李朋亮

（中鐵二十二局集團(tuán)有限公司 北京 100043）

1 引言

CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板［1］已在我國(guó)鐵路工程建設(shè)中大范圍采用，按照現(xiàn)行先張法預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)砟軌道板施工規(guī)范［2］要求，必須逐塊對(duì)CRTSⅢ型軌道板的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)目前采用全站儀配檢測(cè)工裝［3］進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量常規(guī)檢測(cè)方法中存在的檢測(cè)效率低、精度差等缺陷，以京沈客專京冀段九標(biāo)軌道板場(chǎng)為背景，提出工業(yè)機(jī)器人［4］加載法如三維成像儀［5］對(duì)軌道板進(jìn)行自動(dòng)化掃描檢測(cè)［6］的方法，研發(fā)了CRTSⅢ型板檢測(cè)系統(tǒng)［7］，大幅提高檢測(cè)效率和精度，減少檢測(cè)人員，降低檢測(cè)成本。

CRTSⅢ型板檢測(cè)系統(tǒng)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件是基于 PolyWorks｜Inspector平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的，Poly-Works｜Inspector模塊通常應(yīng)用于工件檢測(cè)和診斷?？墒褂梅墙佑|點(diǎn)云掃描［8］和單點(diǎn)接觸式探測(cè)設(shè)備來(lái)獲取工具及零件的尺寸，診斷和防止制造及裝配問(wèn)題，可通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量指導(dǎo)安裝，監(jiān)控裝配產(chǎn)品的質(zhì)量［9］，工作流程包含以下幾步：

（1）導(dǎo)入數(shù)字模型。輸入CAD模型或三角化模型作為理論數(shù)據(jù)。

（2）獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)導(dǎo)入點(diǎn)云作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也可通過(guò)硬件的插件實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

（3）建立坐標(biāo)系。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊。

（4）解析數(shù)據(jù)。通過(guò)彩圖比較、斷面線、量規(guī)、比較點(diǎn)等方法分析數(shù)據(jù)。

（5）輸出報(bào)告。自動(dòng)生成報(bào)告，可自定義報(bào)告模板。

其中“建立坐標(biāo)系”是“解析數(shù)據(jù)”的基礎(chǔ)。若軌道板表面實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)未與軌道板三維設(shè)計(jì)模型對(duì)齊［10］，則無(wú)法利用軌道板三維實(shí)體模型的特征計(jì)算相關(guān)測(cè)量值。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)模型的對(duì)齊精度直接影響軌道板三維設(shè)計(jì)模型中“特征面”、“特征圓”、“特征線”和“特征點(diǎn)”的計(jì)算精度［11］。若二者未精確對(duì)齊，則會(huì)使各種“特征”的測(cè)量值“失真”，引起軌道板檢測(cè)結(jié)果“失真”甚至錯(cuò)誤。

軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)模型應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)齊［12］。若人工手動(dòng)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)模型的對(duì)齊工作，則不滿足系統(tǒng)“自動(dòng)化”的設(shè)計(jì)要求，且增加系統(tǒng)操作難度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“一鍵式操作”的功能特點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型自動(dòng)精確對(duì)齊是高速鐵路CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。

2 PolyWorks|Inspector的常用匹配方法

PolyWorks｜Inspector中“建立坐標(biāo)系”可由多種途徑和方式實(shí)現(xiàn)。常用方法分為以下幾類：

（1）使用對(duì)象曲面對(duì)齊。該方法基于自動(dòng)預(yù)對(duì)齊或使用手動(dòng)預(yù)對(duì)齊完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型的粗對(duì)齊，最后精確對(duì)齊最佳擬合數(shù)據(jù)對(duì)象至參考對(duì)象。

（2）通過(guò)探測(cè)曲面點(diǎn)對(duì)齊。該方法通過(guò)硬探測(cè)的點(diǎn)對(duì)齊至參考對(duì)象上相同位置。

（3）特征對(duì)齊。根據(jù)使用特征項(xiàng)目的不同，該方法分為“平面－軸－中心點(diǎn)”對(duì)齊、“中心點(diǎn)”對(duì)齊、“垂直平面”對(duì)齊。

（4）使用參考目標(biāo)對(duì)齊。該方法使用參考目標(biāo)來(lái)對(duì)齊數(shù)據(jù)對(duì)象至參考對(duì)象。

（5）使用基準(zhǔn)參考框?qū)R。該方法分為基準(zhǔn)參考框?qū)R和探測(cè)基準(zhǔn)參考框?qū)R。

上述方法中，特征對(duì)齊需要數(shù)據(jù)對(duì)象與參考對(duì)象都含有對(duì)應(yīng)的特征項(xiàng)目，而數(shù)據(jù)對(duì)象中的特征項(xiàng)目無(wú)法自動(dòng)建立。探測(cè)曲面點(diǎn)應(yīng)用于硬探測(cè)，在非接觸式測(cè)量中無(wú)法應(yīng)用。參考目標(biāo)對(duì)齊中數(shù)據(jù)對(duì)象須預(yù)對(duì)齊至參考對(duì)象，且數(shù)據(jù)對(duì)象包含參考目標(biāo)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)參考框?qū)R中數(shù)據(jù)對(duì)象須包含基準(zhǔn)目標(biāo)。綜上所述，若數(shù)據(jù)對(duì)象通過(guò)非接觸式掃描獲得且未包含特征項(xiàng)目、參考目標(biāo)或基準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，上述方法都無(wú)法自動(dòng)精確對(duì)齊至參考對(duì)象。

最佳擬合數(shù)據(jù)對(duì)象至參考對(duì)象需完成“自動(dòng)預(yù)對(duì)齊”或“手動(dòng)預(yù)對(duì)齊”。自動(dòng)預(yù)對(duì)齊需數(shù)據(jù)對(duì)象與參考對(duì)象基本一致，手動(dòng)預(yù)對(duì)齊需人工手動(dòng)在“數(shù)據(jù)對(duì)象”與“參考對(duì)象”中選擇至少3對(duì)位置大概一致的點(diǎn)。該方法無(wú)需數(shù)據(jù)對(duì)象包含特征、參考目標(biāo)或基準(zhǔn)目標(biāo)等利用硬探測(cè)或手動(dòng)建立特征目標(biāo)的項(xiàng)目即可完成精確對(duì)齊。

3 最佳擬合對(duì)齊

高速鐵路CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)使用“改進(jìn)后的最佳擬合數(shù)據(jù)對(duì)象至參考對(duì)象”的方法對(duì)齊軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板三維設(shè)計(jì)模型，最佳擬合對(duì)齊是基于曲面的對(duì)齊工具，通過(guò)迭代轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)對(duì)象的位置和姿態(tài)、稀釋后點(diǎn)云數(shù)據(jù)至相關(guān)參考對(duì)象曲面的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)象與參考對(duì)象的對(duì)齊。本質(zhì)為求得數(shù)據(jù)對(duì)象與參考對(duì)象的最優(yōu)平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

最佳擬合對(duì)齊前需數(shù)據(jù)對(duì)象預(yù)對(duì)齊至參考對(duì)象。預(yù)對(duì)齊方式分為兩種：自動(dòng)預(yù)對(duì)齊和點(diǎn)對(duì)預(yù)對(duì)齊，其中自動(dòng)預(yù)對(duì)齊需數(shù)據(jù)對(duì)象涵蓋大部分的參考對(duì)象，且參考對(duì)象無(wú)對(duì)稱形狀。

CRTSⅢ型軌道板三維設(shè)計(jì)模型以“軌道板中心線”對(duì)稱，且自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的區(qū)域?yàn)檐壍腊逄卣鞑课?，未包含大部分軌道板三維實(shí)體模型，軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成果與軌道板三維實(shí)體模型之間的相對(duì)關(guān)系如圖1所示。因此，自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)不能使用“自動(dòng)預(yù)對(duì)齊方式”進(jìn)行預(yù)對(duì)齊。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)模型相對(duì)關(guān)系

CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中，軌道板檢測(cè)時(shí)的放置方式如圖2所示。軌道板檢測(cè)時(shí)放置的前后左右各方向位置偏差小于100 mm，因此，設(shè)置PolyWorks｜Inspector中三維實(shí)體模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的搜索距離參數(shù)為100 mm。

圖2 軌道板檢測(cè)時(shí)的放置方式

預(yù)對(duì)齊完成后，設(shè)置其他參數(shù)，包括“采樣”和“最大角度”參數(shù)設(shè)置，保障二者對(duì)齊的工作效率和對(duì)齊精度。

（1）采樣的參數(shù)配置。采樣即為用于對(duì)齊計(jì)算的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比例，采樣中選擇全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)齊精度最高，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)計(jì)算分析時(shí)間長(zhǎng)，不利于提高檢測(cè)效率，需在不影響對(duì)齊精度前提下，選擇最佳“采樣”參數(shù)，對(duì)不同采樣比例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 采樣參數(shù)設(shè)置測(cè)試 mm

從表1中可知，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)只占總數(shù)據(jù)量的“1/64”時(shí)，大大降低了迭代計(jì)算的效率以及對(duì)齊的精度；采樣為“1/16”時(shí)計(jì)算效率無(wú)明顯差別，但平移參數(shù)與“1/1”的平移參數(shù)相差較大，不符合對(duì)齊精度要求；采樣為“1/1”時(shí)與“1/4”時(shí)的迭代運(yùn)算量相同，但“1/1”的計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)，因此選取采樣比例“1/4”作為采樣參數(shù)。

（2）最大角度的參數(shù)配置。最大角度參數(shù)作為一個(gè)過(guò)濾器，確保每個(gè)考慮的數(shù)據(jù)單元法向與參考對(duì)象的法向相匹配。兩個(gè)法向之間的角度偏差必須小于指定的最大角度，如果法向之間偏差超過(guò)最大值時(shí)，將重新搜索參考對(duì)象，直至具有兼容方向的參考點(diǎn)達(dá)到最大距離的要求為止。選取不同最大角度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 最大角度參數(shù)設(shè)置測(cè)試 mm

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的情況下，最大角度對(duì)點(diǎn)云對(duì)齊的影響不大；如果在點(diǎn)云質(zhì)量不佳時(shí)，可增大最大角度的設(shè)置，防止過(guò)濾過(guò)多數(shù)據(jù)，影響對(duì)齊計(jì)算精度。自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量極高，因此使用默認(rèn)參數(shù)配置：“最大角度”設(shè)置為45°。

4 對(duì)齊匹配優(yōu)化

利用上述方法自動(dòng)對(duì)齊軌道板表面特征部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板三維設(shè)計(jì)模型時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量多達(dá)700 MB，耗時(shí)大于10 min，不滿足自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)“高效率”的要求。

為提高檢測(cè)效率，加快點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理速度，CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)采用“獲?。唇樱瓕?duì)齊”方案，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、對(duì)齊與拼接同步進(jìn)行，具體運(yùn)行過(guò)程如下：

（1）庫(kù)卡機(jī)器人攜帶法如三維成像儀移動(dòng)至第一個(gè)掃描位置，獲取當(dāng)前位置承軌臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）利用庫(kù)卡機(jī)器人傳遞的成像儀坐標(biāo)系在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)參數(shù)，轉(zhuǎn)換軌道板在該位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)至庫(kù)卡機(jī)器人基坐標(biāo)系下。

（3）利用自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行前配置的“預(yù)對(duì)齊參數(shù)”，預(yù)對(duì)齊當(dāng)前承軌臺(tái)至軌道板三維設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)的承軌臺(tái)。

（4）利用“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對(duì)象”，精確對(duì)齊當(dāng)前位置承軌臺(tái)。

（5）輸出當(dāng)前位置承軌臺(tái)的“最后移動(dòng)矩陣”。

（6）庫(kù)卡機(jī)器人攜帶法如三維成像儀移動(dòng)至下一個(gè)掃描位置，獲取當(dāng)前位置軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（7）重復(fù)步驟（2）和（3），完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)對(duì)齊。

（8）利用第一個(gè)位置承軌臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“最后移動(dòng)矩陣”，完成表面當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板三維設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)表面的精確對(duì)齊。

（9）重復(fù)步驟（6）、（7）、（8）。

（10）完成軌道板特征部位表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、拼接與對(duì)齊。

軌道板檢測(cè)時(shí)每次放置姿態(tài)不一致，位置稍有偏差，且軌道板體積較大，若利用某一個(gè)承軌臺(tái)的精確對(duì)齊參數(shù)作為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換軌道板表面其他特征部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板三維標(biāo)準(zhǔn)模型下，對(duì)齊結(jié)果會(huì)出現(xiàn)表面點(diǎn)云整體“上翹”或“下踏”現(xiàn)象。因此，需對(duì)軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體與軌道板三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行最終整體調(diào)整對(duì)齊。

為保證對(duì)齊效率和精度，指定成品板“四角承軌臺(tái)”點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)對(duì)象，指定軌道板三維設(shè)計(jì)模型作為參考對(duì)象，利用“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對(duì)象”方法，設(shè)置采樣率為“1/64”精確對(duì)齊軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板三維設(shè)計(jì)模型。

利用上述方法對(duì)齊軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板三維設(shè)計(jì)模型，當(dāng)獲取軌道板指定部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)對(duì)齊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，整體對(duì)齊時(shí)間小于10 s，點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊成果如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板模型對(duì)齊成果

軌道板不同部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和對(duì)齊后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，得到軌道板“自動(dòng)化檢測(cè)”成果。該成果與采用其他檢測(cè)方法的檢測(cè)成果對(duì)比，檢測(cè)成果基本一致，表明該對(duì)齊方法應(yīng)用于高速鐵路CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)是可靠有效的。

5 結(jié)論

綜上所述，利用上述方法對(duì)軌道板表面不同部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和對(duì)齊，全程無(wú)需人工干預(yù)，精度高，耗時(shí)少。利用“獲?。唇樱瓕?duì)齊”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方案滿足高速鐵路CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。