基于视觉跟踪的车体自动化测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及轨道客车车体测量技术领域，具体涉及一种基于视觉跟踪的车体自动化测量装置及其测量方法。

背景技术

目前，轨道客车车体几何尺寸测量是采用人工利用卷尺测量的方法，测量精度差，效率低，测量数据无法自动生成电子文件，需要人工录入计算机才能生成电子文件，制约了轨道车辆技术发展。工业摄影测量方法采用近景摄影测量技术，测量时需要在被测工件上贴标记点，不适合自动化测量，而且摄影测量数据是稀疏的点云数据，不适用于轨道客车车体车辆。

基于机器人末端夹持双目视觉测量设备的方法，由于机器人关节运动误差的原因，灵活有余，精度不足，难以适用对测量精度有需求的大构件测量场合。

激光跟踪仪跟踪机器人末端夹持的双目视觉测量设备的方法，可以达到较好的测量精度，满足铝合金车体的测量需求，但开发和维护成本较高。

发明内容

为了解决现有技术存在的测量精度差、效率低、成本高的技术问题，本发明提供一种基于视觉跟踪的车体自动化测量装置及其测量方法，实现较低成本的自动化精密测量，测量数据自动存储并能生成电子检测报告。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于视觉跟踪的车体自动化测量装置，其包括高精度双目视觉测量系统、导轨移动控制系统、摄影测量相机跟踪系统和机器人，所述高精度双目视觉测量系统用于采集车体上600mm×800mm范围内的高精度点云和高分辨率图像数据；所述导轨移动控制系统位于车体的侧面，其用于精确控制所述机器人沿车体纵向的行程；所述机器人安装在导轨移动控制系统的导轨上，机器人用于夹持所述高精度双目视觉测量系统并控制其移动到不同位置进行测量，扩展高精度双目视觉测量系统的扫描视野；所述摄影测量相机跟踪系统安装在车体上方，其用于建立全局测量控制网络，并实时跟踪机器人末端夹持的高精度双目视觉测量系统在测量坐标系中的位置，使机器人的各测量站位合并到一个坐标系下，进而实现大量点云的拼接。

上述摄影测量相机跟踪系统包括：两个工业相机、伺服模组、闪光灯、贴在所述高精度双目视觉测量系统的双目视觉扫描仪上的靶标、地面上的靶标和计算机；伺服模组用于带动两个工业相机移动，扩大监控的范围；闪光灯用于点亮靶标，提高靶标的识别精度；贴在所述高精度双目视觉测量系统的双目视觉扫描仪上的靶标用于建立两个工业相机和双目视觉扫描仪之间的空间关系，地面上的靶标用于确定固定不动的世界坐标系，实时定位伺服模组上的两个工业相机在世界坐标系中的位置；计算机内的跟踪计算软件控制两个工业相机和伺服模组采集位置数据，确定贴在双目视觉扫描仪上的靶标在世界坐标系中的位置。

基于视觉跟踪的车体自动化测量装置的测量方法，其包括如下步骤：

步骤一、导轨移动控制系统精确控制机器人沿导轨行走，每到一个测量站位，导轨移动控制系统的走行系统停止，机器人通过夹持的高精度双目视觉测量系统对车体进行测量，实现对车体的完整性覆盖测量，并使相邻测量区域之间有部分重合；

步骤二、摄影测量相机跟踪系统跟踪机器人夹持的高精度双目视觉测量系统，记录每个站位的高精度双目视觉测量系统在摄影测量相机跟踪系统下的坐标；

步骤三、机器人运动过程中，高精度双目视觉测量系统会采集机器人每个姿态下车体表面的三维形貌数据；

步骤四、车体表面的三维形貌数据采集完毕后，通过摄影测量相机跟踪系统采集高精度双目视觉测量系统在各站位的空间位置数据，将各站位的测量数据统一到同一个摄影测量世界坐标系下，摄影测量相机跟踪系统的跟踪计算软件将采集到的数据进行数据拼接，将所有测量位置的点云拼接为一个完整的车体表面三维点云；

步骤五、跟踪计算软件根据车体设置的不同感兴趣区域切割出车体边缘和窗户边缘的点云，然后对这些点云进行拟合，即可得到直线段，再根据直线段的尺寸，计算出车体的长度、宽度、窗口的尺寸，并生成测量报告。

本发明的有益效果是：本发明通过高精度双目视觉测量系统采集车体上600mm×800mm范围内的高精度点云和高分辨率图像数据，导轨移动控制系统精确控制机器人沿车体纵向的行程，机器人夹持高精度双目视觉测量系统并控制其移动到不同位置进行测量，扩展高精度双目视觉测量系统的扫描视野，摄影测量相机跟踪系统建立全局测量控制网络，并实时跟踪机器人末端夹持的高精度双目视觉测量系统在测量坐标系中的位置，使机器人的各测量站位合并到一个坐标系下实现大量点云的拼接。本发明保证了测量区域的适当重合与车体表面数据的完整性覆盖，测量后的数据拼接使用摄影测量相机跟踪系统的跟踪数据，而不是使用机器人的空间关节数据，有效避免了机器人关节误差对测量精度的影响。本发明实现了较低成本的自动化精密测量，测量数据自动存储并能生成电子检测报告。

附图说明

图1是本发明基于视觉跟踪的车体自动化测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于视觉跟踪的车体自动化测量装置包括：高精度双目视觉测量系统1、导轨移动控制系统2、摄影测量相机跟踪系统3和机器人4，机器人4可以采用ABB机器人IRB 6700-150/3.2；所述高精度双目视觉测量系统用于采集车体5上600mm×800mm范围内的高精度点云和高分辨率图像数据；所述导轨移动控制系统2位于车体5的侧面，其用于精确控制所述机器人4沿车体5纵向的行程；所述机器人4安装在导轨移动控制系统2的导轨上，机器人4用于夹持所述高精度双目视觉测量系统1并控制其移动到不同位置进行测量，扩展高精度双目视觉测量系统1的扫描视野；所述摄影测量相机跟踪系统3安装在车体5上方，其用于建立全局测量控制网络，并实时跟踪机器人4末端夹持的高精度双目视觉测量系统1在测量坐标系中的位置，使机器人4的各测量站位合并到一个坐标系下，进而实现大量点云的拼接。

上述摄影测量相机跟踪系统3包括：两个工业相机、伺服模组、闪光灯、贴在所述高精度双目视觉测量系统1的双目视觉扫描仪上的靶标、地面上的靶标和计算机；伺服模组用于带动两个工业相机移动，扩大监控的范围；闪光灯用于点亮靶标，提高靶标的识别精度；贴在所述高精度双目视觉测量系统1的双目视觉扫描仪上的靶标用于建立两个工业相机和双目视觉扫描仪之间的空间关系，地面上的靶标用于确定固定不动的世界坐标系，实时定位伺服模组上的两个工业相机在世界坐标系中的位置；计算机内的跟踪计算软件控制两个工业相机和伺服模组采集位置数据，确定贴在双目视觉扫描仪上的靶标在世界坐标系中的位置。

上述伺服模组在位置1时，两个工业相机拍摄地面上的靶标，跟踪计算软件计算出地面上各个靶标的编号在两个工业相机中的三维坐标X1；伺服模组在位置2时，两个工业相机拍摄地面上的靶标，跟踪计算软件计算出地面各个靶标的编号在两个工业相机中的三维坐标X2，根据同名的靶标坐标计算出伺服模组在位置1和位置2时两个工业相机之间的空间变换关系M12；伺服模组在位置3时，两个工业相机拍摄地面上的靶标，跟踪计算软件计算出地面各个靶标的编号在两个工业相机中的三维坐标X3，根据同名的靶标坐标计算出伺服模组在位置2和位置3时两个工业相机之间的空间变换关系M23；以此类推即可计算出所有检测位置之间的空间变换关系。

本发明基于视觉跟踪的车体自动化测量方法包括如下步骤：

步骤一、导轨移动控制系统2精确控制机器人4沿导轨行走，每到一个测量站位，导轨移动控制系统2的走行系统停止，机器人4通过夹持的高精度双目视觉测量系统1对车体5进行测量，实现对车体5的完整性覆盖测量，并使相邻测量区域之间有部分重合；

步骤二、摄影测量相机跟踪系统3跟踪机器人4夹持的高精度双目视觉测量系统1，记录每个站位的高精度双目视觉测量系统1在摄影测量相机跟踪系统3下的坐标；

步骤三、机器人4运动过程中，高精度双目视觉测量系统1会采集机器人4每个姿态下车体表面的三维形貌数据；

步骤四、车体表面的三维形貌数据采集完毕后，通过摄影测量相机跟踪系统3采集高精度双目视觉测量系统1在各站位的空间位置数据，将各站位的测量数据统一到同一个摄影测量世界坐标系下，摄影测量相机跟踪系统3的跟踪计算软件将采集到的数据进行数据拼接，将所有测量位置的点云拼接为一个完整的车体表面三维点云；

上述通过摄影测量相机跟踪系统3采集高精度双目视觉测量系统1在各站位的空间位置数据，将各站位的测量数据统一到同一个摄影测量世界坐标系下的过程如下：

摄影测量相机跟踪系统3的伺服模组在位置1时，机器人4夹持高精度双目视觉测量系统1的双目视觉扫描仪进行测量，此时，摄影测量相机跟踪系统3的跟踪计算软件计算出贴在双目视觉扫描仪上的靶标与摄影测量世界坐标系之间的空间变换关系K1；当机器人每移动位置i时，i为大于零的自然数，计算出空间变换关系Ki，双目视觉扫描仪测量的点云为Si，根据P1＝Ki×Si将点云变换到共同的摄影测量世界坐标系中；

摄影测量相机跟踪系统3的伺服模组在位置2时，机器人夹持高精度双目视觉测量系统1的双目视觉扫描仪进行测量，此时，摄影测量相机跟踪系统3的跟踪计算软件计算出贴在双目视觉扫描仪上的靶标与摄影测量世界坐标系之间的空间变换关系K2；当机器人每移动位置j时，j为大于零的自然数，计算出空间变换关系Kj，双目视觉扫描仪测量的点云为Sj，根据P2＝Kj×Sj将点云变换到共同的摄影测量世界坐标系中；

根据伺服模组在位置1和位置2时摄影测量相机跟踪系统的两个工业相机之间的空间变换关系M12，将伺服模组在位置2时测量的点云变换到伺服模组在位置1时的坐标系中，实现多个位置的点云统一；

步骤五、跟踪计算软件根据车体5设置的不同感兴趣区域切割出车体边缘和窗户边缘的点云，然后对这些点云进行拟合，即可得到直线段，再根据直线段的尺寸，计算出车体5的长度、宽度、窗口的尺寸，并生成测量报告。