基于双目视觉的输送带物料重量测量系统及测量方法与流程

本发明属于输送带物料称重技术领域，涉及一种基于双目视觉的输送带物料重量测量系统，本发明还涉及一种基于双目视觉的输送带物料重量测量方法。

背景技术：

输送带输送应用于各行各业，实现物件的组装、检测、调试、包装及运输等。输送带可输送的物料种类繁多，既可输送各种散料，也可输送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的货件，用途广泛，因此输送带的称重是非常重要的。目前输送带运输的称重装置应用较多的是核子秤和电子秤。

核子秤的测量误差有以下几种影响原因：输送带厚度的自然磨损，电离室表面积灰尘，可以被认为是射线的穿透厚度发生了变化，会影响测量结果；如输送带跑偏使输送带甚至物料跑到射线覆盖区域之外，会产生较大甚至严重的测量误差；物料品种、成份、水份的变化，会引起质量吸收系数的变化，会产生测量误差；颗粒度增大会引起射线的多次折射，会使测量结果降低。

输送带电子秤的测量原理是利用压力传感器完成在线对物料称重，目前应用的输送带电子秤主要以杠杆式和悬浮式秤架结构为主。输送带电子秤的单位荷重或物料重量要通过输送带、承重托辊、杠杆和连接机构等一系列机械装置传递给称重传感器，中间任何一个环节不当，都会引入测量误差。物料的重量通过输送带作用向下一级传递，如果输送带张力不稳定必然引起测量误差；输送带的自然磨损和秤架积灰、积料也会影响传感器的受力，引起测量误差；秤架和传感器连接机构如果安装不当，会存在内应力，如果天气气候如冷热、干湿变化明显，会引起内应力的变化，必然带来测量误差；输送带运行中和称重托辊之间存在滚动摩擦，摩擦力的大小随输送带负荷大小变化，摩擦力会对称量杠杆系统产生非计量力矩，从而引起称量误差；输送带电子秤属于悬索类称量系统，物料重量经输送带传递给受力系统，由于称量框架在加载后的微动下移，必然使传感器受力减小，从而产生测量误差；如果在安装中未经偏载调试，在工作中输送带跑偏会产生测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于双目视觉的输送带物料重量测量系统，解决了现有技术输送带电子秤对输送中物料测量误差的影响因素多，测量误差难以控制，测量精度不可靠的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于双目视觉的输送带物料重量测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于双目视觉的输送带物料重量测量系统，在输送带的称重区域起始位置设置一个前支架，在终了位置设置一个后支架，该起始位置设置在输送带的一个辊轮正上方，在该辊轮轴端安装有速度传感器；在起始位置的前支架上安装有激光器巴条阵列，在终了位置的后支架上安装有两个ccd摄像机，在前支架与后支架之间设置有光源；上述的两个ccd摄像机、速度传感器通过各自的电缆线与计算机信号连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种基于双目视觉的输送带物料重量测量方法，利用上述的基于双目视觉的输送带物料重量测量系统，按照以下步骤实施：

步骤1、安装重量测量系统

尽量使两个ccd摄像机(1)靠近物料，保持两个ccd摄像机(1)的视场能同时覆盖称重区域；

步骤2、对两个ccd摄像机(1)进行标定，标定时输送带(9)为空载状态；

步骤3、采集并处理输送带(9)上物料的图像

利用双目测距原理求得光斑点到双目成像机构的距离d，进一步求取被分割的不同小块的物料高度hi；

步骤4、计算物料的重量数据。

本发明的有益效果是，包括以下方面：

1)分别多次采集不同数目的标定图像，通过将空间坐标系中的景物点基于标定参数重投影到ccd摄像机的图像平面，将其与实际图像上的对应位置进行比较，之间的差即为ccd摄像机标定的绝对误差；通过对双目成像机构标定，很好的得到物料表面的高度，精度较高。

2)测重的主要决定因素是分割块的数目，分割越多精度越高，本发明采用激光器巴条阵列，能够很好的分割物料表面。

3)称重区域大小可灵活调整，依据每次存贮的称重区域物料重量，可查询任意时间段的运料量并生成运料量报表。

附图说明

图1是本发明重量测量系统的结构示意图；

图2是本发明重量测量方法采用的图像采集原理图；

图3是本发明重量测量方法采用的双目测距几何原理图；

图4是本发明重量测量方法采用的双目测距光斑示意图。

图中，1.ccd摄像机，2.电缆线，3.激光器巴条阵列，4.光源，5.计算机，6.前支架，7.辊轮，8.速度传感器，9.输送带，10.后支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图4，本发明重量测量系统的硬件结构是，在输送带9的称重区域起始位置设置一个前支架6，在终了位置设置一个后支架10，该起始位置设置在输送带9的一个辊轮7正上方，在该辊轮7轴端安装有速度传感器8；在起始位置的前支架6上安装有激光器巴条阵列3，在终了位置的后支架10上安装有两个ccd摄像机1，在前支架6与后支架10之间设置有光源4；上述的两个ccd摄像机1、速度传感器8通过各自的电缆线2与计算机5信号连接。

两个ccd摄像机1(一起称为双目成像机构)的视场都能够完全覆盖称重区域，且两个ccd摄像机1光轴平行且中线位于输送带9的纵向中心线上；两个ccd摄像机1相对位置固定后可绕各自的支架旋转，以便调试到合适的拍摄角度。

两个ccd摄像机1在环境较暗的时候，会因为看不清目标而误差很大，所以需要光源4提供补光；激光器巴条阵列3为多个激光器组成的巴条形状结构，产生相互平行的激光束垂直射向输送带9表面，落点为均匀分布的圆形光斑；速度传感器8为霍尔器件，将所获得的信息传递给计算机5处理得到物料的传输速度v；因为输送带9上有物料时，输送带9会下沉带来测量误差，因此激光器巴条阵列3安装在输送带9辊轮7的正上位置，避免输送带9下沉带来的测量误差。当输送带空载和有物料的时候，激光器巴条阵列3产生的光斑离双目成像机构的距离也不同，通过双目测距获得光斑到双目成像机构的距离。

本发明重量测量系统的组装过程是：

1)输送带9在输送物料时，物料的重量会导致输送带9下沉，所以在一个辊轮7的正上方安装前支架6，作为称重区域的起始位置，该起始位置的前支架6上安装激光器巴条阵列3。

2)将两个ccd摄像机1安装在后支架10上，作为称重区域的终了位置，该两个ccd摄像机1的光轴平行且垂直于输送带9，安置在同一水平线，两个ccd摄像机1的中轴位于输送带9纵轴线上，且每个ccd摄像机1的成像视场要完全覆盖称重区域。

3)调节激光器巴条阵列3，使得激光器巴条阵列3向下产生均匀分布的平行光束打到输送带9上形成光斑。

4)将测转速的转速传感器8(型号选用霍尔器件ss413a)安装到输送带9起始位置所在辊轮7的转轴上。

5)计算机5中预装软件控制两个ccd摄像机1采集图像，每隔时间δt采集一次，获得称重区域的光斑图像，然后计算机5利用软件进行图像处理。

本发明基于双目视觉的输送带物料重量测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、在输送带9安装上述的重量测量系统

安装两个ccd摄像机1时，需考虑两个光轴之间距离即双目视觉的基线。由于ccd摄像机1的每一个像素都具有一定的面积，一个理想点(无大小)在ccd摄像机1像素上的精确位置无法在图像上得到反映，在根本上造成了像点坐标误差，即图像识别误差。当物距越大，即景物点离ccd摄像机1越远时，误差越大；当ccd摄像机1的像素尺寸越大时，误差越大，当视差越大时，误差越小。因此，尽量使两个ccd摄像机1靠近物料，但也需要保持两个ccd摄像机1的视场能同时覆盖称重区域。

基线长度是表征视觉系统中两个ccd摄像机1之间相互位置关系的重要参数，它的变化不仅会引起系统结构的改变，而且会直接影响测量精度，对于一个特定镜头和空间点，随着基线长度t的增大，测量误差减小，且焦距越大，测量误差越小。

步骤2、对两个ccd摄像机1进行标定

安装好ccd摄像机1后需对其进行标定，标定时输送带9为空载状态。

本发明方法的重点是分割物料宽度，利用双目测距原理测量分割块的物料高度，由于ccd摄像机1镜头的制造误差，镜头存在一定的径向畸变。镜头的安装误差将带来切向畸变，ccd摄像机1标定的目的就是求取ccd摄像机1的内部参数进行畸变校正。单个ccd摄像机1的标定结果与采集的标定图像数存在密切关系，一般而言，采集的图像数越多，标定精度越高，采集图像数至少在12幅以上。

参照图2，图像采集的原理是，由于现实中的系统并不是理想的小孔成像，所以需要使用最优化对ccd摄像机1进行非线性标定，然后根据标定得到的参数对所拍摄的图片进行校正。

标定过程是：假定模板平面在世界坐标系z＝0的平面上，

其中，s为尺度因子，它只是为了方便运算，对于齐次坐标尺度因子不会改变坐标值的，a为ccd摄像机1的内参数矩阵，[xy1]^t为模板平面上点的齐次坐标，[uv1]^t为模板平面上点投影到图象平面上对应点的齐次坐标，[r1r2r3]和t分别是ccd摄像机1坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量，其中m的齐次坐标表示图像平面的像素坐标[uv1]^t，m的齐次坐标表示世界坐标系的坐标点[xy1]^t，令h＝a[r1r2t]：

λ为一个常数因子，h的计算是通过使提取的实际图像坐标与计算出的图像坐标之间的代数距离最小的过程，根据旋转矩阵的性质，即r1^tr2＝0和||r1||＝||r2||＝1，每幅图像获得以下两个对内参数矩阵的基本约束：

由于ccd摄像机1有五个未知内参数，所以当所采集的图像数目大于等于3时，就能够线性唯一求解出内参数矩阵a，随即得到相应的外参数，完成对ccd摄像机1的标定。

步骤3、采集并处理输送带9上物料的图像

标定好相机后开始采集图像，采样间隔时间为δt，采集到的图像实时的进行处理，首先利用双目测距几何原理利用目标点在左右两幅视图上成像的横向坐标存在的差异(即视差)与目标点到成像平面的距离z存在反比例的关系，求得光斑点到双目成像机构的距离d。

参照图3，双目测距几何原理是，两个ccd摄像机1标定和校准后，两个ccd摄像机1的主光轴到达平行，t为两相机光心之间的距离，即基线长度；ol和or是左右相机的光心，光心到像面x的最短距离就是焦距长度f，p是激光器在物料上产生的光斑，即为待测的目标点，它在左右像面上的成像点是pl和pr，pl和pr距各自像面的左边缘的距离分别是xl和xr；双目测距主要是利用了目标点在左右两幅视图上成像的横向坐标存在的差异(即视差l＝pl-pr)与目标点到成像平面的距离z存在着反比例的关系：求得光斑点到双目成像机构的距离d。

利用双目测距原理求得光斑点到双目成像机构的距离d后，利用系统的数学几何关系，进一步来求取被分割的不同小块的物料高度hi。

参照图4，是输送带物料重量测量系统的光斑示意图，在两个ccd摄像机1中，k为单个激光源，当输送带9空载时，k投影到输送带9表面的光斑为k1，k到k1的距离为固定值c，当输送带9上有物料时，光斑的位置为k2，光斑k2到ccd摄像机1的距离为d，两个ccd摄像机1所在的后支架10和激光器巴条阵列3所在的前支架6是平行安置且距离为固定值q；激光源是垂直于输送带9的，则激光源离输送带9表面的距离为固定值c；根据三角形勾股定理可知，k和k2之间的距离则有物料时光斑到输送带9平面的距离为h＝c-p。

步骤4、计算物料的重量数据

由于称重区域的物料表面是起伏的，即物料表面离输送带9表面的高度是变化的，因此采用激光器巴条阵列3进行分布照射，产生的光束将称重区域离散成n个小块来计算，hi为第i个光斑处对应的高度，(i＝1…n)，输送带9的宽度为u，输送带9的输送速度为v，δt时间内对应输送带9上物料底面积大小为s＝u×v×δt，δt时间内对应输送带9上物料的体积为v＝s×h，h为δt时间内的物料高度；ui为相邻两激光器间的间距，则每块的面积为ui×v×δt；

测量物料的重量通过公式m＝ρ×v，其中的m为物料的重量，ρ为物料的密度，物料的体积v＝s×h；

从称重计时开始，连续采集累加每个采样间隔时间δt内物料的重量为δm，要想得到从计时开始到当前时间(即到第w个采样时间间隔)的物料重量m总，则mj为第j个采样时间的物料重量。

由于称重区域物料表面是起伏的，意味着物料表面高度是变化的，因此用平行光束将称重区域离散成多个小块来计算，连续采样并累加每个采样间隔时间δt内物料的重量，即可得到从计时开始到当前时刻输送带9上的物料总重量。通过调整ccd摄像机1的视场灵活的改变称重区域。从开始称重的那一刻，每隔时间δt的物料重量进行保存，每个时间的物料重量可以随时查看，或者产生物料重量的报表。

本发明经过实验验证，称重效果良好，得到了“陕西省现代装备绿色制造协同创新中心(编号304-210891702)”项目的支持。