CN116977403B - 一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，属于薄膜生产技术领域，其步骤为：在膜泡的冷却线上方位置，距离膜头中心线L米处，放置双目相机和十字激光发射器；采用十字发射激光器发射一束激光到膜泡上，在膜泡上形成十字线图案；采用边缘检测算法获取十字线轮廓；采用双目视觉定位算法获取十字线横轴上所有像素点的深度值；选取N个像素点，将所述N个像素点的深度值转换成坐标值；通过最小二乘拟合算法，拟合出经过N个像素点的圆，从而计算出圆的周长即为幅宽值；采用PID算法使实际幅宽和设定幅宽的差值稳定在规定范围内。本发明方法不仅精度高，而且不受膜泡晃动的影响，能实时准确的测量出膜泡的实际大小。

Description

一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法
技术领域
本发明涉及薄膜生产技术领域，具体涉及一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法。
背景技术
塑料薄膜不仅可以降低天气变化对农作物生长的影响，而且还能增加产量，提高生产效率，经过几十年的发展，塑料薄膜已经是我国农业生产正常进行的必不可少的环节。随着农业大棚的技术的发展，对塑料薄膜的幅宽稳定性也提出了较高的要求。因而必须实时在线高精度检测薄膜的幅宽，并能根据实际幅宽，及时动态进行调整，使幅宽始终保持在要求的正常范围内。
目前，国内的幅宽检测技术，主要是采用超声波测距探头，探测薄膜到探头的距离，然后再根据探头到中心的距离，反计算出膜泡的大小。具体原理如图1和图2所示，在薄膜膜泡1的四周布置1-4个超声波测距传感器2，超声波测距传感器到膜泡中心的距离为L，当采用1个超声波测距传感器时，设超声波测距为x0，则膜泡的半径r=L-x0。当采用2个超声波测距传感器时，一般为对称布置，则膜泡的半径r=2L-x0-x1；考虑到膜泡的中心，收到外界因素影响，并不会与模头的中心重合，因此为了减少误差，一般会采用4个传感器，以增加检测的精度。
测出实际的膜泡大小r后，与设定的理想大小R进行差运算，err=R-r；得到实际膜泡大小和理想大小的差值err，根据差值，可以采用PID等控制算法，控制进风和出风量，使实际膜泡大小r无限趋近于理想大小R。
现有方法存在的问题为：
（1）对超声波测距传感器的测距精度要求高，一般为0.1mm的高精度要求才能符合要求。而国产超声波测距传感器还很难达到这个精度要求，因此目前市面上，薄膜幅宽在线检测基本上都是被国外产品垄断。价格高，造成成本居高不下。
（2）超声波的传播速度收到空气温度和湿度的影响较大，虽然现在的超声波传感器都对温度进行了补偿，但对湿度的变化一般都是未加补偿手段。
（3）这种检测方法，实际上是采样了膜泡上的1-4个点，样本较少，实际生产过程中，膜泡并非处于理想状态，反倒是经常处于摇晃状态，这都不利于精确测量膜泡的实际大小。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现发明目的，采用以下技术方案：
一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，包括以下步骤：
S1、在膜泡的冷却线上方位置，距离膜头中心线L米处，放置双目相机和十字激光发射器；
S2、采用十字发射激光器发射一束激光到膜泡上，在膜泡上形成十字线图案；
S3、采用边缘检测算法，获取十字线轮廓；采用双目视觉定位算法，获取十字线横轴上所有像素点的深度值；
S4、建立直角坐标系，选取N个像素点，将所述N个像素点的深度值转换成坐标值；
S5、通过最小二乘拟合算法，拟合出经过N个像素点的圆，从而计算出圆的半径R，圆的周长即为幅宽值；
S6、根据实际测出的幅宽值和设定幅宽，采用PID算法，动态调整进气量和出气量，使实际幅宽和设定幅宽的差值稳定在规定范围内。
进一步地，在S3中，像素点的深度值为：
；
其中，表示第个像素点的深度值，，，为十字线横轴上所有 像素点的数量，和分别为像素点在左右两个图像中像素点的横坐标，为左右两个相 机视差，，为焦距，为基线距离，和的值通过对双目相机标定获得。
进一步地，在S4中，以双目相机中心点为原点，在与纵轴垂直的平面上建立直角坐 标系，最小深度值对应的像素点与双目相机中心点的连线为y轴，与相机面平行的方向 为x轴，选取N个像素点，记第个像素点的坐标为，，和的表达式为：
；
；
其中，为x轴与第个像素点与双目相机中心点连线的夹角，为相邻两个像素点 与双目相机中心点连线的夹角，，为横轴两端点与双目相机中心点连线的夹角， 为横轴两端点之间的距离，为的最大值。
进一步地，在所述S5包括以下子步骤：
S51、确定待定系数；
设圆的圆心为（A,B），半径为，则圆的方程为：
；
令a=-2A，b=-2B，c=A2+B2-R2，则圆的曲线方程为：
；
由于：
；
；
；
只需要求出参数、、，即可得到圆心及半径：
S52、确定距离和；
个像素点中第个像素点到圆心的距离记为：
；
则与半径之间的误差为：
；
所有像素点的误差和为：
；
求参数、、使误差和最小；
S53、求解；
分别对参数、、求偏导，令偏导数为0，其表达式为：
；
；
；
令得：
；
令得：
；
令：
；
；
；
；
；
其中，为中间变量，得：
；
；
；/>；
；
即求得参数a、b、c；
S53、带入公式求得半径R；
求得圆的周长为：
F=2лR。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出了一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，不仅提高了检测精度，而且不受膜泡晃动等因素的影响，能实时准确的测量出膜泡的形状和实际大小，成本低，能够实现精准测量。
附图说明
图1是采用超声波测距探头进行幅宽检测的布置图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明中幅宽检测的布置图。
图4是本发明中膜泡上形成的十字线图案示意图。
图5是本发明中双目测距原理图。
图6是本发明中建立的直角坐标系示意图。
图7是本发明中像素点到圆心的距离示意图。
其中，1-膜泡；2-超声波测距传感器；3-冷却线；4-膜头；5-双目相机；6-十字激光发射器；7-横轴；8-纵轴；9-进风管；10-出风管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，包括以下步骤：
S1、在膜泡1的冷却线3上方位置，距离膜头4中心线L米处，放置双目相机5和十字激光发射器6，如图3所示；
S2、采用十字激光发射器6发射一束激光到膜泡1上，比如红色激光或绿色激光等，在膜泡上能形成显眼的十字线图案，如图4所示，十字线图案包括横轴7和纵轴8，纵轴为竖向直线，由于膜泡为圆柱形，故横轴为横向弧线；
S3、十字激光亮度和颜色与生产的薄膜有很明显的区别，因此采用边缘检测算法获取十字线轮廓，边缘检测算法包括canny算子等，通过双目视觉定位算法，获取十字线横轴上所有像素点的深度值；
双目测距的原理是模拟生物双眼测距，通过双目相机得到左、右两张图片，将这两张图片传送给计算机分析计算视差，进而得到目标物体的三维空间信息；
在理想情况下，双目测距是由两个完全相同且平行的相机获取目标图片，并计算出目标距离信息，其原理图如图5所示，假设P是任意一个像素点，、/>是左、右相机的光心，T 是左右相机的光心距离，也被称为基线距离，f 是相机焦距，/>、/>是P 点在左、右相机图像坐标系的坐标，Z是P点到相机的垂直距离，即深度值；
由三角形∽三角形/>，可得公式：
；
像素点的深度值为：
；
这个公式基于三角形相似关系，利用了相似三角形的边长比例，通过测量视差，可以根据相机参数计算出物体距离；
其中，表示第个像素点的深度值，，为十字线横轴上所有像素点的 数量，和分别为像素点在左右两个图像中像素点的横坐标，为左右两个相机视差，。焦距和基线距离可通过相机标定得到，因此只需要获得视差就可以求得 像素点深度信息；
视差是指左右两个相机在拍摄同一场景时，同一点在两个图像中的像素位置之间的像素位移，根据视差原理，图像上的一个点与两个相机中心的连线在图像平面上的投影位置会有差异，这个差异就是视差。
需要注意的是，双目测距还需要进行相机标定，以获得准确的相机参数（如焦距和基线长度），同时还需要对图像进行特征匹配和视差计算。
S4、建立直角坐标系，选取N个像素点，将所述N个像素点的深度值转换成坐标值；
根据S3测得的所有像素点的深度值，可获得最小深度值和最大深度值， 以双目相机中心点为原点O，在与十字线纵轴垂直的平面上建立直角坐标系，最小深度值对应的像素点与双目相机中心点的连线OB为y轴，与相机面平行的方向为x轴，如图6所 示；
点A和E分别为横轴的两个端点，点F为线段AE的中点，点B为膜泡上距离双目相机最近的像素点，Pi为N个像素点中的任意一个；由于激光照射发出的十字激光图案是固定的，因此线段AE的长度为固定且已知的，记为M；
进而可求得A点坐标为：
；
记十字线横轴两端点与双目相机中心点连线的夹角为，，记相 邻两个像素点与双目相机中心点连线的夹角为，，Pi 的坐标记为，，角BOPi为y轴与第个像素点与双目相机中心点连线的夹角，记为，其表达式为：
；
和的表达式为：
。
S5、通过最小二乘拟合算法，拟合出经过N个像素点的圆，从而计算出圆的半径R，圆的周长即为幅宽值；
在所述S5包括以下子步骤：
S51、确定待定系数；
设圆的圆心为（A,B），半径为，则圆的方程为：
；
令a=-2A，b=-2B，c=A2+B2-R2，则圆的曲线方程为：
；
由于：
；
；
；
只需要求出参数、、，即可得到圆心及半径：
S52、确定距离和；
如图7所示，个像素点中第个像素点到圆心的距离记为：
；
则与半径之间的误差为：
；
所有像素点的误差和为：
；
求参数、、使误差和最小；
S53、求解；
分别对参数、、求偏导，令偏导数为0，其表达式为：
；
；
；
令得：
；
令得：
；
令：
；
；
；
；
；
其中，为中间变量，得：
；
；
；
；
；
即求得参数a、b、c；
S53、带入公式求得半径R；
求得圆的周长为：
F=2лR。
S6、根据实际测出的幅宽值和设定幅宽，采用PID算法，动态调整进风管9和出风管10处的进气量和出气量，使实际幅宽和设定幅宽的差值稳定在规定范围内。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在膜泡的冷却线上方位置，距离膜头中心线L米处，放置双目相机和十字激光发射器；
S2、采用十字发射激光器发射一束激光到膜泡上，在膜泡上形成十字线图案；
S3、采用边缘检测算法，获取十字线轮廓；采用双目视觉定位算法，获取十字线横轴上所有像素点的深度值；
在S3中，像素点的深度值为：
其中，Zj表示第j个像素点的深度值，j∈(1,n)，n为十字线横轴上所有像素点的数量，Xl和Xr分别为像素点在左右两个图像中的横坐标，d为左右两个相机视差，d＝Xl-Xr，f为焦距，T为基线距离，f和T的值通过对双目相机标定获得；
S4、建立直角坐标系，选取N个像素点，将所述N个像素点的深度值转换成坐标值；
在S4中，以双目相机中心点为原点，在与纵轴垂直的平面上建立直角坐标系，最小深度值Zmin对应的像素点与双目相机中心点的连线为y轴，与相机面平行的方向为x轴，选取N个像素点，记第i个像素点的坐标为(Xi,Yi)，i∈(1,N)，Xi和Yi的表达式为：
其中，θi为x轴与第i个像素点与双目相机中心点连线的夹角，为相邻两个像素点与双目相机中心点连线的夹角，/>θ为横轴两端点与双目相机中心点连线的夹角，M为横轴两端点之间的距离，Zmax为Zj的最大值；
S5、通过最小二乘拟合算法，拟合出经过N个像素点的圆，从而计算出圆的半径R，圆的周长即为幅宽值；
S6、根据实际测出的幅宽值和设定幅宽，采用PID算法，动态调整进气量和出气量，使实际幅宽和设定幅宽的差值稳定在规定范围内。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的薄膜生产幅宽检测和控制方法，其特征在于，在所述S5包括以下子步骤：
S51、确定待定系数；
设圆的圆心为(A，B)，半径为R，则圆的方程为：
R2＝(x-A)2+(y-B)2
＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2；
令a＝-2A，b＝-2B，c＝A2+B2-R2，则圆的曲线方程为：
x2+y2+ax+by+c＝0；
由于：
只需要求出参数a、b、c，即可得到圆心及半径：
S52、确定距离和；
N个像素点中第i个像素点到圆心的距离记为di：
则di与半径之间的误差为：
所有像素点的误差和Q(a，b，c)为：
求参数a、b、c使误差和Q(a，b，c)最小；
S53、求解；
分别对参数a、b、c求偏导，令偏导数为0，其表达式为：
令得：
令得：
令：
其中，C、D、E、D、G、H为中间变量，得：
0＝Ca+Db+E；
0＝Da+Gb+H；
即求得参数a、b、c；
S53、带入公式求得半径R；
求得圆的周长为：
F＝2лR。
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