CN106856147A

CN106856147A - 一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法

Info

Publication number: CN106856147A
Application number: CN201611230471.7A
Authority: CN
Inventors: 陈海永; 任亚非; 李泽楠
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: CN106856147B

Abstract

本发明公开一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法，该方法的具体步骤是：（1）通过工业相机的摄像头获取硅钢片表面区域图像；（2）通过工业相机中的图像处理器对获取到的硅钢片图像进行处理，以确定硅钢片边缘与角点位置。（3）工业相机将硅钢片的边缘与角点位置信息发送给控制系统，控制系统根据不同滑石片的粘贴顺序与间隔要求，以及硅钢片的边缘与角点位置信息来确定每一个滑石片的粘贴点位置；同时，控制系统调控贴片装置根据设定的滑石片的粘贴顺序进行贴片作业。本发明方法通过单帧图像提取的三维硅钢片表面特征信息，即可计算出贴片装置在二维平面内的相对偏差量，进而可实现在三维空间目标粘贴点的准确定位。

Description

一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法

技术领域

本发明涉及特高压变压器硅钢片的视觉检测以及按要求自动粘贴滑石片，具体是一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法。

背景技术

电力工业是关系国民经济全局的重要基础产业，是关乎千家万户安居乐业的基本保障，电力工业的发展与国民经济的整体发展息息相关。由于特高压输电具备超远距离、超大容量、低损耗等特点，建设特高压电网，促进大煤电、大水电、大核电、大规模可再生能源建设，能够推进资源的集约开发和高效利用，缓解环境压力，节约土地资源，实现能源资源在全国乃至更大范围的优化配置，具有显著的经济效益和社会效益。

特高压变压器是建设特高压电网必不可缺的电力设备。然而，特高压变压器结构非常特殊，它是由主体变、补偿变和调压变等三个变压器组合而成。三个变压器都有独立的铁芯，相互之间通过电气连接，励磁特性非常复杂，导致励磁涌流特点与常规变压器有较大的差异，如涌流衰减慢，调压变激磁绕组电流二次谐波含量低等。其中，大功率变压器的铁芯重量可达180吨，由长达6000毫米、宽1100毫米左右、厚度0.3毫米的硅钢片依照制造工艺层叠制造而成。一般情况下，冷却层的移动、破损会导致震动增强，接着又会导致产生螺旋效应，使得冷却液过热，大大降低变压器的性能。

为有效解决特高压变压器铁芯散热问题，改善其稳定性能，可以在硅钢片上粘贴一定数量、排列有序的滑石片。目前，国内粘贴滑石片几乎都是采用人工粘贴的方式，耗时耗力，粘贴效果也达不到要求，薄而锋利的硅钢片也对工人人身构成潜在的安全危害。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法。该检测方法根据对单帧图像提取的硅钢片表面特征信息进行视觉处理，提取出二维平面内的边缘与角点，然后计算出在边缘与角点处粘贴滑石片的偏移量，不涉及到大规模矩阵变换，计算量不大，使得图像特征的变化和运动机构之间不存在非线性耦合，可实现在三维空间滑石片粘贴位置的精确定位。

本发明解决所述方法技术问题所采用的技术方案是，设计一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法，用于硅钢片表面的检测、定位以及滑石片的粘贴，其特征在于该方法的具体步骤是：

(1)硅钢片图像获取：通过工业相机的摄像头获取硅钢片表面区域图像；

(2)硅钢片边缘与角点位置确定：通过工业相机中的图像处理器对获取到的硅钢片图像进行处理，以确定硅钢片边缘与角点位置，具体过程为：

1)为提高硅钢片表面特征提取的可靠性和精确度，需要进行图像去噪和图像增强，具体是采用高斯滤波器平滑图像，来抑制噪声；采用直方图均衡化增强图像对比度，以便于图像分割；

2)采用改进的Canny边缘检测方法识别出硅钢片的边缘，识别出的边缘主要有水平边与斜边，以确定在硅钢片边缘处滑石片的粘贴位置；

3)插值补全边缘检测算法提取出边缘中的缺失点，之后采用高斯低通滤波器进一步消除噪声干扰，并对插值滤波后的边缘点进行Hough直线拟合；计算出两条直线的交点，即得到硅钢片角点位置；

(3)滑石片贴片工艺：工业相机将硅钢片的边缘与角点位置信息发送给控制系统，控制系统根据不同滑石片的粘贴顺序与间隔要求，以及硅钢片的边缘与角点位置信息来确定每一个滑石片的粘贴点位置；同时，控制系统调控贴片装置根据设定的滑石片的粘贴顺序进行贴片作业。

与现有技术相比，其有益效果在于：本发明方法通过单帧图像提取的三维硅钢片表面特征信息，即可计算出贴片装置在二维平面内的相对偏差量，进而可实现在三维空间目标粘贴点的准确定位。本发明装置通过工业相机在获取硅钢片表面二维信息时进行边缘检测与角点检测，并实时进行目标粘贴点定位，避免了普通相机标定过程中大量的矩阵变换，大大减少了标定与计算时间，显著提高了系统的实时性，一方面避免了建立复杂的相机成像模型，另一方面增强了相机标定的精度、鲁棒性和适应性。在图像检测的过程中实现了边缘与角点检测，简化了实时定位的算法，降低了对贴片装置的要求。

附图说明

图1为适用于本发明基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法一种实施例的贴片装置结构示意图；

图中，1-震动送料器、2-不锈钢胶桶、3-副滑车机构、4-真空吸附器、5-升降双轴气缸、6-水平双轴气缸、7-主滑车机构、8-滑轨、9-可移动式工作台、10-不锈钢单轨道、11-工业相机、12-光源、13-光源控制器、14-存片槽、15-控制系统、17-硅钢片。

图2与图3均为本发明基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法一种实施例所适用的硅钢片基本片型示意图，剪切角度均为45度，实际片型不限于此。

图4为本发明基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法一种实施例的滑石片粘贴示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明设计的基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法(以下简称贴片方法，参见图1-4)，主要应用于工业现场，硅钢片表面的检测、定位与粘贴滑石片同时进行，检测与目标粘贴点定位算法充分适应工业现场情况，利用硅钢片表面图像得到目标粘贴点的位置信息，使得图像特征的变化和运动机构之间不存在非线性耦合，该方法的具体步骤是：

硅钢片的边缘与角点位置处的滑石片贴片工艺与其中间部位的工艺不同，具体为：当滑石片的粘贴点位于角点时，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离硅钢片两边边缘各为7mm；当滑石片的粘贴点位于水平边时，若是加密状态，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离边缘为7mm，第一个滑石片与第二个滑石片圆心间距为30mm，之后圆心间距调整为60mm；若是不加密状态，调整贴片装置的位置在硅钢片上、下平行边间隔贴片，且滑石片圆心间距为60mm；当滑石片的粘贴点位于斜边时，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离斜边7mm。该实施例中，滑石片为纽扣型，直径12mm，厚度4mm，尺寸偏差±0.05mm；在相机引导下实现四周(含斜边)粘接时，能确保滑石片中心距边必须7mm，长度方向间距约为30mm，总的间距等分，浮动范围控制在25-30mm以内；中间部分间距约为60mm，错列菱形布置，可浮动范围控制在55-60mm左右；长度方向与两侧边滑石片冲齐。

进一步的，本发明提供一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片装置(简称贴片装置，参见图1)，适用于上述贴片方法，其特征在于该装置包括震动送料器1、不锈钢胶桶2、副滑车机构3、真空吸附器4、升降双轴气缸5、水平双轴气缸6、主滑车机构7、滑轨8、可移动式工作台9、不锈钢单轨道10、工业相机11、光源12、光源控制器13、存片槽14、控制系统15，滑轨8固定在可移动式工作台9的侧面上，主滑车机构7滑动安装在轨道8上，并可在控制系统15的控制下沿轨道8滑动；副滑车机构3安装在主滑车机构7上，在控制系统15的控制下沿主滑车机构7的两端来回滑动，并且两者的运动轨迹垂直；震动送料器1、不锈钢胶桶2、真空吸附器4、升降双轴气缸5、水平双轴气缸6、工业相机11、光源12、光源控制器13均设置在副滑车机构3上，不锈钢单轨道10的一端与震动送料器1相连，另一端与存片槽14相连，不锈钢单轨道10的出料口正对存片槽14的槽口，将从震动送料器1抖落的滑石片导入到存片槽14中。不锈钢胶桶2上设置有一根与存片槽14底部相连的导胶管，用于对存片槽14内部的片料的底部粘胶。光源12设置在工业相机11摄像头的周边，工业相机11位于真空吸附器4的上方，真空吸附器4位于存片槽14的上方，不锈钢胶桶2、真空吸附器4、升降双轴气缸5、水平双轴气缸6均分别连接有气泵，所以气泵均与控制系统15相连，与不锈钢胶桶2相连的气泵控制不锈钢胶桶2的出胶量，与真空吸附器4相连的气泵控制真空吸附器4的取、放滑石片，与升降双轴气缸5、水平双轴气缸6相连的气泵控制升降双轴气缸5和水平双轴气缸6的运动，从而带动真空吸附器4到取、放滑石片的位置。

所述光源12为红色光源；工业相机11位于存片槽14前方5-10cm，以保证足够的视野范围。本发明在处理图像后既能判断视野下方的硅钢片是否需要贴片，又能在硅钢片的边缘处判断需要移动的距离，使所贴的滑石片中心距离边缘距离为7mm。

工业相机与红色光源安装完毕后，需要对工业相机进行标定，确定滑石片粘贴的中心位置在工业相机视野下的像素坐标。

本发明方法的进一步特征在于本发明采用基于Csocket的TCP/IP协议通信方式，实现了工业相机与控制系统之间的即时通信，保证了数据的高效、准确、实时传输。

本发明方法的进一步特征在于所采用工作台有效长度6000mm，有效宽度1000mm，可以实现大型变压器硅钢片贴片任务。

本发明方法的进一步特征在于所述滑石片粘贴的中心位置在视野下的像素坐标可以通过工业相机标定后准确得到；在主滑车机构7、副滑车机构3不运动的情况下，工业相机采集时间序列上有限的M(3<M<15)帧图像，记录每帧图像平面滑石片中心的图像坐标i＝1,2,…M，并计算M帧中心点值的算术平均值得到滑石片粘贴的中心位置在视野下的像素坐标为(x_nn,y_nn)，计算公式为(1)式

本发明方法的进一步特征在于采用Canny边缘检测算法来确定边缘位置，并且通过Hough直线变换进行直线拟合。相机视野位于硅钢片角点处时，可以检测到两条直线，分别为式(2)：

根据两条直线相交于一点，可以判断出角点位置；(2)式中两直线分别同向平移dmm，可以得出平移d mm后的两条直线，分别为式(3)：

根据(3)即可求出直线的交点m(x₀,y₀)，m点即为角点处粘贴第一个滑石片中心点在图像中的像素坐标(x₀,y₀)。

本发明方法的进一步特征在于根据霍夫变换求得的θ值大小，即可以判断直线是水平线或者斜线或者垂直线。当θ值为180n(n＝0,1)时，表明当前直线为水平线，给控制系统发水平线指令，按照水平线的粘贴要求贴片；当θ值为90时，表明当前直线为垂直线，给控制系统发垂直线指令，按照垂直线的粘贴要求贴片；当0<θ<180时，表明当前直线为斜线，给控制系统发斜线指令，按照斜线的粘贴要求贴片。

本发明方法的进一步特征在于根据硅钢片与背景工作台图像中的像素值不同来确定边缘内外，以及是否需要粘贴滑石片。设定像素阈值M_thr，当前像素值M＜M_thr时，说明在检测到的直线内侧，给控制系统发粘贴指令；当M＞M_thr时，说明在检测到的直线外侧，给控制系统发不粘贴指令，即表明已经粘贴到边缘。

本发明方法的进一步特征在于当整块硅钢片粘贴任务完成时，就会给控制系统发送任务完成指令。控制系统控制主滑车机构7、副滑车机构3回到初始点，等待下一个工作任务。

本发明方法的进一步特征在于可以实时监控当前粘贴滑石片的位置。滑石片粘贴位置图像坐标(x_cur,y_cur)，可以在显示器上实时显示。

实施例1

本实施例按要求安装好基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片装置(简称装置，参见图1)，实验硅钢片版型如图4，斜边与水平边的夹角为45°。

首先要进行工业相机标定，即确定滑石片粘贴的中心位置在工业相机视野下的像素坐标。在贴片开始前，将真空吸附器4调至合适的粘贴位置，即待贴片的位置，提前人工粘贴一片滑石片。在主滑车机构7、副滑车机构3不运动的情况下，相机采集时间序列上有限的8帧图像，每帧图像平面滑石片中心的图像坐标分别为(303,300)，(302,300)，(303,300)，(303,300)，(303,300)，(303,300)，(303,300)，(303,300)。并通过公式(1)，计算8帧中心点值的算术平均值得到(303,300)。那么，此点默认为滑石片中心点在图像平面的位置，即滑石片中心点的初始特征点的参考图像坐标。

其中，是每帧图像平面滑石片中心的图像坐标，i＝1,2,…M(M＝8)，(x_nn,y_nn)是滑石片贴的中心位置在视野下的像素坐标。

启动装置电源，移动主滑车机构7、副滑车机构3至初始点，准备开始贴片。需要粘贴的第一位置为硅钢片的角点(图4)。在相机中，可以检测到两条直线分别为式(2)：

本例中的θ₁＝45°,θ₂＝180°，即一条水平边与一条斜边。根据两条直线相交于一点，可以判断出角点位置；(2)中两直线分别同向平移7mm，可以得出平移7mm后的两条直线，分别为式(3)：

根据(3)即可求出直线的交点m(x₀,y₀)，m点即为角点处粘贴第一个滑石片中心点在图像中的像素坐标(x₀,y₀)。经过坐标变换，控制系统接收到第一粘贴点坐标，控制主滑车机构7、副滑车机构3及真空吸附器4达到该点，开始粘贴滑石片。

在本实施例中，根据霍夫变换求得的θ值大小，判断直线是水平线或者斜线。当θ值为180时，表明当前直线为水平线，给控制系统发水平线指令，按照水平线贴片中心距离边缘7mm的要求，给控制系统发贴片指令；当θ＝45°时，表明当前直线为斜线，给控制系统发斜线指令，按照斜线贴片中心距离边缘7mm的要求，给控制系统发贴片指令。

根据硅钢片与背景工作台图像中的像素值不同来确定边缘内外侧，判断是否需要粘贴滑石片。设定像素阈值M_thr＝180，当前像素值M＜180时，说明在检测到的直线内侧，给控制系统发粘贴指令；当180＜M＜255时，说明在检测到的直线外侧，给控制系统发不粘贴指令，即表明已经粘贴到边缘。

在本实施例中，偶数行与奇数行的粘贴方式稍有不同。偶数行粘贴的首个和最后一个与相邻滑石片的中心间距均为30mm，中间保持间距60mm；奇数行粘贴的滑石片中心间距均保持为60mm，以此实现错列菱形布置。

当整块硅钢片粘贴任务完成时，视觉系统给控制系统发送任务完成指令。控制器控制主滑车机构7、副滑车机构3回到初始点，等待下一个工作任务。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法，用于硅钢片表面的检测、定位以及滑石片的粘贴，其特征在于，该方法的具体步骤是：

（1）硅钢片图像获取：通过工业相机的摄像头获取硅钢片表面区域图像；

（2）硅钢片边缘与角点位置确定：通过工业相机中的图像处理器对获取到的硅钢片图像进行处理，以确定硅钢片边缘与角点位置，具体过程为：

1）为提高硅钢片表面特征提取的可靠性和精确度，需要进行图像去噪和图像增强，具体是采用高斯滤波器平滑图像，来抑制噪声；采用直方图均衡化增强图像对比度，以便于图像分割；

2）采用改进的Canny边缘检测方法识别出硅钢片的边缘，识别出的边缘主要有水平边与斜边，以确定在硅钢片边缘处滑石片的粘贴位置；

3）插值补全边缘检测算法提取出边缘中的缺失点，之后采用高斯低通滤波器进一步消除噪声干扰，并对插值滤波后的边缘点进行Hough直线拟合；计算出两条直线的交点，即得到硅钢片角点位置；

（3）滑石片贴片工艺：工业相机将硅钢片的边缘与角点位置信息发送给控制系统，控制系统根据不同滑石片的粘贴顺序与间隔要求，以及硅钢片的边缘与角点位置信息来确定每一个滑石片的粘贴点位置；同时，控制系统调控贴片装置根据设定的滑石片的粘贴顺序进行贴片作业。

2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法，其特征在于，所述滑石片为纽扣型，直径12mm，厚度4mm，尺寸偏差±0.05mm。

3.根据权利要求1所述的基于视觉检测的特高压变压器铁芯贴片方法，其特征在于，所述步骤（3）中，硅钢片的边缘与角点位置处的滑石片贴片工艺与其中间部位的工艺不同，具体为：当滑石片的粘贴点位于角点时，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离硅钢片两边边缘各为7mm；当滑石片的粘贴点位于水平边时，若是加密状态，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离边缘为7mm，第一个滑石片与第二个滑石片圆心间距为30mm，之后圆心间距调整为60mm；若是不加密状态，调整贴片装置的位置在硅钢片上、下平行边间隔贴片，且滑石片圆心间距为60mm；当滑石片的粘贴点位于斜边时，调整贴片装置的位置，使得滑石片圆心距离斜边7mm。