CN101571379A

CN101571379A - 一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法

Info

Publication number: CN101571379A
Application number: CNA2009100692209A
Authority: CN
Inventors: 吴斌; 薛婷; 邾继贵
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: CN101571379B

Abstract

一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法：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；在被测无缝圆形钢管附近布设多线结构光视觉传感器；计算机分别控制激光投射器投射结构光平面到无缝圆形钢管被测截面，摄像机采集无缝圆形钢管表面光条图像，进行光条图像处理，并根据测量模型计算不同截面的三维坐标；确定空间截面椭圆中心，实现无缝圆形钢管直线度的测量，以及构建无缝圆形钢管的动态虚拟中心轴线；构建空间截面椭圆动态虚拟投影基准面；将空间截面椭圆向动态虚拟投影基准面正向投影，在基准面上进行圆拟合，得到钢管截面圆。本发明可以实现无缝圆形钢管直径及直线度参数的在线、实时、自动、非接触测量。

Description

一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法

技术领域

本发明涉及一种无缝圆形钢管直径及直线度参数的测量方法。特别是涉及一种基于多线结构光视觉传感器的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法。

背景技术

无缝圆形钢管是一种广泛应用的钢材，如用于结构、流体输送、低中高压锅炉、船舶、高压化肥设备、石油裂化、气瓶、液压支柱、柴油机、液压和气动筒的精密内缸、汽车半轴套管等。对于不同的无缝圆形钢管产品和应用，有不同的指标参数要求。其中，无缝圆形钢管产品的直径、直线度等加工参数与设计指标的符合程度则是其质量优劣的直接体现。因此，无缝圆形钢管的直径及直线度等参数的测量就显得至关重要。

传统的无缝圆形钢管几何参数测量方法大多基于人工、离线、抽检的方式进行，工人劳动强度大、效率低，而且实时性差，不能及时、有效地对生产线进行监测和调整，严重影响了无缝圆形钢管生产的现代化，限制了产品质量的进一步提升。

随着光学、电子学、计算机、图像处理等技术的发展，出现了一种新兴的测量技术——视觉测量技术。与传统测量技术相比，视觉测量技术具有非接触、可在线、速度快、精度较高等优点。随着视觉测量技术的深入研究，基于单线结构光视觉传感器实现无缝圆形钢管几何参数测量开始了应用尝试。但在基于单线结构光视觉传感器实现无缝圆形钢管几何参数测量应用中，实现直径测量时必须保证激光器投射的结构光平面与无缝圆形钢管的中心轴线垂直，极大地增加了系统安装、调试的难度。实现直线度测量时，需要多个单线结构光视觉传感器，还需要借助专门的仪器设备进行系统的全局校准，以实现每个传感器测量坐标系的统一，大大增加了系统构建的复杂度及应用成本，降低了系统的实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种安装方便、调整简单，同时具有测量速度快、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等特点，可满足无缝圆形钢管直径及直线度等参数的在线、实时、自动、非接触测量需求的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，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，在被测无缝圆形钢管附近适当位置布设并固定多线结构光视觉传感器；

(3)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结构光平面到无缝圆形钢管被测截面；

(4)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的摄像机采集无缝圆形钢管表面光条图像；

(5)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不同截面的三维坐标；

(6)通过不同截面测量的三维数据拟合空间截面椭圆，确定空间截面椭圆中心，利用3个或3个以上空间截面椭圆中心，结合最小包络直线度评定理论实现无缝圆形钢管直线度的测量；

(7)利用3个或3个以上空间截面椭圆中心，结合最小二乘空间直线拟合算法构建无缝圆形钢管的动态虚拟中心轴线；

(8)过无缝圆形钢管虚拟中心轴线上的任意一点作虚拟空间垂面，即构建空间截面椭圆动态虚拟投影基准面；

(9)将空间截面椭圆向动态虚拟投影基准面正向投影，在基准面上进行圆拟合，得到钢管截面圆，从而实现无缝圆形钢管直径的测量。

所述的多线激光投射器所投射的射线是3个或3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3所述的多线激光投射器投射是同时投射或顺序投射。

本发明的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，可以实现无缝圆形钢管直径及直线度参数的在线、实时、自动、非接触测量，有利于形成生产、测量闭环控制，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。

本发明通过采用多线结构光视觉传感器，可以实现无缝圆形钢管虚拟中心轴线及虚拟投影基准面的动态构建，进而实现结构光投射椭圆截面向动态基准面投影，以得到准确表征无缝圆形钢管的正圆截面，从而避免了传统采用单线结构光视觉传感器测量无缝圆形钢管直径时，要求激光器投射的结构光平面与无缝圆形钢管的中心轴线严格垂直的限制。另外，多线结构光视觉传感器本身就相当于坐标系统一的多个单线结构光视觉传感器系统，从而避免了传统采用线结构光视觉传感器测量无缝圆形钢管直线度时，要求使用专用仪器设备进行全局校准的限制。因此，本发明安装方便、调整简单，可以在生产实际中推广应用。

附图说明

图1是多线结构光视觉传感器(3投射线)结构示意图；

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无缝圆形钢管直径及直线度参数测量系统原理图。

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：第三线结构光

7：结构光平面 8：图像平面

9：无缝圆形钢管 10：多线结构光视觉传感器

11：无缝圆形钢管虚拟中心轴线 12：虚拟投影基准面

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法做出详细说明。

本发明的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，是在被测无缝圆形钢管合适位置(参考传感器工作距离)安装多线结构光视觉传感器，传感器中激光器投射的结构光平面与无缝圆形钢管的中心轴线不要求严格垂直，传感器安装无严格位姿要求；无缝圆形钢管直线度的测量及虚拟中心轴线的动态构建：采用多线结构光视觉传感器同时实现无缝圆形钢管多个不同截面三维数据的测量，通过不同截面测量的三维数据拟合空间截面椭圆，并确定空间截面椭圆中心，结合最小包络直线度评定理论实现无缝圆形钢管直线度的测量，同时利用空间截面椭圆中心拟合构建无缝圆形钢管的动态虚拟中心轴线；空间截面椭圆虚拟投影基准面的动态构建：过无缝圆形钢管虚拟中心轴线上的任意一点作虚拟空间垂面，此垂面定义为空间截面椭圆动态虚拟投影基准面；无缝圆形钢管直径的测量：将空间截面椭圆向动态虚拟投影基准面正向投影，在基准面上进行圆拟合，得到钢管截面圆，从而实现无缝圆形钢管直径的测量。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，并完成摄像机及多线结构光视觉传感器参数的校准；所述的多线激光投射器所投射的射线是3个或3个以上。

所述的多线激光投射器可以是一个投射器产生多个投射线的激光投射器，还可以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，在被测无缝圆形钢管附近适当位置布设并固定多线结构光视觉传感器，并进行现场热防护处理；

(3)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结构光平面到无缝圆形钢管被测截面(可同时投射，也可顺序投射)；

(4)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的摄像机采集无缝圆形钢管表面光条图像(摄像机图像采集应与激光投射相配合)；

下面结合附图进行具体说明：

如图1所示，由1只摄像机和1个3线激光投射器组成多线结构光视觉传感器10。测量应用前，针对多线结构光视觉传感器10需要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视觉传感器中结构光平面方程等参数的校准。

如图2所示的线结构光视觉传感器的数学模型，假设三维世界坐标系为o_wx_wy_wz_w，摄像机坐标系为o_cx_cy_cz_c，图像平面π_n坐标系为o_nX_nY_n。将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，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π_s的方程来表示。设在坐标系o_cx_cy_cz_c下，光平面π_s的方程系数为V＝[a b c d]，光平面上任意一点P的坐标为P_c＝[x_c y_c z_c]^T，对应齐次坐标为

{\tilde{P}}_{c} = {[\begin{matrix} x_{c} & y_{c} & z_{c} & 1 \end{matrix}]}^{T},

则光平面方程可以表示为：

V \cdot {\tilde{P}}_{c} = 0 - - - (1)

若已知P点的理想投影归一化图像齐次坐标

{\tilde{P}}_{n} = {[\begin{matrix} X_{n} & Y_{n} & 1 \end{matrix}]}^{T},

则过摄像机光心和此像点的直线方程可以表示为：

P_{c} - o_{c} = k \cdot (P_{c} - {\tilde{P}}_{n}) - - - (2)

则(1)、(2)式的联立即为线结构光视觉传感器的数学模型。

多线结构光视觉传感器10中摄像机2坐标系定义为传感器测量坐标系。图1所示多线结构光视觉传感器10由1只摄像机2和1个3线激光投射器3组成，因此相当于测量坐标系统一的3个单线结构光视觉传感器。

首先，根据多线结构光视觉传感器10的工作距离及测量景深，在被测无缝圆形钢管合适位置布设并固定多线结构光视觉传感器10，构建测量系统。如图3所示为基于多线结构光视觉传感器的无缝圆形钢管直径及直线度参数测量系统原理图。

测量时，多线结构光视觉传感器10的激光投射器3投射第一线结构光4、第二线结构光5、第三线结构光6到无缝圆形钢管9的表面，形成3条亮条纹。计算机通过摄像机2采集亮条纹图像，并进行光条图像处理，得到3条亮条纹的中心图像坐标。在3条亮条纹的中心图像坐标的基础上，结合摄像机2、多线结构光视觉传感器10校准参数及线结构光视觉传感器10的数学模型，计算得到3条亮条纹的中心空间坐标。由3条亮条纹的中心空间坐标拟合空间截面椭圆，并求得空间截面椭圆中心。依据最小包络线直线度评定原理，基于所求得的3个空间截面椭圆中心进行无缝圆形钢管9直线度参数的评定，同时构建无缝圆形钢管虚拟中心轴线11。过无缝圆形钢管虚拟中心轴线11上任意一点，作虚拟中心轴线的垂面以构建虚拟投影基准面12。将无缝圆形钢管9空间截面椭圆数据向虚拟投影基准面12正向投影，得到无缝圆形钢管9的正圆截面，通过平面圆拟合，实现无缝圆形钢管直径参数的测量。

本发明的基于多线结构光视觉传感器的无缝圆形钢管直径及直线度参数测量方法，是一种全新的基于多线结构光视觉传感器实现无缝圆形钢管直径及直线度参数的实时、在线测量方法与装置，其独特之处在于：基于多线结构光视觉传感器动态构建无缝圆形钢管虚拟中心轴线及虚拟投影基准面，结构光投射椭圆截面通过动态基准面投影获得准确表征无缝圆形钢管的正圆截面，从而避免了传统采用线结构光视觉传感器测量无缝圆形钢管直径时，要求激光器投射的结构光平面与无缝圆形钢管的中心轴线严格垂直的限制。同时，多线结构光视觉传感器本身就相当于坐标系统一的多个单线结构光视觉传感器系统，从而避免了传统采用线结构光视觉传感器测量无缝圆形钢管直线度时，要求专用仪器设备进行全局校准的限制。

Claims

1.一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，其特征在于，所述的多线激光投射器所投射的射线是3个或3个以上。

3.根据权利要求1所述的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，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所述的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，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所述的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，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所述的一种无缝圆形钢管直径及直线度参数测量的方法，其特征在于，步骤3所述的多线激光投射器投射是同时投射或顺序投射。