一种非接触式冷热H型钢全尺寸的测量装置及方法

本发明属于视觉测量，具体涉及一种非接触式冷热h型钢全尺寸的测量装置及方法。

背景技术：

1、h型钢断面形似字母‘h’，因而得名h型钢。h型钢的腹板和两侧翼缘相互垂直相连，具有很强的抗弯能力。h型钢具有良好的力学性能、重量轻和节省材料等优点，所以被广泛地应用于工业与民用建筑钢结构中的梁、柱构件，大跨度钢桥构件，高速公路档板支架等领域。h型钢在用钢量中所占的百分比已成为衡量一个国家经济发展水平的一个重要标志。h型钢在轧制生产加工过程中会不可避免的产生误差和变形。这就需要在h型钢生产加工时，对其尺寸进行测量。目前广泛采用的是人工测量，不仅耗时、耗力且精度不高、测量速度慢，严重影响生产效率。

2、近年来，随着人工智能的快速发展，工业、农业、军事等诸多领域逐渐走向智能化。智能化的实现离不开精准的信息感知，因此测量技术在工业智能化发展中占据了非常重要的地位。工业测量技术按照测量方式可以分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量由于操作复杂、易产生形变误差等原因，无法满足一些特定场景下的测量需求。基于视觉的非接触式测量速度快、精度高，且能代替工人在恶劣环境下的工作，实现自动化测量，已成为工业测量系统的主流。激光能够及时、准确地提供被测物体表面有效信息且具有亮度高、能量集中、稳定性好等特性，被广泛应用于测量系统中，并与相机组合形成了以三角形激光检测装置为核心的视觉测量系统。

3、目前基于视觉的h型钢尺寸的测量研究较少，且多为冷钢尺寸测量，缺乏一种冷热钢均能测量的视觉测量系统。此外，h型钢在生产加工过程中会不可避免的产生变形，存在上下结构不对称，几何形态不均匀等情况。现有测量装置和方法几乎都是仅对上半端面进行测量，无法测量腹板厚度和翼缘的整体高度，缺乏一种对h型钢全尺寸进行测量的装置。

技术实现思路

1、针对人工测量方法和现有基于视觉的h型钢尺寸测量装置的缺陷，本发明提出了一种非接触式冷热h型钢全尺寸测量装置及方法，实现了冷热h型钢的全尺寸实时测量，通过冷却防护罩和滤光片实现了热钢材的测量，通过四套相机和线结构光组合的三角测量装置实现了全尺寸的测量，并通过图像处理算法提高了h型钢测量精度和测量效率。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种非接触式冷热h型钢全尺寸测量装置，包括机架、相机调节装置、激光投射器、传送辊道、控制系统；

4、所述机架为框架结构，在所述机架的左侧、右侧、后侧以及下侧设置有固定板，所述相机调节装置设置在机架的左侧、右侧、后侧以及下侧的固定板上，所述激光投射器设置在机架左侧的固定板上，所述激光投射器均匀分布在固定板上的相机调节装置四周，相邻的所述激光投射器相互垂直设置；

5、所述相机调节装置包括电动丝杆、滑轨、电机支撑板、角度调节电机、相机支撑板、工业相机和连杆，所述电动丝杆与滑轨设置在固定板上，所述电动丝杆与滑轨通过电机支撑板相连，所述角度调节电机设置在电机支撑板上，所述相机支撑板的一端通过合页设置在电机支撑板上，所述相机支撑板的另一端连接连杆，所述连杆通过减速联轴器与角度调节电机的输出端连接，所述工业相机设置在相机支撑板上，相机调节装置可完成工业相机的平移和旋转运动，调节其位姿，使其能捕捉到质量更高的图像并降低测量误差；

6、所述传送辊道整体结构采用耐高温材料，包括主动辊道和从动辊道，所述主动辊道包括滚筒、支撑槽钢、电机防护罩、伺服电机、链条、挡板和支脚，所述滚筒两端设置有支撑槽钢，在所述支撑槽钢的上端设置有挡板，所述伺服电机安装在主动辊道下方的电机安装板上，所述伺服电机通过链条与滚筒相连，所述电机防护罩设置在伺服电机外侧，所述支脚设置在传送辊道下方，所述传送辊道采用链传动；

7、所述控制系统包括工控机、显示器和运动控制卡，所述显示器与工控机相连，工控机与运动控制卡的输入端连接，所述运动控制卡的输出端与电动丝杆、角度调节电机和伺服电机的输入端连接。

8、进一步，所述主动辊道和从动辊道为两个独立的辊道，中间形成无遮挡测量空间，避免了滚筒对激光三角测量视角的干扰。

9、进一步，所述装置还包括相机风水冷防护装置，所述相机风水冷防护装置为与工业相机形状相匹配的带有夹层的壳体，包括一号电源线出口、一号出水口、一号进水口、一号进风口、一号网线出口、一号液冷管、一号排气孔和防护玻璃，所述一号液冷管均匀分布在壳体的夹层中，所述防护玻璃设置在相机风水冷防护装置的前面，相机风水冷防护装置能够起到降温、除尘等效果，延长工业相机寿命的作用。

10、进一步，所述装置还包括激光投射器风水冷防护装置，所述激光投射器风水冷防护装置为与激光投射器形状相匹配的带有夹层的壳体，包括二号电源线出口、二号进水口、二号进风口、二号出水口、二号网线出口、二号液冷管和激光投射出口，所述二号液冷管均匀分布在壳体的夹层中，激光投射器风水冷防护装置能够起到降温、除尘等效果，延长激光投射器寿命的作用。

11、进一步，所述装置还包括辅助照明装置，所述辅助照明装置由多条条形光源组成，设置在所述机架上，辅助照明装置可对测量物体进行补光，提高测量精度，且方便标定。

12、进一步，所述固定板使激光投射器投射出的光线处于同一平面内。

13、一种非接触式冷热h型钢全尺寸测量装置的测量方法，，包括以下步骤：

14、步骤1，根据高温h型钢辐射光波长及工作距离，确立激光投射器波长和扇角，并通过相应的滤光片进行光谱通道的选择；

15、步骤2，激光投射器发出的线结构光投射到被测量的h型钢表面形成调制成的光条，通过调整带有滤光片的工业相机的位姿来采集该光条的图像；

16、步骤3，进行相机标定和光平面标定，获取工业相机与结构光平面之间的位置关系；

17、步骤4，对采集到的光条的图像进行处理，获取光条的图像特征信息；

18、步骤5，结合相机标定和光平面标定的结果，通过仿射变换将光条图像特征信息转化为实际空间信息，并求出空间中特征点的坐标，通过距离公式完成单一方向的h型钢尺寸测量；

19、步骤6，分别对h型钢四个方向进行步骤2到5相同的操作，对h型钢四个方向的测量数据进行数据整合和变换，完成h型钢的全尺寸测量。

20、进一步，所述步骤3中进行相机标定和光平面标定，具体步骤为：

21、步骤3.1，采用张正友标定法分别对工业相机进行标定，工业相机所求的位置关系为：

22、

23、式中，s为尺度因子；u，v为图像像素坐标；xw，yw为世界坐标；a为工业相机内参矩阵；r为旋转矩阵；t为平移向量，垂直于标定板方向取z轴且z＝0；

24、步骤3.2，通过工业相机标定，找到相机像素平面到标定板平面的映射关系，光平面标定所求的光平面方程为：

25、ax+by+cz+d＝0

26、式中，a，b，c，d分别为拟合出的结构光平面参数；

27、通过对打在标定板平面上的由激光调制而成的两条相交直线进行拟合求出结构光平面的平面参数方程，并将世界坐标xw，yw带入求出z值，完成相机像素平面到结构光平面的映射。

28、进一步，所述步骤4中对采集到的光条的图像进行处理，具体步骤为：

29、步骤4.1，对采集的图像进行预处理：在不影响原图像中光条特征的基础上，选择大小合适的模板，通过中值滤波消除图像中的随机噪声；

30、步骤4.2，确定光条处理区域：对预处理后的图像进行基于形状的模板匹配，除去背景，获得光条处理区域；

31、步骤4.3，完成光条处理区域光条中心线提取：采用steger方法进行光条中心线提取，steger方法的具体为：

32、(i)对前面步骤4.1和步骤4.2处理以后所获得的图像中的点，选择高斯模板进行二维卷积运算，求取每一点的hessian矩阵，hessian矩阵最大特征值对应的特征向量即为该点的法线方向，进而获得光条法线方向，hessian表达式为：

33、

34、式中，g(x,y)为二元高斯函数；i(x,y)为图像灰度函数；(*)为卷积运算；

35、(ii)在图像中点c＝(x0，y0)处进行二阶taloy展开，求得极值点的灰度值大小以及其所对应的像素坐标，其表达式为：

36、

37、式中，t表示与粗提取中心点偏移的距离，e为单位向量，et为单位向量的转置；

38、进行i对t求导，导数为0的点就是光条纹中心点,求得：

39、

40、式中，i(x0，y0)为c＝(x0，y0)处的灰度值；ix，iy为c＝(x0，y0)处的梯度；h(x，y)为c＝(x0，y0)处的hessian矩阵；ex，ey分别为x方向和y方向单位向量；

41、进行判定：如果tex＜0.5和tey＜0.5，则其为光条亚像素中心点；

42、步骤4.4，完成光条中心线拟合：采用最小二乘拟合方法对亚像素光条进行拟合，表达式为：

43、

44、式中，d＝(xi，yi)为steger法求出来的中心点坐标；n为点的个数；k，b分别为拟合直线的斜率和截距；

45、步骤4.5，完成光条特征提取：对于光条边缘点提取，通过获取亚像素光条边缘轮廓，计算其与光条拟合直线的交点获得；对于其余光条特征点提取，则采用计算相邻拟合直线交点方法获得。

46、进一步，所述步骤6中h型钢的全尺寸测量包括h型钢翼缘厚度t1、t2，h型钢腹板高度h，h型钢半宽度a，h型钢全宽度a，h型钢腹板厚度b。

47、与现有技术相比本发明具有以下优点：

48、1、h型钢尺寸测量装置包括固定在机架四周的相机调节装置，该调节装置能够调节工业相机到h型钢的距离和角度，能够实现不同型号的h型钢测量，并减少h型钢尺寸测量时的系统误差。

49、2、激光投射器能提供h型钢同一平面内完整的断面信息，实现对h型钢断面的全尺寸测量。

50、3、冷却防护装置采用风水冷方式，冷却效果好，结构紧凑，可实现高温状态下h型钢的在线实时测量。

51、4、机架四角均设有条型光源，可对测量物体进行补光，采集到图像对比度高、质量好，便于标定并能提高测量精度。

52、5、传送辊道耐高温、速度可调、无视觉测量盲区，能够输送高温h型钢。两个传送辊道中间存在间隙，消除下端面和侧端面的视觉盲区，有助于实现对h型钢断面的全尺寸测量。

53、6、本发明解决了传统人工抽检测量存在检测效率低，检测精度不高，实时性差的问题，本发明基于视觉的测量装置实现了h型钢高精度和高效的测量。