1.本发明属于不规则表面长度计量领域，具体涉及一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法。
背景技术：2.目前，国内钢板轧制尺寸主要根据客户要求以及冷床尺寸来选择不同规格的板坯进行轧制，无法实现钢板的连续热轧，因此生产效率低。故需要借助分段剪对连轧钢板进行定尺剪切，以往国内工厂对钢板的定尺检测通常采用人工测量或安装测长辊的方式。由于人工测量危险系数高、测量精度差且检测效率低，而采用测长辊测量的方式存在辊面磨损等因素的影响，从而导致测量误差较大，造成定尺不准现象，对工业生产效益产生了较大的损失。因此，需要设计一种基于线结构光的钢板无损检测技术来解决钢板的实时在线测长，从而实现分段剪切过程的自动化，加快轧制速率，减少人工参与，提高检测效率和检测实时性。
技术实现要素：3.为了解决上述背景技术中提出的问题，本发明主要提供一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于线结构光的钢板在线实时测量方法，所述方法为相机实时追踪照射到钢板表面的激光线且连续采集当前状态图像，并将采集的实时图像回传到上位机进行分析处理，根据坐标转换模型计算出钢板长度；上位机将钢板长度信息传输给辊道控制系统，实现对辊道的启停控制，进而配合剪切机实现分段剪切。本发明通过设计软件操作系统，在标定以及定尺方面提出新的检测方法，能够提高钢板检测精度，实现产线长钢板精确定尺，同时测长系统辅助剪切机实现钢板的准确剪切。
5.在一个优选的实施例中，该在线测量方法具体步骤如下：步骤1：对数个相机进行标定。在对相机与激光器调整合适位姿后，以剪切机剪刃为起始点，沿钢板出口方向在辊道表面激光线两侧平铺两条50m长度的钢尺，将表面平整的白色塑料薄板作为标定对象并找出其中心线位置做好标记；其次将塑料薄板放在所要标定相机对应视野范围内的两条钢尺表面，然后将塑料薄板中心线与其中一条钢尺刻度对齐，并将该点实际刻度值在软件系统进行记录，以同样方式在每个相机视野下找多个不同的位置进行实际刻度值记录；此外，在像素坐标系中通过激光线打在塑料薄板上后两边形成的突变获取到塑料薄板两端的位置坐标，通过软件系统计算平均值得到中间位置坐标，再利用像素坐标与世界坐标之间的转换关系计算得到该中心线相对应的实际位置；步骤2：在标定工作完成后，根据环境光照以及现场辊面反射影响，在软件操作系统中分别对每个相机设置曝光时间为4000-5000μs之间，以及增益大小设置为0-23.9db之间，将外界影响因素降到最低，以满足测量精度要求；步骤3：通过设置roi区域，观察图像中钢板实时位置，实时跟踪板头位置并通过坐
标计算输出钢板的头部距离剪切机剪刃的实际距离。
6.步骤4：对每个相机采集回来的图像进行背景记录。分别在辊道静止时记录一次，以及辊道转起来时钢板在通过剪切机进入第一个相机视野之前在进行记录一次，这样可以更好的考虑到辊道转起来时震动引起的图像冗余亮点给钢板长度测量带来的影响；在一个优选的实施例中，设钢板板头跟踪点为a，则其在世界坐标系下的坐标（xw,yw,zw）与像素坐标系下的坐标（u，v）存在以下关系：
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(1)式中：s为该点在相机坐标系下z方向的值，mm；mm；，f为相机3的焦距，mm，dx、dy为单个像素的物理尺寸，mm；u0，v0为图像平面中心，pixel；为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为世界坐标系到相机坐标系的平移矩阵。
7.在实际标定过程中，激光线条所在的世界坐标系o-xwywzw中只需要知道xw轴方向的值，其余方向都为0值；激光线条所在的像素坐标系o-uv中也只需要知道其u轴上的数值，v轴上的数值按0处理，则上式可变为：
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(2)式中：，；将式（2）两边内容进行转换可以得到下式：
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(3)式中：，，；将式（3）转换为矩阵形式可得：
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(4)在空间中选取n个点（n≥3）的世界坐标系下和相机坐标系下的坐标,则可求得a点的世界坐标系与像素坐标系的转换关系,完成实际应用中的相机3标定。
8.将式(3)进行转换可得:
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(5)式（5）中，x为跟踪点a的实际位置坐标；r0、r1、r2为转换系数；u为水平方向上的像素坐标。
9.在一个优选的实施例中，根据现场钢板厚度10-50mm，考虑到实际采集图像与测量目标的尺寸，设置roi区域为4096*130pixel，可以大大提高图像处理速度，去除不相关的图像信息，实时快速的观察图像并跟踪钢板位置，解决图像处理速度慢的问题。
10.在一个优选的实施例中，由于热轧钢板表面特性，相机实时采集的图像中存在钢板表面激光线断点的情况，故通过遍历每一列roi图像区域内的像素数据优先寻找到激光线最左侧的位置，随即从最左侧位置出开始按行从左向右依次遍历像素数据，寻找有断断续续的像素数据，最后对断点之间的像素进行数据填充。
11.在一个优选的实施例中，为保证测量可靠性，相邻相机之间存在重叠区域，对重叠区域采用基于灰度值比较的方法。此方法在于对连续布置的拥有重叠区域的两个相机所采集的重叠区域图像采用加权灰度处理，并比较两者的平均灰度值大小，其中灰度值大的图像设为可处理的图像区域，另一舍弃处理，以实现重叠区域的处理划分，避免了重叠区域多次处理及结果不统一。
12.在一个优选的实施例中，在背景记录过程中，激光线照射在辊道中心处，相机采集没有钢板经过时的辊道静态与辊道转动时的图像，此时图像中仅有照射到辊面及辊缝的激光线，通过图像遍历方法将图像中v方向上存在的激光线高亮点记录到图像背景中；当钢板进入辊道时，相机实时采集到带有钢板的图像中，钢板板头处的亮点明显比前面背景下记录的亮点高，此时，将实时图像中板头亮点位置对应的v值与背景图像记录中该位置对应的v值进行作差，去除掉之前背景下记录的低亮点；且实时采集的图像中出现的亮点中心灰度值》15，故该亮点便为所需实时跟踪的点。
13.在一个优选的实施例中，采用灰度重心法对激光中心线细化，其公式如下：其中gi为参与运算的像素灰度值，ui为相应的水平方向的像素坐标，u为水平方向的灰度重心坐标。通过拟合灰度中心点集，实现精确定位。
14.在一个优选的实施例中，将计算得到的钢板长度反馈至辊道控制系统，驱动电机使钢板前进到指定长度位置。
15.在一个优选的实施例中，上位机端发送剪切指令，剪切机开始精准分段剪切。
16.本发明的有益效果是：一、本发明通过将相机与激光器通过支架固定于辊道旁的方式实现钢板精准测长，成本低、运行维护方便。
17.二、本发明利用数字图像处理技术对现场钢板情况进行实时处理分析，实现了产线的自动化与智能化、可实现钢板长度的实时检测。
18.三、本发明通过智能装备的配置，结合所开发的软件系统以及实时在线检测方法可极大提高生产效率、减少人工劳动强度。
附图说明
19.图1是测长系统整体结构图。
20.图2 是各个系统组成图。
21.图3是钢板实时长度检测流程图。
22.图4是钢板测长原理图。
23.图5是标定数据记录界面图。
具体实施方式
24.通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员进一步深入了解本发明的具体细节。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
25.下面通过具体的实施例加以说明，如图1-5：一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法，所述方法为相机3实时追踪照射到钢板表面的激光线且连续采集当前状态图像，并将采集的实时图像回传到上位机进行分析处理，根据坐标转换模型计算出钢板长度；上位机将钢板长度信息传输给辊道控制系统，实现对辊道的启停控制，进而配合剪切机1实现分段剪切。本发明通过设计软件操作系统，在标定以及定尺方面提出新的检测方法，能够提高钢板检测精度，实现产线长钢板精确定尺，同时测长系统辅助剪切机1实现钢板的准确剪切。
26.所述相机3标定为将表面平整的塑料薄板放在所要标定相机3对应视野范围内的两条钢尺表面，然后将塑料薄板中心线与其中一条钢尺刻度对齐，并将该点实际刻度值在软件系统进行记录，以同样方式在每个相机3视野下找多个不同的位置进行实际刻度值记录。
27.在像素坐标系中通过激光线打在平整的塑料薄板上后两边形成的突变获取到塑料薄板两端的位置坐标，通过软件系统计算平均值得到中间位置坐标，再利用像素坐标与世界坐标之间的转换关系计算得到该中心线相对应的实际位置。
28.所述实时图像需设置roi区域，观察图像中钢板实时位置，实时跟踪板头位置并通过坐标计算输出钢板的头部距离剪切机剪刃的实际距离。
29.所述坐标转换模型为世界坐标系与像素坐标系之间的转化，具体如下：世界坐标系下的坐标（xw,yw,zw）与像素坐标系下的坐标（u，v）存在以下关系：其中，x为跟踪点a的实际位置坐标；r0、r1、r2为转换系数；u为水平方向上的像素坐标。已知目标激光点的像素坐标，便可由推导出的坐标转换关系求得目标激光点在世界坐标系中的坐标。
30.所述相机3之间存在的重叠区域，采用基于灰度值比较的方法对其进行处理，避免测量结果不统一。
31.所述的激光线的细化方法采用灰度重心法，对激光线图像进行提取灰度重心，提高了测量精度。
32.所述背景记录为对所采集的图像中v方向上的高亮点坐标值进行记录，将有无钢板图像中相同位置的v值作差，并对比亮点中心灰度值。
33.所述钢板长度通过上位机控制器传输给辊道控制系统，配合剪切机1实现精确剪切。
34.本发明具体工作过程：首先对所布置相机3进行标定。分别将相机3与激光器2的位姿调整到合适角度，使激光器2发射出的激光线照射到辊道4表面中心位置处，以剪切机剪
刃1为起始位置，将两把50m长钢尺的0m处固定于起始位置，沿钢板出口方向在辊道表面以一定间隔平铺开来，保证钢尺的平直度，同时要保证激光线处于两条钢尺中间；将表面平整的规则白色塑料薄板作为标定对象并找出其中心线位置做好标记，把白色塑料薄板放在所要标定相机3对应视野范围内的两条钢尺表面使激光线照射到白色塑料薄板上，然后将白色塑料薄板中心线与其中一条钢尺刻度对齐，并将该点实际刻度值在软件系统进行记录，以同样方式在每个相机3视野下找多个不同的位置进行实际刻度值记录；然后在像素坐标系中通过激光线打在白色塑料薄板上后两边形成的突变获取到白色塑料薄板两端的位置坐标，通过软件系统计算两端平均值得到中间位置坐标，在经过不同坐标系间的转换关系计算得到该中心线相对应的实际位置，对比实际位置坐标与系统计算得到的位置坐标，实现高精度定位；其次对所有相机3进行参数设置。根据环境光照以及现场辊面反射影响，在软件操作系统中分别对每个相机3设置曝光时间为4000-5000μs之间，增益大小为0-23.9db之间，将外界影响因素降到最低；紧接着在软件界面设置roi区域。结合现场所需检测钢板厚度为10-50mm的需求，设置roi的选择区域为4096
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130pixel，遍历每一列roi区域内的像素数据寻找激光线最左侧的位置，从最左侧位置起按行从左向右遍历像素数据，将连续两个像素数据之间少于10个像素的位置设为激光线断点位置，并对两点之间的像素进行数据填充，图像表现为激光线断点补全，直到将roi区域内的像素数据全部补齐，使激光线处于连续状态，此外通过灰度重心法对激光线中心位置进行细化，对补齐后的激光线图像进行提取灰度重心，其式如下：其中gi为参与运算的像素灰度值，ui为相应的水平方向的像素坐标，u为水平方向的灰度重心坐标。
35.然后对每个相机3采集到的图像进行背景记录。分别在辊道4静止时以及辊道4转起来时钢板在通过剪切机1进入第一个相机视野之前分别采集其背景图像，将图像中u对应的v方向上的高亮点进行记录；当钢板进入辊道4时，相机3实时采集到带有钢板的图像中，钢板板头处的亮点明显比前面背景下记录的亮点高，此时，将实时图像中板头亮点位置对应的v值与背景图像记录中该位置对应的v值进行作差，去除掉之前背景下记录的低亮点；且实时采集的图像中出现的亮点中心灰度值》15，故该亮点便为所需实时跟踪的点；且实时采集的图像中出现的亮点中心灰度值》15，故该亮点便为所需实时跟踪的点，观察图像中钢板实时位置，实时跟踪板头位置并通过坐标计算输出钢板的头部距离剪切机1剪刃的实际距离，进而求得钢板长度；最后将检测到的钢板长度通过传送给辊道控制系统，通过plc程序段驱动辊道4转动，当到达所取长度位置时，辊道4停止，启动剪切机1进行分段剪切，将分段后的钢板运输到相对应冷床进行冷却。
技术特征：1.一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法，其特征在于：包括有如下步骤：步骤1：对数个相机（3）进行标定；调整相机（3）与激光器（2）的位姿，使激光线位与辊道中心位置且保持水平，同时使相机视野能够观察到五个转动辊，并使采集到的图像中激光线水平；以剪切机（1）剪刃为起始点，沿钢板出口方向在辊道（4）表面激光线两侧平铺两条50m长度的钢尺，将表面平整的白色塑料薄板作为标定对象并找出其中心线位置做好标记；其次将塑料薄板放在所要标定相机（3）对应视野范围内的两条钢尺表面，然后将塑料薄板中心线与其中一条钢尺刻度对齐，并将该点实际刻度值在软件系统进行记录，以同样方式在每个相机（3）视野下找多个不同的位置进行实际刻度值记录；此外，在像素坐标系中通过激光线打在塑料薄板上后两边形成的突变获取到塑料薄板两端的位置坐标，通过软件系统计算平均值得到中间位置坐标，再利用像素坐标与世界坐标之间的转换关系计算得到该中心线相对应的实际位置；步骤2：在标定工作完成后，根据环境光照以及现场辊面反射影响，在软件操作系统中分别对每个相机（3）设置曝光时间为4000-5000μs之间，设置增益大小为0-23.9db之间，将外界影响因素降到最低，以满足测量精度要求；步骤3：通过设置roi区域，观察图像中钢板实时位置，实时跟踪板头位置并通过坐标计算输出钢板的头部距离剪切机剪刃的实际距离；步骤4：对每个相机（3）采集回来的图像进行背景记录；分别在辊道（4）静止时记录一次，以及辊道（4）转起来时钢板在通过剪切机（1）进入第一个相机（3）视野之前在进行记录一次。2.根据权利要求1所述的线结构光钢板在线实时测量方法，其特征在于，世界坐标系下的坐标（x
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）与像素坐标系下的坐标（u，v）存在以下关系：其中，x为跟踪点a的实际位置坐标；r0、r1、r2为转换系数；u为水平方向上的像素坐标；已知目标激光点的像素坐标，便可由坐标转换关系求得目标激光点在世界坐标系中的坐标位置。3.根据权利要求1所述的基于线结构光的钢板在线实时测量方法，其特征在于：根据现场钢板厚度10-50mm，考虑到实际采集图像与测量目标的尺寸，设置roi区域为4096*130pixel。4.根据权利要求1所述的基于线结构光的钢板在线实时测量方法，其特征在于：遍历每一列roi图像区域内的像素数据优先寻找到激光线最左侧的位置，随即从最左侧位置出开始按行从左向右依次遍历激光线像素数据，寻找有断断续续的像素数据，最后对断点之间的像素进行数据填充。5.根据权利要求1所述的基于线结构光的钢板在线实时测量方法，其特征在于：为保证测量可靠性，相邻相机（3）之间存在重叠区域，对重叠区域采用基于灰度值比较的方法；此方法在于对连续布置的拥有重叠区域的两个相机（3）所采集的重叠区域图像采用加权灰度处理，并比较两者的平均灰度值大小，其中灰度值大的图像设为可处理的图像区域，另一舍弃处理，避免了重叠区域多次处理及结果不统一。
6.根据权利要求1所述的一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法，其特征在于：在背景记录过程中，激光线照射在辊道（4）中心处，相机（3）采集没有钢板经过时的辊道（4）静态与辊道（4）转动时的图像，此时图像中仅有照射到辊面及辊缝的激光线，通过图像遍历方法将图像中v方向上存在的激光线高亮点记录到图像背景中；当钢板进入辊道时，相机（3）实时采集到带有钢板的图像中，钢板板头处的亮点明显比前面背景下记录的亮点高，此时，将实时图像中板头亮点位置对应的v值与背景图像记录中该位置对应的v值进行作差，去除掉之前背景下记录的低亮点；且实时采集的图像中出现的亮点中心灰度值>15，故该亮点便为所需实时跟踪的点。
技术总结本发明涉及了一种基于线结构光的钢板在线实时测量方法，所述方法为相机实时追踪照射到钢板表面的激光线且连续采集当前状态图像，并将采集的实时图像回传到上位机进行分析处理，根据坐标转换模型计算出钢板长度；上位机将钢板长度信息传输给辊道控制系统，实现对辊道的启停控制，进而配合剪切机实现分段剪切。本发明通过设计软件操作系统，在标定以及定尺方面提出新的检测方法，能够提高钢板检测精度，实现产线长钢板精确定尺，同时测长系统辅助剪切机实现钢板的准确剪切。助剪切机实现钢板的准确剪切。助剪切机实现钢板的准确剪切。
技术研发人员：马立东 李正楠 马立峰 姬小峰 张之腾
受保护的技术使用者：太原科技大学
技术研发日：2022.06.26
技术公布日：2022/11/1
