CN106289064A - 一种便携式船板肋位线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：检测装置包括装置支架，装置支架的一端设有组合双十字线激光发生器，装置支架的另一端设有平板电脑和与平板电脑相配合的相机，平板电脑的底端设有装置底座；相机与组合双十字线激光发射器相连形成单目视觉检测单元，单目视觉检测单元与平板电脑相连。使用时，在平板电脑上安装有专用的计算控制软件，通过平板电脑控制由相机和组合双十字线激光器构成的单目视觉检测单元获取曲板肋位线的三维坐标信息，在控制计算软件中将肋位线的测量数据和理论曲线进行配准和偏差计算，并将计算结果显示在软件场景中，用以评价曲板指定肋位成型质量，指导下一步作业。可以提高曲板的成型检测质量、检测效率，并且降低检测成本。

Description

一种便携式船板肋位线检测装置

技术领域

本发明涉及检测装置的技术领域，具体地说是一种便携式船板肋位线检测装置。

背景技术

目前，船厂检测船板的成型质量，主要依靠有经验的工人采用样板、样箱方法，检测船板肋位线的成型质量。但是这种存在很多缺点：(1)影响样板样箱尺寸形状的因素比较多，而样板样箱的精度决定了船板的加工精度，因此，这种检测方法的检测误差较大；(2)整个过程对工人的技术水平要求较高；(3)需要制作大量的样板样箱，浪费木材、增加成本；(4)检测效率低下，导致造船周期较长。

随着计算机视觉技术的发展，计算机视觉技术已经广泛的应用在三维重建和位姿测量等领域，而单目视觉以其不受视场限制、标定步骤少、结构简单等优点，成为研究热点，为船板成型的智能检测提供了可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的便携式船板肋位线检测装置，它可克服现有技术中检测船板成型质量的误差大、检测效率低的一些不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括装置支架，装置支架的一端设有组合双十字线激光发生器，装置支架的另一端设有装备底座，装备底座一端安装有平板电脑，另一端固定有相机(本发明将镜头和相机统称为相机)；相机与组合双十字线激光发生器相连形成单目视觉检测单元，单目视觉检测单元与平板电脑相连。具体来说，通过安装在平板电脑上的控制计算软件控制相机和组合双十字线激光发生器，获取船板肋位线测量数据；在控制计算软件中对肋位线测量点云和理论点云进行配准和偏差计算，将计算结果显示在软件场景中。

优选的，装置支架的一端通过螺纹紧固件固定连接有激光器支座，组合双十字线激光发射器由一个十字线激光发射器和一个一字线激光发射器组成，两个线激光发射器通过螺纹紧固件固定在线激光发射器支座上；装置支架的另一端通过螺纹紧固件连接有装置底座，装置底座为一去除两个面的空壳结构。

优选的，装置底座中被移除的侧面通过两个转动铰链铰接有装置底座门，装置底座门上安装有把手，方便打开和关闭装置底座，对内部的相机进行安装和维护；在装置底座门上设置有可供数据线穿过的矩形通孔；装置底座的顶面设有平板电脑安装框架，所述的平板电脑设置于平板电脑安装框架内；在装置底座内部有相机支座，采用两个连接零件将相机固定在相机支座上，相机和连接零件、连接零件和相机支座之间都是通过螺纹紧固件固定连接。

优选的，装置支架设有手持部，手持部包括一手持支架，该手持支架的一端通过一个嫁接零件与装置支架相连，手持支架通过螺纹紧固件和嫁接零件固定连接，嫁接零件和装置支架之间构成过盈配合；另一端与装备底座的外表面采用螺纹紧固件固定连接，线激光发射器的电源线缠绕在装备支架上。

进一步，装置支架和装置支架的手持部之间形成一个三角形的结构，这种三角形的结构提高了装置的稳定性和在外携带的便捷性。

优选的，需要根据测量的场景和精度选择相机的型号，装置在使用之前需要进行相机标定，包括相机内参数标定和相机外参数标定，其中，经过相机外参数标定后，线激光发射器和装置支架之间有确定的安装角，相机和装置支架之间也有固定的角度。

优选的，在进行船板肋位线的数据采集时，需要将组合双十字线激光发射器投射的激光线的两个十字交点分别和船板肋位线的起始点和终止点对齐，便于测量点云中起始点和终止点的识别和提取。

优选的，控制软件采用四个步骤完成测量点云数据的采集、配准和偏差计算，主要包括:连接设备、扫描、加载数据和数据处理；检测计算软件的数据处理包括：偏差配准、偏差计算和结果显示。

优选的，控制软件的数据配准设置有自动配准和微调配准。采用矢量约束法完成测量曲线和理论曲线的自动配准，步骤如下：

A、系统以点云中的起始点为参考点，平移点云数据平移至参考点和全局坐标系的原点重合，P_i(x_i,y_i,z_i)表示理论点云，S_j(x_j,y_j,z_j)表示测量点云，A、B分表示理论点云的起始点和终止点，C、D表示测量点云的起始点和终止点；

其中，P_i′(x′_i,y′_i,z′_j)、S_i′(x′_i,y′_i,z′_j)分别表示平移后的理论点云和测量点云。

B、以点云的参考向量，以全局坐标系原点O为旋转中心，旋转点云至其参考向量分别和全局坐标中OX坐标轴的正方向同向：P_i″＝R_PP_i′、S_j″＝R_SS′_j，其中，P_i″(x″_i,y″_i,z″_i)、S_j″(x″_j,y″_j,z″_j)分别为旋转变换后的点云。

C、使点云P_i″(x_i,y_i,z_i)、S_j″(x_j,y_j,z_j)分别以自身的参考向量为回转中心矢量，回转至点云所在的平面法向量和OZ坐标的正方向相同，变换为：P_i ¹＝T_PP_i″、分别为变换后的点云。

优选的，微调配准可以手动实现测量曲线参考点的旋转、沿参考矢量的平移，其中，沿X、Y方向的平移步长值δx、δy和绕全局坐标原点的旋转步长值θ可以自定义。扫描点云的平移微调如下:

扫描点云的旋转微调如下：P_i ^R＝R_OP_i ¹，P_i ^R为最终变换的测量点云。

优选的，曲板肋位线成型偏差以相同X轴坐标值下，测量点云和理论曲线的纵坐标的差值δy_i＝y_Pi-y_Si作为偏差结果，偏差结果在软件场景中以偏差色斑图和数据表格形式显示，色斑图中不同的颜色表示了不同偏差等级。

通过平板电脑控制由相机和线激光器构成的单目视觉检测单元获取曲板肋位线的三维坐标信息，在控制计算软件中将肋位线的测量数据和理论曲线进行配准和偏差计算，并将计算结果显示在软件场景中，用以评价曲板指定肋位成型质量，指导下一步作业。可以提高曲板的成型检测质量、检测效率，并且降低检测成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的又一结构示意图。

图3为组合双十字先激光器结构示意图。

图4为相机和线激光发射器的安装位置示意图。

图5为自动配准算法示意图。

图6为微调配准示意图。

图7为偏差计算的算法示意图。

图8为本发明的使用状态参考图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

各附图的标号表示如下：

1、组合双十字线激光发射器、2、激光器支座、3装备支架、4嫁接零件、5手持支架、6控制计算软件、7平板电脑、8、USB接口及数据线9转动铰链、10装置底座门、11装备底座、12相机支座、13连接零件、14相机。

本发明所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其与现有技术的区别在于：所述的检测装置包括装置支架，装置支架的一端设有激光发生器支座，线激光发生器支座上通过螺栓螺母固定安装有组合双十字线激光发射器；装置支架的另一端安装有装置底座，装置底座一端设置有平板电脑安装框架，平板电脑安装在平板电脑安装里面，装置底座内部安装有相机，相机与组合双十字线激光发射器相连形成检测设备单元。

所述的一种便携式船板肋位线检测装置，线激光发生器包括一个十字线激光发生器，一个一字线激光发生器，十字线激光发生器和一字线激光发生器均通过螺栓螺母固定在激光器支座上，调整十字线激光发射器使其一条激光线较长，另一条激光线较短，并且与较长的激光线一段相交；调整一字线激光发射器的激光使其平行段十字线激光器中较短的激光线，与十字线激光器发射器中较长的激光线的另一端相交。

所述的一种便携式船板肋位线检测装置，装置底座采用移除两面的空壳结构，被移除的侧面上通过两个转动铰链铰接有装置底座门，装置底座门上安装有门把手，便于打开和关闭装置底座门，从而对内部的相机进行安装和维护，装置底座门上设置有可供数据线穿过的矩形通孔；装置底座上设有平板电脑安装框架，所述的平板电脑设置于平板电脑安装框架内；在装置底座内部有相机支座，采用两个连接零件，通过螺栓螺母将相机固定在装置底座内部。

所述的一种便携式船板肋位线检测装置，装置支架设有手持部，手持部包括一手持支架，该手持支架的一端通过一个嫁接零件与装置支架相连，手持支架通过螺栓螺母和嫁接零件固定连接，嫁接零件和装置支架之间采用过盈配合进行安装固定；手持支架的另一端与装备底座的外表面通过螺栓螺母固定连接，线激光发射器的电源线缠绕在装备支架上。

进一步的，装置支架的三角形结构增加了装置的稳定性和在外携带的便捷性。

一种便携式船板肋位线检测装置的使用方法包括如下步骤：a、安装检测装置，检测装置在使用之前需要进行相机标定，包括相机内参数标定和相机外参数标定，相机外参数标定后，线激光发射器和装置支架之间设置确定的安装角，相机和装置支架之间也有固定的安装角度；b、检测装置的数据采集，数据采集包括四个步骤，依次为连接设备、扫描、加载数据和结束扫描；c、数据处理，数据处理包括：偏差配准、偏差计算和结果显示。

b步骤中，在进行船板肋位线的数据采集时，需要将组合双十字线激光发射器投射的激光线的两个十字交点分别和船板肋位线的起始点和终止点对齐。

c步骤中，数据处理的偏差配准包括自动配准和微调配准，所述的自动配准采用矢量约束法。

采用矢量约束法完成测量曲线和理论曲线的自动配准，步骤如下：

A、系统以点云中的起始点为参考点，平移点云数据平移至参考点和全局坐标系的原点重合，P_i(x_i,y_i,z_i)表示理论点云，S_j(x_j,y_j,z_j)表示测量点云，A、B分表示理论点云的起始点和终止点，C、D表示测量点云的起始点和终止点，平移后的测量点云和理论点云分别为：

B、以参考向量，以全局坐标系原点O为旋转中心，旋转点云至 分别和全局坐标中的的坐标轴OX正方向同向，旋转变换后的测量点云和理论点云分别为：P_i″＝R_PP_i′和S_j″＝R_SS′_j，P_i″(x″_i,y″_i,z″_i)、S_j″(x″_j,y″_j,z″_j)分别为旋转变换后的点云。

C、使点云P_i″(x_i,y_i,z_i)、S_j″(x_j,y_j,z_j)分别绕着参考向量回转，使曲线点云所在平面的法线均与坐标轴OZ轴同向，变换如下：P_i ¹＝T_PP_i″、 分别为变换后的点云。

所述的一种船板类肋位线检测装置，控制软件配准方法中的微调配准可以手动实现测量点云绕参考点的旋转变换、沿向量的平移变换，其中，沿X、Y方向的平移步长值δx、δy和绕全局坐标原点的旋转步长值θ可以自定义。扫描点云的微调平移变换为：扫描点云的微调旋转变换为：P_i ^R＝R_OP_i ^m，为最终变换的测量点云。

所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其控制软件中肋位线的偏差计算方法为：曲板肋位线成型偏差以相同X轴坐标值下，测量点云和理论曲线的纵坐标的差值δy_i＝y_Pi-y_Si作为偏差结果，偏差结果在软件场景中以偏差色斑图和数据表格形式显示，色斑图以不同的颜色表示了不同偏差等级。

如图1、2所示，组合双十字线激光发生器1通过螺栓螺母固定在激光器支座2上，激光器支座2通过螺栓螺母和装置支架3固定连接，装置支架3的另一端通过螺栓螺母连接有支架底座11，装置支架3提供了手持部分，装置支架的手持支架5的一端与装置底座11为螺栓螺母连接，装置支架的手持支架5的另一端通过螺栓螺母和嫁接零件4固定连接，嫁接零件4的和装置支架3之间为过盈配合，装置支架提供的手持部分不仅提高便于装置的操作使用，而且装置支架3的三角形结构也增了系统的稳定性；装置底座11的一端安装有平板电脑7，在平板电脑7中安装有控制计算软件6，装置底座11为移除两面的空壳结构，在装置底座11的一个侧面安装有装置底座门10，装置底座门10通过两个回转铰链9和装置底座11铰接，并且装置底座门10上有供数据线穿过的矩形通孔，装置底座门上安装有把手。在装置底座11的内部有相机底座12，相机底座12通过螺栓螺母和两个连接零件13固定连接，连接零件的另一端连接安装有相机14；由组合双十字线激光发射器1和相机14组成单目视觉检测单元。

平板电脑7通过USB接口与相机14、组合双十字线激光发射器1连接，在工作的时候，平板电脑7为整个系统提供电能，当装置停止工作的时候，可以通过USB接口为平板电脑7充电。

如图3所示，组合双十字线激光发射器由一个十字线激光发射器和一个一字先激光发射器组成，两个线激光发射器均固定在激光器支座上，调整十字线激光发射器为一条较长的激光线、一条较短的激光线，较短的激光线交于较长的激光线左端，调节一字线激光发射器的光线为竖直方向，且交于十字线激光器的较长的光线右端，图2显示了组合双十字线激光器投射至一平面的双十字激光线的情况。

如图4所示，装置经过标定，组合双十字线激光发生器1、相机14和装置支架3之间具有确定的安装位置。组合双十字线激光发射器1的轴线和装置支架3的轴线之间为α的安装角，相机14和装置支架3之间的安装角为β。

如图5，需要配准的两条曲线AB和CD的初始位置如图5(a)所示；将曲线AB中A点设置为参考点，平移曲线AB使参考点A与坐标原点O重合，如图5(b)所示；再将曲线AB中由点A指向点B的向量AB设置为参考向量，旋转曲线AB至其参考向量AB和坐标轴X的正方向同向，如图5(c)所示；以曲线AB的参考向量AB为回转轴，回转曲线AB至曲线AB所在面的法线和全局坐标系的OZ同向，曲线AB变换完成后如图5(d)所示；对曲线CD进行同样的操作，如图5(e)、5(f)、5(g)、5(h)所示，图5(h)显示了最后配准的结果。

如图6所示，为完成自动配准后的曲线进行微调配准的示意图，图6(a)显示了测量点云绕配准参考点的旋转变换，图中的虚线为测量点云的变换结果；图6(b)表示了测量点云沿X坐标轴的平移变换，图中的虚线为变换结果。微调配准用于自动配准的结果不理想，需要手动微调的情景。

如图7所示，为完成配准的曲线AB和曲线CD的偏差计算原理图，图中显示了曲线AB和CD，在横坐标取值相同的情况下，以纵坐标方向的数值偏差作为肋位线的偏差计算结果，图中虚线指向需要计算偏差值的一系列横坐标x_i(i＝1,2，……，7)，图中曲线AB和曲线CD之间的实线表示了偏差值δ_i(i＝1,2，……，7)。

所述的一种基于单目视觉的便携式船板肋位线检测装置，通过相机14和组合双十字线激光发射器1组成的单目视觉检测单元获取船板肋位线的成型点云数据，将船板肋位线的点云数据导入安装在平板电脑7中的控制计算软件6，在控制计算软件6中将船板肋位线的点测量点云和理论点云进行配准和偏差计算，最后将计算结果呈现在控制计算软件6的场景。

所述的一种基于单目视觉的便携式船板肋位线检测装置的一种工作实例如图8所示，通过控制计算软件6打开相机14和组合双十字线激光发射器1，组合双十字线激光发生器1照射在所加工船板中需要检测的肋位线上，组合双十字线激光器1投射的双十字激光线中，一个十字线交点与船板肋位线的起始点重合，另一个十字线的交点和船板肋位线的终止点重合，如图7中，两个粗实线十字线所示，调整好双十字激光线的位置好后，装置即获取所照射肋位线的成型点云数据，在控制计算软件6中将肋位线的测量数据和相应的理论数据进行配准和偏差计算，即得出肋位线的成型偏差，偏差数据可以以云图的形式呈现在偏差计算软件6的场景界面中，或选取肋位线上关键点的偏差数据显示在表格中，以便于操作人员对船板的成型质量进行评价，制定下一步的加工工艺方案。

如图8所示，是本发明一种便携式船板肋位线检测装置的一种实施案例，首先，由相机和组合双十字线激光发射器构成单目视觉检测单元；通过安装在平板电脑上的控制计算软件控制相机和组合双十字线激光发射器，获取船板肋位线测量数据；在控制计算软件中对肋位线测量点云和理论点云进行配准和偏差计算，将计算结果显示在软件场景中。

在工作时，以平板电脑作为电源，通过USB接口向相机和线激光发生器提供电能，同时，相机通过USB接口向控制计算软件传输三维空间点的坐标信息，当该装置停止工作时，可以通过USB接口给平板电脑充电。

在装置支架的一端安装有组合双十字线激光发生器，另一端固定在装置底座上，装置支架有供手持的部分，便于工作人员操作，并增加装置的稳定性，与线激光发生器连接的导线缠绕在设备支架上。

在装置底座的一端固定有平板电脑，装置底座另一端安装有相机。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明为一种便携式船板肋位线检测装置，可以快速、准确的获得船板肋位线的成型数据并计算出船板肋位线的成型偏差，较传统的样板样箱检测方法，大大的提高了检测效率和检测精度、降低了对工人的技术要求、降低了检测成本，可以缩短船舶的建造周期。

(2)本发明可以获取船板肋位线成型测量数据，可以观察船板肋位线上任意地方的偏差数据，易于实现船板肋位线偏差的量化，为船板加工数据库和专家知识库的构建提供了数据来源。

(3)本发明采用一个十字线激光发射器和一个一字线激光发射器组合成为一种双十字线激光发射器，通过将投射出的双十字激光线的两个十字线交点和船板肋位线的起始点和终止点，并调整激光线的投射角度，可以准确的获取船板肋位线的成型点云数据，为船板的成型质量评价提供肋位线测量点云数据。

(3)本发明采用的矢量约束配准方法，可以准确、快捷的实现测量数据和理论数据的自动配准，同时本发明还提供了配准微调功能，用于对自动配准效果不满意的情况下，调节测量曲线的位姿，改善配准质量。

(4)本发明采用单目立体视觉技术，具有大场景、标定步骤少、结构简单等优点，便于设备的现场使用，可以测量大尺寸船板。

(5)本发明采用便携式设计，方便设备的使用、维护与运输，控制计算软件为配套定制，易学易用。

(6)本发明所用的平板电脑可以存储所有待检测肋位线的理论数据，用作理论对比数据，取消大量的木质样箱、样板，节省制作时间，节能环保。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括装置支架，装置支架的一端安装有组合双十字线激光发射器，装置支架的另一端设有装备底座，装备底座的一端设有平板电脑，装备底座的另一端固定有相机,相机与组合双十字线激光发生器相连形成单目视觉检测单元，单目视觉检测单元与平板电脑相连；

装置支架设有手持部，手持部包括一手持支架，该手持支架的一端通过螺纹紧固件固定在一个嫁接零件上，该嫁接零件与装置支架之间构成过盈配合，手持支架的另一端设有平板电脑安装框架。

2.根据权利要求1所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：装置支架的一端通过螺纹紧固件固定安装有激光器支座,组合双十字线激光发射器由一个十字线激光发射器和一个一字线激光发射器组成，两个线激光发射器通过螺纹连接固定在线激光发射器支座上；装置支架的另一端连接有装置底座。

3.根据权利要求2所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：装置底座的侧面通过转动副安装有装置底座门，装置底座门上设置有把手，在装置底座门上设置有可供数据线穿过的通孔，所述的平板电脑设置于平板电脑安装框架内，在装置底座内部有相机支座，通过两个连接零件将相机固定在相机支座上。

4.根据权利要求1所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：手持部与装置支架之间形成一个三角形的结构。

5.根据权利要求1所述的一种便携式船板肋位线检测装置的使用方法，其特征在于：所述的使用方法包括如下步骤：a、安装检测装置，检测装置在使用之前需要进行相机标定，包括相机内参数标定和相机外参数标定，相机外参数标定后，线激光发射器和装置支架之间设置确定的安装角，相机和装置支架之间也有固定的安装角度；b、检测装置的数据采集，数据采集包括四个步骤，依次为连接设备、扫描、加载数据和结束扫描；c、数据处理，数据处理包括：偏差配准、偏差计算和结果显示。

6.根据权利要求5所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：b步骤中，在进行船板肋位线的数据采集时，需要将组合双十字线激光发射器投射的激光线的两个十字交点分别和船板肋位线的起始点和终止点对齐。

7.根据权利要求5所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：c步骤中，数据处理的偏差配准包括自动配准和微调配准，所述的自动配准采用矢量约束法。

8.根据权利要求7所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：自动配准采用矢量约束法，该方法具体步骤如下：

A.系统以点云的起始点为参考点，平移点云数据至点云参考点和全局坐标系原点重合，P_i(x_i,y_i,z_i)表示理论点云，S_j(x_j,y_j,z_j)表示测量点云，A、B分表示理论点云的起始点和终止点，C、D表示测量点云的起始点和终止点； 其中P_i′(x_i′,y_i′,z_j′)、S_i′(x_i′,y_i′,z_j′)分别表示平移后的理论点云和测量点云。

B.以为点云参考向量，以全局坐标系的原点O为旋转中心，旋转点云至点云参考向量分别和全局坐标中X坐标轴的正方向同向：P_i″＝R_PP_i′、S_j″＝R_SS′_j，其中P_i″(x″_i,y″_i,z″_i)、S_j″(x″_j,y″_j,z″_j)分别为旋转变换后的点云。

C.使点云P_i″(x_i,y_i,z_i)、S_j″(x_j,y_j,z_j)分别以自身的参考向量为回转矢量，其旋转变换为：P_i ¹＝T_PP_i″、其中：分别为变换后的点云。

9.根据权利要求7所述的一种便携式船板肋位线检测装置，特征在于：微调配准包括测量点云的平移微调变换和旋转微调变换，其具体步骤为：

A.设置平移矢量为测量点云的平移微调变换为:

其中，为经过平移变换后的测量点云。

B.以坐标原点为旋转中心，OZ轴正方向为旋转正方向，设置旋转变换角度为θ，测量点云的微调旋转微调为：P_i ^R＝R_OP_i ¹，P_i ^R为最终变换的测量点云。

10.根据权利要求5所述的一种便携式船板肋位线检测装置，其特征在于：控制计算软件的偏差计算，曲板肋位线成型偏差以相同X轴坐标值下，测量点云和理论曲线的纵坐标的差值δy_i＝y_Pi-y_Si作为偏差结果，偏差结果在软件场景中以偏差色斑图和数据表格形式显示。