專利名稱：輪胎多幾何參數(shù)的激光視覺在線自動(dòng)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，將提供一種輪胎多幾何參數(shù)的在線自動(dòng)非接觸測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
輪胎的動(dòng)平衡性是考核輪胎質(zhì)量的一個(gè)重要參量。當(dāng)輪胎動(dòng)平衡狀態(tài)不好時(shí)，則向某個(gè)方向的離心力過大或過小，從而影響輪胎質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)安裝到汽車上以后極易引起運(yùn)行中爆胎，造成安全事故。我國的輪胎工業(yè)正處于產(chǎn)品更新?lián)Q代的時(shí)期，高性能的輪胎的開發(fā)剛剛起步，迫切需要加強(qiáng)產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)，控制輪胎的不平衡量。需要將檢驗(yàn)對(duì)象從配套規(guī)格擴(kuò)大到其他規(guī)格，從配套產(chǎn)品擴(kuò)大到全部產(chǎn)品。全自動(dòng)動(dòng)平衡測(cè)量機(jī)即是解決這一需求的專用關(guān)鍵設(shè)備。要對(duì)不同規(guī)格的輪胎進(jìn)行100％在線自動(dòng)動(dòng)平衡試驗(yàn)，必須能夠自動(dòng)分辨出輪胎的型號(hào)，根據(jù)輪胎幾何尺寸識(shí)別輪胎規(guī)格是一種有效的手段之一。此外，在輪胎的加工制造過程中，當(dāng)輪胎胎面擠出時(shí)，受混煉膠質(zhì)量、擠出控制參數(shù)、設(shè)備狀況的波動(dòng)等因素的影響，會(huì)引起胎面寬度、厚度的尺寸變形。如果能夠及時(shí)測(cè)量胎面寬度及厚度等變形量，及時(shí)調(diào)整加工設(shè)備，就可以避免廢品或者半成品的出現(xiàn)。因此，輪胎幾何尺寸的測(cè)量具有重要意義，它可以用于輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)中識(shí)別輪胎規(guī)格，以及在輪胎加工過程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量保證。
現(xiàn)有輪胎幾何參數(shù)測(cè)量主要有人工測(cè)量和光電測(cè)量?jī)煞N方式。人工測(cè)量效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，準(zhǔn)確度差，不能滿足100％在線檢測(cè)的需要。光電測(cè)量方式中，一種方式是將典型的激光位移傳感器根據(jù)不同的測(cè)量要求適當(dāng)組合，用于橡膠等行業(yè)的高精度的非接觸測(cè)厚、測(cè)寬、測(cè)長(zhǎng)等。如中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究研制的激光厚度、寬度測(cè)量?jī)x。另一種方式是根據(jù)遮擋原理測(cè)量被測(cè)物體尺寸，如德國米銥測(cè)試技術(shù)公司研制的optoCONTROL2500-35高響應(yīng)激光千分尺，可用于測(cè)量輪胎的幾何參數(shù)。在已有的光電測(cè)量方法中，每一套設(shè)備只能測(cè)量輪胎的一個(gè)參數(shù)，不能對(duì)輪胎的多個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，因此要測(cè)量輪胎多幾何參數(shù)，需要多套設(shè)備，設(shè)備成本高，且測(cè)量范圍受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種精度較高，測(cè)量范圍大，測(cè)量效率高，單一傳感器能夠同時(shí)測(cè)量輪胎的內(nèi)、外直徑和斷面寬度等多幾何參數(shù)的在線自動(dòng)測(cè)量方法。以減小測(cè)量設(shè)備的體積，降低測(cè)量設(shè)備的成本，改善其工程化應(yīng)用的便捷性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種輪胎幾何參數(shù)的在線自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，測(cè)量過程分標(biāo)定和測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段，進(jìn)行一次標(biāo)定后可連續(xù)測(cè)量，具體步驟如下1標(biāo)定階段1.1、在測(cè)量工位放置輪胎模型，它是加工制造的圓形實(shí)體，下表面為一平面，中心有一直徑為5～50mm的圓孔，使用自動(dòng)定中機(jī)構(gòu)將輪胎模型定中；1.2、在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)安裝激光視覺傳感器，打開傳感器電源，調(diào)整傳感器的位置，使得傳感器投射出的光平面與基準(zhǔn)平面垂直，且通過模型輪胎的中心，將視覺傳感器固定好；1.3、拍攝輪胎模型的圖像，自動(dòng)提取輪胎中心的圖像坐標(biāo)，以及投射到輪胎模型上表面的光條，使用圖像處理算法，光條中心提取算法，提取光條中心，并擬合直線，作為基準(zhǔn)直線，然后從測(cè)量工位移走輪胎模型；1.4、設(shè)定靶標(biāo)，靶標(biāo)為一個(gè)二維平面，靶面上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)平面上布滿黑白相間的棋盤格，黑白方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，黑方塊與白方塊公有的頂點(diǎn)稱為格點(diǎn)，選取靶面上格點(diǎn)作為標(biāo)定特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的數(shù)量為16～400個(gè)；B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；1.5、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)平面靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，要求平面靶標(biāo)的黑色方塊包含在圖像內(nèi)；1.6、提取所有標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并將其和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)用來標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)；1.7、放置三維立體標(biāo)定靶標(biāo)，該標(biāo)定靶標(biāo)由兩個(gè)相互垂直的平面組成，每個(gè)平面上有兩列兩行凸起黑色方塊，每行中方塊數(shù)量為2～50個(gè)，方塊間距為10～100mm，精度為(0.01～0.1)mm，每個(gè)方塊頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；1.8、拍攝一幅三維靶標(biāo)圖像，要求光條能夠橫向通過靶標(biāo)的一行黑色方塊上，并且圖像包括靶標(biāo)的所有黑色方塊在內(nèi)；1.9、提取光條和所有黑色方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，計(jì)算標(biāo)定特征點(diǎn)即光條擬合直線與同一列黑色方塊頂點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，利用交比不變?cè)恚?jì)算標(biāo)定特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)；1.10、利用求出的標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，標(biāo)定激光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；1.11、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪胎定位中心和基準(zhǔn)直線參數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量階段調(diào)用；2、測(cè)量階段2.1、由輪胎傳送機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)運(yùn)輸?shù)綔y(cè)量工位，輪胎定中機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)定中；2.2、拍攝輪胎的圖像；2.3、提取投射到輪胎表面上光條的中心特征線，自動(dòng)提取輪胎的投影主特征曲線以及關(guān)鍵特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，將其轉(zhuǎn)換為歸一化圖像坐標(biāo)；2.4、根據(jù)傳感器測(cè)量模型，計(jì)算出輪胎的幾何尺寸即輪胎內(nèi)、外直徑和斷面寬度，顯示測(cè)量結(jié)果。
2.5、重復(fù)2.1～2.4，進(jìn)行新的輪胎測(cè)量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是第一、實(shí)現(xiàn)了單傳感器一次測(cè)量輪胎多幾何參數(shù)，避免采用多套設(shè)備測(cè)量輪胎的多幾何參數(shù)；第二、測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度較高、測(cè)量效率高、測(cè)量范圍大，能對(duì)不同規(guī)格的輪胎進(jìn)行測(cè)量；第三、測(cè)量設(shè)備自動(dòng)化程度高，測(cè)量過程簡(jiǎn)單。


圖1是輪胎多幾何參數(shù)激光視覺測(cè)量原理示意圖。圖1中，1是被測(cè)輪胎，2是輪胎外徑特征點(diǎn)，3是輪胎內(nèi)徑特征點(diǎn)，4是投影特征線，5是激光視覺傳感器，6是基準(zhǔn)直線，7是輪胎定位中心，8是投射光平面。
圖2是激光視覺傳感器數(shù)學(xué)模型。圖2中，9是光平面，10是激光投射器，11是圖像平面。
圖3是激光視覺傳感器標(biāo)定原理示意圖。
圖4是標(biāo)定輪胎定位中心及基準(zhǔn)直線示意圖。圖4中，12是基準(zhǔn)直線，13是輪胎定位中心，14是輪胎模型。
圖5是平面標(biāo)定靶標(biāo)示意圖。
圖6是三維立體標(biāo)定靶標(biāo)示意圖。圖6中，15是標(biāo)定靶標(biāo)，16是投射激光光條。
圖7是多步法提取輪胎測(cè)量特征信號(hào)原理圖。圖7中，17是輪胎外徑特征點(diǎn)，18是輪胎內(nèi)徑特征點(diǎn)，19是投影主特征曲線，20是輪胎定位中心。
圖8是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的激光視覺傳感器實(shí)物圖。圖8中，21是傳感器電源線、輸出信號(hào)接口端子，22是CCD攝像機(jī)視窗，23是傳感器安裝機(jī)構(gòu)，24是傳感器殼體，25是激光投射器窗口。
圖9是測(cè)量狀態(tài)下獲取的輪胎圖像。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明將現(xiàn)代激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)相結(jié)合，首次使用單傳感器實(shí)現(xiàn)輪胎多幾何參數(shù)的同時(shí)在線自動(dòng)測(cè)量。其基本原理為光學(xué)三角法。如圖1所示，激光投射器投射出一光平面8，光平面被輪胎1表面截得變形特征線4，利用CCD攝像機(jī)獲取這些變形特征線的圖像，經(jīng)處理得到“亞像素”精度的特征線圖像坐標(biāo)，如果已知激光視覺傳感器的模型參數(shù)便可以由光學(xué)三角法獲得輪胎表面輪廓的三維信息，根據(jù)輪胎表面輪廓的關(guān)鍵特征點(diǎn)的三維信息，就可以計(jì)算出輪胎的多個(gè)幾何尺寸參數(shù)。首先由輪胎定中機(jī)構(gòu)保證輪胎定位在基準(zhǔn)平面上的固定中心位置7，通過激光視覺傳感器內(nèi)部的調(diào)整裝置和傳感器調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整投射出的光平面8，使得光平面垂直于輪胎定位基準(zhǔn)面并通過輪胎的定位中心7，因此對(duì)于不同規(guī)格的輪胎，光平面都能通過輪胎的直徑方向，且由胎冠(即輪胎最高點(diǎn))到定位基準(zhǔn)面的垂直距離即為輪胎斷面寬度，因此在傳感器測(cè)量坐標(biāo)系中，求出通過輪胎定位中心的基準(zhǔn)直線以及胎冠坐標(biāo)，就可以直接計(jì)算輪胎斷面寬度。求出輪胎表面關(guān)鍵特征點(diǎn)2的圖像坐標(biāo)和點(diǎn)3的圖像坐標(biāo)，在傳感器坐標(biāo)系內(nèi)將兩個(gè)特征點(diǎn)投影到基準(zhǔn)直線上，并求出投影點(diǎn)到輪胎定位中心的距離后，就可以計(jì)算出輪胎的內(nèi)外直徑。
激光視覺傳感器的數(shù)學(xué)模型。
由CCD攝像機(jī)和激光投射器組成的激光視覺傳感器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。攝像機(jī)三維坐標(biāo)系為ocxcyczc，圖像坐平面11坐標(biāo)系為OXY。在光平面9上以一點(diǎn)os為原點(diǎn)，建立傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系osxsyszs，其中光平面osxsys在測(cè)量參考坐標(biāo)系下的方程為zs＝0 (1)設(shè)光平面上任意一點(diǎn)P在傳感器測(cè)量坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為p~s=(xs,ys,zs,1)T,]]>在圖像平面上的透視投影點(diǎn)為p，p的齊次坐標(biāo)為p~l=(xl,yl,1)T,]]>相應(yīng)的歸一化坐標(biāo)為p~n=(xn,yn,1)T.]]>攝像機(jī)的透視投影模型可以表為ρp~l=[R|T]p~s,ρ≠0----(2)]]>λp~n=A-1p~l,λ≠0----(3)]]>其中A=fx0u00fyv0001]]>R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9,]]>T=txtytz.]]>A為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，(fx，fy)為攝像機(jī)在x、y方向上的有效焦距，(u0，v0)為攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)。R為3×3單位正交旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矢量。R和T表示了攝像機(jī)三維坐標(biāo)系和傳感器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相互位置關(guān)系。
由公式(1)～(3)可得，圖像平面坐標(biāo)系與測(cè)量參考坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為λxnyn1=r1r2txr4r5tyr7r8tzxsys1=Hxsys1----(4)]]>上式表明光平面與圖像平面之間的關(guān)系可以通過一個(gè)3×3矩陣表示。如果H的前兩列滿足正交條件，則公式(3)和(4)構(gòu)成了歐式空間上的激光視覺傳感器的完整的數(shù)學(xué)模型。如果已知攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，由(3)式求出歸一化圖像坐標(biāo)，根據(jù)公式(4)就可以得到光平面上點(diǎn)的空間測(cè)量坐標(biāo)。
根據(jù)激光視覺傳感器的數(shù)學(xué)模型和本發(fā)明的測(cè)量原理，輪胎尺寸的非接觸測(cè)量分為兩個(gè)階段測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定和根據(jù)模型進(jìn)行測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段。
測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定具體步驟如下激光視覺傳感器的模型參數(shù)包括攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)(焦距、主點(diǎn)等)以及激光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(即攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于激光光源坐標(biāo)系的位置和方向)，共13個(gè)參數(shù)。除了激光視覺傳感器的模型參數(shù)外，輪胎定位中心坐標(biāo)、以及基準(zhǔn)直線等參數(shù)也需要標(biāo)定。
1、在測(cè)量工位設(shè)定輪胎模型，輪胎模型為圓柱形鋁制實(shí)體，如圖4所示，上下兩個(gè)端面為一平面，厚度為50～100mm，直徑400～800mm，在中心有一直徑為5～50mm的圓孔。使用自動(dòng)定中機(jī)構(gòu)將輪胎模型14定中，此時(shí)，輪胎模型的上端面為基準(zhǔn)平面，輪胎模型圓孔的中心為輪胎定位中心13，用(cx，cy)表示。投影到輪胎上端面的光條的中心直線為基準(zhǔn)直線12，其參數(shù)方程表示為ax+by+cw＝0，其中(x，y，w)為構(gòu)成直線的特征點(diǎn)的齊次坐標(biāo)表示形式，(a，b，c)為基準(zhǔn)直線的參數(shù)方程。
2、在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)安裝激光視覺傳感器，打開傳感器電源，調(diào)整傳感器的位置，使得傳感器投射出的光平面與基準(zhǔn)平面垂直，且通過輪胎定位中心。將視覺傳感器固定好；3、采集一幅輪胎模型的圖像，采用相關(guān)算法自動(dòng)提取輪胎定位中心的圖像(cx，cy)坐標(biāo)以及提取投射到輪胎模型上表面的光條中心擬合基準(zhǔn)直線，并將輪胎定位中心的圖像(cx，cy)坐標(biāo)以及直線參數(shù)(a，b，c)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。定位中心的自動(dòng)“亞像素”提取算法參見周富強(qiáng)著《雙目立體視覺檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，2002。光條中心提取算法參見Carsten Steger的文章“一種對(duì)稱曲線結(jié)構(gòu)探測(cè)器”[An Unbiased Detector of Curvilinear Structures]，IEEE期刊《模式分析及機(jī)器智能》，20(2)，第113～125頁，1998年。[IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，20(2)，F(xiàn)ebruary 1998]。
4、設(shè)定靶標(biāo)，靶標(biāo)為一個(gè)二維平面，靶面上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)平面上布滿黑白相間的棋盤格，黑白方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，黑方塊與白方塊公有的頂點(diǎn)稱為格點(diǎn)。選取靶面上格點(diǎn)作為標(biāo)定特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的數(shù)量為16～400個(gè)。
B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)。
5、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)平面靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，要求平面靶標(biāo)的黑色方塊包含在圖像內(nèi)。
6、自動(dòng)提取所有標(biāo)定攝像機(jī)的特征點(diǎn)的“亞像素”圖像坐標(biāo)，并利用標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)來標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。特征點(diǎn)坐標(biāo)提取算法和標(biāo)定算法參見周富強(qiáng)著《雙目立體視覺檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，2002。
7、放置三維立體標(biāo)定靶標(biāo)，該標(biāo)定靶標(biāo)由兩個(gè)相互垂直的平面組成，每個(gè)平面上有兩列兩行凸起黑色方塊，每行中方塊數(shù)量為2～50個(gè)，方塊間距為10～100mm，精度為(0.01～0.1)mm，每個(gè)方塊頂點(diǎn)為特征點(diǎn)。
8、拍攝一幅三維靶標(biāo)圖像并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。要求光條能夠橫向通過靶標(biāo)的一行黑色方塊上，并且圖像包括靶標(biāo)的所有黑色方塊在內(nèi)。
9、提取三維標(biāo)定靶標(biāo)每個(gè)平面上光條中心直線16和所有黑色方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，計(jì)算標(biāo)定激光視覺傳感器的特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)及世界坐標(biāo)并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。特征光條的提取算法與步驟3相同。黑色方塊頂點(diǎn)坐標(biāo)提取算法與步驟6相同。特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為光條擬合直線與同一列黑色方塊頂點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)。如圖3所示，三維坐標(biāo)系ocxcyczc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，owxwywzw為世界坐標(biāo)系，osxsyszs為測(cè)量坐標(biāo)系，平面πc為圖像平面，平面πs(osxsys)為光平面，平面πw(owxwyw)為三維靶標(biāo)的一個(gè)平面，πs與πw相交成直線Ls。由交比的定義和不變性原理，可以得到任意4個(gè)共線點(diǎn)(Ai，Qi，Bi，Ci|i＝1…n)的交比和其在圖像平面內(nèi)的投影點(diǎn)(ai，qi，bi，ci|i＝1…n)的交比保持不變，即r(Ai,Qi,Bi,Ci)=AiBiQiBi:AiCiQiCi=aibiqibi:aiciqici----(5)]]>已知Ai，Bi，Ci(即靶標(biāo)平面上的共面特征點(diǎn))的世界坐標(biāo)，通過圖像處理獲得ai，qi，bi，ci的圖像坐標(biāo)，則根據(jù)公式(5)就可以求出光平面上的特征點(diǎn)Qi的世界坐標(biāo)。采用同樣方法求出三維標(biāo)定靶標(biāo)另一個(gè)平面的標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)世界坐標(biāo)。
10、利用求出的標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，標(biāo)定激光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系為osxsyszs，其中zs軸與光平面的法向矢量一致，xs軸和ys軸位于光平面內(nèi)，測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義在所有非共線標(biāo)定特征點(diǎn)的中心 設(shè)p~s=(xsys01)T]]>為標(biāo)定特征點(diǎn)的非齊次測(cè)量坐標(biāo)，則世界坐標(biāo)到傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為p~s=Hwsp~w----(6)]]>其中Hws=Rws-Rwsp~0T1]]>表示世界坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的4×4轉(zhuǎn)換矩陣，它由3×1的平移矢量 和3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣Rws組成。
設(shè)由4個(gè)以上的非共線特征點(diǎn)擬合的光平面的單位法向矢量為n＝(n1n2n3)T，世界坐標(biāo)的Z軸方向矢量為zw＝(0 0 1)T，則將矢量n和zw對(duì)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)軸為a＝(n×zw)/‖n×zw‖，旋轉(zhuǎn)角度為＝cos-1(n·zw)＝cos-1(n3)。因此Rws由下式計(jì)算 其中I為3×3的單位正交矩陣，I×a=0-a3a2a30a1-a2a10]]>為矢量a定義的反對(duì)稱矩陣。
由步驟9計(jì)算出的三維立體標(biāo)定靶標(biāo)光平面上非共線標(biāo)定特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)，由公式(6)將其轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系下，就可以獲得標(biāo)定特征點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 由公式(3)可以得到標(biāo)定特征點(diǎn)的歸一化圖像坐標(biāo) 由激光視覺傳感器的數(shù)學(xué)模型(公式(4))，采用非線性優(yōu)化的方法求出傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。非線性優(yōu)化算法采用Levenberg-Marquardt算法，參見《最優(yōu)化理論與方法》，(袁亞湘、孫文瑜著，科學(xué)出版社，1999年)。
11、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、激光視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪胎定位中心和基準(zhǔn)直線參數(shù)保存到一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量階段調(diào)用。
測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定只進(jìn)行一次，標(biāo)定好測(cè)量系統(tǒng)后，就可以自動(dòng)測(cè)量輪胎的多幾何參數(shù)。輪胎多幾何參數(shù)的測(cè)量具體步驟如下12、由輪胎傳送機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)運(yùn)輸?shù)綔y(cè)量工位，輪胎定中機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)定中。
13、采集輪胎的圖像。
14、提取投射到輪胎表面上光條的中心特征線。自動(dòng)提取輪胎的投影主特征曲線以及關(guān)鍵特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)公式(3)，將其轉(zhuǎn)換為歸一化圖像坐標(biāo)。光條中心提取算法與步驟3相同。如圖9所示，由于受輪胎測(cè)量工位復(fù)雜背景及環(huán)境光的影響，實(shí)際獲取的輪胎圖像中存在許多與投影特征線及關(guān)鍵特征點(diǎn)類似的干擾信號(hào)，由步驟18提取的光條中心包含了其他干擾信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)輪胎尺寸的全自動(dòng)測(cè)量，必須能夠去掉這些干擾信號(hào)。另外，當(dāng)投影光條正好落入輪胎表面的花紋中時(shí)，會(huì)引起投影特征曲線的不連續(xù)。在測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定階段，能夠獲得輪胎定位中心的圖像坐標(biāo)及測(cè)量坐標(biāo)，在對(duì)不同規(guī)格的輪胎進(jìn)行測(cè)量時(shí)，定位中心始終保持不變，實(shí)際測(cè)量特征信號(hào)在獲取圖像中位于輪胎定位中心的左上方區(qū)域。因此利用輪胎的固定定位中心，采用分步提取方法來可靠地獲得輪胎的關(guān)鍵測(cè)量信號(hào)，如圖7所示。主要算法如下*在區(qū)域LROI1內(nèi)，采用光條提取算法提出包括投影光條的中心線，并將其分別連成曲線結(jié)構(gòu)。通過設(shè)定曲線長(zhǎng)度閾值(一般大于50)和角度閾值(±30°)，在所有提取的曲線結(jié)構(gòu)中，識(shí)別出投影主特征曲線19。
*以投影主特征曲線19的最右邊點(diǎn)Pn-1為頂點(diǎn)定義一個(gè)新的處理區(qū)域RROI，在區(qū)域RROI內(nèi)采用光條提取算法提取該區(qū)域的光條中心線，并以新光條中心線的最右點(diǎn)為內(nèi)直徑關(guān)鍵特征點(diǎn)18-Pin。若在該區(qū)域內(nèi)沒有找到新的光條中心線，則以投影主特征曲線的最右點(diǎn)為內(nèi)直徑關(guān)鍵特征點(diǎn)18-Pin。
*計(jì)算投影主特征曲線19的最高點(diǎn)(縱坐標(biāo)最小)與定位中心20的縱坐標(biāo)的中值ylabel，并假定投影主特征曲線19上縱坐標(biāo)最靠近ylabel的點(diǎn)為外直徑特征點(diǎn)17-Pout。若投影主特征曲線19的最左邊點(diǎn)P0的縱向坐標(biāo)小于ylabel，則以P0點(diǎn)為頂點(diǎn)定義一個(gè)新的處理區(qū)域LROI2，在區(qū)域LROI2內(nèi)采用光條提取算法提取該區(qū)域的光條中心線，并以新光條中心線上縱坐標(biāo)最靠近ylabel的點(diǎn)為外直徑特征點(diǎn)17-Pout。
15、根據(jù)傳感器測(cè)量模型，計(jì)算出輪胎的幾何尺寸(輪胎內(nèi)、外直徑和斷面寬度)，顯示結(jié)果。由公式(4)，計(jì)算出內(nèi)直徑特征點(diǎn)18-Pin、外直徑特征點(diǎn)17-Pout以及所有投影主特征曲線19上點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)。計(jì)算投影主特征曲線19上所有點(diǎn)到基準(zhǔn)直線的空間距離，選擇最大值為輪胎斷面寬度。在測(cè)量坐標(biāo)系下，將內(nèi)直徑特征點(diǎn)投影到基準(zhǔn)直線上，并計(jì)算投影點(diǎn)到定位中心的距離，即為輪胎的內(nèi)半徑。在測(cè)量坐標(biāo)系下，將外直徑特征點(diǎn)投影到基準(zhǔn)直線上，并計(jì)算投影點(diǎn)到定位中心的距離，即為輪胎的外半徑。
16、重復(fù)12～15，進(jìn)行新的輪胎測(cè)量。
實(shí)施例實(shí)際設(shè)計(jì)的激光視覺傳感器的實(shí)物如圖8所示。圖8中，21是傳感器電源線、輸出信號(hào)接口端子，22是CCD攝像機(jī)視窗，23是傳感器安裝機(jī)構(gòu)，24是傳感器殼體，25是激光投射器窗口。
按照上面敘述的步驟，利用圖4所示的輪胎模型、圖5所示的平面標(biāo)定靶標(biāo)以及圖6所示的三維立體標(biāo)定靶標(biāo)、CCD攝像機(jī)、激光視覺傳感器和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。獲得的測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)A=952.5960393.3910949.901309.320001pixel]]>傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)H=0.926475-0.311043-47.213-0.301995-0.278446-177.155-0.224591-0.908691882.040]]>輪胎基準(zhǔn)直線參數(shù)為(a，b，c)＝(169.432047，278.500496，108216.664203)輪胎定位中心的圖像坐標(biāo)為(cx，cy)＝(368.423，318.054)pixel標(biāo)定的視覺傳感器測(cè)量物體空間兩點(diǎn)距離的RMS誤差為ERMS＝0.135mm。
采用該發(fā)明在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)型號(hào)R12、R13、R14和R16等不同規(guī)格輪胎進(jìn)行了5次測(cè)量，圖9為測(cè)量狀態(tài)下獲取的輪胎圖像之一。同時(shí)采用鋼卷尺對(duì)實(shí)際輪胎的尺寸進(jìn)行了手工測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表所示。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)輪胎內(nèi)徑(in) 輪胎外徑(cm) 輪胎斷面寬(cm)型激光測(cè)量卷尺測(cè) 激光測(cè)量 卷尺測(cè)激光測(cè)量 卷尺測(cè)號(hào)(5次平均) 量 (5次平均) 量(5次平均) 量R1211.93 11.8850.7350.8 14.78 14.6R1313.12 13.1856.2756.20 16.27 16.1
R1413.9713.9764.5964.8 19.3119.1R1616.0115.9561.8662.0023.4923.3輪胎斷面寬度，輪胎外徑，輪胎內(nèi)徑的激光視覺非接觸測(cè)量重復(fù)性精度小于±0.8mm，與手工測(cè)量差值小于±2.5mm。
傳感器實(shí)際達(dá)到的其它測(cè)量指標(biāo)為*在PIII(CPU 1G，內(nèi)存128Mhz)的計(jì)算機(jī)上單次測(cè)量測(cè)量時(shí)間小于200ms。
*傳感器的測(cè)量最大輪胎規(guī)格為輪胎內(nèi)徑最大為600mm；輪胎外徑最大為1000mm；輪胎斷面寬度最大為800mm。
權(quán)利要求
1.一種輪胎幾何參數(shù)的在線自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，測(cè)量過程分標(biāo)定和測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段，進(jìn)行一次標(biāo)定后可連續(xù)測(cè)量，具體步驟如下1.1標(biāo)定階段1.1.1、在測(cè)量工位放置輪胎模型，它是加工制造的圓形實(shí)體，下表面為一平面，中心有一直徑為5～50mm的圓孔，使用自動(dòng)定中機(jī)構(gòu)將輪胎模型定中；1.1.2、在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)安裝激光視覺傳感器，打開傳感器電源，調(diào)整傳感器的位置，使得傳感器投射出的光平面與基準(zhǔn)平面垂直，且通過模型輪胎的中心，將視覺傳感器固定好；1.1.3、拍攝輪胎模型的圖像，自動(dòng)提取輪胎中心的圖像坐標(biāo)，以及投射到輪胎模型上表面的光條，使用圖像處理算法，光條中心提取算法，提取光條中心，并擬合直線，作為基準(zhǔn)直線，然后從測(cè)量工位移走輪胎模型；1.1.4、設(shè)定靶標(biāo)，靶標(biāo)為一個(gè)二維平面，靶面上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)平面上布滿黑白相間的棋盤格，黑白方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，黑方塊與白方塊公有的頂點(diǎn)稱為格點(diǎn)，選取靶面上格點(diǎn)作為標(biāo)定特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的數(shù)量為16～400個(gè)；B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；1.1.5、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)平面靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，要求平面靶標(biāo)的黑色方塊包含在圖像內(nèi)；1.1.6、提取標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并將其和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)用來標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)；1.1.7、放置三維立體標(biāo)定靶標(biāo)，該標(biāo)定靶標(biāo)由兩個(gè)相互垂直的平面組成，每個(gè)平面上有兩列兩行凸起黑色方塊，每行中方塊數(shù)量為2～50個(gè)，方塊間距為10～100mm，精度為(0.01～0.1)mm，每個(gè)方塊頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；1.1.8、拍攝一幅三維靶標(biāo)圖像，要求光條能夠橫向通過靶標(biāo)的一行黑色方塊上，并且圖像包括靶標(biāo)的所有黑色方塊在內(nèi)；1.1.9、提取光條和所有黑色方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，計(jì)算標(biāo)定特征點(diǎn)即光條擬合直線與同一列黑色方塊頂點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，利用交比不變?cè)恚?jì)算標(biāo)定特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)；1.1.10、利用求出的標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，標(biāo)定激光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；1.1.11、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪胎定位中心和基準(zhǔn)直線參數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量階段調(diào)用；1.2、測(cè)量階段1.2.1、由輪胎傳送機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)運(yùn)輸?shù)綔y(cè)量工位，輪胎定中機(jī)構(gòu)將被測(cè)輪胎自動(dòng)定中；1.2.2、拍攝輪胎的圖像；1.2.3、提取投射到輪胎表面上光條的中心特征線，自動(dòng)提取輪胎的投影主特征曲線以及關(guān)鍵特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，將其轉(zhuǎn)換為歸一化圖像坐標(biāo)；1.2.4、根據(jù)傳感器測(cè)量模型，計(jì)算出輪胎的幾何尺寸即輪胎內(nèi)、外直徑和斷面寬度，顯示測(cè)量結(jié)果。1.2.5、重復(fù)1.2.1～1.2.4，進(jìn)行新的輪胎測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，將提供一種輪胎多幾何參數(shù)的在線自動(dòng)非接觸測(cè)量方法。本發(fā)明向輪胎投射激光光平面，利用CCD攝像機(jī)獲取變形特征線的圖像，根據(jù)輪胎表面輪廊的關(guān)鍵特征點(diǎn)的三維信息，計(jì)算出輪胎的多個(gè)幾何尺寸參數(shù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了單傳感器一次測(cè)量輪胎多幾何參數(shù)；測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度較高、測(cè)量效率高、測(cè)量范圍大，能對(duì)不同規(guī)格的輪胎進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量設(shè)備自動(dòng)化程度高，測(cè)量過程簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H04N5/225GK1566903SQ0314265
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月11日
發(fā)明者周富強(qiáng), 張廣軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)