专利名称：基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法
技术领域：
本发明涉及一种型钢几何参数的测量。特别是涉及一种能够实时、自动地实现型钢几何参数的在线测量的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法。
背景技术：
热轧型钢是一种高效的建筑用钢材，广泛地用在包括民用住宅、高层建筑、航空港、体育场馆、会展中心、铁路、桥梁等民用建筑和公共设施以及轻钢结构厂房、中型和重型工业厂房、铁路车辆、船舶制造、电站、石化工程、海洋石油平台等工业建筑结构与产品上，作为结构的柱、梁使用，有时也用于建筑基础的桩基和机械设备中。
影响型钢产品质量的因素很多，其中几何尺寸参数控制精度是一个非常重要的指标，它不仅影响到轧件的形面质量，还影响到型钢产品力学性能的均匀性等，另外，也直接关系到原材料的成品转化率，影响到生产的效率和产生的效益。中华人民共和国国家标准《GB/T 11263-1998热轧H型钢和部分T型钢》对型钢的几何尺寸参数做了明确规定。因此，型钢几何参数的测量至关重要。
由于生产现场环境恶劣，传统的型钢几何尺寸检测大都采用离线、人工的方式进行抽检，红检取样时间长，红检工劳动强度大，测量信息与生产状态不能及时对应，不能实时反映生产线的状态，不能有效地实现生产的闭环尺寸控制，降低了轧机的有效作业率，也相应增加了型钢的废品率，而且为了实现特定几何参数的测量，需要设计专门的测量工具，尤其对于跨度较大的多个规格产品，需要设计多套专门测量工具。这些都严重影响了型钢生产的现代化，限制了产品质量的进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有测量速度快、非接触、自动、可在线、能在恶劣的环境中使用、具有较高的测量精度，可实现生产过程闭环控制的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法。
本发明所采用的技术方案是一种基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，包括如下步骤 (1)由1只摄像机和多线激光投射器组成多线结构光视觉传感器，并完成摄像机和多线结构光视觉传感器参数的校准； (2)根据多线结构光视觉传感器工作距离及测量景深，在被测型钢同一截面四周布设并固定多只多线结构光视觉传感器； (3)对所布设多线结构光视觉传感器进行全局校准，将每一个多线结构光视觉传感器的局部测量坐标系统一到一个全局测量坐标系下； (4)计算机通过多线结构光视觉传感器控制器控制多线结构光视觉传感器中的多线激光投射器，投射激光光条到被测型钢各型面； (5)计算机通过多线结构光视觉传感器控制器控制所布设的多线结构光视觉传感器中的摄像机同步采集型钢表面光条图像； (6)计算机进行光条图像处理，并根据多线结构光视觉传感器的测量模型计算型钢表面光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下； (7)由投射到同一型面上的多个光条的空间坐标拟合可表征各型面的平面，并计算平面间的位姿关系； (8)根据平面间的位姿关系，求取型钢的几何尺寸参数。
所述的多线激光投射器所投射的射线是2个或2个以上。
所述的多线激光投射器是一个投射器产生多个投射线的激光投射器，或是多个独立一字线激光投射器的组合。
步骤1所述的摄像机的校准参数包括有有效焦距、像面中心、畸变系数和比例因子。
步骤1所述的多线结构光视觉传感器的校准参数包括有结构光平面方程。
步骤2所述的多线结构光视觉传感器的数量是依据具体型钢规格需求布设，即，每个视觉传感器对应一个或多个型面，所布设传感器测量视场要涵盖所有型面。
步骤6所述的光条图像处理是光条中心坐标的提取。
步骤8所述的型钢的几何尺寸参数包括高度、宽度、腹板厚度、翼缘厚度和中心偏差。
本发明的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，通过多线结构光传感器测量型钢的各个型面，并根据各型面间的位姿关系计算得到型钢几何参数，从根本上避免了型钢生产过程中型钢的振动、偏摆等因素造成的测量误差，能够极大地提高测量精度，保证测量结果的有效性。本发明可以实现型钢几何尺寸的在线、实时、自动、非接触测量，有利于形成生产、测量闭环控制，测量速度快，能在恶劣的环境中使用、具有较高的测量精度，可以大大提高生产效率和产品质量，有效地降低工人劳动强度。
图1是本发明的多线结构光视觉传感器组成示意图； 图2是线结构光视觉传感器测量模型示意图； 图3是基于多线结构光视觉传感器的H型钢几何参数测量系统原理图； 图4是H型钢型面拆分示意图。
其中 1多线结构光视觉传感器外壳2摄像机 3激光投射器 4第一线结构光 5第二线结构光 6结构光平面 7图像平面 8H型钢 9第一多线结构光视觉传感器 10第二多线结构光视觉传感器 11第三多线结构光视觉传感器12第四多线结构光视觉传感器 13第一型面14第二型面 15第三型面16第四型面 17第五型面18第六型面 19第七型面20第八型面 21第九型面22第十型面 23第十一型面 24第十二型面
具体实施例方式 下面结合实施例和附图对本发明的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法做出详细说明。
本发明的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，将型钢分拆成多个型面的组合，基于线结构光视觉测量的原理和多光条空间平面拟合技术，采用多线结构光视觉传感器，构建型钢各型面间的位姿关系，即利用投射到各型面上的光条空间坐标拟合可表征各型面的平面，根据所拟合型面间位姿关系计算得到型钢几何参数。具体包括如下步骤 (1)由1只摄像机和多线激光投射器组成多线结构光视觉传感器，并完成摄像机有效焦距、像面中心、畸变系数、比例因子等参数和多线结构光传感器中结构光平面方程等参数的校准； 所述的多线激光投射器所投射的射线是2个或2个以上。所述的多线激光投射器是一个投射器产生多个投射线的激光投射器，或是多个独立一字线激光投射器的组合。
(2)根据多线结构光视觉传感器工作距离及测量景深，在被测型钢同一截面四周布设并固定多只多线结构光视觉传感器； 所述的多线结构光视觉传感器的数量是依据具体型钢规格需求布设，即，每个视觉传感器对应一个或多个型面，所布设传感器测量视场要涵盖所有型面。以H型钢为例，四周布设4只多线结构光视觉传感器。
(3)对所布设多线结构光视觉传感器进行全局校准，将每一个多线结构光视觉传感器的局部测量坐标系统一到一个全局测量坐标系下； (4)计算机通过视觉传感器控制器控制多线结构光视觉传感器中的多线激光投射器，投射激光光条到被测型钢各型面； (5)计算机通过视觉传感器控制器控制所布设的多线结构光视觉传感器中的摄像机同步采集型钢表面光条图像； (6)计算机进行光条图像处理，并根据多线结构光视觉传感器的测量模型计算型钢表面光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下； 所述的光条图像处理是光条中心坐标的提取。
(7)由投射到同一型面上的多个光条的空间坐标拟合可表征各型面的平面，并计算平面间的位姿关系； (8)根据平面间的位姿关系，求取型钢的几何尺寸参数。
所述的型钢的几何尺寸参数包括高度H、宽度W、腹板厚度t1、翼缘厚度t2和中心偏差S，参见中华人民共和国国家标准《GB/T 11263-1998热轧H型钢和部分T型钢》。
如图1所示，1只摄像机和1个2线激光投射器组成多线结构光视觉传感器。一套测量系统由多个多线结构光视觉传感器组成。在组建测量系统前，针对每个多线结构光视觉传感器需要完成摄像机和传感器参数的校准(局部校准)，校准后的多线结构光视觉传感器可以实现在自身坐标系下的坐标测量。
图2所示为线结构光视觉传感器的数学模型。如图中所示，假设三维世界坐标系为owxwywzw，摄像机坐标系为ocxcyczc，图像平面πn坐标系为onXnYn。将摄像机坐标系作为线结构光视觉传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下结构光平面πs的方程来表示。设在坐标系ocxcyczc下，光平面πs的方程系数为V＝[a b c d]，光平面上任意一点P的坐标为Pc＝[xc yc zc]T，对应齐次坐标为则光平面方程可以表示为 若已知P点的理想投影归一化图像齐次坐标则过摄像机光心和此像点的直线方程可以表示为 则(1)、(2)式的联立即为线结构光视觉传感器的数学模型，通过上述数学模型可以实现传感器在自身坐标系下的坐标测量。
首先，根据多线结构光视觉传感器的工作距离及测量景深，在被测型钢同一截面四周布设并固定多只多线结构光视觉传感器，并进行现场热防护处理，构建测量系统。系统构建完成后，进行系统校准(全局校准)，统一所有视觉传感器的测量坐标系。如图3所示为基于4只多线结构光视觉传感器的H型钢几何参数测量系统原理图。
测量时，第一多线结构光视觉传感器9、第二多线结构光视觉传感器10、第三多线结构光视觉传感器11、第四多线结构光视觉传感器12中的激光投射器3同时投射线结构光平面到H型钢的对应型面，每个投射型面上形成2条亮条纹。计算机通过第一多线结构光视觉传感器9中的摄像机采集第一型面13上的亮条纹图像，通过第二多线结构光视觉传感器10中的摄像机采集第二型面14、第三型面15、第四型面16、第五型面17、第六型面18上的亮条纹图像，通过第三多线结构光视觉传感器11中的摄像机采集第七型面19上的亮条纹图像，通过第四多线结构光视觉传感器12中的摄像机采集第八型面20、第九型面21、第十型面22、第十一型面23和第十二型面24上的亮条纹图像，并分别进行图像处理，得到每个型面上3条亮条纹的图像坐标。在亮条纹图像坐标的基础上，结合摄像机校准参数、多线结构光视觉传感器校准参数、全局校准参数及线结构光视觉传感器的数学模型，计算得到全局坐标系下亮条纹的空间坐标。利用分布在每个型面上的2条亮条纹的空间坐标进行型面拟合，分别得到第一型面13、第二型面14、第三型面15、第四型面16、第五型面17、第六型面18、第七型面19、第八型面20、第九型面21、第十型面22、第十一型面23和第十二型面24。根据第一型面13和第七型面19的空间位姿关系，计算得到型钢的高度H。根据第二型面14和第十二型面24、第六型面18和第八型面20的空间位姿关系，计算得到型钢的宽度W。根据第四型面16和第十型面22的空间位姿关系，计算得到型钢的腹板厚度t1。根据第一型面13和第三型面15、第一型面13和第十一型面23、第七型面19和第五型面17、第七型面19和第九型面21的空间位姿关系，计算得到型钢的翼缘厚度t2。根据第二型面14、第四型面16、第六型面18、第八型面20、第十型面22、第十二型面24的空间位姿关系，计算得到型钢的中心偏差S。
权利要求
1.一种基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤
(1)由1只摄像机和多线激光投射器组成多线结构光视觉传感器，并完成摄像机和多线结构光视觉传感器参数的校准；
(2)根据多线结构光视觉传感器工作距离及测量景深，在被测型钢同一截面四周布设并固定多只多线结构光视觉传感器；
(3)对所布设多线结构光视觉传感器进行全局校准，将每一个多线结构光视觉传感器的局部测量坐标系统一到一个全局测量坐标系下；
(4)计算机通过多线结构光视觉传感器控制器控制多线结构光视觉传感器中的多线激光投射器，投射激光光条到被测型钢各型面；
(5)计算机通过多线结构光视觉传感器控制器控制所布设的多线结构光视觉传感器中的摄像机同步采集型钢表面光条图像；
(6)计算机进行光条图像处理，并根据多线结构光视觉传感器的测量模型计算型钢表面光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下；
(7)由投射到同一型面上的多个光条的空间坐标拟合可表征各型面的平面，并计算平面间的位姿关系；
(8)根据平面间的位姿关系，求取型钢的几何尺寸参数。
2.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，所述的多线激光投射器所投射的射线是2个或2个以上。
3.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，所述的多线激光投射器是一个投射器产生多个投射线的激光投射器，或是多个独立一字线激光投射器的组合。
4.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，步骤1所述的摄像机的校准参数包括有有效焦距、像面中心、畸变系数和比例因子。
5.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，步骤1所述的多线结构光视觉传感器的校准参数包括有结构光平面方程。
6.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，步骤2所述的多线结构光视觉传感器的数量是依据具体型钢规格需求布设，即，每个视觉传感器对应一个或多个型面，所布设传感器测量视场要涵盖所有型面。
7.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，步骤6所述的光条图像处理是光条中心坐标的提取。
8.根据权利要求1所述的基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法，其特征在于，步骤8所述的型钢的几何尺寸参数包括高度、宽度、腹板厚度、翼缘厚度和中心偏差。
全文摘要
一种基于多线结构光视觉传感器的型钢几何参数测量方法完成由1只摄像机和多线激光投射器组成多线结构光视觉传感器参数的校准；在被测型钢同一截面四周布设多线结构光视觉传感器；将每一个多线结构光视觉传感器的局部测量坐标系统移到一个全局测量坐标系下；计算机分别控制多线激光投射器，投射激光光条到被测型钢各型面，及摄像机同步采集型钢表面光条图像；计算机进行光条图像处理，计算型钢表面光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下；拟合可表征各型面的平面，并计算平面间的位姿关系；求取型钢的几何尺寸参数。本发明可以实现型钢几何尺寸的在线、实时、自动、非接触测量，有利于形成生产、测量闭环控制，测量速度快，具有较高的测量精度。
文档编号G01B11/06GK101571373SQ200910069219
公开日2009年11月4日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者斌 吴, 婷 薛, 杨学友 申请人:天津大学