CN108489383A - 一种h型断面尺寸的测量装置及方法 - Google Patents

一种h型断面尺寸的测量装置及方法 Download PDF

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徐科
周鹏
周玮
田学伯
陈延亮
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Abstract

本发明涉及一种H型钢断面尺寸的测量方法以及实现该方法的装置与算法，使用6台面阵CCD相机和6台激光线光源，其中1台相机和1台光源分布于H型钢上翼缘的上方，1台相机和1台光源分布于H型钢下翼缘的下方，2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的左侧，另外2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的右侧。将6台激光线光源投射到H型断面，6台相机采集到的激光光条图像可以完整地组成H型钢的断面轮廓。采用张正友标定方法对6台相机进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵M。提取激光光条的中心线，得到H型钢断面轮廓的图像坐标，并通过矩阵M转化为世界坐标。利用轮廓上的特征点坐标计算H型钢的断面高度H、上翼缘宽度B1和厚度t1、下翼缘宽度B2和厚度t2、腹板高度b和厚度d等尺寸。

Description

一种H型断面尺寸的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及H型钢断面尺寸的测量方法以及实现该方法的装置和算法，属于自动化检测领域。使用6台面阵CCD相机和6台激光线光源，获取完整的H型钢断面轮廓，并将断面轮廓的图像坐标转化为世界坐标。利用轮廓上的特征点坐标计算H型钢的断面高度、上翼缘宽度和厚度、下翼缘宽度和厚度、腹板高度和厚度等尺寸。
背景技术
H型钢在生产加工过程中不可避免的会产生误差或变形，而且在运输过程中，由于运输设备的原因及型钢纵向比较长，也很容易发生变形。因此对型钢进行精密切割或其它加工时，需要对其尺寸进行精密测量，其中重要的尺寸包括中间腹板的尺寸、两边翼缘的尺寸等。目前对H型钢尺寸测量普遍采用人工测量方式，不仅精度低，而且测量速度很慢，严重影响生产效率。因此，需要对H型钢的特征点位置及截面尺寸测量进行研究，以便实现精确、快速的知道型钢所在的具体位置和型钢是否发生变形。
近几年，机器视觉三维测量技术快速发展，应用领域广泛，包括智能机器人、车辆行驶导航、自动跟踪、生产测量、医学治疗等。机器视觉测量技术的优点是自动化、高效率、高精度、非接触测量、稳定性高，而且能代替工人在恶劣、复杂的环境下工作，在生产实际中有巨大的优越性，因此视觉测量技术受到高度的重视，空间物体的尺寸测量，已经越来越多地应用了视觉测量技术。
本发明采用线结构光三维测量方法实现H型断面基本尺寸的测量，由激光线光源和面阵CCD相机共同作为结构光图像传感器。将光源发射的激光线条投射到H型钢的断面上，相机拍摄激光光条图像，并提取光条的中心线，通过6台光源和6台相机的组合可以得到完整的H型钢断面轮廓。采用张正友标定方法对6台相机进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵M。提取激光光条的中心线，得到H型钢断面轮廓的图像坐标，并通过矩阵M转化为世界坐标。利用轮廓上的特征点坐标计算H型钢的断面高度H、上翼缘宽度B1和厚度t1、下翼缘宽度B2和厚度t2、腹板高度b和厚度d等尺寸。
发明内容
一种H型断面尺寸的测量装置，使用6台相机和6台光源，采集H型钢断面轮廓图像，并将轮廓图像坐标转换为世界坐标，根据断面轮廓上的特征点计算断面尺寸；所述相机为面阵CCD相机，所述光源为激光线光源，所述6台相机和6台光源中的1台相机和1台光源分布于H型钢上翼缘的上方，1台相机和1台光源分布于H型钢下翼缘的下方，2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的左侧，另外2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的右侧。
实现一种H型断面尺寸测量装置的方法，将6台光源发射的激光线条投射到H型钢断面，6台相机采集到的激光光条图像可以完整地组成H型钢的断面轮廓，采用张正友标定方法对6台相机进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵M，提取激光光条的中心线，得到H型钢断面轮廓的图像坐标，并通过矩阵M转化为世界坐标，利用轮廓上的特征点坐标计算H型钢断面尺寸，计算公式如下：
(1)H型钢上翼缘宽度的计算公式：
式中：(XLeftTop,YLeftTop)——上翼缘左侧最高点LeftTop的坐标；
(XRightTop,YRightTop)——上翼缘右侧最高点RightTop的坐标。
(2)H型钢上翼缘厚度的计算公式：
式中：(Xtop(i),Ytop(i))——上翼缘上边缘各点top(i)的坐标；
(Xup(i),Yup(i))——上翼缘下边缘各点up(i)的坐标。
Median表示取中位数。
(3)H型钢下翼缘宽度的计算公式：
式中：(XLeftBottom,YLeftBottom)——下翼缘左侧最低点LeftBottom的坐标；
(XRightBottom,YRightBottom)——下翼缘右侧最低点RightBottom的坐标。
(4)H型钢下翼缘厚度的计算公式：
式中：(Xdown(i),Ydown(i))——下翼缘上边缘各点down(i)的坐标；
(Xbottom(i),Ybottom(i))——下翼缘下边缘各点bottom(i)的坐标。
Median表示取中位数。
(5)H型钢腹板高度的计算公式：
式中：(Xup(i),Yup(i))——上翼缘下边缘各点up(i)的坐标；
(Xdown(i),Ydown(i))——下翼缘上边缘各点down(i)的坐标。
Median表示取中位数。
(6)H型钢腹板厚度的计算公式
式中：(Xleft(i),Yleft(i))——腹板左边缘各点left(i)的坐标；
(Xright(i),Yright(i))——腹板右边缘各点right(i)的坐标。
Median表示取中位数。
(7)H型钢端面高度的计算公式：
H＝t1+b+t2
式中：t1——上翼缘厚度；
t2——下翼缘厚度；
b——腹板高度。
本发明的有益效果是：可以得到H型钢完整的断面轮廓图像，使用的相机和光源数量少，测量结果的稳定性好。
附图说明
图1为H型钢断面尺寸测量装置的示意图。图1中：1、2、3、4、5、6分别为第一光源、第二光源、第三光源、第四光源、第五光源、第六光源；7、8、9、10、11、12分别为第七相机、第八相机、第九相机、第十相机、第十一相机、第十二相机；13为H型钢上翼缘的上边缘，14为H型钢上翼缘的左边缘，15为H型钢上翼缘的左下边缘，16为H型钢腹板的左边缘，17为H型钢下翼缘的左上边缘，18为H型钢下翼缘的左边缘，19为H型钢下翼缘的下边缘，20为H型钢下翼缘的右边缘，21为H型钢下翼缘的右上边缘，22为H型钢腹板的右边缘，23为H型钢上翼缘的右下边缘，24为H型钢上翼缘的右边缘，13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24组成了H型断面的完整轮廓。
图2为相机标定时使用的棋盘格靶标图像。图中的绿色圆圈表示待检测的棋盘格角点位置，黄色的方框表示棋盘格的原点位置，红色的十字表示棋盘格角点的准确位置，该位置是由消除镜头畸变的算法处理后得到的。
图3为H型钢基本尺寸测量方法示意图。图3(a)为H型钢上翼缘宽度测量方法示意图，图3(b)为H型钢上翼缘厚度测量方法示意图，图3(c)为H型钢下翼缘宽度测量方法示意图，图3(d)为H型钢下翼缘厚度测量方法示意图，图3(e)为H型钢腹板高度测量方法示意图，图3(f)为H型钢腹板厚度测量方法示意图。
具体实施方式
所述H型钢断面尺寸测量装置如图1所述，由6台光源和6台相机组成。第一光源1和第七相机7放置在H型上翼缘的上方，第一光源1发射的激光线条投射到H型钢上翼缘的上边缘13，第七相机7采集到边缘13的光条图像。第二光源2和第八相机8放置在H型腹板左侧的上方，第二光源2发射的激光线条投射到H型钢上翼缘的左边缘14、上翼缘的左下边缘15、腹板的左边缘16，第八相机8采集到边缘12、边缘13和边缘14上半部分的光条图像。第三光源3和第九相机9放置在H型腹板左侧的下方，第三光源3发射的激光线条投射到H型钢腹板的左边缘16、下翼缘的左上边缘17、下翼缘的左边缘18，第九相机9采集到边缘14下半部分、边缘15和边缘16的光条图像。第四光源4和第十相机10放置在H型下翼缘的下方，第四光源4发射的激光线条投射到H型钢下翼缘的下边缘19，第十相机10采集到边缘19的光条图像。第五光源5和第十一相机11放置在H型腹板右侧的下方，第五光源5发射的激光线条投射到H型钢下翼缘的右边缘20、下翼缘的右上边缘21、腹板的右边缘22，第十一相机11采集到边缘18、边缘19、边缘20下半部分的光条图像。第六光源6和第十二相机12放置在H型腹板右侧的上方，第六光源6发射的激光线条投射到H型钢腹板的右边缘22、上翼缘的右下边缘23、上翼缘的右边缘24，第十二相机12采集到边缘20的上半部分、边缘21和边缘22的光条图像。通过6台相机和6台光源，可以采集到H型钢所有边缘上的光条图像，从而组成完整的H型钢断面轮廓。
根据CCD相机的针孔模型，即可实现世界坐标系与图像坐标系的转换。将世界坐标系中的一点(xw,yw,zw)转换到图像坐标系中的点(u,υ)时，转换关系如下：
式中：fx——图像坐标系中u轴上的尺度因子；
fy——图像坐标系中v轴上的尺度因子；
R——旋转矩阵；
t——平移向量
(u0,υ0)——图像坐标系中原点的坐标。
式(8)中的M为一个3×3矩阵，称为投影矩阵。矩阵M1由参数fx,fy,u0,υ0决定，它们只和相机的内部参数有关，称为摄像机的内部参数；M2由摄像机相对于世界坐标系的位置决定，称为摄像机外参数。公式(8)表示了图像坐标系与世界坐标系转换的线性模型。采用张正友标定方法对6台相机分别进行标定，可以得到每台相机图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵M。
图2是H型钢断面的7个基本尺寸，分别是断面高度H、上翼缘宽度B1和厚度t1、下翼缘宽度B2和厚度t2、腹板高度b和厚度d。
图3是H型钢断面基本尺寸测量方法示意图，图3中的曲线即为相机采集到的H型钢断面上激光光条的中心线，通过这些曲线可以组成H型钢的完整断面轮廓。通过式(8)计算断面轮廓的世界坐标，提取轮廓特征点并计算H型钢断面尺寸如下：
(1)图3(a)中，LeftTop是H型钢上翼缘的上边缘13和上翼缘的右边缘14的交点，提取边缘13和边缘14上的激光光条中心线，并计算它们的交点得到LeftTop的坐标；RightTop是边缘H型钢上翼缘的上边缘13和上翼缘的右边缘24的交点，提取边缘13和边缘24上的激光光条中心线，并计算它们的交点得到RightTop的世界坐标值。将LeftTop和RightTop的世界坐标值代入式(1)得到H型钢上翼缘的宽度B1。
(2)图3(b)中，top(i)是H型钢上翼缘的上边缘13上的i个点，up(i)是H型钢上翼缘的下边缘15和23上的i个点，提取边缘13、边缘15和边缘23上的激光光条中心线，i选40，计算top(i)和up(i)的世界坐标值。将top(i)和up(i)的世界坐标值代入式(2)得到H型钢上翼缘的厚度t1。
(3)图3(c)中，LeftBottom是H型钢下翼缘的下边缘19和下翼缘的右边缘18的交点，取边缘19和边缘18上的激光光条中心线，并计算它们的交点得到LeftBottom的世界坐标；RightBottom是H型钢下翼缘的下边缘19和下翼缘的右边缘20的交点，提取边缘19和边缘20上的激光光条中心线，并计算它们的交点得到RightBottom的世界坐标。将LeftBottom和RightBottom的世界坐标代入式(3)得到H型钢上翼缘的宽度B2。
(4)图3(d)中，down(i)是H型钢下翼缘的上边缘17和21上的i个点，bottom(i)是H型钢下翼缘的下边缘19上的i个点，提取边缘17、边缘21和边缘19上的激光光条中心线，i选40，计算down(i)和bottom(i)的世界坐标值。将down(i)和bottom(i)的世界坐标值代入式(4)得到H型钢下翼缘的厚度t2。
(5)图3(e)中，up(i)是H型钢上翼缘的下边缘15和23上的i个点，down(i)是H型钢下翼缘的上边缘17和21上的i个点，提取边缘15、边缘23、边缘17和边缘21上的激光光条中心线，i选40，计算up(i)和down(i)的世界坐标值。将up(i)和down(i)的世界坐标值代入式(5)得到H型钢腹板的高度b。
(6)图3(f)中，left(i)是H型钢腹板左边缘16上的i个点，right(i)是H型钢腹板右边缘22上的i个点，提取边缘16和边缘22上的激光光条中心线，i选40，计算left(i)和right(i)的世界坐标值。将left(i)和right(i)的世界坐标值代入式(6)得到H型钢腹板的厚度d。

Claims (2)

1.一种H型断面尺寸的测量装置，其特征在于：使用6台相机和6台光源，采集H型钢断面轮廓图像，并将轮廓图像坐标转换为世界坐标，根据断面轮廓上的特征点计算断面尺寸；所述相机为面阵CCD相机，所述光源为激光线光源，所述6台相机和6台光源中的1台相机和1台光源分布于H型钢上翼缘的上方，1台相机和1台光源分布于H型钢下翼缘的下方，2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的左侧，另外2台相机和2台光源分布在H型钢腹板的右侧。
2.实现权利要求1所述的一种H型断面尺寸测量装置的方法，其特征在于：将6台光源发射的激光线条投射到H型钢断面，6台相机采集到的激光光条图像可以完整地组成H型钢的断面轮廓，采用张正友标定方法对6台相机进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵M，提取激光光条的中心线，得到H型钢断面轮廓的图像坐标，并通过矩阵M转化为世界坐标，利用轮廓上的特征点坐标计算H型钢断面尺寸，计算公式如下：
(1)H型钢上翼缘宽度的计算公式：
式中：(XLeftTop,YLeftTop)——上翼缘左侧最高点LeftTop的坐标；
(XRightTop,YRightTop)——上翼缘右侧最高点RightTop的坐标；
(2)H型钢上翼缘厚度的计算公式：
式中：(Xtop(i),Ytop(i))——上翼缘上边缘各点top(i)的坐标；
(Xup(i),Yup(i))——上翼缘下边缘各点up(i)的坐标；
Median表示取中位数；
(3)H型钢下翼缘宽度的计算公式：
式中：(XLeftBottom,YLeftBottom)——下翼缘左侧最低点LeftBottom的坐标；
(XRightBottom,YRightBottom)——下翼缘右侧最低点RightBottom的坐标；
(4)H型钢下翼缘厚度的计算公式：
式中：(Xdown(i),Ydown(i))——下翼缘上边缘各点down(i)的坐标；
(Xbottom(i),Ybottom(i))——下翼缘下边缘各点bottom(i)的坐标；
Median表示取中位数；
(5)H型钢腹板高度的计算公式：
式中：(Xup(i),Yup(i))——上翼缘下边缘各点up(i)的坐标；
(Xdown(i),Ydown(i))——下翼缘上边缘各点down(i)的坐标；
Median表示取中位数；
(6)H型钢腹板厚度的计算公式
式中：(Xleft(i),Yleft(i))——腹板左边缘各点left(i)的坐标；
(Xright(i),Yright(i))——腹板右边缘各点right(i)的坐标；
Median表示取中位数；
(7)H型钢端面高度的计算公式：
H＝t1+b+t2
式中：t1——上翼缘厚度；
t2——下翼缘厚度；
b——腹板高度。
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