CN104677301A - 一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置和方法，包括工业相机1，工业相机2，网格标定靶标，线激光发生器，悬臂，导轨，升降机构，测量平台。测量平台上，线激光发生器产生的激光平面与水平面垂直，工业相机1通过升降机构固定在导轨上，中心光轴与激光平面垂直，工业相机2通过悬臂从上至下垂直拍摄钢管边缘与激光线，网格标定靶标放置在激光平面内，与工业相机1的中心光轴垂直，首先完成工业相机1的标定，当螺旋焊管生产开始时，工业相机1、2同时拍摄激光线图像，通过图像处理可以计算螺旋焊管的外径及椭圆度。通过双工业相机、导轨和升降机构的配合，本发明可以实现对不同直径的螺旋焊管外径及椭圆度的动态测量。

Description

一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置和方法

技术领域

本发明属于螺旋焊管管径测量技术领域，涉及一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置和方法。

背景技术

在钢铁行业的钢管生产中，伴随着国内外管道建设“大口径、厚壁、高钢级”的趋势，大口径螺旋焊管的生产比重已经占得越来越大。在螺旋焊管生产行业中，均要求在成型阶段对钢管直径进行测量，以保证产品质量。目前，工厂常用的管径测量方法是由人工采用卷尺进行测量。这种测量方式的存在以下缺点：自动化程度差，劳动强度比较大；测量结果受人为影响因素大；只能得到钢管管径的平均值；检测的频率低。

非接触式测量方法具有精度高、效率高、易于实现自动化等优点，逐渐受到重视。但现有的测量方法中，测量的精度受到传感器的位置标定和定位精度的影响较大。专利号为CN 201488707的实用新型，描述了一种螺旋焊管线钢管管径测量装置，采用激光传感器测量得到钢管内径，但是无法实现测量钢管外径的目的，而且精度也容易受到位置标定和定位精度的影响。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、测量准确的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置。

本发明的目的是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，包括工业相机1，工业相机2，网格标定靶标，线激光发生器，悬臂，导轨，升降机构，测量平台，其特征在于：工业相机1、工业相机2、网格标定靶标、线激光发生器、悬臂、导轨固定在测量平台上；线激光发生器产生的激光平面垂直于水平面，与导轨的方向垂直；工业相机1与升降机构相连接，通过升降机构固定在导轨的滑块上，其中心光轴与导轨的方向平行，垂直于线激光发生器产生的激光平面；工业相机2通过悬臂固定在测量平台上，工业相机2的中心光轴在线激光发生器产生的激光平面内，并与水平面相垂直；网格标定靶标放置在所述的线激光发生器产生的激光平面内，与工业相机1的中心光轴垂直，网格标定靶标竖直方向的中心线与导轨的中心线在同一个平面内。

优选的是，所述的工业相机1的镜头和线激光发生器的激光平面的垂直距离为400～1400mm。

优选的是，所述的线激光发生器和导轨的中心线的垂直距离为300-600mm，导轨的长度为600-1000mm。

优选的是，所述的网格标定靶标通过支座装配在测量平台上，并且可以拆卸。网格标定靶标采用15格×15格、每格的尺寸精确为10mm×10mm的制式。

优选的是，所述的测量装置通过导轨长度的选择以及升降机构的配合可以对管径范围为219-630mm的螺旋焊管进行管线外径测量。

本发明还提供了一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量方法，包括步骤如下：

(1)将测量装置放置在螺旋焊管生产线一侧，测量平台保持水平，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与钢管的中心线在同一水平高度，调整测量装置的位置，使激光发生器产生的激光平面与钢管边缘的夹角为60°～80°，同时激光平面与螺旋焊管相交的激光线在工业相机1的视野内，调整悬臂的角度和高度，使工业相机2能够同时清楚拍摄激光线和钢管边缘；

(2)将网格标定靶标固定在测量平台上，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与网格标定靶标的水平中心线在同一高度，调整导轨上的滑块位置，微调工业相机1的镜头，使工业相机1能清楚完整的拍摄整个标定靶标，固定导轨上的滑块位置，拍摄下此时的标定靶标图像，通过拍摄的图像可以对工业相机1进行标定；

(3)将标定靶标从测量平台上拆卸掉，调整升降机构的高度，使工业相机1能够清楚拍摄到钢管上的激光弧线，且激光弧线在拍摄图像的中间位置，固定升降机构的高度；

(4)当螺旋焊管的生产开始时，通过计算机上的图像拍摄软件同步控制工业相机1、2拍摄钢管图像，每一时刻两个相机拍摄的图像作为同一时刻的不同类别的图像，工业相机1拍摄的图片包含了螺旋焊管的边缘信息和激光线的信息，工业相机2拍摄的图片包含了螺旋焊管上激光线的随钢管不同位置的变化信息。随着螺旋焊管的不断旋转，两个相机按照一定频率不断拍摄钢管不同位置时的图像，当钢管旋转一周时，将两个相机拍摄的所有图像作为同一组图像；

(5)根据工业相机2拍摄的图像，进行图像处理，得到激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角。

(6)由工业相机1拍摄的激光弧线图像，我们需要进行图像处理，提取出激光弧线的中线。

优选的是，所述步骤(5)的具体操作为：

①寻找激光线的中线方程：首先将灰度图像经过图像滤波，图像增强之后，对图像进行灰度分析，对图像中激光线的部分沿行寻找最亮点作为激光线的中心点，再对寻找到的激光点采用最小二乘直线拟合，拟合出的直线方程作为激光线的中线方程，直线斜率记为k₁。

②寻找螺旋焊管边缘直线方程：对灰度图像采用Sobel边缘检测算子进行边缘检测，得到钢管边缘和激光线的二值图像，去除激光点，对剩余的点采用最小二乘法进行钢管边缘的直线拟合，得到螺旋焊管的边缘直线方程，直线斜率记为k₂；

③计算激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角：两者的夹角记为γ，夹角的计算公式为γ＝|arctan(k₁)–arctan(k₂)|；

优选的是，所述步骤(6)的具体操作为：

①提取激光弧线中心点的图像坐标：将图像进行灰度变换，图像滤波之后，对激光弧线部分逐行寻找最亮点，将最亮点作为激光弧线的中心点，然后采用对每一点附近的五个点取平均值的方法进行平滑处理，处理后的点记为(X,Y)；

②计算激光弧线中心点的实际坐标：根据相机的标定结果，将提取出来的激光点像素坐标转换到实际坐标，具体方法是，检测激光弧线在图像中的位置以及对应在靶标图像中的网格位置，根据激光点的不同位置自动调用合适的拟合系数，转换成实际坐标，记为(X_w,Y_w)；

③激光点投影到与螺旋焊管中心轴垂直的平面上：由于激光平面与水平面垂直，与螺旋焊管成一定角度相交，相贯线为一个椭圆，因此需要按照两者之间的角度将相贯线投影到与螺旋焊管中心轴线相垂直的平面上，才能进行管径的提取，这个角度就是工业相机2获得的角度γ，投影时，由于工业相机1水平拍摄，即拍摄的图像横向坐标轴与水平面平行，所以投影前后图像的纵向坐标未发生改变，只需要按照投影角度调整激光点的横坐标，投影后的坐标记为(X_r,Y_r)，转换公式为：

X_r＝X_w×cosγ；

Y_r＝Y_w；

④拟合得到螺旋焊管外径和椭圆度信息：得到圆弧坐标点(X_r,Y_r)后，采用最小二乘法圆拟合，得到螺旋焊管旋转到此刻位置时的激光线部分对应的钢管管径，当螺旋焊管旋转一周结束时，得到若干个螺旋焊管不同位置的管径数据，通过取平均值去除误差的方式确定螺旋焊管的平均管径，同时可以对不同位置管径数据的差异进行分析，得到螺旋焊管的椭圆度等信息。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1.改变了原先的人工测量方式，可以自动获得螺旋焊管的外径及椭圆度数据，其精度可以保证在0.1mm以下，相比手工测量更精确、效率更高，同时所得数据可以自动存储，以供数据追溯。

2.改善了传统的激光视觉传感器的标定方式，采用标定靶标与激光平面重合、与工业相机1中心光轴垂直的标定方式，可以仅通过拍摄一张靶标图象，就可以得到所需相机的参数，使得现场标定过程简单方便、易于操作。

3.由于采用测量平台的方式进行管径测量，而且装置与螺旋焊管之间的相对位置没有精确的要求，只需满足相机的拍摄要求即可，而且线激光发生器产生的激光平面无需与螺旋焊管的中心轴垂直，因此，位置的标定对测量精度几乎没有影响，避免了原有技术的位置标定困难的问题。

4.通过导轨长度的合理选择，配合升降机构可以对工业相机1的位置及高度进行调整，即可简单方便的实现不同管径的螺旋焊管外径和椭圆度的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1、工业相机，2、工业相机，3、网格标定靶标，4、线激光发生器，5、悬臂，6、导轨，7、滑块，8、升降机构，9、测量平台。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，包括工业相机1，工业相机2，网格标定靶标3，线激光发生器4，悬臂5，导轨6，升降机构8，测量平台9，其特征在于：

工业相机1、工业相机2、网格标定靶标3、线激光发生器4、悬臂5、导轨6固定在测量平台9上。线激光发生器4产生的激光平面垂直于水平面，与导轨6的方向垂直。工业相机1与升降机构8相连接，通过升降机构8固定在导轨6的滑块7上，其中心光轴与导轨6的方向平行，垂直于线激光发生器4产生的激光平面。工业相机2通过悬臂5固定在测量平台9上，工业相机2的中心光轴在线激光发生器4产生的激光平面内，并与水平面相垂直。网格标定靶标3放置在所述的线激光发生器4产生的激光平面内，与工业相机1的中心光轴垂直，网格标定靶标3竖直方向的中心线与导轨6的中心线在同一个平面内。

所述的工业相机1的镜头和线激光发生器4的激光平面的垂直距离为400～1400mm，所述的线激光发生器4和导轨6的中心线的垂直距离为300-600mm，导轨6的长度为600-1000mm。

所述的网格标定靶标3通过支座装配在测量平台9上，并且可以拆卸。网格标定靶标3采用15格×15格、每格的尺寸精确为10mm×10mm的制式。

将测量装置放置在螺旋焊管生产线一侧，测量平台9保持水平，调整升降机构8，使工业相机1的中心光轴与钢管的中心线在同一水平高度，调整测量装置的位置，使激光发生器4产生的激光平面与钢管边缘的夹角为60°～80°，同时激光平面与螺旋焊管相交的激光线在工业相机1的视野内，调整悬臂5的角度和高度，使工业相机2能够同时清楚拍摄激光线和钢管边缘。

将网格标定靶标3固定在测量平台上，调整升降机构8，使工业相机1的中心光轴与网格标定靶标3的水平中心线在同一高度，调整导轨6上的滑块7位置，微调工业相机1的镜头，使工业相机1能清楚完整的拍摄整个标定靶标3，固定滑块7的位置，拍摄下此时的标定靶标3图像，通过拍摄的图像可以实现对工业相机1的标定。将标定靶标3从测量平台9上拆卸掉，调整升降机构8的高度，使工业相机1能够清楚拍摄到钢管上的激光弧线，且激光弧线在拍摄图像的中间位置，固定升降机构8的高度。

当螺旋焊管的生产开始时，通过计算机上的图像拍摄软件同步控制工业相机1、2拍摄钢管图像，把每一时刻两个相机拍摄的图像作为同一时刻的不同类别的图像，工业相机1拍摄的图片包含了螺旋焊管的边缘信息和激光线的信息，工业相机2拍摄的图片包含了螺旋焊管上激光线随钢管旋转到不同位置的变化信息。随着螺旋焊管的不断旋转，两个相机按照一定频率不断拍摄钢管不同位置的图像，当钢管旋转一周时，将两个相机拍摄的所有图像作为同一组图像。

根据工业相机1拍摄的网格靶标图像，我们可以进行相机的标定，相机的标定方法为：

相机标定方法为一般性公开技术，本标定方法不同于传统的三维标定，采用的标定靶标3为精加工的15格×15格、每格的尺寸精确为10mm×10mm的平面网格靶标，靶标的放置方向与工业相机1中心光轴相互垂直，放置在激光平面内且在相机1拍摄范围内。

根据拍摄的靶标图像，首先进行角点坐标的提取，由于网格的最外面两行和两列不进行角点提取，所以得到的角点数量为14×14，处理得到网格每一角点的像素坐标值(X_i,j,Y_i,j)(i＝1,2,3……14；j＝1,2,3……14)；然后，通过横向同一行网格角点的直线拟合确定靶标横向网格与图像横向坐标轴之间的夹角α，通过纵向同一列网格角点的直线拟合确定纵向网格与图像纵向坐标轴之间的夹角β；最后，根据实际的靶标距离，得到每一对应角点的横向和纵向标定系数k_x(i,j)、k_y(i,j)，为了降低标定误差，标定采用四格标定系数的平均值作为中间角点的标定系数，标定系数公式：

k_x(i,j)＝(10×cosα)/[(X_i,j+2-X_i,j-2)]，i＝1,2,3……14；j＝3,4,5……12

k_y(i,j)＝(10×cosβ)/[(Y_i+2,j-Y_i-2,j)]，i＝3,4,5……12；j＝1,2,3……14

得到标定系数之后，根据激光弧线像素坐标就能得到实际的世界坐标位置。

根据工业相机2拍摄的图像，我们需要进行图像处理，得到激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角，其主要步骤为：

1.寻找激光线的中线方程：该步骤首先将灰度图像经过图像滤波，图像增强之后，对图像进行灰度分析，对图像中激光线的部分沿行寻找最亮点作为激光线的中心点，再对寻找到的激光点采用最小二乘直线拟合，拟合出的直线方程作为激光线的中线方程，直线斜率记为k₁。

2.寻找螺旋焊管边缘直线方程：对灰度图像采用sobel边缘检测算子进行边缘检测，得到钢管边缘和激光线的二值图像，去除激光点，对剩余的点采用最小二乘法进行钢管边缘的直线拟合，得到螺旋焊管的边缘直线方程，直线斜率记为k₂。

3.计算激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角：两者的夹角记为γ，夹角的计算公式为γ＝|arctan(k₁)–arctan(k₂)|。

由工业相机1拍摄的激光弧线图像，我们需要进行图像处理，提取出激光弧线的中线，进行管径拟合，该类图像的图像处理和运算步骤，为一般性公开技术，其主要步骤为：

1.提取激光弧线中心点的图像坐标：将图像进行灰度变换，图像滤波之后，对激光弧线部分逐行寻找最亮点，将最亮点作为激光弧线的中心点，然后采用对激光点进行平滑处理，处理后的点记为(X,Y)。

2.计算激光弧线中心点的实际坐标：根据相机标定出来的横向和纵向的标定系数k_x(i,j)和k_y(i,j)，将提取出来的激光点像素坐标转换到实际坐标，具体方法是，检测激光弧线在图像中的位置以及对应在靶标图像中的网格位置，根据激光点的不同位置自动调用合适的拟合系数，转换成实际坐标，记为(X_w,Y_w)。

3.激光点投影到与螺旋焊管中心轴垂直的平面上：由于激光平面与水平面垂直，与螺旋焊管成一定角度相交，相贯线为一个椭圆，因此需要按照两者之间的角度将相贯线投影到与螺旋焊管中心轴线相垂直的平面上，才能进行管径的提取，这个角度就是工业相机2获得的角度γ。由于工业相机1水平拍摄，即拍摄的图像横向坐标轴与水平面平行，所以投影前后图像的纵坐标未发生改变，只需要按照投影角度调整激光点的横坐标，投影后的坐标记为(X_r,Y_r)，转换公式为：

X_r＝X_w×cosγ；

Y_r＝Y_w；

4.拟合得到螺旋焊管外径和椭圆度信息：得到圆弧坐标点(X_r,Y_r)后，采用最小二乘法圆拟合，得到螺旋焊管旋转到此刻位置时的激光线部分对应的钢管管径，当螺旋焊管旋转一周结束时，得到若干个螺旋焊管不同位置的管径数据，通过取平均值去除误差的方式确定螺旋焊管的平均管径，同时可以对不同位置管径数据的差异进行分析，得到螺旋焊管的椭圆度等信息。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，包括工业相机1，工业相机2，网格标定靶标，线激光发生器，悬臂，导轨，升降机构，测量平台，其特征在于：工业相机1、工业相机2、网格标定靶标、线激光发生器、悬臂、导轨固定在测量平台上；线激光发生器产生的激光平面垂直于水平面，与导轨的方向垂直；工业相机1与升降机构相连接，通过升降机构固定在导轨的滑块上，其中心光轴与导轨的方向平行，垂直于线激光发生器产生的激光平面；工业相机2通过悬臂固定在测量平台上，工业相机2的中心光轴在线激光发生器产生的激光平面内，并与水平面相垂直；网格标定靶标放置在所述的线激光发生器产生的激光平面内，与工业相机1的中心光轴垂直，网格标定靶标竖直方向的中心线与导轨的中心线在同一个平面内。

2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述的工业相机1的镜头和激光发生器的激光平面的垂直距离为400～1400mm。

3.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述的线激光发生器和导轨的中心线的垂直距离为300-600mm，导轨的长度为600-1000mm。

4.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述网格标定靶标采用15格×15格、每格的尺寸精确为10mm×10mm的制式。

5.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述螺旋焊管管径为219-630mm。

6.一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)将测量装置放置在螺旋焊管生产线一侧，测量平台保持水平，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与钢管的中心线在同一水平高度，调整测量装置的位置，使激光发生器产生的激光平面与钢管边缘的夹角为60°～80°，同时激光平面与螺旋焊管相交的激光线在工业相机1的视野内，调整悬臂的角度和高度，使工业相机2能够同时清楚拍摄激光线和钢管边缘；

(2)将网格标定靶标固定在测量平台上，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与网格标定靶标的水平中心线在同一高度，调整导轨上的滑块位置，微调工业相机1的镜头，使工业相机1能清楚完整的拍摄整个标定靶标，固定导轨上的滑块位置，拍摄下此时的标定靶标图像，通过拍摄的图像可以对工业相机1进行标定；

(3)将标定靶标从测量平台上拆卸掉，调整升降机构的高度，使工业相机1能够清楚拍摄到钢管上的激光弧线，且激光弧线在拍摄图像的中间位置，固定升降机构的高度；

(4)当螺旋焊管的生产开始时，通过计算机上的图像拍摄软件同步控制工业相机1、2拍摄钢管图像，每一时刻两个相机拍摄的图像作为同一时刻的不同类别的图像，工业相机1拍摄的图片包含了螺旋焊管的边缘信息和激光线的信息，工业相机2拍摄的图片包含了螺旋焊管上激光线的随钢管不同位置的变化信息；随着螺旋焊管的不断旋转，两个相机按照一定频率不断拍摄钢管不同位置时的图像，当钢管旋转一周时，将两个相机拍摄的所有图像作为同一组图像；

(5)根据工业相机2拍摄的图像，进行图像处理，得到激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角；

(6)由工业相机1拍摄的激光弧线图像，我们需要进行图像处理，提取出激光弧线的中线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体操作为：

①寻找激光线的中线方程：首先将灰度图像经过图像滤波，图像增强之后，对图像进行灰度分析，对图像中激光线的部分沿行寻找最亮点作为激光线的中心点，再对寻找到的激光点采用最小二乘直线拟合，拟合出的直线方程作为激光线的中线方程，直线斜率记为k₁；

②寻找螺旋焊管边缘直线方程：对灰度图像采用sobel边缘检测算子进行边缘检测，得到钢管边缘和激光线的二值图像，去除激光点，对剩余的点采用最小二乘法进行钢管边缘的直线拟合，得到螺旋焊管的边缘直线方程，直线斜率记为k₂；

③计算激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角：两者的夹角记为γ，夹角的计算公式为γ＝|arctan(k₁)–arctan(k₂)|。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)的具体操作为：

①提取激光弧线中心点的图像坐标：将图像进行灰度变换，图像滤波之后，对激光弧线部分逐行寻找最亮点，将最亮点作为激光弧线的中心点，然后采用对每一点附近的五个点取平均值的方法进行平滑处理，处理后的点记为(X,Y)；

②计算激光弧线中心点的实际坐标：根据相机的标定结果，将提取出来的激光点像素坐标转换到实际坐标，具体方法是，检测激光弧线在图像中的位置以及对应在靶标图像中的网格位置，根据激光点的不同位置自动调用合适的拟合系数，转换成实际坐标，记为(X_w,Y_w)；

③激光点投影到与螺旋焊管中心轴垂直的平面上：由于激光平面与水平面垂直，与螺旋焊管成一定角度相交，相贯线为一个椭圆，因此需要按照两者之间的角度将相贯线投影到与螺旋焊管中心轴线相垂直的平面上，才能进行管径的提取，这个角度就是工业相机2获得的角度γ，投影时，由于工业相机1水平拍摄，即拍摄的图像横向坐标轴与水平面平行，所以投影前后图像的纵向坐标未发生改变，只需要按照投影角度调整激光点的横坐标，投影后的坐标记为(X_r,Y_r)，转换公式为：

X_r＝X_w×cosγ；

Y_r＝Y_w；

④拟合得到螺旋焊管外径和椭圆度信息：得到圆弧坐标点(X_r,Y_r)后，采用最小二乘法圆拟合，得到螺旋焊管旋转到此刻位置时的激光线部分对应的钢管管径，当螺旋焊管旋转一周结束时，得到若干个螺旋焊管不同位置的管径数据，通过取平均值去除误差的方式确定螺旋焊管的平均管径，同时可以对不同位置管径数据的差异进行分析，得到螺旋焊管的椭圆度等信息。