一種基于激光輪廓測量技術(shù)的型材自動(dòng)檢測系統(tǒng)

吳秀才 宋建云

摘 要：本文采用激光輪廓測量方法，對型材的外觀尺寸進(jìn)行自動(dòng)測量;使用線激光器照射型材表面形成高亮的激光線輪廓，該輪廓線在相機(jī)中成像，再結(jié)合線激光器和相機(jī)的相對坐標(biāo)以及相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，采用攝影測量算法，計(jì)算出型材表面各點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出一套可自動(dòng)測量型材外觀尺寸的型材自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：輪廓測量;線激光器;標(biāo)定;攝影測量

中圖分類號：TN491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0036-02

0 引言

鋁材、鋼材等型材的外觀尺寸自動(dòng)檢測是制約廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要通過人工抽樣的方式離線檢測型材尺寸，具有測量精度低，實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，造成不合格產(chǎn)品較多，浪費(fèi)大;而歐美等國家已普遍采用激光三角輪廓測量技術(shù)，對生產(chǎn)線上的型材進(jìn)行實(shí)時(shí)尺寸測量，并將型材的尺寸偏差及時(shí)反饋給型材生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整生產(chǎn)機(jī)構(gòu)來修正尺寸偏差，從而保證生產(chǎn)出高精度型材。

1 激光輪廓測量技術(shù)介紹

激光輪廓測量技術(shù)通過測量型材的高度輪廓線重建它的表面[1]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)型材自動(dòng)檢測?；诩す廨喞獪y量技術(shù)的型材自動(dòng)檢測設(shè)備包括一臺線激光器（其能夠投射出薄的激光線），一臺工業(yè)相機(jī)，一個(gè)編碼器，一個(gè)線性定位傳輸系統(tǒng)（例如，傳送帶）和一臺圖像測量處理設(shè)備。在系統(tǒng)標(biāo)定過以后，線激光器，相機(jī)和線性定位系統(tǒng)之間的關(guān)系不能改變，而由該定位系統(tǒng)傳輸?shù)奈矬w位置，相對于線激光器和線陣相機(jī)變化，由于輪廓圖像一列一列的進(jìn)行處理，輪廓必須定向?yàn)榇笾滤降模?，大致平行于圖象的行。

2 激光輪廓測量原理

通過標(biāo)定激光輪廓測量設(shè)備可以獲得相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，鏡頭的畸變參數(shù)，光平面在世界坐標(biāo)系中的方向，以及在兩次連續(xù)測量之間的物體相對運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

2.1 標(biāo)定相機(jī)

相機(jī)的標(biāo)定包括相機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定和相機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定兩部分[2]。相機(jī)外部參數(shù)用于確定相機(jī)相對于世界坐標(biāo)的位置。標(biāo)定相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)時(shí)，兩個(gè)畸變模型可以使用：分割模型和多項(xiàng)式模型。

分割模型的優(yōu)點(diǎn)是畸變可以被應(yīng)用得更快，尤其是反向畸變，即，世界坐標(biāo)被投影到像平面上。進(jìn)一步，如果僅僅使用少數(shù)標(biāo)定圖像或者視場沒有有效覆蓋，分割模型通常比多項(xiàng)式模型產(chǎn)生更穩(wěn)定的結(jié)果。多項(xiàng)式模型的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以更精確的對畸變建模，因?yàn)樗褂酶唠A的項(xiàng)對徑向畸變建模，并且它也對偏心畸變建模。多項(xiàng)式模型不能被反轉(zhuǎn)解析，因此反向畸變必須被迭代計(jì)算，這比使用（解析可逆）分割模型計(jì)算逆畸變要慢[3]。通常情況下，分割模式被用于標(biāo)定。如果標(biāo)定的精度不夠高，可以使用多項(xiàng)式模型。

測量平面可以被定義為z=0的世界坐標(biāo)系（WCS）。在（眾多）用于確定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的圖像中的一幅中，標(biāo)定板必須直接放在測量平面上（在本測量設(shè)備中，測量平面為型材的生產(chǎn)流水線）。根據(jù)標(biāo)定板位姿和在相機(jī)中的相應(yīng)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，可以計(jì)算相機(jī)的外部和內(nèi)部參數(shù)。

2.2 確定光平面相對于所述WCS的取向

三個(gè)對應(yīng)點(diǎn)代表了獲得一個(gè)平面的最少點(diǎn)數(shù)。為了增強(qiáng)標(biāo)定精度，需要冗余的點(diǎn);因此，需要測量多于三個(gè)對應(yīng)點(diǎn)。然后，依靠擬合一個(gè)平面到獲得的點(diǎn)云中，該光平面被近似模擬出來。

2.3 標(biāo)定物體相對于該測量設(shè)備的移動(dòng)

為了描述的物體運(yùn)動(dòng)姿勢，標(biāo)定線性定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，至少需要兩張具有不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的圖像[4]。為了提高精度，我們不使用相隔相鄰移動(dòng)步數(shù)的圖像，卻要使用相隔已知移動(dòng)步數(shù)的圖像（例如10步）?，F(xiàn)在，對于兩幅圖像來說標(biāo)定板的姿勢都被推導(dǎo)出。然后，描述這兩個(gè)姿態(tài)之間的變換關(guān)系的姿勢被計(jì)算出來，這個(gè)變換即10步移動(dòng)之間的變換。（這里假定沒有旋轉(zhuǎn)，因此所有的旋轉(zhuǎn)因素被設(shè)置為0。）為了得到單步運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，描述多步運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的元素，被按步數(shù)劃分。

3 設(shè)備組成及測量效果

本型材自動(dòng)檢測設(shè)備由工業(yè)相機(jī)和鏡頭，線激光發(fā)射器，計(jì)算機(jī)和激光輪廓測量軟件組成。

3.1 相機(jī)

相機(jī)的參數(shù)指標(biāo)如表1。

3.2 線激光器

線激光發(fā)射器發(fā)射一束光，在物體表面會(huì)形成一條亮線，從某已知角度觀測該線的扭曲變形情況就可計(jì)算出物體表面的高度變化。

3.3 激光測量軟件

激光輪廓測量軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上，用于完成型材表面輪廓尺寸的實(shí)時(shí)測量，并依據(jù)輪廓線拼接出3D輪廓外觀，進(jìn)而判斷其是否合格。它由Matlab軟件和QT兩部分軟件組成;利用Matlab實(shí)現(xiàn)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，和圖像處理[5]，進(jìn)而計(jì)算型材的3D輪廓;用QT完成界面和通信設(shè)計(jì)。

實(shí)際測量效果如圖2和圖3。

將系統(tǒng)測量的物體尺寸數(shù)據(jù)與物體實(shí)際的尺寸相比較，測量誤差不大于0.1mm，經(jīng)實(shí)際調(diào)研，該誤差滿足現(xiàn)有絕大多數(shù)型材尺寸測量的需要。

3.4 系統(tǒng)精度分析

實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，有兩種因素會(huì)影響測量精度。第一種因素是由要重建的型材表面的幾何形狀。相對于平坦的型材，彎曲表面和具有明顯斜率的表面導(dǎo)致光線變寬，而且輪廓中的光線分布不再均衡，將導(dǎo)致測量精度降低。第二類因素是激光和物體表面的相互作用。當(dāng)激光照射在粗糙的紋理表面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉圖形，這些干涉圖形被稱為散斑并可以被認(rèn)為是不會(huì)累加的噪聲，這意味著不能靠圖像采集期間的平均值來減少這種噪聲;在這種情況下，必須使用更高光圈的鏡頭進(jìn)行圖像采集或低散斑的高質(zhì)量線激光發(fā)射器。

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)的基于激光輪廓測量技術(shù)的型材自動(dòng)檢測設(shè)備，可以對型材進(jìn)行輪廓尺寸實(shí)時(shí)測量，并對生產(chǎn)線上的型材產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。通過選用高質(zhì)量的工業(yè)相機(jī)和線激光發(fā)射器，結(jié)合高精度相機(jī)標(biāo)定方法，可將型材輪廓尺寸檢測誤差控制在0.1mm以內(nèi)，滿足絕大部分型材檢測的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓成.基于結(jié)構(gòu)光的計(jì)算機(jī)視覺[M].國防工業(yè)出版社，2015.

[2] 張汝婷.基于線激光掃描的全角度三維成像系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[3] 周森.基于自動(dòng)激光掃描技術(shù)的三維幾何在線測量系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[4] 金文燕.激光三角測距傳感器建模及參數(shù)優(yōu)化研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（04）：164-167.

[5] 王家文.Matlab 6.5圖形圖像處理[M].國防工業(yè)出版社，2004.

A Profile Automatic Detection System Based on Laser Profile Technology

WU Xiu-cai1， SONG Jian-yun2

（1. Zhengzhou Technology and Business University，Mathematics Teaching and Research Department，Zhengzhou Henan ?451400;2.China Electronic Science and Technology Group 27，Zhengzhou Henan ?450001）

Abstract：In this paper， the appearance dimensions of the profile are automatically measured by laser triangulation method， and the surface of the profile is irradiated by a wire laser to form a highlighted laser line profile， which is imaged in the camera， and combined with the relative coordinates of the wire laser and camera and the calibration parameters of the camera， the photogrammetry algorithm is used. Calculate the coordinates of each point of the profile surface under the spatial coordinate system， and finally design a profile automatic detection system that can automatically measure the appearance size of the profile.

Key words：profile measurement;line lasers;calibration;photogrammetry