CN107367311A - 一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量及控制方法，数字摄像机（6）通过窥视孔（5）采集熔窑内的图像，然后通过usb接口将图像传给arm工控板（8），在arm工控板（8）中对图像进行处理和求取液面高度，并将液面高度和图像显示到触摸屏（11）上，然后根据指定的液面高度和实时液面高度计算偏差e和偏差变化ec，并运用模糊PID算法求出合适的投料速度，最后由arm工控板（8）通过D/A转换器（9）发送速度控制信号给数字投料机（10），改变投料速度，实现玻璃液面高度的控制。本发明可以精确的测量和控制玻璃熔窑内的液面高度，为玻璃成型提供高质量的玻璃液。
Description
技术领域
本发明涉及璃熔窑液面高度测量及控制技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量及控制方法，通过机器视觉技术测量玻璃熔窑中玻璃液面的高度，结合模糊PID算法实现玻璃熔窑中玻璃液面高度的自动控制，可以方便、精确、稳定的测量、控制玻璃熔窑内的液面高度
背景技术
玻璃熔窑中玻璃液面的波动不仅能加快池壁砖的蚀损，还会严重影响成型作业。波动剧烈时会产生溢料现象，蚀损胸墙砖和小炉底板砖，减短玻璃熔窑的使用寿命。因此，在玻璃生产中稳定的控制玻璃液面的高度是玻璃稳定生产的关键因素。控制玻璃液面的高度需要先测量玻璃液面的高度，然后根据测量高度以及期望高度采用某种装置和一定的算法来实现玻璃液面高度的自动控制。
传统的玻璃液面高度的控制有以下方式：人工投料方式，连续投料方式。但是玻璃熔窑是非线性，大时滞，多变量系统，人工投料，连续投料都不能精确、稳定的控制玻璃液面高度，玻璃液面波动很大，最终还是会影响玻璃生产的质量。
授权公告号为CN202101731U的中国专利设计了一种玻璃液位摄像测量装置。利用摄像机采集玻璃熔窑内标志孔及其镜像的图像，然后用图像处理技术求得玻璃液位的高度，该装置采用摄像机，图像采集卡，工控机作为图像采集与处理平台。但是该专利只是说明了利用镜像法测量玻璃液面高度的原理，但是并没有给出具体的测量算法，同时该专利没有说明如何实现玻璃液面高度的自动控制。
发明内容
为了精确的测量玻璃熔窑液面高度，本发明提供一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量方法。
为了实现上述目的，其技术解决方案为：
一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量方法，包括以下步骤：
步骤1：调节摄像头的焦距，使拍摄到的熔窑内标志物及其镜像的图像边缘清晰；
步骤2：对数字摄像机进行标定，求出数字摄像机的内外参数，其中包括放大系数k；
步骤3：使用图像采集模块进行数字摄像机图像采集；
步骤4：对数字摄像机采集的标志物及其镜像的图像进行预处理，得到封闭且连续的标志物及其镜像的边缘轮廓的二维曲线；
步骤5：根据标志物的边缘轮廓求出其质心M1的坐标，根据镜像的边缘轮廓求出其质心M2的坐标；
步骤6：求得玻璃液面的实际高度h＝H-s1×k/2，其中，h为实际的液面高度，H为标志物到池底的距离，s1为轮廓图中标志物质心和其镜像质心之间的距离，k为根据摄像机标定所求出的放大系数。
进一步，所述步骤4中的图像预处理包括：对数字摄像机采集的标志物及其镜像的图像进行灰度化、中值滤波、固定阈值二值化、Canny算子边缘检测、图像膨胀及腐蚀、提取图像轮廓处理。
在上述技术方案基础上，本发明进一步的目的是提供一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度控制方法。
为了实现上述目的，其技术解决方案为：
一种玻璃熔窑液面高度的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：测量液面实际高度以及液面期望高度，得出偏差e和偏差变化ec；
步骤2：将偏差e、偏差变化ec进行模糊化处理；
步骤3：根据按实际生产经验编制好的模糊规则表以及偏差e、偏差变化ec的模糊处理结果得出模糊输出结果ΔU。
步骤4：对ΔU进行去模糊化处理得出ΔKp，ΔKi，ΔKd；
步骤5：PID控制器根据ΔKp，ΔKi，ΔKd求出投料速度，然后发送控制信号给投料机，改变投料机的速度，实现液面高度的控制。
本发明在其现有技术基础之上对其进行了改进：1、在硬件上，采用嵌入式系统arm-linux作为玻璃熔窑的控制中心，采用数字摄像头采集玻璃熔窑中的图像，不需要图像采集卡，同时增设D/A转换器用来控制投料机的投料速度。2、发明了一种根据玻璃熔窑中标志物及其镜像的图像求取玻璃液面高度的新方法。3、发明了一种利用模糊PID控制算法实现玻璃熔窑中液面高度自动控制的方法。
由于本发明采用了机器视觉法测量玻璃熔窑内的液面高度，相对于其他的测量方法具有更高的精度，特别是结合本发明提出的玻璃液面高度测量算法可以精确的测量玻璃液面的实际高度，经过实验测试可以保证测量误差在±0.2mm之间，这就为精确的控制玻璃液面高度提供了保障。同时本发明针对玻璃熔窑中大时滞，非线性的，多变量的特点提出的模糊PID控制方法可以精确的控制玻璃熔窑中液面的高度，经过实验测试可以保证控制误差在±0.3mm之间。本发明可以精确的测量和控制玻璃熔窑内的液面高度，为玻璃成型提供高质量的玻璃液。
附图说明
图1是本发明一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量及控制方法的系统结构图。
图2是图1中通过窥视孔观察到的B向可视图像。
图3是本发明中涉及的圆形标志砖尺寸位置图。
图4是本发明中涉及的圆形标志砖及其镜像图像经处理后的轮廓质心图。
图5是本发明中涉及的玻璃液面高度控制系统框图。
图6是本发明中涉及的图像处理与玻璃液面高度求取流程图。
图7是本发明中涉及的玻璃液面高度控制流程图。
附图标记说明：1-胸墙，2-黑色圆形标志砖的镜像，3-黑色圆形标志砖，4-玻璃液面，5-窥视孔，6-数字摄像机，7-摄像机冷却水套，8-arm工控板，9-D/A转换器，10-数字式投料机，11-触摸屏。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的实施例，玻璃熔窑液面高度测量及控制系统包括：黑色圆形标志砖3，数字摄像机6，arm工控板8，D/A转换器9，数字式投料机10，触摸屏11。黑色圆形标志物装在胸墙1的池壁上，在相对的另一侧池壁上开一个窥视孔5，数字摄像机6装在摄像机冷却水套7中，冷却水套固定在窥视孔5外0.5m处左右，数字摄像机6通过usb接口连接到arm工控板8，arm工控板8通过D/A转换器9和数字式投料机10相连，通过I2C总线和触摸屏11相连。
在本实施例中采用黑色圆形标志砖作为标志物，当然也可采用其他物体作为标志物，这里不对其类型、尺寸、颜色等进行限制，只要摄像机能捕捉到该标志物及其镜像即可。
液面高度测量及控制过程：数字摄像机6通过窥视孔5采集熔窑内的图像，然后通过usb接口将图像传给arm工控板8，在arm工控板8中对图像进行处理和求取液面高度，并将液面高度和图像显示到触摸屏11上，然后根据指定的液面高度和实时液面高度计算偏差e和偏差变化ec，并运用模糊PID算法求出合适的投料速度，最后由arm工控板8通过D/A转换器9发送速度控制信号给数字投料机10，改变投料速度，实现玻璃液面高度的控制。其中，嵌入式平台采用arm-linux系统，图像采集模块使用linux的v4l2，图像处理可以采用开源视觉库opencv。
具体地，如图6所示，玻璃熔窑液面高度测量方法，包括以下步骤：
步骤1：调节摄像头的焦距，使拍摄到的熔窑内黑色标志砖和镜像的图像边缘清晰；
步骤2：使用opencv提供的张正友标定法的对数字摄像机进行标定，求出数字摄像机的内外参数，其中包括放大系数k；
步骤3：使用linux的v4l2模块进行数字摄像机图像采集；
步骤4：对数字摄像机采集的黑色圆形标志砖及其镜像的图像进行灰度化、中值滤波、固定阈值二值化、Canny算子边缘检测、图像膨胀及腐蚀、提取图像轮廓等图像预处理，得到封闭且连续的黑色圆形标志砖及其镜像的边缘轮廓的二维曲线，参见图4；
步骤5：根据黑色圆形标志砖的边缘轮廓求出其质心M1的坐标，根据镜像的边缘轮廓求出其质心M2的坐标；
步骤6：计算质心M1和质心M2之间的距离s1，用s1乘以k就可以得到实际中黑色圆形标志砖质心和镜像质心的实际距离s；
步骤7：如图3所示，结合黑色圆形标志砖的尺寸和安装位置，可以求得玻璃液面的实际高度，具体公式如下：h＝H-s1×k/2。其中h为实际的液面高度，H为黑色圆形标志砖圆心到池底的距离，s1为轮廓图中黑色圆形标志砖质心和镜像质心之间的距离，k为根据摄像机标定所求出的放大系数。
如图5、图7所示，液面高度控制包括以下步骤：
步骤1：根据液面高度求取算法求出液面实际高度以及液面期望高度得出偏差e和偏差变化ec；
步骤2：将偏差e、偏差变化ec进行模糊化处理；
步骤3：根据按实际生产经验编制好的模糊规则表以及偏差e、偏差变化ec的模糊处理结果得出模糊输出结果ΔU；
步骤4：对ΔU进行去模糊化处理得出ΔKp，ΔKi，ΔKd；ΔKp是PID控制的比例环节，ΔKi是PID控制的积分环节，ΔKd是PID控制的微分环节；
步骤5：PID控制器根据ΔKp、ΔKi、ΔKd求出投料速度，然后arm工控板通过D/A转换器发送一个4-20ma的控制信号给数字式投料机，改变投料机的速度，实现液面高度的控制。
Claims (3)
1.一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调节摄像头的焦距，使拍摄到的熔窑内标志物及其镜像的图像边缘清晰；
步骤2：对数字摄像机进行标定，求出数字摄像机的内外参数，其中包括放大系数k；
步骤3：使用图像采集模块进行数字摄像机图像采集；
步骤4：对数字摄像机采集的标志物及其镜像的图像进行预处理，得到封闭且连续的标志物及其镜像的边缘轮廓的二维曲线；
步骤5：根据标志物的边缘轮廓求出其质心M1的坐标，根据镜像的边缘轮廓求出其质心M2的坐标；
步骤6：求得玻璃液面的实际高度h＝H-s1×k/2，其中，h为实际的液面高度，H为标志物到池底的距离，s1为轮廓图中标志物质心和其镜像质心之间的距离，k为根据摄像机标定所求出的放大系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的玻璃熔窑液面高度测量方法，其特征在于，所述步骤4中的图像预处理包括：对数字摄像机采集的标志物及其镜像的图像进行灰度化、中值滤波、固定阈值二值化、Canny算子边缘检测、图像膨胀及腐蚀、提取图像轮廓处理。
3.一种包含权利要求1或2的液面高度测量方法的玻璃熔窑液面高度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量液面实际高度以及液面期望高度，得出偏差e和偏差变化ec；
步骤2：将偏差e、偏差变化ec进行模糊化处理；
步骤3：根据按实际生产经验编制好的模糊规则表以及偏差e、偏差变化ec的模糊处理结果得出PID参数的模糊变化量ΔU；
步骤4：对ΔU进行去模糊化处理得出PID参数的变化量ΔKp，ΔKi，ΔKd；
步骤5：PID控制器根据ΔKp，ΔKi，ΔKd求出投料速度，然后发送控制信号给投料机，改变投料机的速度，实现液面高度的控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171121 |
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