一种基于三维扫描仪的钢包耐火层测厚方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种炼钢自动化技术领域，具体地说，涉及的是一种基于三维扫描仪 的钢包耐火层测厚方法。
【背景技术】
[0002] 基于三维扫描仪的钢包耐材测厚技术的基本工作原理是通过三维扫描仪采集钢 包工作层内表面，将采集到的内表面位置与永久层内表面（也就是工作层外表面）进行对 比，即可得出工作层剩余的厚度。该技术难点在于如何获得永久层内表面位置并与采集到 的工作层内表面将其置于同一坐标系内从而进行对比（这一过程我们称为钢包定位）。
[0003] 现有技术主要通过第二台定位扫描仪或者进行单独的定位扫描实现钢包定位：
[0004] 1、通过第二台定位扫描仪实现钢包定位：该技术需要使用两台三维扫描仪，一台 (扫描仪A)用于扫描钢包内表面，另一台（扫描仪B)用于扫描钢包外部和扫描仪A从而确 定扫描仪A与钢包外部特征的相对位置。由于工作层内表面与钢包外部特征的相对位置是 固定的，通过上述方法可以获得工作层内表面在扫描仪A坐标系中的位置。
[0005] 2、通过单独的定位扫描实现钢包定位：该技术需要移动三维扫描仪从多角度扫描 钢包外部，然后通过定位算法将多角度扫描置于同一坐标系内。由于工作层内表面与钢包 外部特征的相对位置是固定的，通过上述方法可以获得工作层内表面在扫描仪坐标系中的 位置。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供了一种基于三维扫描仪的钢 包耐火层测厚方法，是比【背景技术】更为便捷的钢包耐材层（又称工作层）测厚技术。
[0007] 本发明的核心优势是可以直接对钢包进行扫描并得到耐材损耗程度，而不需要借 助第二台三维扫描仪实现定位以及进行额外的定位扫描操作。本发明可以大大简化操作流 程，更容易应用于复杂繁忙的钢厂环境中，并降低误操作的概率。
[0008] 为实现上述的目的，本发明所述的一种基于三维扫描仪的钢包耐火层测厚方法， 所述方法包括如下步骤：
[0009] 第一步、利用三维扫描仪扫描钢包，获得钢包三维扫描数据，包括三维扫描X，Y，Z 通道和三维点云P;
[0010] 第二步、将第一步得到的三维扫描X，Y，Z通道合并成表示与扫描仪距离的d通道， 并在d通道中进行边缘检测和椭圆检测以检测钢包口外沿；
[0011] 第三步、取出X，Y，Z三个通道中钢包外沿对应坐标的值，获得钢包口外沿在三维 空间中的坐标，该坐标构成一个三维点云，并对所述三维点云进行平面拟合，所得平面即为 钢包口所在平面；
[0012] 第四步、对第三步中的钢包口外沿上的三维点云进行圆拟合，得到钢包口的中 心；
[0013] 第五步、结合第四步得到的钢包口的中心和第三步得到的钢包口所在平面，获得 钢包中轴；
[0014] 第六步、利用检测到的钢包中轴对扫描所得的三维点云P进行筛选，去除不相关 的数据，得到三维点云q;
[0015] 第七步、计算三维点云q中的点距离钢包口平面的距离，根据距离信息从三维点 云q中寻找包底水口；
[0016] 第八步、利用钢包口所在平面、钢包中轴和包底水口位置建立标准坐标系，并将三 维点云q变换到标准坐标系中；
[0017] 第九步、利用标准坐标系中的三维点云q计算钢包侧壁内表面距离钢包中轴的垂 直距离；
[0018] 第十步、按第一步至第九步的方法计算新、旧钢包侧壁内表面距离钢包中轴的距 离，其差别即为工作层损耗程度。
[0019] 优选地，所述第一步中：通过三维扫描仪正对钢包进行扫描，获得X，Y，Z三个二维 矩阵通道，分别表示扫描数据点在扫描仪坐标系里的x，y，z坐标；所有的扫描数据点组成 一个三维点云p。
[0020] 优选地，所述第二步中：
[0021] 通过x，y，z三个通道计算出矩阵上每个点距离三维扫描仪的距离即d通道，计算 公式为：
[0023] 在d通道上使用边缘检测算法和霍夫变换椭圆检测算法找到钢包口外沿在二维 矩阵中的坐标。
[0024] 优选地，所述第五步中：穿过钢包口的中心与钢包口所在平面的垂直直线即为钢 包中轴。
[0025] 优选地，所述第六步中：对三维点云p进行筛选，只保留距离钢包中轴距离小于设 定数值的点，构成三维点云q。
[0026] 优选地，所述第七步中：在保留下的三维点云q中找到距离钢包口所在平面最远 的点，即为包底水口。
[0027] 优选地，所述第八步中：标准坐标系的三个坐标轴分别表示为el，e2,e3,该标准 坐标系中：
[0028] 坐标原点位于钢包口中心；el轴对应钢包中轴；e2轴对应钢包中轴到包底水口的 方向；e3轴同时与el轴、e2轴垂直；
[0029]对三维点云q进行坐标变换并将其置于el，e2,e3构成的标准坐标系中，至此钢包 定位完成。
[0030]优选地，所述第九步中：在标准坐标系中，钢包内表面侧壁上的每一个点用（a， P)表示，a为该点标准坐标系中el轴的坐标，P为与该点与el轴垂直连线与e2轴所成 夹角；对于侧壁上的每一个点（a，P)，计算其到钢包中轴的垂直距离表示为f(a，P)。
[0031] 优选的，所述第十步中：
[0032] 1)在钢包使用前按所述第一步到第九步扫描新包，获得新钢包侧壁到钢包中轴的 距离，表示为fjx，P)，并保存下该数据；
[0033] 2)每次使用时按所述第一步到第九步扫描旧包，获得旧钢包侧壁到钢包中轴的距 离，表示为f(x，P);
[0034]3)计算fQ(x，P)_f(x，P)，即得出工作层在（x，P)处的损耗程度。
[0035] 本发明与现有技术相比较，有益效果在于：
[0036] 本发明提出的钢包耐材测厚解决方案直接通过对钢包口外沿和包底水口的定位 实现钢包定位，不需要借助第二台定位扫描仪或者进行额外的定位扫描操作，从而大大简 化了钢包耐材测厚工作流程。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明方法的工作流程图；
[0038]图2为本发明一优选实施例三维扫描仪采集的x，y，z二维矩阵通道，其中（a)为 X通道，（b)为y通道，（c)为z通道；
[0039] 图3为本发明一优选实施例距离三维扫描仪的距离d通道；
[0040] 图4为本发明一优选实施例对d通道进行椭圆检测，找到钢包口外沿；
[0041] 图5为本发明一优选实施例钢包口平面与钢包中轴；
[0042] 图6为本发明一优选实施例三维点云筛选，其中（a)为全部点云，（b)为筛选后 的点云；
[0043] 图7为本发明一优选实施例标准坐标系示意图。
【具体实施方式】
[0044] 以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不 用于限定本发明的保护范围。
[0045] 如图1-图7所示，本实施例提供一种基于三维扫描仪的钢包耐火层测厚方法，所 述方法通过一台三维扫描仪和一台电脑来实现，三维扫描仪在电脑的控制下扫描钢包口和 内表面并将数据传输至电脑，电脑通过下文描述的算法计算并显示耐材层的厚度。
[0046] 所述方法具体工作流程如下：
[0047] 1、将三维扫描仪置于包口前4~8米处，正对钢包进行扫描，获得X，Y，Z三个二维 矩阵通道（如图2中（a)、（b)、（c)所示），分别表示扫描数据点在扫描仪坐标系里的x，y，z 坐标；所有的扫描数据点组成一个三维点云P;
[0048] 2、通过X，Y，Z三个通道计算出矩阵上每个点距离三维扫描仪的距离即为d通道
[0049] 3、在d通道上使用椭圆检测算法找到钢包口外沿在二维矩阵中的坐标（如图4所 示）；
[0050] 4、取出X，Y，Z