视角位置j计算出转轴的方向向量。
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