本发明涉及列车车体轮廓测量技术领域，具体地，涉及具有定位补偿功能的数字化卡板及其测量方法。
背景技术：
在列车车厢制造过程中，需要对车厢车体的车顶、侧墙等部件进行在线检测，以获取准确的形状参数。
目前，在列车生产现场采用的车体轮廓检测方法一般是以金属卡板为模板，利用直尺人工测量车体与卡板之间的间隙大小的方式来获取形状偏差信息。这种检测方式测量精度低、效率低、可靠性差，而且生产过程的相关数据无法自动保存，不能实现产品质量追溯，无法满足现代化生产需求。针对这一问题，又提出了自动化测量技术。对于一般的大尺寸目标轮廓三维测量，现场自动化测量方式主要有：双目立体成像法、数字投影光栅法以及偏差测量法。
双目立体成像法是采用两个视觉探头同时瞄准被测目标的同一区域，通过特征匹配和计算得出特征点的空间位置坐标。但是，双目立体成像法测量过程复杂，特征匹配容易出错、深度测量精度低，不适宜车体轮廓测量。数字投影光栅法是利用数字投影仪想被测表面透射一组光栅条纹，利用一侧的摄像机获取光栅条纹的图像，最后对图像数据处理，得到被测表面的三维轮廓。但是，数字投影光栅法的测量精度受测量范围影响较大，尤其在表面出现较大倾角时，测量误差显著增大，无法满足车体轮廓测量需求。偏差测量法是在一个刚性卡板上安装若干位移传感器，形成一个数字化卡板，直接测量卡板与被测车体之间的距离偏差，从而实现卡板轮廓的测量。但是，偏差测量法是一种相对测量方法，数字卡板与被测车体之间的定位精度直接影响轮廓测量精度，而在生产现场卡板的定位精度往往得不到保证，因此实际测量精度低。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有定位补偿功能的数字化卡板及其测量方法。
第一方面，本发明提供的一种具有定位补偿功能的数字化卡板，包括：基板、定位机构、位移传感器、视觉传感器、控制器，所述基板通过定位机构横跨在被测车体的表面上；其中：
所述定位机构位于所述基板的下方，用于支撑基板，并限定所述基板与被测车体的相对位置；利用定位机构与被测车体保持稳定而可靠的相对位置关系，从而保证每次测量的位置一致性、提高测量重复性；
所述位移传感器安装在基板的内部，并与被测车体上的预设测量点所在表面保持垂直，用于测量被测车体的预设测量点；其中，位移传感器为多个非接触位移传感器，位移传感器的数量与测量点数量一致；而测量点数量根据实际情况设定；
所述视觉传感器位于基板的两侧，用于测量被测车体的两侧边缘；
所述控制器安装在基板的内容，并与所述位移传感器、视觉传感器电连接，用于接收和处理所述位移传感器、视觉传感器测量得到的数据。
可选地，所述基板内部设置有多个纵横交错的刚性骨架，所述基板的外部设置有轻质金属材料支撑的防护板。基板采用轻质金属材质制作，以保证卡板具有足够高的刚性、减小变形、保证测量精度；为了降低基板的自重，基板内部采用类似于飞机翅膀的空心蜂窝结构，基板外部为轻质薄形防护板、实现防水防尘功能。
可选地，所述定位机构包括：两组纵向定位机构和两组横向定位机构，其中：
两组纵向定位机构用于支撑基板的全部重量，以使基板保持在被测车体的表面上方；
两组横向定位机构位于所述基板两端的下方，并分别与被测车体的两端横向弹性接触，用于消除基板的横向移动。
可选地，两组纵向定位机构的支点间的距离约为基板总长的5/9，且两组纵向定位机构按照基板的中心对称设置；从而使得基板的形变最小。
两组纵向定位机构均采用万向球结构，用于在支撑基板的同时，滚动调节基板在被测车体的表面上的位置。两组纵向定位机构和两组横向定位机构均采用双点支撑形式，两个支撑点的跨距均大于卡板的高度，从而有效防止卡板出现倾覆现象。
可选地，还包括电池组，所述电池组用于向位移传感器、视觉传感器、控制器提供电能。电池组内置于卡板之内，可为所有的位移传感器、视觉传感器和控制器统一供电，满足连续工作的要求。例如，电池组采用可充电式锂电池，并内置于卡板之内，从而为所有的位移传感器、视觉传感器和控制器统一供电，满足连续工作的要求。
可选地，所述位移传感器为多个，多个所述位移传感器采用串行通讯方式将测量得到的数据传输给所述控制器。例如可以利用一根电缆实现所有位移传感器与控制器的连接与数据采集，减少并行采集产生的多根电缆的重量负担。
可选地，所述位移传感器还设置有独立的定位板，所述定位板包含有三个互相正交的定位面，所述三个互相正交的定位面用于配准所述位移传感器相应的三个基准面。从而保证位移传感器的位置与姿态符合设计要求。
可选地，所述视觉传感器采用由相机、镜头以及照明光源组成的一体化传感器，其中，所述镜头安装在相机上，所述照明光源环绕布置于镜头外侧并采用led环形光源。实现对被测车体进行补光照明。
可选地，所述控制器包括：工控机和转换器，所述工控机设置有用于接收用户操作信号的触摸屏，并通过所述转换器的串行总线与所述位移传感器电连接，通过预设接口与所述视觉传感器电连接。控制器的操作面板外露于卡板表面，便于操作。
可选地，还可以为具有定位补偿功能的数字化卡板配备一个标准件，该标准件采用一段实际的被测车体，在规定的测量点处，以刻画出测量标志，通过设计稳固的支撑座形成一个固定的整体式标准件，便于进行标定操作和移动运输。
第二方面，本发明提供一种具有定位补偿功能的数字化卡板的测量方法，可以应用第一方面中任一项所述的具有定位补偿功能的数字化卡板，所述方法包括：
测量所述具有定位补偿功能的数字化卡板对应的标准件上每个测点位置的轮廓距离和标准件的实际长度，并将测量到的数据作为基准值输入控制器；
将所述具有定位补偿功能的数字化卡板置于所述标准件上，并根据控制器的提示进行位置微调；在位置微调结束后，在所述控制器接收到用户输入的校准指示信息后，自动保存所有位移传感器和视觉传感器的测量结果，将所述测量结果作为零位值；
将所述具有定位补偿功能的数字化卡板置于被测车体的表面上，并根据控制器的提示进行位置微调；在位置微调结束后，横向锁紧定位机构；
将所述具有定位补偿功能的数字化卡板移动到测量位置，在所述控制器接收到用户输入的测量指示信息后，自动获取所有位移传感器和两个视觉传感器的数据，分析处理后得到被测车体的轮廓与长度的偏差值，将所述偏差值显示于控制器的触摸屏上并保存；
通过两个视觉传感器的读数值之和计算出所述具有定位补偿功能的数字化卡板的定位偏差，并进行定位偏差的修正；
将控制器中保存的数据发送给远端的服务器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的具有定位补偿功能的数字化卡板及其测量方法，通过在基板的下方设置定位机构来限定所述基板与被测车体的相对位置；并通过控制器自动获取位移传感器和视觉传感器的测量结果。定位机构与被测车体保持稳定而可靠的相对位置关系，从而保证每次测量的位置一致性、提高测量重复性。采用控制器、移传感器和视觉传感器来实现自动化定位和数据测量，使得定位精度高，可在生产现场实时测量车体轮廓偏差，测量速度快。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的数字卡板结构组成示意图；
图2是本发明的基板内部结构示意图；
图3是本发明的定位机构支撑布局示意图；
图4为本发明的位移传感器级联方式示意图；
图5为本发明的位移传感器定位板结构示意图；
图6为本发明的视觉传感器组成结构示意图；
图7为本发明的控制器组成结构示意图；
图8为本发明的标准件组成结构示意图；
图9为本发明的定位偏差补偿原理示意图。
图中，1-基板，2-定位机构，21-纵向定位机构，22-横向定位机构，3-位移传感器，4-视觉传感器，5-控制器，6-电池组，7-被测车体，8-支撑板，9-连接杆，10-定位板，101-第一正交定位面，102-第二正交定位面，103-第三正交定位面，11-相机，12-镜头，13-光源，14-工控机，15-转换器，16-标准件，17-支撑座。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一实施例提供的一种具有定位补偿功能的数字化卡板，包括：基板1、定位机构2、位移传感器3、视觉传感器4、控制器5、电池组6等构成。其中：所述基板1横跨在被测车体7表面，通过定位机构2与被测车体7保持稳定而可靠的相对位置关系，并且保证每次测量的位置一致性、提高测量重复性。所述定位机构2一共有4组，其中2组定位机构置于基板的下方，支撑整个数字卡板的重量、实现卡板在垂直方向的定位；另外2组定位机构置于基板的两端，用于实现卡板在水平方向的定位。所述位移传感器3为多个非接触位移传感器，其数量与测量点数一致；位移传感器3安装于卡板内部，分别对准被测车体7的相应测量点，并与被测点表面垂直。所述视觉传感器4一共有2个，分别安装于基板1的两端，分别瞄准被测车体7的两侧边缘；所述控制器5内置于卡板内部，与所有的位移传感器3、视觉传感器4以及电池组6相连，但是控制器5的操作面板外露与卡板表面，便于操作。所述电池组6内置于卡板之内，可为所有的位移传感器3、视觉传感器4和控制器5统一供电，满足连续工作的要求。
本发明部分实施例中，基板1可以采用轻质金属材质制作，以保证卡板具有足够高的刚性、减小变形、保证测量精度。例如，可以采用铝合金、镁铝合金、钛合金等材料。
本发明部分实施例中，基板1内部可以采用类似于飞机翅膀的空心蜂窝结构，如图2所示。在基板1内部安置有多个纵横交错的支撑板8和连接杆9，以期加强其刚性、提高其抗弯和抗扭变形的能力，同时最大限度地降低基板的自重，便于人工操作；基板1的外部为轻质薄形防护板，实现良好的防水防尘功能。
本发明部分实施例中，定位机构2可以采用4点定位方式，共设计有4组定位机构2，如图3所示。其中的两组纵向定位机构21位于基板1的下方，支撑卡板的所有重量，保证卡板直接支撑于被测车体7的表面之上；另外两组横向定位机构22位于基板的两端，分别与被测车体7的两端横向接触。
进一步的，在一优选实施例中，两组纵向定位机构21的支点距离为基板1总长的5/9左右，即d＝(5/9)l，居中对称布置，以保证变形最小。
进一步的，在一优选实施例中，两组纵向定位机构21均采用万向球，可以同时实现支撑、定位与滚动的功能要求，便于纵向移动卡板、调节卡板在被测车体7上的定位位置。
进一步的，在一优选实施例中，两组横向定位机构22为弹性支撑，与被测车体7的边缘为弹性接触，以消除可能产生的卡板横向移动，提高定位精度；
进一步的，在一优选实施例中，四组定位机构均采用双点支撑形式，两个支撑点的跨距均大于卡板的高度，即图中t>h，从而有效防止卡板出现倾覆现象。
本发明部分实施例中，位移传感器3可以采用串行通讯方式传输采用数据，例如rs-485等，从而可以利用一根电缆实现所有位移传感器与控制器5的连接与数据采集，减少并行采集产生的多根电缆的重量负担。如图4所示，所有位移传感器3均采用rs-485通讯接口，通过一根电缆相连，并接入控制器5之中，从而实现控制器5通过一根电缆采集所有位移传感器3的测量数据。
本发明部分实施例中，位移传感器3分别设置一个独立的定位板10，以保证每个位移传感器3的空间位置与姿态处于理想的状态，保证测量精度。所述的定位板10具有三个互相正交的定位面，这三个定位面与位移传感器3的相应的三个基准面一致，从而保证位移传感器3的位置与姿态符合设计要求。如图5所示，定位板10具有三个正交的定位面，分别为第一正交定位面101、第二正交定位面102、第三正交定位面103，分别与位移传感器3的基准面对应。
本发明部分实施例中，视觉传感器是由相机11、镜头12和光源13组成的一体化传感器，如图6所示；相机11采用工业级数字相机，其分辨力依据被测车体的长度变化量和测量精度而定，例如对于±100mm的车体长度变化量和0.1mm的测量分辨力，要求相机11的像素数应不少于2000pixel；镜头12直接安装于相机11之上，镜头12的视角依据被测车体7的长度变化量和视觉传感器4与被测车体7边缘的距离而定，例如对于±100mm的车体长度变化量和100mm的工作距离，要求镜头12的视角应不小于90°；光源13采用环形led光源，环绕布置于镜头12外侧，对被测车体7进行补光照明。
本发明部分实施例中，控制器5由工控机14和转换器15组成，如图7所示；工控机14为带有触摸屏的一体化工控机，可以实现操控与现实一体化；工控机14通过转换器15的串行总线将所有的位移传感器3连接，并将所有位移传感器3的位移测量数据读入工控机14；工控机14通过自带接口与两个视觉传感器4相连，并将视觉传感器4中相机11的图像数据读入工控机14之中，同时控制视觉传感器4中的光源13；工控机14负责进行数据处理、存储、计算以及测量结果与系统状态的显示，同时可接受人工操作。
本发明部分实施例中，电池组6为可充电式锂电池，内置于卡板之内，可为所有的位移传感器3、视觉传感器4和控制器5统一供电，满足连续工作的要求。
上述各实施例中的具有定位补偿功能的数字化卡板还可以配备有一个标准件16，该标准件16采用一段实际的被测车体7，在规定的测量点处刻画出测量标志，通过设计稳固的支撑座17形成一个固定的整体式标准件，便于进行标定操作和移动运输。如图8所示，采用一段被测车体7形成的标准件16固定于支撑座17之上，形成一体化的标准件形式，减小变形引起的误差。支撑座17可采用轻合金框架式结构设计，或者可以采用整体大理石制作，以提高整体刚性。在标准件16上相应的测量点位置刻画出一些圆形、方形、或者十字线等标记，作为测量点的位置标志，以供标定和校准时定位测量点位置之用。
基于上述的数字化卡板结构，本发明提供一种具有定位补偿功能的数字化卡板的测量方法的实施例，所述方法包括：
标定步骤：采用三坐标测量机或者其他更高精度等级的三维测量设备，逐个测量标准件16上每个测量点位置的轮廓距离dsi(i＝1,2,…n)和标准件的实际长度ws，并作为基准值输入到数字卡板的控制器5之中。
校准步骤：将数字卡板置于标准件16之上，在控制器5的提示下进行位置微调，到位之后锁紧两端的定位机构2，点击控制器5触摸屏上的“校准”按键，控制器5自动保存此时所有位移传感器3的测量结果d0i(i＝1,2,…n)和两个视觉传感器4的测量结果l0、r0以及长度测量值w0＝l0-r0，作为零位值。
安装步骤：将数字卡板置于被测车体7之上，在控制器5的提示下进行位置微调，到位之后锁紧两端的定位机构2，保证数字卡板的位置准确而可靠。
测量步骤：将卡板移动到测量位置，点击控制器5触摸屏上的<测量>按键，控制器5将自动读取此时所有位移传感器的读数值di与视觉传感器的读数值l、r，通过处理得到最终的车体轮廓与长度的偏差值：δd＝d-d0+ds，δw＝(l-r)-w0+ws，该偏差值显示于控制器5的触摸屏之上，并自动保存于控制器5中的工控机14的硬盘中。
补偿步骤：工控机14利用两个视觉传感器4的读数值l、r之和计算出卡板的定位偏差，即δp＝(l+r)/2，从而实现定位偏差的修正，如图9所示。
发送步骤：点击控制器5触摸屏上的<发送>按键，工控机14将所有测量结果打包，并通过无线网络发送到远端的服务器；
移位步骤：推动数字卡板到达下被测车体7的一个测量位置，重复进行上述的测量与发送工作，直至完成全部测量位置的测量工作。
本发明提出的具有定位补偿功能的数字化卡板，不仅可以同时实现车体轮廓偏差和长度的非接触自动测量，而且可以自动补偿由于定位偏差导致的测量误差，测量精度高、稳定可靠，整体重量轻，可长期无缆工作，使用方便。该方法还可用于其它相关测量领域之中。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。