CN112837368B - 提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及系统，通过建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型以及根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿，解决了现有高炉内窥镜无法充分发挥检测视场性能，导致获取料面成像面积小的技术问题，不仅揭示了内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量关系，而且能基于该定量关系快速并高效地确定内窥镜获取最大料面有效成像面积时的安装位姿，充分发挥了高炉内窥镜的检测视场性能，大大提高了料面成像面积。

Description

提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及系统

技术领域

本发明主要涉及高炉冶炼技术领域，特指一种提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及系统。

背景技术

高炉炼铁是钢铁原材料生产行业的核心工序，也是能耗和排放最大的环节。而高炉炉顶内的料面形状决定了炉料与煤气的接触面积和冶炼能量利用率等关键性能指标，是高炉布料操作的重要参考依据。高炉内窥镜可以实时获取高炉料面的图像信息，不仅可以监控炉内运行状况，还为料面形状重构提供了原始数据，对保证高炉正常稳定运行、精细化高炉布料操作具有重要意义。

高炉炉顶内部空间巨大且高温高尘，内窥镜的视场角受冷却保护装置的窥孔大小制约，同时为了避免粉尘干扰，内窥镜必须从高炉侧方插入高炉近距离取像，导致获取的图像包含料面区域较小，难以提供充足的参考信息。内窥镜的安装位姿是决定料面成像区域大小的关键因素之一，研究高炉内窥镜安装位姿配置方法可以有效提高料面成像面积。

发明内容

本发明提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及装置，解决了现有高炉内窥镜无法充分发挥检测视场性能，导致获取料面成像面积小的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法包括：

建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型；

基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型；

基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型；

根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿。

进一步地，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型包括：

根据目标料面所在的目标平面、内窥镜光心所在平面以及选取高炉中心线上的点作为原点构建世界坐标系；

基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，通过三维空间坐标系变换，建立料面成像模型。

进一步地，料面成像模型的计算公式为：

其中，X_W、Y_W、Z_W分别代表世界坐标系的X_W轴、Y_W轴和Z_W轴，(x_w，y_w，z_w)代表内窥镜的光心位置在世界坐标系中的坐标，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度。

进一步地，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型包括：

获取目标料面区域，目标料面区域具体是指目标料面所在的目标平面的区域；

基于料面成像模型，获取内窥镜在目标平面的成像区域；

根据目标料面区域和成像区域，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型。

进一步地，内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型具体为：

其中，X_W、Y_W、Z_W分别代表世界坐标系的X_W轴、Y_W轴和Z_W轴，(x_w，y_w，z_w)代表内窥镜的光心位置在世界坐标系中的坐标，r代表高炉炉顶的内半径，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度，ω代表内窥镜的半视场角，D₁代表目标料面区域，D₂代表成像区域，D代表料面有效成像区域，S代表料面有效成像区域的面积。

进一步地，根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿包括：

根据定量模型，建立优化目标，优化目标的具体公式为：

其中，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度，S代表料面有效成像区域的面积，D₂代表成像区域，X_W、Y_W分别代表世界坐标系的X_W轴和Y_W轴，α代表图像传感器损失系数，表示图像传感器可被炉壁等无效信息占用的程度，且α≥0；

采用双阶段步长优化方法，对优化目标进行优化，获得最佳位姿调整参数；

基于最佳位姿调整参数，配置高炉内窥镜安装位姿。

进一步地，采用双阶段步长优化方法，对优化目标进行优化，获得最佳位姿调整参数包括：

配置内窥镜半视场角、光心位置、高炉的半径、双阶段的循环次数和初始步长以及决策变量的寻优范围，双阶段包括大步长阶段和小步长阶段；

以初始大步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的大步长阶段初始目标函数值；

根据最大的大步长阶段初始目标函数值，更新决策变量的寻优范围，将步长减半，以减半的步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的大步长阶段目标函数值，直至达到大步长阶段循环次数；

选取最大的大步长阶段目标函数值及与最大的大步长阶段目标函数值对应的决策变量值，更新决策变量的寻优范围，以初始小步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的小步长阶段初始目标函数值；

根据最大的小步长阶段初始目标函数值，更新决策变量的寻优范围，将步长减半，以减半的步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的小步长阶段目标函数值，直至达到小步长阶段循环次数；

根据最大的小步长阶段目标函数值及与最大的小步长阶段目标函数值对应的决策变量值，获得最佳位姿调整参数。

本发明提出的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法及系统，通过建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型以及根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿，解决了现有高炉内窥镜无法充分发挥检测视场性能，导致获取料面成像面积小的技术问题，不仅揭示了内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量关系，而且能基于该定量关系快速并高效地确定内窥镜获取最大料面有效成像面积时的安装位姿，充分发挥了高炉内窥镜的检测视场性能，大大提高了料面成像面积。

附图说明

图1为本发明实施例一的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法的流程图；

图2为本发明实施例二的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法的流程图；

图3为本发明实施例二的内窥镜取像视锥模型示意图；

图4为本发明实施例二的料面成像模型示意图；

图5为本发明实施例二的料面有效成像区域示意图；

图6为本发明实施例二的基于双阶段步长的内窥镜安装位姿优化策略流程图；

图7为本发明实施例三的不同视场角的最大料面成像区域示意图；

图8为本发明实施例的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统的结构框图。

附图标记说明：

10、存储器；20、处理器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

参照图1，本发明实施例一提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，包括：

步骤S101，建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型；

步骤S102，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型；

步骤S103，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型；

步骤S104，根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿。

本发明实施例提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，通过建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型以及根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿，解决了现有高炉内窥镜无法充分发挥检测视场性能，导致获取料面成像面积小的技术问题，不仅揭示了内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量关系，而且能基于该定量关系快速并高效地确定内窥镜获取最大料面有效成像面积时的安装位姿，充分发挥了高炉内窥镜的检测视场性能，大大提高了料面成像面积。

具体地，现有内窥镜获取到的图像包含的料面区域较小，其主要原因在于以下两个方面：①高炉炉顶内部空间巨大且高温高尘，内窥镜的成像视场角被冷却保护装置的窥孔大小限制，难以实现料面的广角成像。②为了避免高炉布料料流击打和粉尘干扰，内窥镜必须从侧方插入高炉内部近距离取像，因此内窥镜的视场角性能受安装位姿的影响极大，安装位姿没有与视场角匹配，视场角性能无法充分发挥，获取到料面面积就小。综合上述，要提高料面的成像面积，必须对内窥镜的安装位姿进行配置，使其与视场角匹配，但是内窥镜的视场角和安装位姿是动态变化的，无法直接建立其与料面成像面积之间的定量关系，难以对内窥镜的安装位姿配置进行指导。为此，本发明基于空间三维坐标系变换建立了内窥镜的视场角和安装位姿与料面成像面积之间的通用模型，并制定了一种基于双阶段步长的内窥镜安装位姿优化策略，为指导内窥镜安装、充分发挥内窥镜视场角性能、提高料面成像面积提供手段。且本发明实施例提出的高炉内窥镜安装位姿配置方法，不仅可应用于高炉提高料面的成像面积，也为其他工业炉窑提高目标检测范围提供了新途径。

实施例二

参照图2，本发明实施例二提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统包括：

步骤S201，建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型。

具体地，内窥镜的取像视锥可以看作一个以光心为顶点、以光轴为高的圆锥。如图3所示，X_CY_CZ_C坐标系为内窥镜的相机坐标系，O_C为内窥镜的光心位置，Z_C轴的负方向为内窥镜的光轴方向，ω为内窥镜的半视场角，则内窥镜的取像视锥模型如式(1)所示：

步骤S202，根据目标料面所在的目标平面、内窥镜光心所在平面以及选取高炉中心线上的点作为原点构建世界坐标系。

料面的成像模型如图4所示，本发明可根据实际需求选取目标所在平面作为X_WO_WY_W平面、选取内窥镜光心所在平面作为Y_WO_WZ_W平面以及选取高炉中心线上的点作为原点构建世界坐标系X_WY_WZ_W。O_C为内窥镜的光心位置，其坐标为(x_w，y_w，z_w),其中x_w＝0。由于内窥镜取像视锥的像面投影为圆形，无需考虑Z_W轴方向的旋转，因此只需用内窥镜绕X_W轴角度a与绕Y_W轴角度b来表征内窥镜的安装位姿。

步骤S203，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，通过三维空间坐标系变换，建立料面成像模型。

内窥镜的相机坐标系与世界坐标系可由三维空间坐标系变换进行转换，其关系如式(2)所示。

其中R_X、R_Y和T分别表示绕X_W轴的旋转矩阵、绕Y_W轴的旋转矩阵和平移矩阵，其值为：

将式(3)代入式(2)得到：

将式(4)代入到式(1)中即可得到料面成像模型：

步骤S204，获取目标料面区域，目标料面区域具体是指目标料面所在的目标平面的区域。

高炉炉顶为圆柱体，因此目标料面区域D₁可视为一个圆形，由式(6)表示。

D₁：X_W ²+Y_W ²≤r² (6)

其中r为高炉炉顶的内半径。

步骤S205，基于料面成像模型，获取内窥镜在目标平面的成像区域。

将Z_W＝0代入式(5)可得到内窥镜在目标平面的成像区域D₂：

步骤S206，根据目标料面区域和成像区域，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型。

根据目标料面区域和成像区域可知，料面有效成像区域如图5所示，其面积可由式(8)计算。

步骤S207，根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿。

根据式(8)可以得到内窥镜的位姿与料面有效成像面积之间的定量关系，当内窥镜的视场角和光心位置一定时，通过对参数a、b进行寻优可以获得最大料面成像面积。随着安装位姿的改变，炉壁等无效信息可能被成像，造成图像传感器浪费，因此可将内窥镜安装位姿优化问题总结如式(9)。

式中，α为图像传感器损失系数，表示图像传感器可被炉壁等无效信息占用的程度，其取值范围为：α≥0。

由于式(9)的目标函数难以对决策变量求偏导，基于梯度下降的智能寻优算法如最速下降法、牛顿法和拟牛顿法等不适用于此优化问题的求解，只能用穷举法进行求解。本发明实施例通过对目标函数进行分析发现：料面成像面积是连续渐变的，随安装位姿改变而非线性改变，在某一安装位姿范围内，不会突然大量增加或减少，且安装位姿变化越小，成像面积变化越小。因此为了提高优化问题的求解效率，本发明提出了基于双阶段步长的内窥镜安装位姿优化策略，图6显示了这种优化策略的流程图，具体包括：

(1)配置内窥镜半视场角、光心位置、高炉的半径、双阶段的循环次数和初始步长以及a、b的寻优范围。

(2)以初始大步长计算a、b寻优范围内的所有目标函数值并将符合约束条件的目标值及相应a、b值分别记录在对应列表中。

(3)选取列表中的最大目标值，更新a、b的寻优范围，将步长减半，重复(2)直至达到大步长阶段循环次数。

(4)选取列表中的最大目标值及相应a、b值，更新a、b的寻优范围，以初始小步长计算a、b范围内的所有目标函数值并与相应a、b值分别记录在对应列表中。

(5)选取列表中的最大目标值，更新a、b的寻优范围，将步长减半，计算a、b范围内的所有目标函数值和相应a、b值并分别记录在对应列表中。

(6)重复(5)直至达到小步长阶段的循环次数，输出列表中的最大目标值及相应a、b值，即为内窥镜安装位姿的配置及其料面有效成像面积。

本发明实施例提供的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，通过建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型，基于内窥镜取像视锥模型以及料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型以及根据定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿，解决了现有高炉内窥镜无法充分发挥检测视场性能，导致获取料面成像面积小的技术问题，不仅揭示了内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量关系，而且能基于该定量关系快速并高效地确定内窥镜获取最大料面有效成像面积时的安装位姿，充分发挥了高炉内窥镜的检测视场性能，大大提高了料面成像面积。

具体地，一方面，本发明实施例基于空间三维坐标系变换建立了内窥镜的视场角和安装位姿与料面成像面积之间的通用模型，为指导内窥镜安装、充分发挥内窥镜视场角性能、提高料面成像面积提供手段；另一方面，本发明实施例制定了一种基于双阶段步长的内窥镜安装位姿优化策略，能快速并准确求解最优的内窥镜安装位姿。

本发明实施例的关键点如下：

(1)基于相机坐标系建立了内窥镜的取像视锥模型，并通过三维空间坐标系变换构建了料面成像模型，进一步计算了料面有效成像面积，揭示了内窥镜的视场角、安装位姿和光心位置等参数与料面有效成像面积之间的定量关系。为料面成像区域定位、内窥镜安装位姿配置提供条件。

(2)提出了基于双阶段步长的内窥镜安装位姿优化策略，快速、高效的确定内窥镜获取最大料面有效成像面积时的安装位姿。为获取大面积的高炉料面信息奠定基础。

实施例三

本发明实施例三取高炉半径r＝4m，内窥镜光心位置(x_w，y_w，z_w)＝(0，3.5，1)，图像传感器损失系数α＝0.01，大步长阶段的初始步长与循环次数分别为0.8和4，小步长阶段的初始步长与循环次数分别为0.01和4，a、b的初始寻优范围分别为(-1.6，1.6)和(0，1.6)，利用本发明提出的方法计算得到半视场角ω分别为20°、30°和40°的最大料面有效成像区域如图7所示，相应的内窥镜安装位姿配置与料面成像面积如下：

表1

参照图8，本发明实施例提出的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统，包括：

存储器10、处理器20以及存储在存储器10上并可在处理器20上运行的计算机程序，其中，处理器20执行计算机程序时实现本实施例提出的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法的步骤。

本实施例的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统的具体工作过程和工作原理可参照本实施例中的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法的工作过程和工作原理。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，其特征在于，所述方法包括：

建立基于相机坐标系的内窥镜取像视锥模型；

基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型；

基于所述内窥镜取像视锥模型以及所述料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型，其中基于所述内窥镜取像视锥模型以及所述料面成像模型，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型包括：

获取目标料面区域，所述目标料面区域具体是指目标料面所在的目标平面的区域；

基于料面成像模型，获取内窥镜在所述目标平面的成像区域；

根据所述目标料面区域和所述成像区域，建立内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型，其中所述内窥镜位姿与料面有效成像面积的定量模型具体为：

其中，X_W、Y_W、Z_W分别代表世界坐标系的X_W轴、Y_W轴和Z_W轴，(x_w，y_w，z_w)代表内窥镜的光心位置在世界坐标系中的坐标，r代表高炉炉顶的内半径，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度，ω代表内窥镜的半视场角，D₁代表目标料面区域，D₂代表成像区域，D代表料面有效成像区域，S代表料面有效成像区域的面积；

根据所述定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿，其中根据所述定量模型，配置高炉内窥镜安装位姿包括：

根据所述定量模型，建立优化目标，所述优化目标的具体公式为：

其中，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度，S代表料面有效成像区域的面积，D₂代表成像区域，X_W、Y_W分别代表世界坐标系的X_W轴和Y_W轴，α代表图像传感器损失系数，且α≥0；

采用双阶段步长优化方法，对所述优化目标进行优化，获得最佳位姿调整参数；

基于所述最佳位姿调整参数，配置高炉内窥镜安装位姿。

2.根据权利要求1所述的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，其特征在于，基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，建立料面成像模型包括：

根据目标料面所在的目标平面、内窥镜光心所在平面以及选取高炉中心线上的点作为原点构建世界坐标系；

基于内窥镜的相机坐标系以及世界坐标系，通过三维空间坐标系变换，建立料面成像模型。

3.根据权利要求2所述的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，其特征在于，所述料面成像模型的计算公式为：

其中，X_W、Y_W、Z_W分别代表世界坐标系的X_W轴、Y_W轴和Z_W轴，(x_w，y_w，z_w)代表内窥镜的光心位置在世界坐标系中的坐标，a代表内窥镜绕X_W轴的旋转角度，b代表内窥镜绕Y_W轴的旋转角度。

4.根据权利要求1或3所述的提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置方法，其特征在于，采用双阶段步长优化方法，对所述优化目标进行优化，获得最佳位姿调整参数包括：

配置内窥镜半视场角、光心位置、高炉的半径、双阶段的循环次数和初始步长以及决策变量的寻优范围，所述双阶段包括大步长阶段和小步长阶段；

以初始大步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的大步长阶段初始目标函数值；

根据最大的大步长阶段初始目标函数值，更新决策变量的寻优范围，将步长减半，以减半的步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的大步长阶段目标函数值，直至达到大步长阶段循环次数；

选取最大的大步长阶段目标函数值及与所述最大的大步长阶段目标函数值对应的决策变量值，更新决策变量的寻优范围，以初始小步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的小步长阶段初始目标函数值；

根据最大的小步长阶段初始目标函数值，更新决策变量的寻优范围，将步长减半，以减半的步长计算决策变量在寻优范围内符合约束条件的小步长阶段目标函数值，直至达到小步长阶段循环次数；

根据最大的小步长阶段目标函数值及与所述最大的小步长阶段目标函数值对应的决策变量值，获得最佳位姿调整参数。

5.一种提高料面成像面积的高炉内窥镜安装位姿配置系统，其特征在于，所述系统包括：

存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4任一所述方法的步骤。

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