U型槽多维度间隙测量方法及系统与流程

本发明涉及仪控领域，尤其涉及一种u型槽多维度间隙测量方法及系统。

背景技术：

随着精密制造、精密安装、精密测量等应用的发展和深入，很多领域对于间隙的高精度数字化测量的需求越来越广泛，越来越迫切。比如转速等测量仪表对安装间隙具有很高的精度要求。

图1是转速测量仪的安装示意图，主泵的转速探针12固定于主泵的转轴11上，可以随主泵转轴11转动。转速测量仪用于检测主泵的转速，转速测量仪的转速传感器20固定于支架上，处于静止状态，且具有u型槽21。在测量时，将主泵的转速探针12伸入该u型槽21内。由于主泵的转速探针12与转速传感器20之间的相对位置直接影响测量的准确性和稳定性，所以对主泵的转速探针12与转速传感器20的安装具有严格的要求。盘动主泵的转轴11将转速探针12置于转速传感器20的u型槽21的中间位置，而且，需要对其间隙进行测量以判断是否满足安装标准要求，测量的间隙包括u型槽21的上部间隙d1、下上间隙d2和转速探针12与u型槽21的底部间隙d3。

针对u型槽多个间隙测量的应用场景，现在市场主流的有激光对射边缘检测产品、激光三角测量产品和3d结构光产品等，虽能满足一般间隙的高精度数字化测量，但或多或少地存在以下某个或某些缺陷：1.额外增加识别定点标志；2.需要设备在被测物的两边对射；3.只能对单对象/单维度间隙测量；4.应用环境(光线、遮挡、辐射等)对测量影响大。这都极大限制了高精度数字化间隙测量技术在工程中应用的广度和深度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种u型槽多维度间隙测量方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种u型槽多维度间隙测量方法，包括：

镜头控制步骤：控制横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，并控制摄像机对图像画面进行视觉采集；

图像处理步骤：提取所述图像画面中的横激光线和纵激光线，并识别出所述横激光线分别打在所述转速探针侧面和所述转速传感器的u型槽侧面的端点，以及所述纵激光线分别打在所述转速探针上平面、下平面及所述转速传感器的u型槽上平面、下平面的端点，而且确定所识别出的各个端点的像素位置；

距离计算步骤：根据所述各个端点的像素位置计算所述转速探针距离所述u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。

优选地，在所述图像处理步骤之后，还包括：

镜头定位步骤：通过调整所述摄像机与所述转速探针的相对位置，且使其两者的位置满足第一位置条件，所述第一位置条件包括：所述转速探针在图像坐标系中的位置位于预设的引导区域内；所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素位置及所述纵激光线打在所述u型槽上平面、下平面的端点的像素位置分别在预设的位置范围内；其中，所述图像坐标系为所述摄像机所拍摄的图像所对应的二维坐标系。

优选地，所述位置调整步骤还包括：

若判断所述摄像机与所述转速探针的相对位置满足第一位置条件，则输出定位完成的提示信息。

优选地，在所述距离计算步骤中，根据以下公式分别计算所述上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离：

udown＝w1/2-uup-wa/b

ubottom＝lpx((px3-pxc)-kp(pyc-py3))

其中，uup为上部间隙的距离，udown为下部间隙的距离，ubottom为底部间隙的距离，w1/2为所述u型槽的宽度，wa/b为所述转速探针的直径，pya为所述纵激光线打在所述转速探针上平面的端点的像素纵坐标位置，pyb为所述纵激光线打在所述转速探针下平面的端点的像素纵坐标位置，pyc为所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素纵坐标位置，py1为所述纵激光线打在所述u型槽上平面的端点的像素纵坐标位置，py2为所述纵激光线打在所述u型槽下平面的端点的像素纵坐标位置，py3为所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素纵坐标位置，px3为所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素横坐标位置，pxc为所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素横坐标位置，lpx为单元像素水平方向的长度值，kp为修正系数。

优选地，在图像处理步骤之后，还包括修正步骤，而且，所述修正步骤包括：

根据所述纵激光线分别打在所述转速探针上平面、下平面的端点的像素位置，确定第一直线方程；根据所述纵激光线分别打在所述u型槽上平面、下平面的端点的像素位置，确定第二直线方程；根据所述纵激光线在所述图像坐标中的位置，确定第三直线方程；根据所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素位置，确定第四直线方程；根据所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素位置，确定第五直线方程；

根据所确定的直线方程，对所识别出的各个端点的像素位置进行相应的修正，以获取修正后的各个端点的像素位置。

优选地，在所述图像处理步骤中，提取所述图像画面中的横激光线和纵激光线，具体包括：

采用采用灰度质心法或密度质心法提取所述图像画面中的横激光线和纵激光线。

优选地，通过以下方式识别相应激光线打在相应面的端点：

将当前像素点沿相应激光线延伸预设数量个像素点，若连续预设数量个像素点的颜色值发生变化，则将所述当前像素点确定为端点。

本发明还构造一种u型槽多维度间隙测量系统，包括镜头部分，且所述镜头部分包括摄像机、横激光器和纵激光器，还包括：

镜头控制模块，用于控制横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，并控制摄像机对图像画面进行视觉采集；

图像处理模块，用于提取所述图像画面中的横激光线和纵激光线，并识别出所述横激光线分别打在所述转速探针侧面和所述转速传感器的u型槽侧面的端点，以及所述纵激光线分别打在所述转速探针上平面、下平面及所述转速传感器的u型槽上平面、下平面的端点，而且确定所识别出的各个端点的像素位置；

距离计算模块，用于根据所述各个端点的像素位置计算所述转速探针与所述u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。

优选地，还包括：

镜头定位模块，用于通过调整所述摄像机与所述转速探针的相对位置，且使其两者的位置满足第一位置条件，所述第一位置条件包括：所述转速探针在图像坐标系中的位置位于预设的引导区域内；所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素位置及所述纵激光线打在所述u型槽上平面、下平面的端点的像素位置分别在预设的位置范围内；其中，所述图像坐标系为所述摄像机所拍摄的图像所对应的二维坐标系。

优选地，所述距离计算模块，用于根据以下公式分别计算所述上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离：

udown＝w1/2-uup-wa/b

ubottom＝lpx((px3-pxc)-kp(pyc-py3))

其中，uup为上部间隙的距离，udown为下部间隙的距离，ubottom为底部间隙的距离，w1/2为所述u型槽的宽度，wa/b为所述转速探针的直径，pya为所述纵激光线打在所述转速探针上平面的端点的像素纵坐标位置，pyb为所述纵激光线打在所述转速探针下平面的端点的像素纵坐标位置，pyc为所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素纵坐标位置，py1为所述纵激光线打在所述u型槽上平面的端点的像素纵坐标位置，py2为所述纵激光线打在所述u型槽下平面的端点的像素纵坐标位置，py3为所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素纵坐标位置，px3为所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素横坐标位置，pxc为所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素横坐标位置，lpx为单元像素水平方向的长度值，kp为修正系数。

本发明所提供的技术方案，横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，同时，摄像机对图像画面进行视觉采集，而且，通过对所采集的图像画面进行分析处理可识别出激光线打在转速探针和转速传感器上的各个端点，并根据各个端点的像素位置计算出转速探针与u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。因此，相比现有方式，具有以下有益效果：

1.可同步计算和测量u型槽的三个间隙(上部间隙、下部间隙、底部间隙)的距离，精度高，可达≤0.05mm，因此实现了u型槽间隙的多维度、高精度的测量；

2.由于无需额外增加识别定点标志，所以应用环境的自适应强，适应面光，通过适配不同的光学部件，可以从微米级到厘米级外形轮廓、异性边缘等均可测量；

3.由于是非接触测量，所以对被测目标不产生物理伤害，测量方式简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是现有技术转速测量仪的安装示意图；

图2是本发明u型槽多维度间隙测量方法实施例一的流程图；

图3是本发明激光线打在转速探针和转速传感器的u型槽上的示意图；

图4是本发明镜头定位的示意图；

图5是本发明u型槽多维度间隙测量的原理图；

图6是本发明u型槽多维度间隙测量的实时显示图；

图7是本发明u型槽多维度间隙测量系统实施例的逻辑结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明u型槽多维度间隙测量方法实施例一的流程图，该实施例的u型槽多维度间隙测量方法可应用于主泵转速传感器在主泵上的安装，可实现快速准确的测量u型槽多维度间隙，大幅提高工作效率，缩短反应堆换料大修主线计划时间，有利于提升发电量，具有显著的经济和社会效益。该实施例的u型槽多维度间隙测量方法包括以下步骤：

镜头控制步骤s10：控制横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，并控制摄像机对图像画面进行视觉采集；

在该步骤中，首先说明的是，结合图3和图5，摄像机300和激光器是固定安装的，激光器分为横激光器210和纵激光器220，而且，横激光器210射出的线结构激光线形成的平面为横激光平面，纵激光器220射出的线结构激光线形成的平面为纵激光平面。而且，在标定时，会通过调整横激光器210、纵激光器220的相对位置使横激光器210和纵激光器220分别形成的激光平面相互垂直，同时，横激光平面在图像坐标系中的位置平行于图像坐标系的横轴；纵激光平面在图像坐标系中的位置平行于图像坐标系的纵轴。另外，还应保证横激光器210和纵激光器220距离测量平面为最佳焦距位置，实现激光线的清晰稳定。在标定好进行测量时，横激光器210、纵激光器220分别射出线结构激光线，该激光线打在转速探针和转速传感器上，同时，摄像机300对画面进行视觉采集。

图像处理步骤s20：提取所述图像画面中的横激光线和纵激光线，并识别出所述横激光线分别打在所述转速探针侧面和所述转速传感器的u型槽侧面的端点，以及所述纵激光线分别打在所述转速探针上平面、下平面及所述转速传感器的u型槽上平面、下平面的端点，而且确定所识别出的各个端点的像素位置；

在该步骤中，在获取到所采集的图像画面后，对其进行以下分析和处理：

首先，提取出图像画面中的横激光线和纵激光线。在一个具体例子中，可采用灰度质心法或密度质心法来提取图像中的激光线，例如，对于亮度不均与的图像，可按密度质心算法提取，即，按目标光强分布求出光强权重质心坐标作为跟踪点；

然后，识别出各个端点，即，定位出激光线打在转速探针和转速传感器上的位置，结合图3，所识别出的端点包括有：纵激光线打在转速探针上平面的端点a；纵激光线打在转速探针下平面的端点b；纵激光线打在转速传感器的u型槽上平面的端点1；纵激光线打在转速传感器的u型槽下平面的端点2；横激光线打在转速探针侧面的端点c；横激光线打在u型槽侧面的端点3。在一个具体例子中，通过以下方式识别各个端点：将当前像素点沿相应激光线延伸预设数量个(例如两个)像素点，若连续预设数量个(例如两个)像素点的颜色值发生变化，则将所述当前像素点确定为端点。

最后，确定出这六个端点的像素位置，结合图3，端点1、2、3的像素坐标分别(px1、py1)、(px2、py2)、(px3、py3)；端点a、b、c的像素坐标分别为(pxa、pya)、(pxb、pyb)、(pxc、pyc)。

距离计算步骤s30：根据所述各个端点的像素位置计算所述转速探针与所述u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。

在该步骤中，间隙测量是多维度的，且包括：纵向间隙测量(转速探针与u型槽的上部间隙、转速探针与u型槽的下部间隙)；横向间隙测量(转速探针与u型槽的底部间隙)。

在该实施例的技术方案中，横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，同时，摄像机对图像画面进行视觉采集，而且，通过对所采集的图像画面进行分析处理可识别出激光线打在转速探针和转速传感器上的各个端点，并根据各个端点的像素位置计算出转速探针与u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。因此，相比现有方式，具有以下有益效果：

1.可同步计算和测量u型槽的三个间隙(上部间隙、下部间隙、底部间隙)的距离，精度高，可达≤0.05mm，因此实现了u型槽间隙的多维度、高精度的测量；

2.由于无需额外增加识别定点标志，所以应用环境的自适应强，适应面光，通过适配不同的光学部件，可以从微米级到厘米级外形轮廓、异性边缘等均可测量；

3.由于是非接触测量，所以对被测目标不产生物理伤害，测量方式简单方便。

进一步地，在图像处理步骤s20之后，还包括：

镜头定位步骤s30：通过调整所述摄像机与所述转速探针的相对位置，且使其两者的位置满足第一位置条件，所述第一位置条件包括：所述转速探针在图像坐标系中的位置位于预设的引导区域内；所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素位置及所述纵激光线打在所述u型槽上平面、下平面的端点的像素位置分别在预设的位置范围内；其中，所述图像坐标系为所述摄像机所拍摄的图像所对应的二维坐标系。

在该实施例中，结合图2至图5，镜头定位是将摄像,300、激光器(横激光器210、纵激光器220)定位在合适的位置，距离的远近直接影响测量精度。系统软件界面上具有如图4所示的引导区域(虚线框)，通过支架对摄像头300进行调整，使调整后的图像中的转速探针在中间的引导区域内；同时，端点1、2、3的像素位置分别在预设的位置范围内。

例如，对于端点3，其像素位置满足：

py3(best)-δp＜py3＜py3(best)+δp

px3(best)-δp＜px3＜px3(best)+δp

其中，(px3(best)，py3(best))为端点3的最佳定位位置点，δp为允许的像素偏差值。应理解，对于端点1、2，也对应有相应的最佳定位位置点，且其像素位置也在与相应的最佳定位位置点相关的位置范围内。

而且，进一步地，若判断所述摄像机与所述转速探针的相对位置满足第一位置条件，则输出定位完成的提示信息。提示信息例如可为：端点a、b、c会显示绿点，说明此时摄像机、激光器的位置调整合格。相反，如果摄像机与转速探针的相对位置不满足第一位置条件，此时输出的提示信息可为：端点a、b、c显示黄点或红点，黄点和红点是根据与引导区域偏差的大小进行区分。

结合图5，转速传感器处于平面ow1xw1yw1上，转速探针处于平面ow2xw2yw2上。如果平面ow1xw1yw1与平面ow2xw2yw2重合，则直线x1(端点a、b所成的直线)与x2(端点1、2所成的直线)重合，直线y1(端点3所在的水平线)与y2(端点c所在的水平线)重合。反之，如果平面ow1xw1yw1与平面ow2xw2yw2不重合，则直线x1与x2不重合，直线y1与y2不重合。

在对测量精度要求不高的测量场合，在距离计算步骤s30中，可根据以下公式分别计算所述上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离：

udown＝w1/2-uup-wa/b

ubottom＝lpx((px3-pxc)-kp(pyc-py3))

其中，uup为上部间隙的距离，udown为下部间隙的距离，ubottom为底部间隙的距离，w1/2为u型槽的宽度，wa/b为转速探针的直径，pya为纵激光线打在转速探针上平面的端点(即端点a)的像素纵坐标位置，pyb为纵激光线打在转速探针下平面的端点(即端点b)的像素纵坐标位置，pyc为横激光线打在转速探针侧面的端点(即端点c)的像素纵坐标位置，py1为纵激光线打在u型槽上平面的端点(即端点1)的像素纵坐标位置，py2为纵激光线打在u型槽下平面的端点(即端点2)的像素纵坐标位置，py3为横激光线打在u型槽侧面的端点(即端点3)的像素纵坐标位置，px3为横激光线打在u型槽侧面的端点(即端点3)的像素横坐标位置，pxc为横激光线打在转速探针侧面的端点(即端点c)的像素横坐标位置，lpx为单元像素水平方向的长度值，kp为修正系数，而且，lpx、kp在标定时确定，当然，若平面ow1xw1yw1与平面ow2xw2yw2重合，直线y1与y2重合，那么，公式中，pyc-py3＝0。

需说明的是，本发明的测量方法的前提是镜头定位，但在部分具有更高精度要求的测量场合，需要考虑激光线本身在定位时存在的偏差，此时，在图像处理步骤s20之后，还包括修正步骤，而且，修正步骤具体包括：

根据所述纵激光线分别打在所述转速探针上平面、下平面的端点的像素位置，确定第一直线方程，即，直线x1的直线方程；根据所述纵激光线分别打在所述u型槽上平面、下平面的端点的像素位置，确定第二直线方程，即，直线x2的直线方程；根据所述纵激光线在所述图像坐标中的位置，确定第三直线方程，即，直线x3的直线方程；根据所述横激光线打在所述u型槽侧面的端点的像素位置，确定第四直线方程，即，直线y1的直线方程；根据所述横激光线打在所述转速探针侧面的端点的像素位置，确定第五直线方程，即，直线y2的直线方程；

根据所确定的直线方程，对所识别出的各个端点的像素位置进行相应的修正，以获取修正后的各个端点的像素位置。

在该实施例中，在提取激光线之后，所建立的五个直线方程分别为

x1＝kx1*y+bx1；

x2＝kx2*y+bx2；

x3＝kx3*y+bx3；

y1＝ky1*x+by1；

y2＝ky2*x+by2；

也就是说，如图6所示，直线x1、x2、x3并非完全垂直图像坐标系的横轴，直线y1、y2并非完全垂直图像坐标系的纵轴，其存在一定的倾斜角度，需要通过激光线提取是计算得到各直线的斜率值kx1、kx2、kx3、ky1、ky2对各个端点的像素位置进行修正，例如，对py1对px3的值进行修正，进而对上部间隙的距离uup和底部间隙的距离ubottom进行修正。

图7是本发明u型槽多维度间隙测量系统实施例的逻辑结构图，该实施例的u型槽多维度间隙测量系统包括镜头部分，且镜头部分包括摄像机、横激光器和纵激光器，还包括有：镜头控制模块110、图像处理模块120、距离计算模块130。其中，镜头控制模块用于控制横激光器和纵激光器分别将射出的线结构激光线打在转速探针和转速传感器上，并控制摄像机对图像画面进行视觉采集；图像处理模块用于提取图像画面中的横激光线和纵激光线，并识别出横激光线分别打在转速探针侧面和转速传感器的u型槽侧面的端点，以及纵激光线分别打在转速探针上平面、下平面及转速传感器的u型槽上平面、下平面的端点，而且确定所识别出的各个端点的像素位置；距离计算模块130用于根据各个端点的像素位置计算转速探针与u型槽的上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离。

在另一个实施例中，本发明的u型槽多维度间隙测量系统还进一步包括镜头定位模块140，该镜头定位模块140用于通过调整摄像机与转速探针的相对位置，且使其两者的位置满足第一位置条件，第一位置条件包括：转速探针在图像坐标系中的位置位于预设的引导区域内；横激光线打在u型槽侧面的端点的像素位置及纵激光线打在u型槽上平面、下平面的端点的像素位置分别在预设的位置范围内；其中，图像坐标系为摄像机所拍摄的图像所对应的二维坐标系。

在一个可选实施例中，距离计算模块130用于根据以下公式分别计算上部间隙、下部间隙和底部间隙的距离：

udown＝w1/2-uup-wa/b

ubottom＝lpx((px3-pxc)-kp(pyc-py3))

其中，uup为上部间隙的距离，udown为下部间隙的距离，ubottom为底部间隙的距离，w1/2为u型槽的宽度，wa/b为转速探针的直径，pya为纵激光线打在转速探针上平面的端点的像素纵坐标位置，pyb为纵激光线打在转速探针下平面的端点的像素纵坐标位置，pyc为横激光线打在转速探针侧面的端点的像素纵坐标位置，py1为纵激光线打在u型槽上平面的端点的像素纵坐标位置，py2为纵激光线打在u型槽下平面的端点的像素纵坐标位置，py3为横激光线打在u型槽侧面的端点的像素纵坐标位置，px3为横激光线打在u型槽侧面的端点的像素横坐标位置，pxc为横激光线打在转速探针侧面的端点的像素横坐标位置，lpx为单元像素水平方向的长度值，kp为修正系数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。