CN115752300A - 一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法及系统 - Google Patents

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李丽丽
谢巍
曹永军
梁佳楠
杨郅树
莫舒
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Shunde Polytechnic
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Shunde Polytechnic
Institute of Intelligent Manufacturing of Guangdong Academy of Sciences
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Abstract

本发明公开了一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法及系统，其方法包括：工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动激光器产生线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度。本发明采用激光扫描三角测量方法进行3D图像数据采集及空间模型构建，应用最小二乘法及新的视觉算法，把工件表面拟合为一个空间平面，凸凹处点到平面的距离就可以计算工件表面平整度。

Description

一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法及系统
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法及系统。
背景技术
平面类工件平整度测量过往通常采用塞尺测量、高度规测量、视觉简易测量等，这种测量方式存在精度不高或检测效率低等问题，现代工业生产如3C外壳、汽车部件、家具制品等需要大批量快速高精度非接触式测量，目前非接触式测量精度不高，使得产品不能快速应用于工业自动化过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法及系统，采用激光扫描三角测量方法进行3D图像数据采集及空间模型构建，应用最小二乘法及新的视觉算法，把工件表面拟合为一个空间平面，凸凹处点到平面的距离就可以计算工件表面平整度。
为了解决上述问题，本发明提出了一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，所述方法包括以下步骤：
工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；
基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；
在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动激光器产生线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；
基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；
在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；
将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度。
所述工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送包括：
在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；
在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
所述将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度包括：
基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；
基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；
将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
所述基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据包括：
对3D图像数据中的点云数据进行去除干扰数据点处理；
将经过去除干扰数据点处理的点云数据坐标带入误差方程；
利用抗差非线性最小二乘原理对所述误差方程进行迭代计算拟合得到参考平面方程。
所述基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点包括：
对图像进行中值滤波，过滤掉椒盐噪声，进行阈值分割处理，进行开运算、闭运算和腐蚀处理；
利用感兴趣区域筛选算子得到稳定的凹凸区域，对凹凸区域排序筛选出最高点与最低点。
所述将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度包括：
计算平面内凸区域波峰距离基准平面的偏差值；
计算平面内凹区域波谷距离基准平面的偏差值；
计算各测量点距离基准平面偏差的平方和的均值平方根值，反应各测量点与理想平面的偏离程度。
相应的，本发明还提出了一种在线激光视觉检测平面工件平整度的系统，所述系统包括：
工控机，用于控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度；
3D相机，用于采集被测工件的3D图像数据；
激光器，用于受控于工控机启动线激光照射所述被测工件。
所述工控机还用于在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；以及在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
所述工控机基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
本发明通过控制被测工件的传送速度来使得其可以适应于3D相机的扫描过程，通过位置传感器检测被测工件与测量区域的对应关系，从而开启线激光器产生激光来触发3D相机采集3D图像数据，通过这种控制方式，使得线激光和3D相机能精准实现对被测工件的数据采集过程，减少能耗，提升控制过程的精准度。基于3D图像数据进行数据处理，采用激光扫描三角测量方法进行3D图像数据采集及空间模型构建，应用最小二乘法及新的视觉算法，把工件表面拟合为一个空间平面，凸凹处点到平面的距离就可以计算工件表面平整度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的在线激光视觉检测平面工件平整度的系统结构示意图；
图2是本发明实施例中的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
具体的，图1示出了本发明实施例中的在线激光视觉检测平面工件平整度的系统，所述系统包括：
工控机，用于控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度；
3D相机，用于采集被测工件的3D图像数据；
激光器，用于受控于工控机启动线激光照射所述被测工件。
所述工控机还用于在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；以及在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
所述工控机基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
该系统通过控制被测工件的传送速度来使得其可以适应于3D相机的扫描过程，通过位置传感器检测被测工件与测量区域的对应关系，从而开启线激光器产生激光来触发3D相机采集3D图像数据，通过这种控制方式，使得线激光和3D相机能精准实现对被测工件的数据采集过程，减少能耗，提升控制过程的精准度。基于3D图像数据进行数据处理，采用激光扫描三角测量方法进行3D图像数据采集及空间模型构建，应用最小二乘法及新的视觉算法，把工件表面拟合为一个空间平面，凸凹处点到平面的距离就可以计算工件表面平整度。
本发明实施例中所涉及的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动激光器产生线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度。
具体的，图2示出了本发明实施例中的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法流程图，包括：
S201、工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；
具体实施过程中，被测工件被设置于标定板上，标定板上具有传送带，被测工件在落入到标定板上时，则会随着传送带的带动而向指定位置进行移动。
具体的，工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送包括：在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
工控机需要控制传送带的速度，在被测工件未达到测量区域时，其可以加速整个被测工件的速度，使得其对被测工件的传输效率较高，即以最短的时间进入测量区域，或者测量完成之后，以最短的时间远离测量区域，这里的第一速度要求是比较高的，这里第一速度是保证整个控制的工作效率；在被测工件达到测量区域时，传送带速度过快的话，3D相机所采集的图像容易失真，需要控制被测工件以第二速度传输被测工件，使得保障3D相机所采集到的图像能符合工件表面平整度识别处理。
S202、基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；
需要说明的是，这里通过位置感应器来检测被测工件是否运动至测量区域，通过位置感应器所产生的信号一方面可以作为传送带的速度调节，一方面可以启动线激光照射，触发3D相机工作，从而实现整个协同调节过程。
若被测工件未运动至测量区域，则工控机只需要控制传送带以第一速度传输被测工件；若被测工件运动至测量区域，则工控机需要调节传送带的速度，以第二速度传输被测工件，同时启动线激光照射被测工件，以及触发3D相机采集被测工件的3D图像数据。
S203、在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动激光器产生线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；
3D相机采集被测工件的3D图像数据为线激光作用在被测工件上的表面工件数据。线激光和3D相机配合，其是一种基于三角测量原理，通过图像传感器，捕获激光发生器投射在物体表面的激光线信息，其可以重构物体表面轮廓信息，其可以实现对精度要求高的平面物体的特征测量。
S204、基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；
S205、在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；
需要说明的是，这里通过位置感应器来检测被测工件是否离开测量区域，通过位置感应器所产生的信号一方面可以作为传送带的速度调节，一方面可以触发线激光停止照射，同时触发3D相机停止工作，从而实现整个协同调节过程。
若被测工件朝着远离测量区域运动，则工控机需要调节传送带的速度，控制传送带以第一速度传输被测工件；若被测工件还未脱离出测量区域，则工控机以第二速度传输被测工件，同时继续保持线激光照射被测工件，以及保持3D相机采集被测工件的3D图像数据。
S206、基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；
需要说明的是，这里基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据包括：对3D图像数据中的点云数据进行去除干扰数据点处理；将经过去除干扰数据点处理的点云数据坐标带入误差方程；利用抗差非线性最小二乘原理对所述误差方程进行迭代计算拟合得到参考平面方程。
这里基于抗差最小二乘的平面拟合方法，与传统的最小二乘法相比，采用抗差估计最小二乘法Huber法，可以降低离群值的影响，可以对测量进行等价权处理，当测量的数据存在误差，Huber法可以得到更精确的估计结果。平面拟合的精确度会直接影响工件表面平整度检测的精确度，所以精确的平面拟合是工件表面质量检测的关键所在，在进行平面拟合之前首先对点云数据进行去除干扰数据点等处理，完成数据处理后对工件表面数据进行拟合。
这里设定平面模型为：
F(x，y，z)＝a*x+b*y+c*z+d；
公式中(x，y，z)为实验中测量所得数据点，a、b、c、d为待拟合参数。
为了使得数据点落在平面上，即满足方程，构造误差方程：
Figure BDA0003937874710000081
其中M为采集到的点云数据总数量，(xm,ym,zm)为采集的平面点云数据坐标。通过选取迭代初值x＝[a0，b0，c0，d0]，把经过处理后的点云数据坐标代入，利用抗差非线性最小二乘原理进行迭代计算，最终拟合得到参考平面方程。
S207、基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；
所述基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点包括：对图像进行中值滤波，过滤掉椒盐噪声，进行阈值分割处理，进行开运算、闭运算和腐蚀处理；利用感兴趣区域筛选算子得到稳定的凹凸区域，对凹凸区域排序筛选出最高点与最低点。
这里通过寻找工件表面凹凸点。对图像进行中值滤波，过滤掉椒盐噪声，进行阈值分割处理，进行开运算、闭运算和腐蚀处理，进一步去除干扰。用感兴趣区域筛选算子得到稳定的凹凸区域，对凹凸区域排序筛选出最高点与最低点。
具体实施过程中，其先获取工件表面数据中的感兴趣区域，然后对感兴趣区域进行轮廓提取，其可以利用矩形截取函数来截取矩形的感兴趣区域；然后对感兴趣区域的图像进行增强处理。
具体实施过程中，寻找感兴趣区域的工件表面数据的灰度梯度，使用Sobel算子对感兴趣区域的工件表面数据进行处理；利用非极大值抑制算法来搜索梯度方向的局部极大值，抑制非极大值元素，细化边缘；采用双阈值算法提取和连接边缘，得到稳定的凹凸区域。
S208、将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
所述将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度包括：计算平面内凸区域波峰距离基准平面的偏差值；计算平面内凹区域波谷距离基准平面的偏差值；计算各测量点距离基准平面偏差的平方和的均值平方根值，反应各测量点与理想平面的偏离程度。
具体的，将筛选出的凹凸处峰谷值与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度，其中：(1)峰-基平面度误差指标，平面内凸区域波峰距离基准平面的偏差值，D1；
(2)谷-基平面度误差指标，平面内凹区域波谷距离基准平面的偏差值，D2；
(3)均方根平面度误差指标，各测量点距离基准平面偏差的平方和的均值平方根值，反应各测量点与理想平面的偏离程度。
RMSE＝sqrt((D12+D22+……+Dn2)/n)；
计算方差公式：
Avg＝(D1+D2+D3)/3；
Var＝((D1-Avg)2+(D2-Avg)2+(D3-Avg)2)/3。
本发明实施例通过控制被测工件的传送速度来使得其可以适应于3D相机的扫描过程，通过位置传感器检测被测工件与测量区域的对应关系，从而开启线激光器产生激光来触发3D相机采集3D图像数据，通过这种控制方式，使得线激光和3D相机能精准实现对被测工件的数据采集过程，减少能耗，提升控制过程的精准度。基于3D图像数据进行数据处理，采用激光扫描三角测量方法进行3D图像数据采集及空间模型构建，应用最小二乘法及新的视觉算法，把工件表面拟合为一个空间平面，凸凹处点到平面的距离就可以计算工件表面平整度。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；
基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；
在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动激光器产生线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；
基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；
在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；
将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度。
2.如权利要求1所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述工控机控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送包括：
在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；
在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
3.如权利要求1所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度包括：
基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；
基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；
将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
4.如权利要求3所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据包括：
对3D图像数据中的点云数据进行去除干扰数据点处理；
将经过去除干扰数据点处理的点云数据坐标带入误差方程；
利用抗差非线性最小二乘原理对所述误差方程进行迭代计算拟合得到参考平面方程。
5.如权利要求3所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点包括：
对图像进行中值滤波，过滤掉椒盐噪声，进行阈值分割处理，进行开运算、闭运算和腐蚀处理；
利用感兴趣区域筛选算子得到稳定的凹凸区域，对凹凸区域排序筛选出最高点与最低点。
6.如权利要求3所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的方法，其特征在于，所述将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度包括：
计算平面内凸区域波峰距离基准平面的偏差值；
计算平面内凹区域波谷距离基准平面的偏差值；
计算各测量点距离基准平面偏差的平方和的均值平方根值，反应各测量点与理想平面的偏离程度。
7.一种在线激光视觉检测平面工件平整度的系统，其特征在于，所述系统包括：
工控机，用于控制被测工件沿着标定板基于传送带进行传送；基于标定板上的位置感应器检测被测工件是否运动至测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，启动线激光照射所述被测工件，并触发3D相机采集被测工件的3D图像数据；基于标定板上的位置传感器检测被测工件是否离开测量区域；在检测到所述被测工件运动至测量区域时，停止线激光照射，并触发3D相机停止采集被测工件的3D图像数据；将所述3D图像数据进行数据处理，分析所述被测工件的平整度；
3D相机，用于采集被测工件的3D图像数据；
激光器，用于受控于工控机启动线激光照射所述被测工件。
8.如权利要求7所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的系统，其特征在于，所述工控机还用于在所述被测工件未在测量区域时，控制传送带以第一速度传输被测工件；以及在所述被测工件位于测量区域时，控制传送带以第二速度传输被测工件，所述第一速度大于第二速度。
9.如权利要求7所述的在线激光视觉检测平面工件平整度的系统，其特征在于，所述工控机基于抗差最小二乘的平面拟合方法对所述被测工件的3D图像数据进行表面数据平面拟合得到平面拟合后的工件表面数据；基于感兴趣区域筛选算子对所述拟合后的工件表面数据处理得到工件表面凹凸点；将工件表面凹凸点与基准平面进行比较计算得出所述被测工件的平整度。
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