CN104833317A - 基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对称双线激光角度可控的中厚板形貌检测系统及其方法。传感器柜内在等高平面上设有两个面阵CMOS 相机,在面阵CMOS 相机上装有相机镜头,且通过安装装置固定在支架上,在其面阵CMOS 相机的两侧分别设有线激光源,脉冲测速仪固定在传送带的侧边,传送带上设有待测中厚钢板,在待测中厚钢板上设有对称线激光源的激光线重叠区域,光电开关发射器与光电开关接收器形成对射,传感器柜放置在支架上,检测装置由控制装置控制。本发明采用对称双线激光源检测时的标定方法简单,检测分辨率高,精度高;采用对称双线激光源检测系统,线激光入射角度大,避免检测拐点失效和减小漂移,保证结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明专利涉及形貌检测系统及其方法,尤其涉及一种基于对称双线激光角度可控的中厚板形貌检测系统及其方法。
背景技术
随着我国加工工业逐渐采用自动化作业线,以冷轧中厚钢板为主要原材料的制造业对其板形的要求越来越高。板形控制已成为当今冶金界迫切需要解决的问题,而板形检测是实现板形自动控制的重要前提之一。特别是随着该类部件向生产规模化、使用环境极端化以及相关设备大型化和高速化等方向飞速发展,中厚钢板的形貌检测技术更加体现出其重要性和迫切性,并在可靠性、实时性及其自动在线检测能力等方面对该技术提出了更高的要求。因此,以具有广泛应用场合和巨大市场潜力的中厚板板材为检测对象,开展高性能自动化在线图像检测理论和技术的研究,赋予其高可靠、高实时和高精度的检测能力,具有十分重要的理论意义和实用价值。
由于轧制的中厚板板材头、尾轮廓形状存在很大的不确定性,采用传统的检测原理无法精确地这部分的轮廓信息,甚至不能对其进行检测。再者,现有的基于CMOS图像传感器的轮廓检测仪无法独立地完成带钢轮廓的检测,因为其无法测量出带钢表面相的高度信息,而是依赖于上一级系统或者其他高度检测设备,这严重限制了轮廓检测仪的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对当前中厚板轮廓检测仪技术的不足,提供一种基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统及其方法。
基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统包括检测装置和控制装置,检测装置包括线激光源、线激光固定装置、步进电机、单片机控制单元、面阵CMOS相机、相机镜头、面阵CMOS相机的安装装置、传感器柜、脉冲测速仪、待测中厚钢板、传送带、面阵CMOS相机的轴线、光电开关接收器、光电开关发射器、支架、激光线重合区域、相机检测区域;传感器柜内在等高平面上设有两个面阵CMOS相机,在面阵CMOS相机上装有相机镜头,且通过安装装置固定在支架上,在其面阵CMOS相机的两侧分别设有线激光源,线激光源与面阵CMOS相机轴线之间的夹角为2-12度,脉冲测速仪固定在传送带的侧边,传送带上设有待测中厚钢板,在待测中厚钢板上设有对称线激光源的激光线重叠区域,光电开关接收器在待测中厚钢板的正上方,光电开关发射器在待测中厚钢板的正下方,与光电开关接收器形成对射,面阵CMOS相机拍摄形成相机检测区域,传感器柜放置在支架上,检测装置由控制装置控制。
所述的控制装置包括前端工控机、相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机、基于CPCI接口的图像采集卡、脉冲测速仪、模拟信号采集卡、数字I/O控制卡、驱动电路、步进电机;前端工控机分别与相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机相连,相机工控机与基于CPCI接口的图像采集卡相连,基于CPCI接口的图像采集卡与两个面阵CMOS相机相连,基于CPCI接口的串口扩展卡分别与脉冲测速仪、模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡相连,AT89S52单片机、驱动电路与步进电机相连。
所述的步进电机固定在支架上并通过带动线激光源夹紧装置带动线激光源旋转,支架固定在支架上。
基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测方法包括如下步骤:
1)利用带钢传送带将待测中厚钢板输送到传感器柜的下方,线激光源入射到待测中厚钢板表面形成一条横跨整个带钢的激光线;
2)利用光电开关接收器和光电开关发射器同步面阵CMOS相机拍摄入射在被测中厚钢板表面上的激光线和脉冲测速仪测量中厚钢板表面沿其长度方向上的速度;
3)面阵CMOS相机拍摄的图像信息经Camera Link接口传输到相机工控机上的图像采集卡,相机计算上的图像采集卡负责对图像进行预处理,包括中值滤波、特征区域的裁剪、二值化、细化和图像的压缩编码等,并将预处理后的数据通过CPCI接口传输给相机工控机;
4)脉冲测速仪将被测中厚钢板的速度数据通过RS232通信协议传输给基于CPCI接口的串口宽展卡并最终传给前端控制机;
5)模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡通过RS485通信协议与基于CPCI接口的串口宽展卡进行数据交互,基于CPCI接口的串口宽展卡通过CPCI通信接口与前端工控机进行数据交互;
6)线激光以入射角θ入射到带钢表面,且在CMOS中成像;当带钢跳动或者表面高度增加h后,透镜中心离带钢表面距离为H,镜头焦距为f,根据成像的几何关系可以得到像点偏移距离d与带钢跳动高度及入射角θ的关系:
则相机分辨率μ:
7)通过对比细化处理后的图像边缘像素点与细线内部点的区别,通过循环函数对每个点的周围进行算法处理,既对该点周围相邻的每两个点分别按顺时针抑或逆时针方向进行减法处理,如果减法处理后的绝对值之和为2,那么该点便能判定为端点,可以对其坐标进行提取,当
|L(i-1,j-1)-L(i-1,j)|+|L(i-1,j)-L(i-1,j+1)|+|L(i-1,j+1)-L(i,j+1)|+|L(i,j+1)-L(i+1,j+1)|+|L(i+1,j+1)-L(i+1,j)|+|L(i+1,j)-L(i+1,j-1)|+|L(i+1,j-1)-L(i,j-1)|+|L(i,j-1)-L(i-1,j-1)|=2
则L(i,j)便是像素中i行j列的像素值;
8)轮廓检测系统通过上述方式首先得到采集图像中亮线端点所对应的带钢边缘的空间位置坐标和速度,然后通过相关的处理,即对带钢的宽度数据与其对应的位置进行匹配,拟合出带钢的轮廓曲线,并将其显示在上位机人机交互式显示界面中,从而实现中厚钢板的形貌检测。
本发明专利与现有技术相比具有的有益效果
1)采用对称双线激光源检测时的标定方法简单,检测分辨率高,精度高;
2)采用对称双线激光源检测系统,线激光入射角度大,避免检测拐点失效和减小漂移,保证结果准确可靠;
3)采用对称双线激光源照射在中厚板的表面上,相邻激光线之间通过拼接方式形成一条横跨整个带钢表面的长激光线,了提高带钢宽度的检测范围和激光线沿其长度方向上光强的均匀性;
4)两相邻面阵CMOS相机之间采用部分视觉重叠的方式来拍摄入射在带钢表面上的激光线,这种视觉拍摄方式能保证带钢侧边和头、尾的轮廓都能被检测到;
5)为了使面阵CMOS相机所拍摄的图像中激光线能反映出带钢表面的高度息,线激光源以一定的倾角将线激光照在带钢表面上,且角度大小可控制;
6)基于对称双线激光角度可控的的中厚钢板形貌检测系统,比传统检测装置分辨率提高一倍,可以大大提高图像中激光线端点位置坐标的提取精度;
7)利用面阵CMOS相机来拍摄入射在带钢表面上的激光线,这种基于机器视觉的轮廓检测方法实现了带钢轮廓的非接触式检测;
8)利用脉冲测速仪来测量中厚钢在传输带上的输送速度,不仅实现了中厚钢速度的非接触式测量,而且在速度测量精度上具有更高重复检查精度,提高了带钢轮廓检测的精确度,且成本较多普勒测速仪大大降低;
9)基于对称式双激光角度可控的板形检测在线检测钢板,能够判别振动的大小,通过垂直高度上的高精度的静态标定,使得系统在检测存在振动干扰的带钢板形时,能准确测量带钢宽度,通过数据滤波的手段正确处理检测数据,消除或抑制振动对平直度检测的影响,获得可靠的检测结果。
10)为了减小带钢自动生产线各种工况对检测系统的干扰,在检测系统中包含了风冷系统和水冷系系统,使面阵CMOS相机、线激光源和脉冲测速仪工作在最佳的检测状态。
附图说明
图1是基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统的检测装置结构示意图;
图2是基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统的控制装置示意框图;
图3是基于称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统的线激光角度可控的构架结构示意图;
图4是基于称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统的对称式双激光检测模型;
图5是基于称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统的冷轧中厚板轮廓检测的实现示意图;
图6是根据端点坐标拟合出的中厚钢板外形轮廓图;
图7是采集到的线激光照射在中厚钢板上的原图像;
图8是对采集到的原图像进行图像预处理得到的细化后的图像;
图9是一幅图像的某个像素点L(i,j)像素点及其周围点分布;
图10是一幅图像的细线右端点及周围像素值;
图11是一幅图像的细线左端点及周围像素值;
图12是一幅图像的细线内部像素点及其周围像素值。
具体实施方式
如图1所示,基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统包括检测装置和控制装置,检测装置包括线激光源1、线激光固定装置2、步进电机3、单片机控制单元4、面阵CMOS相机5、相机镜头6、面阵CMOS相机的安装装置7、传感器柜8、脉冲测速仪9、待测中厚钢板10、传送带11、面阵CMOS相机的轴线12、光电开关接收器13、光电开关发射器14、支架15、激光线重合区域16、相机检测区域17;传感器柜8内在等高平面上设有两个面阵CMOS相机5,在面阵CMOS相机5上装有相机镜头6,且通过安装装置7固定在支架15上,在其面阵CMOS相机5的两侧分别设有线激光源1,线激光源1与面阵CMOS相机5轴线之间的夹角为2-12度,脉冲测速仪9固定在传送带11的侧边,传送带11上设有待测中厚钢板10,在待测中厚钢板10上设有对称线激光源的激光线重叠区域16,光电开关接收器13在待测中厚钢板10的正上方,光电开关发射器14在待测中厚钢板10的正下方,与光电开关接收器13形成对射,面阵CMOS相机5拍摄形成相机检测区域17,传感器柜8放置在支架15上,检测装置由控制装置控制。
如图2所示,所述的控制装置包括前端工控机、相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机、基于CPCI接口的图像采集卡、脉冲测速仪、模拟信号采集卡、数字I/O控制卡、驱动电路、步进电机;
前端工控机分别与相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机相连,相机工控机与基于CPCI接口的图像采集卡相连,基于CPCI接口的图像采集卡与两个面阵CMOS相机相连,基于CPCI接口的串口扩展卡分别与脉冲测速仪、模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡相连,AT89S52单片机、驱动电路与步进电机相连。
如图3所示,所述的步进电机3固定在支架4.1上并通过带动线激光源夹紧装置4.2带动线激光源1旋转,支架4.1固定在支架15上。
基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测方法包括如下步骤:
1)利用带钢传送带11将待测中厚钢板10输送到传感器柜8的下方,线激光源1入射到待测中厚钢板10表面形成一条横跨整个带钢的激光线;
2)利用光电开关接收器13和光电开关发射器14同步面阵CMOS相机5拍摄入射在被测中厚钢板10表面上的激光线和脉冲测速仪9测量中厚钢板表面沿其长度方向上的速度;
3)面阵CMOS相机5拍摄的图像信息经Camera Link接口传输到相机工控机上的图像采集卡,相机计算上的图像采集卡负责对图像进行预处理,包括中值滤波、特征区域的裁剪、二值化、细化和图像的压缩编码等,并将预处理后的数据通过CPCI接口传输给相机工控机;
4)脉冲测速仪9将被测中厚钢板的速度数据通过RS232通信协议传输给基于CPCI接口的串口宽展卡并最终传给前端控制机;
5)模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡通过RS485通信协议与基于CPCI接口的串口宽展卡进行数据交互,基于CPCI接口的串口宽展卡通过CPCI通信接口与前端工控机进行数据交互;
6)如图4所示,线激光以入射角θ(入射光线与带钢表面的夹角)入射到带钢表面的A点,在CMOS中成像点为C;当带钢跳动或者表面高度增加h后,入射点变为B,CMOS中成像点为D。CD两像点的像素距离为d。图中透镜中心离带钢表面距离为H,镜头焦距为f,根据成像的几何关系可以得到像点偏移距离d与带钢跳动高度及入射角θ的关系:
则相机分辨率μ:
从以上推导过程可以得到,相机分辨率(用来表示单位高度像素数量)随着入射角度的增大而减少,并且在0-90°范围内是单调持续减少。因此为保证足够的测量精度要求入射角度不能过大。如图4所示,在带钢表面高度变化相同的情况下,要保证检测的足够精度,EB的长度变化量要足够大,检测的分辨率越高,精度也越高。如果选定一个入射角度,釆用双激光对称入射将使得分辨率提高一倍。
7)通过对比细化处理后的图像边缘像素点与细线内部点的区别,可以通过循环函数对每个点的周围进行算法处理,既对该点周围相邻的每两个点分别按顺时针抑或逆时针方向进行减法处理,如果减法处理后的绝对值之和为2,那么该点便能判定为端点,可以对其坐标进行提取,即如果:
|L(i-1,j-1)-L(i-1,j)|+|L(i-1,j)-L(i-1,j+1)|+|L(i-1,j+1)-L(i,j+1)|+|L(i,j+1)-L(i+1,j+1)|+|L(i+1,j+1)-L(i+1,j)|+|L(i+1,j)-L(i+1,j-1)|+|L(i+1,j-1)-L(i,j-1)|+|L(i,j-1)-L(i-1,j-1)|=2
则L(i,j)便是像素中i行j列的像素值;
8)轮廓检测系统通过上述方式首先得到采集图像中亮线端点所对应的带钢边缘的空间位置坐标和速度,然后通过相关的处理,即对带钢的宽度数据与其对应的位置进行匹配,拟合出带钢的轮廓曲线,并将其显示在上位机人机交互式显示界面中,如图6所示,从而实现中厚钢板的形貌检测。
本发的基本方式是线激光源将线激光打在传送带中移动的待测中厚钢板表面,并通过CMOS相机拍摄相关的图像。如图5所示为冷轧中厚板轮廓检测的实现示意图。
当被测带钢明所处的检测位置为带钢的中间部位时,检测的为带钢的侧边轮廓,此时照射在带钢表面上的激光线是连续的,采集图像经图像处理后可以得到图像中亮线上下端点之间的像素个数W。经相机的视觉标定后可以将图像中亮线端点的像素坐标转换成带钢侧边边缘的空间位置坐标。
L=λW
上式中,λ为图像中一像素所表示的实际长度,该值与被测带钢表面离相机平面的距离h有关,通过相机标定可以确定λ与h之间的关系。L即为带钢的宽度。
与带钢中间部位相比,其头尾轮廓沿带钢宽度方向是凹凸不平的。因此,平直的线激光打在带钢的头部和尾部,部分激光线将从凹的区域穿过带钢而不能打在带钢的表面上,此时亮线将会出现分割,如图5左端显示所示。基于和侧边轮廓同样的原理,可以通过特定的图像处理算法得到亮线端点的坐标。
通过上述过程可以得到带钢侧边、头尾的边缘位置坐标,利用这些数据就可以拟合出整个带钢的轮廓曲线。如图5所示,带钢以速度v(变速)运动,利用特殊的测速装置以一定的周期T0测量其速度信息,这样就可以确定带钢在X方向上位置坐标。图像采集子系统也以一定的周期T(T=NT0)拍摄带钢上激光线图像,获取等周期带钢的侧边、头尾边缘位置坐标数据,即得到带钢边缘在Y方向上的位置坐标。
轮廓检测系统通过上述方式首先得到采集图像中亮线端点所对应的带钢边缘的空间位置坐标和速度,然后通过相关的处理,即对带钢的宽度数据与其对应的位置进行匹配,拟合出带钢的轮廓曲线,如图6,并将其显示在上位机人机交互式显示界面中。
其中,基于对称双线激光角度可控的的中厚钢板形貌检测系统及其方法的端点坐标提取原理为:
先对拍摄的原图像如图7进行一系列预处理,得到细化后的图像如图8,然后进行最后的亮线端点坐标提取。因为端点坐标与线段内部的坐标之间存在着区别,如图9所示的像素点及其周围点分布、图10所示的细线右端点及周围像素值、图11所示的细线左端点及周围像素值、图12所示的细线内部像素点及其周围像素值,分别是对一幅图像L的某个像素点L(i,j)以及其周围像素点的像素值进行分析,从中可以看出,端点以及亮线内部点其四周的像素值分布式存在区别的,最明显地区别在于端点处四周只存在一个像素值为1的像素点,而由于内部点的左右连续性,必然使其周围存在两个像素值为1的像素点。
通过这种区别特征,可以看出周围像素值两两相减的绝对值会等于0或1,通过对比边缘像素点与细线内部点的区别,可以通过循环函数对每个点的周围进行算法处理,倘若该点周围相邻的每两个点分别按顺时针抑或逆时针方向进行减法处理,如果减法处理后的绝对值之和为2,那么该点便能判定为端点,可以对其坐标进行提取,当
|L(i-1,j-1)-L(i-1,j)|+|L(i-1,j)-L(i-1,j+1)|+|L(i-1,j+1)-L(i,j+1)|+|L(i,j+1)-L(i+1,j+1)|+|L(i+1,j+1)-L(i+1,j)|+|L(i+1,j)-L(i+1,j-1)|+|L(i+1,j-1)-L(i,j-1)|+|L(i,j-1)-L(i-1,j-1)|=2
则L(i,j)便是像素中i行j列的像素值。
Claims (4)
1.一种基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统,其特征在于包括检测装置和控制装置,检测装置包括线激光源(1)、线激光固定装置(2)、步进电机(3)、单片机控制单元(4)、面阵CMOS相机(5)、相机镜头(6)、面阵CMOS相机的安装装置(7)、传感器柜(8)、脉冲测速仪(9)、待测中厚钢板(10)、传送带(11)、面阵CMOS相机的轴线(12)、光电开关接收器(13)、光电开关发射器(14)、支架(15)、激光线重合区域(16)、相机检测区域(17);传感器柜(8)内在等高平面上设有两个面阵CMOS相机(5),在面阵CMOS相机(5)上装有相机镜头(6),且通过安装装置(7)固定在支架(15)上,在其面阵CMOS相机(5)的两侧分别设有线激光源(1),线激光源(1)与面阵CMOS相机(5)轴线之间的夹角为2-12度,脉冲测速仪(9)固定在传送带(11)的侧边,传送带(11)上设有待测中厚钢板(10),在待测中厚钢板(10)上设有对称线激光源的激光线重叠区域(16),光电开关接收器(13)在待测中厚钢板(10)的正上方,光电开关发射器(14)在待测中厚钢板(10)的正下方,与光电开关接收器(13)形成对射,面阵CMOS相机(5)拍摄形成相机检测区域(17),传感器柜(8)放置在支架(15)上,检测装置由控制装置控制。
2.如权利要求1所述的一种基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测系统,其特征在于所述的控制装置包括前端工控机、相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机、基于CPCI接口的图像采集卡、脉冲测速仪、模拟信号采集卡、数字I/O控制卡、驱动电路、步进电机;前端工控机分别与相机工控机、基于CPCI接口的串口扩展卡、AT89S52单片机相连,相机工控机与基于CPCI接口的图像采集卡相连,基于CPCI接口的图像采集卡与两个面阵CMOS相机相连,基于CPCI接口的串口扩展卡分别与脉冲测速仪、模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡相连,AT89S52单片机、驱动电路与步进电机相连。
3.如权利要求1所述的一种基于对称双线激光角度可控的的中厚钢板形貌检测系统,其特征在于所述的步进电机(3)固定在支架(4.1)上并通过带动线激光源夹紧装置(4.2)带动线激光源(1)旋转,支架(4.1)固定在支架(15)上。
4.一种使用如权利要求1所述系统的基于对称双线激光角度可控的中厚钢板形貌检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)利用带钢传送带(11)将待测中厚钢板(10)输送到传感器柜(8)的下方,线激光源1入射到待测中厚钢板(10)表面形成一条横跨整个带钢的激光线;
2)利用光电开关接收器(13)和光电开关发射器(14)同步面阵CMOS相机(5)拍摄入射在被测中厚钢板(10)表面上的激光线和脉冲测速仪(9)测量中厚钢板表面沿其长度方向上的速度;
3)面阵CMOS相机5拍摄的图像信息经Camera Link接口传输到相机工控机上的图像采集卡,相机计算上的图像采集卡负责对图像进行预处理,包括中值滤波、特征区域的裁剪、二值化、细化和图像的压缩编码等,并将预处理后的数据通过CPCI接口传输给相机工控机;
4)脉冲测速仪(9)将被测中厚钢板的速度数据通过RS232通信协议传输给基于CPCI接口的串口宽展卡并最终传给前端控制机;
5)模拟信号采集卡和数字I/O信号控制卡通过RS485通信协议与基于CPCI接口的串口宽展卡进行数据交互,基于CPCI接口的串口宽展卡通过CPCI通信接口与前端工控机进行数据交互;
6)线激光以入射角θ入射到带钢表面,且在CMOS中成像;当带钢跳动或者表面高度增加h后,透镜中心离带钢表面距离为H,镜头焦距为f,根据成像的几何关系可以得到像点偏移距离d与带钢跳动高度及入射角θ的关系:
则相机分辨率μ:
7)通过对比细化处理后的图像边缘像素点与细线内部点的区别,可以通过循环函数对每个点的周围进行算法处理,既对该点周围相邻的每两个点分别按顺时针抑或逆时针方向进行减法处理,如果减法处理后的绝对值之和为2,那么该点便能判定为端点,对其坐标进行提取,当
|L(i-1,j-1)-L(i-1,j)|+|L(i-1,j)-L(i-1,j+1)|+|L(i-1,j+1)-L(i,j+1)|+|L(i,j+1)-L(i+1,j+1)|+|L(i+1,j+1)-L(i+1,j)|+|L(i+1,j)-L(i+1,j-1)|+|L(i+1,j-1)-L(i,j-1)|+|L(i,j-1)-L(i-1,j-1)|=2,则L(i,j)便是像素中i行j列的像素值;
8)轮廓检测系统通过上述方式首先得到采集图像中亮线端点所对应的带钢边缘的空间位置坐标和速度,然后通过相关的处理,即对带钢的宽度数据与其对应的位置进行匹配,拟合出带钢的轮廓曲线,并将其显示在上位机人机交互式显示界面中,从而实现中厚钢板的形貌检测。
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