手持式非标定2D轮廓传感器的应用

刘艺

摘 要：随着2D轮廓检测行业的发展，市场需求的不断变化以及应用领域的不断变革，针对轮廓检测技术，人们在不断提高传感器性能和可靠性的同时，还谋求检测领域的拓展和检测便携度的提升。对此，本文对基于非标定摄像技术的2D轮廓传感器的应用展开论述。

关键词：手持式非标定2D轮廓传感器;非标定摄像技术;应用

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

隨着信息时代的到来，传感器技术得到飞速发展，并成为获取信息的重要手段。越来越广泛的应用领域和越来越丰富的使用功能，使得人们对其要求不断提高，需求也越来越迫切。智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。在各个领域中，2D轮廓检测都占据着相对重要的地位。但目前，占据主导市场的2D轮廓传感器进行测量前需要重复标定，使用场景受限且难以满足用户需求。由此，本文提出手持式非标定2D轮廓传感器，以满足市场应用市场。

1 2D轮廓传感器在应用中存在的问题

现有的2D轮廓传感器大多采用激光三角法进行测量，其原理为：激光束被投射到被测物体表面，反射光通过相关双采样CCD噪声消除技术，被投射到成像矩阵上，经过计算得到传感器到被测表面的距离（Z轴）和沿着激光线的位置信息（X轴）。移动被测物体或轮廓仪探头，就可以得到一组三维测量值。利用该传感器可对物体的轮廓进行高精度和快速测量，如缝隙宽度、孔深度、角度、高度差、平面度、圆弧、倒角测量等。同时，其具有非接触测量、无磨损的特点，在各行业应用十分广泛。在汽车行业，可用于汽车装配位置、缝隙检测，汽车把手曲面检测，轮胎检测，复杂轮廓尺寸检测等;在手机行业，可用于手机面板装配对位、手机元件尺寸检测、手机屏幕厚度检测、手机表明曲弧面测量等;在半导体行业，可用于PCB板检测，电子元器件高、宽、角度检测，IC管脚间距与歪曲测量等;在五金行业，可用于齿轮卡齿对位检测、齿轮齿距检测、轴承高度检测等。

然而，现有的激光轮廓装置都是以需要外部供电、需要连接外部大型工业计算机进行计算，体积大不易搬运、重量大、耗电大，只能安装在设备中才能使用，无法单独使用。在高速轨道客车、大型飞机、大型舰船、核能、风能等行业，由于尺寸非常巨大，因此，采用模块化制造再组合的生产方式，在装配过程中要实时检测各模块的装配参数，如缝隙、平面度高度差、角度等。现有的固定式激光轮廓产品由于上述原因不能适用，且目前还依靠传统的游标卡尺、角度尺等手段进行测量，具有效率低、精度无法保证、无法实时保存数据、需要人员多等一系列缺点。

2 非标定技术的设计与实现

传统摄像机标定方法是用一个结构已知、加工精度较高的标定块作为空间参照物，通过空间点和图像点之间的对应关系来建立摄像机模型参数的约束，然后通过优化算法来求取这些参数[1-2]。为了实现2D轮廓传感器的手持化，使其能够应用在特殊场景和复杂结构的测量工作中，本文提出了一种基于激光图案辅助的非标定技术。

世界坐标系与摄像机坐标系的转换如图1所示。

非标定算法的思想是：被测物体与摄像头的位姿关系变化后，则移动前后摄像头的内参矩阵[M]均不变，平移矩阵[T]和旋转矩阵[R]的变化满足固定的规律[4]。根据这种变化关系，辅以满足特定条件的激光图案，可以根据移动前的摄像机距离姿态精确求出移动后的摄像机距离姿态。在算法设计中，对于数据的处理，加入了稳健性局部加权回归法，减少了测量噪声对数据的处理，提高了测量精度。

3 手持式非标定2D轮廓传感器的应用

手持式非标定2D轮廓传感器可以对大型模块装配参数进行直接测量，也可测量任意工件的尺寸、焊缝宽度、平面度、高度差等。本设备使用较为灵活，在测量前无须进行标定，可广泛应用于铁路、汽车、机械、航空、船舶、冶金等行业的测量，以改善固定式传感器灵活度不够的问题。

3.1 手持式非标定2D传感器在铁轨检修中的应用

在铁路检修中，对钢轨进行打磨前，必须先测量钢轨磨耗量，以掌握钢轨的磨损状态，预测钢轨磨损趋势，从而对钢轨进行相应打磨维修。其中，精确测量钢轨磨耗量、高效和准确预测钢轨磨耗趋势十分重要。因此，铁路局在铁路检修方面对手持式非标定2D轮廓传感器有着巨大的需求。图2为2009—2018年我国铁路营业里程。

由图2可以看出，我国铁路营业里程在逐年增长，铁路的高速发展势必会引起各铁路局对手持式非标定2D轮廓智能传感器需求的持续增长。

3.2 手持式非标定2D传感器在转向架检测中的应用

转向架是轨道车辆的核心部件，其制造精度及装配精度直接关系到车辆的运行和行驶安全。转向架上的轮背与构架之间的间隙大小为重要影响参数。目前，多数车辆厂一般采用游标卡尺对这两个参数进行测量，在测量时对操作者的测量技术要求较高，且测量精度较低，容易出现测量偏差，从而导致转向架装配精度低，易出现质量问题。

手持式非标定2D轮廓传感器通过激光发射器射出的激光束照射待测面，利用非标定摄像技术使测量数据更加精准，极大地提高了测量的精度，而且测量时测量人员只需手持设备移动激光束便可以保证测量精度，测量操作简单。

3.3 手持式非标定2D传感器在大曲率热弯工艺中的应用

镁合金管等材料在大曲率热弯成形过程中通常会出现截面畸变（扁化）的缺陷，向其表面投射激光束形成轮廓线，再通过CCD镜头捕获，使平面光通过相机镜头建立与像平面的透视对应关系，即利用激光三角测量原理，获取高精度数字图像，最终测得轮廓数据。利用激光视觉测量系统沿管材纵向进行测量，得到各截面点云数据[5]。对各截面轮廓数据逐一进行观察，发现数据中存在明显的测量噪声，主要表现为孤立异常值和异常数据波动值。

手持式非标定2D轮廓传感器结合了非标定摄像技术和稳健性局部加权回归法后，可适应较复杂的非线性变化，无须假定总体分布的具体形式和误差分布，通过估计就可获得数据的分布结构，对减小偏差、提高预测精度、了解样本序列的动态结构都有重要意义[6]。

3.4 手持式非标定2D传感器的应用市场

通过分析手持式2D輪廓传感器的应用可知，本设备在铁路、汽车、机械市场行业前景广阔，相比同类产品具有性能和技术的优越性，应用前景总结如表1所示。

4 结语

手持式非标定2D轮廓传感器通过图像辅助的摄像机位姿精确计算方法解决了固定摄像头测量的问题，能有效扩展本装置的使用场景，提高测量效率，降低测量难度，覆盖现有固定式传感器无法测得的盲区。随着物联网和工业智能化的不断发展，势必需要一款能提高生产效率和安全性、操作灵活的2D轮廓传感器来控制产品品质。手持式非标定2D轮廓传感器具有智能化程度高、非接触测量、无磨损的特点，是工业升级的不二之选。

参考文献：

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

[2]马颂德，张正友.计算机视觉：计算理论与算法基础[M].北京：科学出版社，1998.

[3]王娜.基于运动车辆的摄像机自动标定研究[D].北京：北京邮电大学，2019.

[4]方帅，曹洋，徐心和.一种非标定摄像机的定位新算法[J].仪器仪表学报，2005（8）：845-848.

[5]要志斌，周研，王荣军，等.激光轮廓检测技术在镁合金管大曲率热弯工艺中的应用[J].热加工工艺，2019（21）：76-79，85.

[6]周宏，蒋志勇，罗宇，等.基于高频感应技术的船体曲面弯板成型的研究[J].中国造船，2014（1）：128-135.