CN106767421B - 基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案 - Google Patents

基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案 Download PDF

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Abstract

本发明属于机器视觉领域，涉及基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案。该检测系统利用摇臂式三坐标测量机和融合变换矩阵Hi算法将多个立体视觉CCD传感器检测子系统的坐标系进行统一，使得各立体视觉CCD传感器检测子系统融合到摇臂式三坐标测量机系统所建立的坐标系为世界坐标系，以保证系统的标定及检测精度。利用多个立体视觉CCD传感器检测子系统采集获取关键点空间坐标信息，通过距离公式得到车身宽度、长度、对角线差、枕梁孔位置度、车身主梁等高、两侧门对角线差等测量模块信息。该系统能够随着车身车型变化，可根据现场检测要求，快速的增减立体视觉CCD传感器检测子系统的数量。该系统具有现场适应性好、测量范围广、检测项目多的优势。

Description

基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案
技术领域
本发明涉及基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案，属于机器视觉领域。
背景技术
当前随着我国交通运输制造业的不断发展，针对动车车型变化多、检测项目多、检测范围大等现场实际情况。企业往往依靠于传统测量工具，如钢直尺、卷尺、盘尺等，所造成的测量精度与综合误差很大，无法满足对动车车身关键尺寸形位公差的检测精度要求，而基于传统固定式三坐标机测量系统、i-GPS检测系统、激光跟踪仪或关节测量臂则由于测量范围小或存在检测盲区所限制，无法进行动车车身关键尺寸在线检测。而基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统则有其测量精度高、测量范围广、现场适应性好的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案。该检测系统利用摇臂式三坐标测量机和融合变换矩阵Hi将多个立体视觉检测子系统的坐标系进行统一，以保证系统的标定及检测精度。详细解决方案及步骤如下：
利用棋盘格标定板对固定于支架上的一组(2只)CCD传感器进行内外参数标定，形成立体视觉CCD传感器检测子系统。立体视觉CCD传感器检测子系统同时拍摄位于公共有效视野内且在固定位置安装有直径为20mm的三个高精度标准小钢球的标靶板。则这三个小钢球在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下的球心空间坐标信息分别为：A(X1,Y1,Z1)、B(X2,Y2,Z2)、C(X3,Y3,Z3)，该三点在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下确定一个空间平面。再利用摇臂式三坐标测量机去采集该三个点相对应于摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的直径为20mm的三个高精度标准小钢球球心空间坐标信息分别为A'(X’1,Y’1,Z’1)、B'(X’2,Y’2,Z’2)、C'(X’3,Y’3,Z’3)，也同样确定一个空间平面。利用立体视觉CCD传感器检测子系统所采集到小钢球球心空间坐标信息A、B、C和摇臂式三坐标测量机采集到的小钢球球心空间坐标信息A‘、B’、C‘，可以获得任意立体视觉CCD传感器检测子系统与摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的融合变换矩阵Hi：
该变量可以通过改变标靶板的角度，采集若干组点的空间坐标信息来获得。利用融合变换矩阵Hi将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系变换至世界坐标系中，同时将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下所采集到的点的空间坐标信息通过融合变换矩阵Hi实时转换到世界坐标系中。同理，利用多个立体视觉CCD传感器检测子系统采集获取关键点空间坐标信息，通过相关距离坐标公式得到车身宽度、长度、对角线差、枕梁孔位置度、车身主梁等高、两侧门对角线差等测量模块信息。如检测车身轮廓宽度尺寸测量模块，利用CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器3、CCD传感器4所组成的第二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的两个特征点的空间坐标信息，结合第一、第二两个立体视觉检测子系统所获取到的特征点的空间坐标信息，采集到该两点空间坐标信息为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则该两点将通过融合变换矩阵H1和H2实时转换到世界坐标系中的空间坐标信息分别为(x'1,y'1,z'1)、(x'2,y'2,z'2)。
则宽度信息其特征在于具体的检测步骤如下：
第一部分为车身轮廓宽度尺寸测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器3、CCD传感器4所组成的第二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的两个特征点的空间坐标信息，结合第一、第二两个立体视觉检测子系统所获取到的特征点的空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H2实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的两个关键点的空间坐标信息，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其宽度信息。
第二部分为车身轮廓长度尺寸测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器21、CCD传感器22所组成的第十一立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁处的两个特征点的空间坐标信息，结合第一、第十一两个立体视觉检测子系统所获取到的特征点空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H11实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系里下所显示的两个关键点的空间坐标信息，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其长度信息。
第三部分为车身轮廓对角线差测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器23、CCD传感器24所组成的第十二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁上的两个特征点的空间坐标信息，结合第一、第十二两个立体视觉检测子系统所获取到的特征点空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H12实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的两个关键点的空间坐标信息，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其对角线差信息。
第四部分为车身枕梁孔位置度测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器25、CCD传感器26所组成的第十三立体视觉检测子系统，CCD传感器27、CCD传感器28所组成的第十四立体视觉检测子系统，CCD传感器29、CCD传感器30所组成的第十五立体视觉检测子系统以及CCD传感器31、CCD传感器32所组成的第十六立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于枕梁孔处的空气弹簧定位销和高度定位块四个关键特征点的空间坐标信息，结合第十三、第十四、第十五、第十六四个立体视觉检测子系统所获取到的特征点空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H13、H14、H15和H16实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其位置度信息。
第五部分为车身轮廓主梁等高测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器5、CCD传感器6所组成的第三立体视觉检测子系统，CCD传感器9、CCD传感器10所组成的第五立体视觉检测子系统，CCD传感器13、CCD传感器14所组成的第七立体视觉检测子系统以及CCD传感器17、CCD传感器18所组成的第九立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于车身主梁处的三个特征点的空间坐标信息，结合第三、第五、第九三个立体视觉检测子系统所获取到的特征点空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H3、H5和H9实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息，对比该四个特征点坐标对应关系，构成一个平面，获得其主梁等高信息。
第六部分为车身轮廓两侧门口对角线差测量模块：
使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器9、CCD传感器10所组成的第五立体视觉检测子系统，CCD传感器11、CCD传感器12所组成的第六立体视觉检测子系统，CCD传感器13、CCD传感器14所组成的第七立体视觉检测子系统以及CCD传感器15、CCD传感器16所组成的第八立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的四个特征点的空间坐标信息，结合第五、第六、第七、第八四个立体视觉检测子系统所获取到的特征点空间坐标信息，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H5、H6、H7和H8实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其轮廓两侧门口对角线差信息。
本发明具备下列技术效果：
本发明是基于多目视觉的动车车身关键尺寸检测系统解决方案，该检测系统结构简单、测量范围广，由于综合利用了机器视觉和摇臂式三坐标测量机相结合的方式，使得整体检测系统结构简单、适应性好、测量范围广。首先利用摇臂式三坐标测量机和融合变换矩阵Hi将多个立体视觉CCD传感器立检测子系统数据转换到以摇臂式三坐标测量机所建立的世界坐标系中，之后可以对车身关键尺寸实时在线检测。该系统能够随着车身车型变化，可根据现场实际检测要求，快速的增减立体视觉CCD传感器检测子系统的数量。该系统具有现场适应性好、测量范围广、检测项目多的优势。
附图说明
图1是本发明车身关键尺寸检测方案系统结构图。
图2是本发明立体视觉CCD传感器、标靶板与摇臂式三坐标测量机之间示意图。
图3是本发明车身宽度、长度、对角线差测量模块原理图。
图4是本发明枕梁孔位置度测量模块原理图。
图5是本发明车身主梁等高及两侧门口对角线差测量模块原理图。
图6是本发明形位公差测量模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明具体实施方式为：各个立体视觉CCD传感器检测子系统通过摇臂式三坐标测量机和融合变换矩阵Hi完成了统一世界坐标系的标定，各个测量模块之间通过车身相联系起来，构成一个整体框架。
参阅图2所示，利用棋盘格标定板对固定于支架上的一组(2只)CCD传感器进行内外参数标定，形成立体视觉CCD传感器检测子系统。立体视觉CCD传感器检测子系统同时拍摄位于公共有效视野内且在固定位置安装有直径为20mm的三个高精度标准小钢球的标靶板。则这三个小钢球在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下的球心空间坐标信息分别为：A(X1,Y1,Z1)、B(X2,Y2,Z2)、C(X3,Y3,Z3)，该三点在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下确定一个空间平面。再利用摇臂式三坐标测量机去采集该三个点相对应于摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的直径为20mm的三个高精度标准小钢球球心空间坐标信息分别为A'(X’1,Y’1,Z’1)、B'(X’2,Y’2,Z’2)、C'(X’3,Y’3,Z’3)，也同样确定一个空间平面。利用立体视觉CCD传感器检测子系统所采集到小钢球球心空间坐标信息A、B、C和摇臂式三坐标测量机采集到的小钢球球心空间坐标信息A‘、B’、C‘，可以获得任意立体视觉CCD传感器检测子系统与摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的融合变换矩阵Hi：
该变量可以通过改变标靶板的角度，采集若干组点的空间坐标信息来获得。利用融合变换矩阵Hi将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系变换至世界坐标系中，同时将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下所采集到的点的空间坐标信息通过融合变换矩阵Hi实时转换到世界坐标系中。同理，利用多个立体视觉CCD传感器检测子系统采集获取关键点空间坐标信息，通过相关距离坐标公式得到车身宽度、长度、对角线差、枕梁孔位置度、车身主梁等高、两侧门对角线差等测量模块信息。如检测车身轮廓宽度尺寸测量模块，利用CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器3、CCD传感器4所组成的第二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的两个特征点的空间坐标信息，结合第一、第二两个立体视觉检测子系统所获取到的特征点的空间坐标信息，采集到该两点空间坐标信息为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则该两点将通过融合变换矩阵H1和H2实时转换到世界坐标系中的空间坐标信息分别为(x'1,y'1,z'1)、(x'2,y'2,z'2)。
则宽度信息其特征在于具体的检测步骤如下：
第一部分为车身轮廓宽度尺寸测量模块：
参阅图2中b所示，测量车身轮廓宽度信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器3、CCD传感器4所组成的第二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的两个特征点的空间坐标信息(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H2实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的两个关键点的空间坐标信息(x'1,y'1,z'1)、(x'2,y'2,z'2)，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其宽度信息。
第二部分为车身轮廓长度尺寸测量模块：
参阅图3中a所示，测量车身轮廓长度信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器21、CCD传感器22所组成的第十一立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁处的两个特征点的空间坐标信息，其空间坐标信息分别为(x1,y1,z1)、(x4,y4,z4)，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H11实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的两个关键点的空间坐标信息(x'1,y'1,z'1)、(x'4,y'4,z'4)，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其长度信息。
第三部分为车身轮廓对角线差测量模块：
参阅图3中c所示，测量车身轮廓对角线差信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器1、CCD传感器2所组成的第一立体视觉检测子系统以及CCD传感器23、CCD传感器24所组成的第十二立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁上的两个特征点的空间坐标信息，其空间坐标信息分别为(x1,y1,z1)、(x3,y3,z3)，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H1和H12实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的两个关键点的空间坐标信息(x'1,y'1,z'1)、(x'3,y'3,z'3)，利用空间两点之间距离坐标公式可以获得其对角线差信息。
第四部分为车身枕梁孔位置度测量模块：
参阅图4中d、e、f所示，分别为测量枕梁孔长度、宽度、对角线差信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器25、CCD传感器26所组成的第十三立体视觉检测子系统，CCD传感器27、CCD传感器28所组成的第十四立体视觉检测子系统，CCD传感器29、CCD传感器30所组成的第十五立体视觉检测子系统以及CCD传感器31、CCD传感器32所组成的第十六立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于枕梁孔处的空气弹簧定位销和高度定位块四个关键特征点的空间坐标信息，该特征点空间坐标信息分别为(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)，该四个特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H13、H14、H15和H16实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息(x'5,y'5,z'5)、(x'6,y'6,z'6)、(x'7,y'7,z'7)、(x'8,y'8,z'8)，利用空间两点之间距离坐标公式获得其枕梁孔位置宽度信息，获得其枕梁孔位置长度信息，获得其枕梁孔位置对角线差信息。
第五部分为车身轮廓主梁等高测量模块：
参阅图5中g所示，测量车身轮廓主梁等高信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器5、CCD传感器6所组成的第三立体视觉检测子系统、CCD传感器9、CCD传感器10所组成的第五立体视觉检测子系统、CCD传感器13、CCD传感器14所组成的第七立体视觉检测子系统以及CCD传感器17、CCD传感器18所组成的第九立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于车身主梁处的四个特征点的空间坐标信息，该四个特征点空间坐标信息分别为(x5,y5,z5)、(x7,y7,z7)、(x9,y9,z9)、(x11,y11,z11)，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H3、H5、H7和H9实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息(x'5,y'5,z'5)、(x'7,y'7,z'7)、(x'9,y'9,z'9)、(x'11,y'11,z'11)，对比该四个特征点坐标对应关系，构成一个平面，获得其主梁等高信息。
第六部分为车身轮廓两侧门口对角线差测量模块：
参阅图5中h所示，测量车身轮廓两侧门口对角线差信息。使用固定于支架且已完成坐标系融合后的统一世界坐标系的CCD传感器9、CCD传感器10所组成的第五立体视觉检测子系统CCD传感器11、CCD传感器12所组成的第六立体视觉检测子系统、CCD传感器13、CCD传感器14所组成的第七立体视觉检测子系统以及CCD传感器15、CCD传感器16所组成的第八立体视觉检测子系统，分别利用该CCD传感器各立体视觉检测子系统采集并提取位于边梁及端梁处的四个特征点的空间坐标信息，该四个特征点空间坐标信息分别为(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)、(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)，该特征点空间坐标信息将通过融合变换矩阵H13、H14、H15和H16实时转换到以摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系中，根据世界坐标系下所显示的四个关键点的空间坐标信息(x'7,y'7,z'7)、(x'8,y'8,z'8)、(x'9,y'9,z'9)、(x'10,y'10,z'10)，利用空间两点之间距离公式：
可以获得其两侧门口对角线差信息。
该系统能够随着车身车型变化，可根据现场检测要求，快速的增减立体视觉CCD传感器检测子系统的数量。该系统具有现场适应性好、测量范围广、检测项目多的优势。

Claims (5)

1.一种基于摇臂式三坐标测量机的立体视觉CCD传感器检测子系统统一世界坐标系方法，其具体步骤如下：
(1)利用棋盘格标定板对固定于支架上的一组2只CCD传感器进行内外参数标定，形成立体视觉CCD传感器检测子系统；
(2)立体视觉CCD传感器检测子系统同时拍摄位于公共有效视野内且在固定位置安装有直径为20mm的三个高精度标准小钢球的标靶板，则三个小钢球在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下的球心空间坐标信息分别为：A(X1,Y1,Z1)、B(X2,Y2,Z2)、C(X3,Y3,Z3)，该三点在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下确定一个空间平面；
(3)再利用摇臂式三坐标测量机去同样测量该三点，采集到该三个点相对应于摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的小钢球球心空间坐标信息分别为A'(X’1,Y’1,Z’1)、B'(X’2,Y’2,Z’2)、C'(X’3,Y’3,Z’3)，也同样确定一个空间平面。
(4)利用立体视觉CCD传感器检测子系统所采集到小钢球球心空间坐标信息A、B、C和摇臂式三坐标测量机所采集到的小钢球球心空间坐标信息A‘、B’、C‘，可以获得任意立体视觉CCD传感器检测子系统与摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系的融合变换矩阵Hi：
该变量可以通过改变标靶板的角度，采集若干组点的空间坐标信息来获得。利用融合变换矩阵Hi将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系变换至世界坐标系中，同时将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下所采集到的点的空间坐标信息通过融合变换矩阵Hi实时转换到世界坐标系中。同理，利用多个立体视觉CCD传感器检测子系统采集获取关键点空间坐标信息，通过相关距离坐标公式得到车身宽度、长度、对角线差、枕梁孔位置度、车身主梁等高、两侧门对角线差等测量模块信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于摇臂式三坐标测量机的立体视觉CCD传感器检测子系统统一世界坐标系方法，其特征在于，步骤(2)中为了融合立体视觉CCD传感器检测子系统，利用立体视觉CCD传感器检测子系统去采集标靶板上的三个小钢球的球心空间坐标信息，使得该三个小钢球球心空间坐标在立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系中形成一个空间平面。
3.根据权利要求1所述的一种基于摇臂式三坐标测量机的立体视觉CCD传感器检测子系统统一世界坐标系方法,其特征在于，步骤(3)中利用摇臂式三坐标测量机去测量同位置的三个小钢球，采集该三个小钢球球心空间坐标信息，该空间坐标信息在摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系为世界坐标系里同样也形成一个空间平面。
4.根据权利要求1所述的一种基于摇臂式三坐标测量机的立体视觉CCD传感器检测子系统统一世界坐标系方法，其特征在于，步骤(4)中，将立体视觉CCD传感器检测子系统坐标系下的数据通过融合变换矩阵Hi转换到摇臂式三坐标测量机系统自身所建立的坐标系中，该坐标系为世界坐标系。
5.根据权利要求1所述的一种基于摇臂式三坐标测量机的立体视觉CCD传感器检测子系统统一世界坐标系方法，将立体视觉CCD传感器检测子系统所采集到的关键点的数据，通过融合变换矩阵Hi实时变换至世界坐标系中，进而求得各个测量模块的实验数据。
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