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        損傷車體表面重建及噴槍位姿規(guī)劃研究

        2018-04-18 12:02:04李榮華王振宇溫帥方李金明
        大連交通大學(xué)學(xué)報 2018年2期
        關(guān)鍵詞:噴槍位姿車體

        李榮華,王振宇,溫帥方,李金明

        (大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

        0 引言

        隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,汽車的使用越來越普及,交通事故的發(fā)生頻率越來越高.交通事故中,車體表面的損傷是最普遍的問題,它不僅影響汽車的美觀,更影響汽車的安全.汽車噴涂是解決這一問題的常見辦法,通常情況下,各汽車維修公司都通過人工操作來進(jìn)行汽車表面噴涂,但噴涂作業(yè)時,會對人體造成危害[1],且人工噴涂難以保證效果優(yōu)良.另外,現(xiàn)代社會的人力成本越來越高,汽車噴涂行業(yè)的成本也隨之提高.因此,急需一種可以針對不同車型、不同部位進(jìn)行自動識別車體噴漆系統(tǒng)替代噴涂工人進(jìn)行作業(yè).這一系統(tǒng)不僅可以減少噴涂工人的人身危害,也能在提升噴涂效果的前提下,有效降低噴涂成本.

        在自動化噴涂作業(yè)中,機(jī)械手的導(dǎo)引是其中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn),噴涂過程中不僅要求機(jī)械手引導(dǎo)噴槍均勻的移動,更要滿足噴槍噴射方向始終垂直于被噴車體表面.視覺導(dǎo)引[2]是解決這一問題的有效方式,本文通過線掃描傳感器獲取目標(biāo)車體的三維點(diǎn)云信息[3]對目標(biāo)車體進(jìn)行三維重建[4],并對點(diǎn)云進(jìn)行處理找到各點(diǎn)對應(yīng)法向量,以此引導(dǎo)機(jī)械手來規(guī)劃噴槍的合理位姿[5].本測量系統(tǒng)對汽車的型號和損傷部位均無要求,有較好的應(yīng)用價值.

        汽車噴涂是由來已久的問題,針對此問題很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究.吳月琴[6]提出了一種汽車輪轂的自動噴漆系統(tǒng),其采用了鏈傳動、滾珠滑軌和多個噴槍進(jìn)行實(shí)現(xiàn).許偉偉[7]闡述了一種“無塵干磨”的新式噴涂方式,但其操作仍需人工手動進(jìn)行.付文龍[8]用靜電噴槍在某汽車生產(chǎn)線上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),這一方法能夠減少油漆損耗,提高效率,但仍需手工操作.綜上所述,針對不用車型、不同部位進(jìn)行自動化噴漆仍然是待解決的難題,本文針對這一問題,提出了基于線掃描傳感器的損傷車體表面重建系統(tǒng)及噴槍位姿規(guī)劃方法,通過視覺導(dǎo)引的方法為噴涂機(jī)械手提供位姿規(guī)劃.

        1 損傷車體表面重建系統(tǒng)

        損傷車體的表面點(diǎn)云信息重建是實(shí)現(xiàn)噴槍位姿規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提.本文基于大恒公司的Gocator2350A- 3B- 00型體式掃描型傳感器,建立損傷車體表面重建系統(tǒng).

        1.1 系統(tǒng)組成

        系統(tǒng)由以下模塊組成:

        (1)TH20單軸滑臺一臺,用于承載掃描傳感器在其上移動,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車體點(diǎn)云掃描;

        (2)750 W伺服電機(jī)一臺,配套15 A驅(qū)動器一臺,用于驅(qū)動滑軌上的傳感器運(yùn)動;

        (3)大恒Gocator2350A- 3B- 00型傳感器一臺,為系統(tǒng)的核心部件,通過其結(jié)構(gòu)光線掃描的方式對車體表面進(jìn)行三維點(diǎn)云恢復(fù);

        (4)光電編碼器一臺,用于對滑軌上傳感器在世界坐標(biāo)系下的實(shí)時位置進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換;

        (5)計算機(jī)一臺,用于對整套系統(tǒng)進(jìn)行軟件控制.

        1.2 車體表面點(diǎn)云信息重建

        該系統(tǒng)基于Gocator掃描型傳感器通過結(jié)構(gòu)光線掃描的方式獲取目標(biāo)車體點(diǎn)云,首先建立坐標(biāo)系如圖1所示.

        圖1 坐標(biāo)系的建立

        其中,O-XYZ為傳感器坐標(biāo)系,Ow-XwYwZw為世界坐標(biāo)系,測量時,通過光電編碼器能夠確定傳感器在世界坐標(biāo)系下的位置,傳感器會測出目標(biāo)車體的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù).將點(diǎn)云數(shù)據(jù)換算到世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)云后,即可恢復(fù)車體表面三維點(diǎn)云信息.圖2為被測目標(biāo)車體,圖3為該車體恢復(fù)的三維點(diǎn)云信息.

        圖2 被測車體

        圖3 被測車體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        2 車體修復(fù)噴槍位姿規(guī)劃方法

        2.1 噴槍位姿規(guī)劃理論

        噴槍在運(yùn)動時,其軌跡沿著直線行走即可,但其滿足噴槍與車體表面被噴點(diǎn)實(shí)時垂直的要求是自動化噴漆的核心問題,因此,這一問題的根源是從三維點(diǎn)云中找到被噴點(diǎn)的法向量[9].

        依靠深度相機(jī)、光編碼技術(shù)及結(jié)構(gòu)光原理測量出目標(biāo)(車體表面)到傳感器或噴槍頭的深度距離,結(jié)合光線發(fā)射角度解算出車體表面有限個均勻的點(diǎn)集的三維坐標(biāo),即利用密集的三維點(diǎn)云集合來近似車體表面形貌,那么可以認(rèn)為傳感器所發(fā)射的紅外線面陣越密集,模擬的表面形貌效果越好[10].初步假設(shè)深度相機(jī)分辨率為(640×480)滿足技術(shù)要求.

        通過線掃描激光傳感器得到車體點(diǎn)云數(shù)據(jù),即每個點(diǎn)的坐標(biāo)(X,Y,Z),運(yùn)用數(shù)值分析的方法對曲面進(jìn)行擬合,可設(shè)曲面方程為:

        Z=a+b·X+c·Y+d·X·Y+e·X2+f·Y2

        (1)

        即曲面方程可寫為兩向量相乘的形式:

        (2)

        圖4 曲面25點(diǎn)示意圖

        圖5 曲面相鄰4區(qū)域示意圖

        由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大,在程序中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了間段取樣,同時每相鄰25個點(diǎn)為一個取樣面,從而將整個點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為許多個小面,對每個曲面進(jìn)行擬合,如圖4所示,相鄰四個曲面示意圖如圖5所示.

        但在曲面擬合過程中,相鄰兩個曲面之間關(guān)系斷裂,兩個曲面擬合后在相鄰兩點(diǎn)處發(fā)生翹邊現(xiàn)象.由于以上原因,采用重疊間段采樣手段,增加相鄰兩曲面之間的關(guān)系,解決相鄰兩點(diǎn)處的翹邊現(xiàn)象.重疊取樣方法如圖6所示,先取出25個點(diǎn)作為第一個曲面進(jìn)行擬合求出曲面方程,在取第二個曲面時,從第一個曲面的第三列點(diǎn)作為第二個曲面的第一列點(diǎn),使得內(nèi)部的一個3×3的曲面間隔取樣.運(yùn)用此種方法實(shí)現(xiàn)了曲面間的聯(lián)接,解決的曲面生成時的平整度誤差.

        圖6 重疊取樣方法

        取每25個點(diǎn)作為一個曲面,可設(shè)

        B25*1=A25*6·S6*1

        (3)

        其中

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        根據(jù)上述求得的6大參數(shù)信息:

        (8)

        2.2 噴槍位姿規(guī)劃效果

        由于車體表面在測量過程中,會因?yàn)橥饨绻饩€干擾以及采集過程中產(chǎn)生的噪聲等,產(chǎn)生噪點(diǎn).需要將目標(biāo)車體點(diǎn)云進(jìn)行初步點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,去除非車體上的噪點(diǎn)以及離群點(diǎn),方便后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理.去除噪點(diǎn)后車體點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示.

        圖7 去除噪點(diǎn)后的車體

        傳感器掃描得到的點(diǎn)云為致密點(diǎn)云,處理耗時較長,效率低下.同時,由于受到噴槍最小噴涂直徑以及其他因素影響,整個噴涂過程所能保證的噴涂精度有限,故無需全部精確取點(diǎn).因此可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏處理,降樣本后,取出取樣面的中心點(diǎn),從而提高點(diǎn)云處理效率,同時能保證最大噴涂精度.點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏后如圖8所示.

        圖8 稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        運(yùn)用前一節(jié)詳細(xì)介紹的重疊取樣算法,通過逐次重疊取樣25點(diǎn)構(gòu)造曲面,依次將車體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分片處理,從而通過構(gòu)造出各曲面方程,得到各曲面法向量,法向量如圖9所示.

        圖9 體點(diǎn)云法向量表示

        依據(jù)此法向量,可保證噴槍垂直于車身表面,機(jī)械手可以驅(qū)動噴頭調(diào)整其與車體表面之間的角度,從而形成整個噴涂過程.

        3 結(jié)論

        (1)基于線掃描傳感器建立了損傷車體表面重建系統(tǒng),對車體被測部位的三維點(diǎn)云進(jìn)行了恢復(fù),為尋找車體表面法向量提供了先驗(yàn)?zāi)P?

        (2)基于車體被測表面點(diǎn)云模型,提出車體表面法向量求取方法,通過法向量對噴槍進(jìn)行了位姿規(guī)劃,噴頭與被測部位保持標(biāo)準(zhǔn)垂直狀態(tài).

        參考文獻(xiàn):

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        [4]陳輝, 馬世偉, ANDREAS NUECHTER. 基于激光掃描和SFM的非同步點(diǎn)云三維重構(gòu)方法[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2016, 17(5):1148- 1157.

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