趙猛，王直

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

大型曲面板的高精度快速測(cè)量及定位自動(dòng)化，不僅是目前船舶建造所急需的，也是未來船舶建造測(cè)量裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的研究方法對(duì)板子加工后位移大小的計(jì)算測(cè)量精度都不高，關(guān)鍵原因是在板子上標(biāo)記具有難度。長(zhǎng)期以來，對(duì)于船體雙曲度外板的加工，國內(nèi)外造船廠都是依靠有經(jīng)驗(yàn)的工人采用水火彎板的方法手工作業(yè)完成。船體外板曲面的成型加工是船舶制造的關(guān)鍵及重要環(huán)節(jié)之一。各種船舶的外表面大多都是由復(fù)雜的、不可展的空間曲面構(gòu)成，把鋼板加工成這樣的曲面，目前在國內(nèi)外大部分船廠主要還是采用燃?xì)饣鹧嬖阡摪灞砻婢植窟M(jìn)行加熱，當(dāng)加熱區(qū)達(dá)到一定溫度后再降溫，利用金屬的熱彈塑性收縮變形原理，以獲得良好的整體變形，這就是所說的水火彎板工藝[1]。

1 曲面板測(cè)量、定位系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與原理

1.1 整體架構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要是由服務(wù)器、工控機(jī)、工業(yè)照相機(jī)、激光掃描機(jī)以及傳輸信號(hào)的數(shù)據(jù)線組成的如圖1所示。

服務(wù)器主要是接受處理伺服控制器的控制信號(hào)，通過伺服控制器來控制激光掃描機(jī)跟工業(yè)攝像機(jī)，對(duì)曲面板立體拍照、測(cè)量，通過嵌入式計(jì)算機(jī)收集反饋來的控制信號(hào)通過比較相機(jī)跟激光掃描機(jī)的來準(zhǔn)確的定位劃線裝置的位移。

圖1 整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall chart

1.2 相機(jī)成像原理

該測(cè)量系統(tǒng)采用了4臺(tái)高分辨率家用單反相機(jī)、以及一個(gè)高精度激光測(cè)量裝置，系統(tǒng)將激光與照相相結(jié)合進(jìn)行測(cè)量。目前該系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地測(cè)量曲面板的三維形狀，測(cè)量精度可以達(dá)到±2 mm。根據(jù)物理學(xué)中光學(xué)的原理攝像機(jī)成像模型如圖2所示[2]。

圖2 攝像機(jī)成像模型Fig.2 Camera imaging model

三維空間坐標(biāo)系的構(gòu)成為O1，X1Y1，Z1；筆者把攝像機(jī)的坐標(biāo)系定義成為 O，X，Y，Z；把平面二維坐標(biāo)系定義為 Os，Xs，Ys；Xs=fx/ηxz，Ys=fy/ηyz （1）

其中：f是攝像機(jī)的焦距；x，y方向的成像比例因子是ηx，ηy。 假設(shè) H=z，X=fx/ηx，Y=fy/ηyz，則式（1）可用下矩陣形式來表示

所以可由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用下面的矩陣表示

由（2）和（3）可推出

式中：xs=X/H；ys=Y/H。

式（4）為三維空間坐標(biāo)系跟平面二維坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，把Cij的值定為空間三維點(diǎn)和二維圖像點(diǎn)之間的變換關(guān)系。

1.3 劃線機(jī)的工作過程

激光劃線機(jī)通過嵌入式計(jì)算機(jī)控制一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器然后帶動(dòng)一個(gè)激光器在鋼板上面沿設(shè)定的路線劃線如圖3所示。

圖3 激光劃線機(jī)定位示意圖Fig.3 Laser scribing machine location sketch map

2 構(gòu)建測(cè)量機(jī)構(gòu)

2.1 具體方法

測(cè)量范圍為12 m長(zhǎng)×8 m寬×2 m高的曲面板，需采用多組照相測(cè)量設(shè)備以保證測(cè)量精度。每組測(cè)量設(shè)備由4臺(tái)高分辨率相機(jī)和一臺(tái)高分辨率工業(yè)投影儀組成。每組的測(cè)量范圍為4 m長(zhǎng)×3 m寬，共需要8組照相機(jī)（32臺(tái)）來構(gòu)建測(cè)量機(jī)構(gòu)（照相機(jī)測(cè)量裝置如圖4所示）。為了完成三維曲面板全方位的測(cè)量，需研制激光自動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)。為了保證激光的高精度定位、測(cè)量，文中擬采用2臺(tái)高精度的全自動(dòng)激光測(cè)量裝置（如圖5所示檢測(cè)機(jī)構(gòu)）。

圖4 照相機(jī)測(cè)量裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring device for camera

圖5 激光測(cè)量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser measuring device

文中的照相測(cè)量機(jī)構(gòu)固定在一個(gè)長(zhǎng)方形的背板上，需在兩兩相機(jī)之間進(jìn)行幾何標(biāo)定。相機(jī)拍攝的圖像由USB線傳輸?shù)揭慌_(tái)代理工控機(jī)上，工控機(jī)只負(fù)責(zé)圖像與激光數(shù)據(jù)采集與傳輸工作，當(dāng)工控機(jī)獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)之后，便將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥苓M(jìn)行存儲(chǔ)和分析的高性能服務(wù)器中，然后利用機(jī)器視覺算法測(cè)量曲面板動(dòng)態(tài)三維形狀[3]，具體做法是：

1）利用棋盤格標(biāo)定方法，對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，精確地測(cè)量出每個(gè)相機(jī)的內(nèi)參（CCD的形變、焦距等）和相機(jī)之間的外參（2個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量），以及畸變系數(shù)。標(biāo)定的精度對(duì)測(cè)量的精度有很大的影響，所以棋盤格的大小要均勻，尺寸要精確。

2）在鋼板表面涂上特殊的化學(xué)材料，利用自動(dòng)激光標(biāo)線機(jī)在鋼板上劃基準(zhǔn)線與安裝線，這些特殊的化學(xué)材料在激光照射后會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)顏色變化。

3）利用激光測(cè)量設(shè)備，測(cè)量鋼板上若干個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，為了保證激光測(cè)量的精確性，這些關(guān)鍵點(diǎn)需要貼上特殊的標(biāo)記。

4）利用相機(jī)的SDK（軟件開發(fā)工具包）開發(fā)相機(jī)的控制程序，通過控制程序控制標(biāo)定的相機(jī)同步拍攝鋼板圖像，并將圖像實(shí)時(shí)地傳輸?shù)椒?wù)器中。

5）在服務(wù)器上，采用邊緣檢測(cè)算法在圖像中檢測(cè)出需要測(cè)量的部位，找到被測(cè)鋼板的邊界。

6）采用圖像特征提取算法測(cè)量貼上標(biāo)記關(guān)鍵數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)，并且對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)在DOG（Difference of Gaussians，高斯差分）空間進(jìn)行拋物面擬合，得到關(guān)鍵特征點(diǎn)的精確的像素位置，并計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的特征描述符[4]。

7）根據(jù)局部特征點(diǎn)的特征描述符、多個(gè)相機(jī)之間的極線約束關(guān)系、以及規(guī)則投影的約束找到部分正確匹配的特征點(diǎn)，采用多視幾何的理論求解出正確的特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的三維空間坐標(biāo)；過濾噪聲點(diǎn)，保留正確的三維數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)。

8）將激光測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)與相機(jī)測(cè)量到的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，求解出激光測(cè)量與相機(jī)測(cè)量之間的非線性誤差函數(shù)，用于校準(zhǔn)照相測(cè)量[5]。

9）利用圖像線段檢測(cè)算法提取鋼板上的基準(zhǔn)線與安裝線，并根據(jù)兩兩相機(jī)圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量出其對(duì)應(yīng)的三維曲線。

2.2 建立激光測(cè)量與照相測(cè)量關(guān)系模型

在測(cè)量時(shí)，因?yàn)榧す鉁y(cè)量較慢，所以只使用激光測(cè)量曲面板上部分重要的關(guān)鍵點(diǎn)。激光測(cè)量的數(shù)據(jù)是非常精確的。而照相測(cè)量往往無法得到十分精確的測(cè)量數(shù)據(jù)[6]。假設(shè)在照相測(cè)量結(jié)果與激光測(cè)量結(jié)果之間，存在一個(gè)非線性的誤差函數(shù)，只要能得到這個(gè)非線性的誤差函數(shù)，便能夠利用激光測(cè)量的結(jié)果對(duì)照相測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)。將激光測(cè)量到的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)與相機(jī)測(cè)量的對(duì)應(yīng)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，便能求解出照相測(cè)量與激光測(cè)量之間的非線性誤差函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)利用激光測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)相機(jī)的照相測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)[7]。大大提高照相測(cè)量系統(tǒng)的精度，也提高了系統(tǒng)測(cè)量大的物件的速度。

2.3 實(shí)現(xiàn)多相機(jī)測(cè)量三維曲面拼接算法

由于被測(cè)鋼板較大（12 m長(zhǎng)×8 m寬×2 m高），要想一次測(cè)量到整塊鋼板，并且保證測(cè)量精度，必須使用多組相機(jī)。因?yàn)槊拷M相機(jī)都不可能拍攝到所有的鋼板，所以必須分塊測(cè)量，然后再利用計(jì)算機(jī)視覺算法（例如ICP算法）進(jìn)行三維曲面拼接。

3 劃線定位

文中將根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制激光劃線機(jī)構(gòu)，利用激光的聚焦特性，將需要?jiǎng)澗€的點(diǎn)線準(zhǔn)確地投射到目標(biāo)曲面分段上，實(shí)現(xiàn)劃線。具體實(shí)現(xiàn)方案為：首先在曲面分段鋼板表面相應(yīng)位置形成涂層，涂層中含有可接受激光激發(fā)變色材料[8]，然后，按照設(shè)計(jì)中各種線段在分段體中要求的坐標(biāo)位置，經(jīng)過計(jì)算機(jī)將控制激光劃線機(jī)用激光點(diǎn)在涂層表面畫線，在激光照射下，受激材料變色，形成所需要的圖案，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定劃線的目標(biāo) （如圖6所示）。

圖6 劃線定位設(shè)計(jì)圖Fig.6 Scribing positioning design

劃線定位主要研究?jī)?nèi)容為：

1）激光劃線機(jī)研究。為了保證劃線的精度及劃線的清晰度，必須嚴(yán)格劃線激光的功率強(qiáng)度，使其穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；此外，劃線機(jī)應(yīng)能夠滿足曲面分段各個(gè)位置、各種角度的劃線要求，激光劃線機(jī)的柔性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是上述功能的保證；在上述機(jī)構(gòu)的保證下，高精度、快速的劃線伺服運(yùn)動(dòng)控制算法才能提高劃線精度及提高工效[9]。

2）激光涂料的研究。雖然激光變色涂料已有一定基礎(chǔ)，但高穩(wěn)定性、無污染、低燃點(diǎn)、低成本、適用于船體分段工藝的涂料的進(jìn)一步研究是整個(gè)劃線的基礎(chǔ)。

4 測(cè)量結(jié)果

由于影響測(cè)量的因素很多如光照、圖像的采樣與量化、標(biāo)定精度等，因此為保證測(cè)量精度，在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，采取了一系列措施以提高測(cè)量精度，如用工業(yè)攝像機(jī)拍照、用多幅圖像測(cè)量結(jié)果取平均來逼近真值及設(shè)置擋板等。目前，測(cè)量結(jié)果采取在基線對(duì)應(yīng)的兩側(cè)取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法來檢測(cè)劃線是否正確。對(duì)某一鋼板上一條加熱線上距離約為100 mm；左右兩點(diǎn)之間的距離進(jìn)行了多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1從表中所示，該測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量精度較好，能滿足測(cè)量精度。

5 結(jié) 論

本文除了能夠解決船舶工業(yè)中自動(dòng)劃線的問題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)彎板的定位打孔以及按照規(guī)定的要求加工彎板的弧度具有重要的研究?jī)r(jià)值。

本文重點(diǎn)解決的問題有：

1）曲面板關(guān)鍵點(diǎn)位置的自動(dòng)、精確、快速測(cè)量

利用激光測(cè)距原理、視覺跟蹤原理，能自動(dòng)、精確、快速測(cè)量曲面關(guān)鍵點(diǎn)的智能測(cè)量裝置，以確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的高精度及快速性。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement result

2）激光及照相測(cè)量控制機(jī)構(gòu)

自動(dòng)測(cè)量三維曲面的激光測(cè)量及多目視覺照相測(cè)量控制裝置，實(shí)現(xiàn)激光自動(dòng)測(cè)量很大。

3）激光劃線定位

文中利用噴涂在鋼板上的特殊激光激發(fā)變色涂料，由機(jī)械手（柔性控制機(jī)構(gòu)）控制激光頭將激光投射在鋼板上（當(dāng)激光照射到這種特殊激光受激材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而使激光所畫的線出現(xiàn)顏色變化），實(shí)現(xiàn)激光劃線定位。

[1]大連理工大學(xué)，大連新船重工有限責(zé)任公司，曲面鋼板水火成形機(jī)器人：中國，實(shí)用新型專利0125085217[P].2002-01.

[2]廣州廣船國際股份有限公司，一種水火彎板機(jī)：中國，實(shí)用新型專利，20062005665113[P].2006-01.

[3]廣東工業(yè)大學(xué).一種水火彎板機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：中國，發(fā)明專利，20081019891418[P].2009-01.

[4]廣東工業(yè)大學(xué).應(yīng)用于水火彎板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)三維立體成形的加工方法：中國，發(fā)明專利，20081019891617[P].2009-01.

[5]上海船舶工藝研究所.一種數(shù)控板材熱應(yīng)力曲面成型機(jī)中國，發(fā)明專利，20071004303712[P].200801.

[6]Newman R C.NIST-guide to Intrusion Detection and Prevention Systems （IDPS）[J].Journal of Engineering for Industry，2009（114）：441-451.

[7]Ramakrishnan S，Srinivasan S.Intelligent agent based artificial immune system for computer security-a review[J].Artificial Intelligence Review，2009（32）:102-109.

[8]ZHANG Cheng-gong，ZHANG Yi.Tree structured artificial immune network with self-organizing reaction operator[J].Neurocomputing，2009，73（1/3）:1-11.

[9]茂林，馬頌德，李毅．計(jì)算機(jī)視覺中攝像機(jī)定標(biāo)綜述[J]．自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，26（1）143-55．MAO Lin，MA Song-de，LI Yi.Overview of camera calibration for computer vision[J].Chinese Journal of automation，2011，26（1）：143-55.