一种连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量系统及方法与流程

本发明属于视觉测距与激光测距相关，具体涉及一种连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量系统及方法。

背景技术：

1、连铸坯是炼钢炉炼成的钢水经过连铸机铸造后得到的产品，连铸坯需要通过输送机的辊道进行运输。由于输送机的辊道表面加工误差、粘料或磨损不均，进而造成辊道中各辊子的直径大小不同，或者转载点处落料位置不正等原因，辊道上输送的连铸坯可能与辊道两侧在水平方向上存在一定的偏移，若不能及时采取有效的处理措施，则会造成输送机的轨道与连铸坯边缘发生碰撞，造成严重的安全事故，并增加企业生产成本，降低企业经济效益。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提供一种连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量系统及方法，通过测量连铸坯边缘与辊道两侧边缘之间的平直角度，能判断所测得的平直角度是否处于安全阈值中。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量系统，包括辊道，所述辊道左上方和右上方均设有相机，左右两侧所述相机的视场重合并形成双目相机，左右两侧所述相机之间设有多线激光器，用于向辊道上运行的连铸坯投射多条平行的线结构光，所述双目相机用于实时识别多线激光器提供的连铸坯的边缘特征点并拟合连铸坯轮廓直线方程；所述辊道左右两侧均设有点光源组，左侧所述点光源组中的多个点光源中心连线与辊道左边缘平行，右侧所述点光源组中的多个点光源中心连线与辊道右边缘平行，左右两侧所述点光源组均处于双目相机的视场内，所述双目相机与左右两侧点光源组配合用于标定辊道相应边缘的参考轴；所述双目相机与控制系统的信号输入端通讯连接，所述控制系统的信号输出端与报警器通讯连接，所述控制系统用于实时计算并获取参考轴与拟合的连铸坯轮廓直线方程之间的第一夹角。

4、进一步地，所述控制系统用于将实时获取的第一夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，所述第一夹角超出安全阈值，所述控制系统用于控制报警器发出报警信号。

5、进一步地，所述辊道左边缘和右边缘处均设有激光测距仪，左右两侧所述激光测距仪与控制系统的信号输入端通讯连接，左侧所述激光测距仪用于实时获取连铸坯左边缘与辊道左边缘之间的距离并传送至控制系统，右侧所述激光测距仪用于实时获取连铸坯右边缘与辊道右边缘之间的距离并传送至控制系统，所述控制系统用于根据接收的距离信息实时检测连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的第二夹角。

6、进一步地，所述控制系统用于将实时获取的第二夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，所述第二夹角超出安全阈值，所述控制系统用于控制报警器发出报警信号。

7、进一步地，所述控制系统用于将实时获取的第一夹角与第二夹角进行优化，得到优化夹角，所述控制系统用于将优化夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，所述优化夹角超出安全阈值，所述控制系统用于控制报警器发出报警信号。

8、进一步地，左侧所述相机与右侧相机相对辊道传送方向的中心线对称布置，左侧所述点光源组与右侧点光源组相对辊道传送方向的中心线对称布置，左侧所述激光测距仪与右侧激光测距仪相对辊道传送方向的中心线左右布置，所述多线激光器处于辊道正上方位置处，所述报警器处于多线激光器上方，左右两侧所述相机、左右两侧所述点光源组、左右两侧所述激光测距仪、多线激光器和报警器均通过安装梁进行安装。

9、一种连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量方法，采用上述所述的连铸坯边缘与辊道两侧边缘平直角度测量系统进行测量，包括以下步骤：

10、s1包括两个并列的分步骤s1-1和s1-2：

11、s1-1、所述双目相机与左右两侧点光源组配合以标定辊道相应边缘的参考轴，并将标定的辊道相应边缘的参考轴数据传送至控制系统；所述多线激光器向辊道上运行的连铸坯投射多条平行的线结构光，所述双目相机识别多线激光器提供的连铸坯的边缘特征点并拟合连铸坯轮廓直线方程，并将拟合的连铸坯轮廓直线方程数据传送至控制系统；所述控制系统实时计算并获取参考轴与拟合的连铸坯轮廓直线方程之间的第一夹角；

12、s1-2、同时左侧所述激光测距仪实时获取连铸坯左边缘与辊道左边缘之间的距离并传送至控制系统，右侧所述激光测距仪实时获取连铸坯右边缘与辊道右边缘之间的距离并传送至控制系统，所述控制系统根据接收的距离信息实时检测连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的第二夹角；

13、s2、所述控制系统将实时获取的第一夹角与第二夹角进行优化，得到优化夹角，所述控制系统将优化夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，当所述优化夹角超出安全阈值，所述控制系统控制报警器发出报警信号。

14、进一步地，步骤s1-1中：所述双目相机识别多线激光器提供的连铸坯的边缘特征点并拟合连铸坯轮廓直线方程具体为，所述双目相机采集带有线结构光的连铸坯表面双目图像，其中每条线结构光在连铸坯上的投影与连铸坯的左边缘和右边缘分别相交，得到左轮廓点和右轮廓点，并通过所述双目相机计算得到左轮廓点和右轮廓点在相机坐标系下的三维坐标，再将左轮廓点和右轮廓点的三维坐标投影到参考轴所在平面，拟合连铸坯轮廓直线方程。

15、进一步地，步骤s1-1具体包括以下分步骤：

16、s1-1-1、双目相机的标定

17、s1-1-11、相机图像采集中的自动曝光处理：曝光调节的方向是使梯度信息最大化的方向，曝光调节最终会在图像梯度信息处于最大值附近时稳定，具体为通过自动曝光法提取清晰的线结构光特征，其中所述自动曝光法包括曝光调节时更新相机参数以及更新曝光值；

18、s1-1-1101、曝光调节时更新相机参数

19、通过调整曝光时间和曝光增益更新曝光量，其中通过曝光值ev衡量相机的曝光量：

20、ev＝log(t*g)                                    (1)

21、式(1)中，t代表曝光时间，g代表曝光增益；

22、其中增大曝光增益给图像带来噪声，一般将曝光增益设置为一个较小值，优先通过调整曝光时间更新曝光值，当通过调整曝光时间无法达到曝光值的更新要求时，再对曝光增益进行调整；

23、s1-1-1102、更新曝光值

24、图像梯度信息关于曝光值近似为一个有极大值的上凸函数，采用黄金分割法进行曝光值的更新，记图像梯度值为f(x)，x∈[a,b]，且图像梯度值f(x)在曝光值的区间[a,b]上存在极大值，并且图像梯度值f(x)的极大值所对应的曝光值为x*；

25、在对图像进行自动曝光调节前，先对场景连续两次曝光，具体为在区间[a,b]上先取两个试探点x1和x2，且a＜x1＜x2＜b，然后再计算曝光值x1对应的图像梯度值f(x1)和曝光值x2对应的图像梯度值f(x2)；

26、通过计算曝光后得到的图像梯度值缩小曝光值的区间，若f(x1)＜f(x2)，则x*∈[x1,b]，保留[x1,b]并去掉[a,x1]；若f(x1)＞f(x2)，则x*∈[a,x2]，保留[a,x2]并去掉[x2,b]；若f(x1)＝f(x2)，则x*∈[x1,x2]，保留[x1,x2]并去掉[a,x1]及[x2,b]；

27、之后将得到的区间左端点值赋值为a，右端点值赋值为b，不断重复采用黄金分割法进行曝光值的更新，继续缩小图像的曝光值区间，以得到最佳的曝光值；

28、设lk为第k次对图像进行曝光后比较图像梯度值后留下的区间长度，缩短区间时，每次留下的区间长度为前一次留下的区间长度的ω倍，则

29、lk+1＝ωlk                                        (2)

30、在实际曝光调节中，使x1和x2在区间[a,b]中处于对称位置，具体为：

31、x1-a＝b-x2                                     (3)

32、由等比例收缩原则可得

33、l1＝ωl0                                         (4)

34、式(4)中，l0＝b-a，

35、则l1＝x2-a＝b-x1＝ω(b-a)，可得x1＝b-ω(b-a)，并求得x1＝a+(1-ω)(b-a)，x2＝a+ω(b-a)；

36、其中当保留区间[x1,b]并为了进一步缩短区间，需要在保留的区间[x1,b]上取两个试探点，则利用位于区间[x1,b]中的现成的点x2作为其中一个试探点，以减少计算量；

37、且w2+w-1＝0，则进而

38、ev1＝x1＝a+0.382(b-a)                           (5)

39、ev2＝x2＝a+0.618(b-a)                           (6)

40、式(5)中，ev1代表左试探点对应的曝光值，式(6)中，ev2代表右试探点对应的曝光值；

41、s1-1-12、对双目相机进行标定获取相机的内外参数以及左右两侧相机之间的转移矩阵

42、s1-1-1201、对双目相机进行标定获取相机的内外参数

43、在双目相机视场范围内自由移动标定板，从不同角度获取k幅标定板图像，其中k≥3，并检测标定板图像中各个特征点的亚像素坐标，利用特征点之间的对应关系求解每个视角中世界坐标系o-xwywzw与像素坐标系ou-uv之间的单应性矩阵h，取标定板所在平面为世界坐标系zw＝0的平面，则标定板平面上的点的世界坐标系与像素坐标系下的对应关系为：

44、

45、式(7)中，为相机的内部参数矩阵，fx表示x轴的尺度因子，fy表示y轴的尺度因子，[u0,v0]表示相机光轴与图像平面的交点o1在像素坐标系中的坐标，r为旋转矩阵，为3×3的正交单位矩阵，ri表示旋转矩阵r的第i列向量，t为平移矩阵，s为尺度因子；

46、令则式(7)可表示为：

47、

48、其中式(8)中，

49、通过已知标定板上特征点的世界坐标和亚像素坐标，利用最小二乘法求解超定方程并用levenberg-marquarat算法进一步优化，求出h矩阵，进而获得相机的内外参数的初始解；

50、s1-1-1202、对双目相机进行标定获取左右两侧相机之间的转移矩阵

51、已知空间中的同一点在左侧相机坐标系下的三维坐标表示为pl、在右侧相机坐标系下的三维坐标表示为pr、在世界坐标系下的三维坐标表示为pw，则pl、pr与pw具有如下关系：

52、

53、式(9)中，rl为左侧相机的旋转矩阵，tl为左侧相机的平移矩阵，rr为右侧相机的旋转矩阵，tr为右侧相机的平移矩阵，r12为右侧相机坐标系到左侧相机坐标系的旋转矩阵，t12为右侧相机坐标系到左侧相机坐标系的平移矩阵，

54、由式(9)可解得

55、

56、s1-1-13、计算所获取的标定板上特征点的三维坐标

57、对于获得的图像中线结构光与标定板其中一侧边缘的交点的像素坐标p(u,v)，假设其代表的空间被测点在参考世界坐标系下的三维坐标为p(xw,yw,zw)，则

58、zcp＝mp                                          (11)

59、式(11)中，zc表示比例系数，与相机的光心与空间被测点之间的距离相关，m表示含有相机内外参数的投影矩阵，其中

60、对于左右两侧相机，分别有

61、

62、式(12)中，左侧相机的投影矩阵m1所包含的外参矩阵中的r和t由单位矩阵和零矩阵构成，右侧相机的投影矩阵m2所包含的外参矩阵中的r和t由r12和t12构成的，并根据左侧相机的投影矩阵m1以及右侧相机的投影矩阵m2，利用最小二乘法求得相应交点在参考世界坐标系下的三维坐标pw1；

63、s1-1-2、参考轴标定并获取辊道左右两侧的标准线所在的辊道平面方程

64、通过双目相机拍摄左右两侧点光源组，求解图像中相应侧点光源组中各点光源的几何中心点的像素坐标，并根据步骤s1-1-12可获得图像上点的像素坐标到世界坐标系的转换关系，通过该转换关系测量出图像中左右两侧点光源组中各点光源的三维坐标(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,...,n，其中相应侧点光源组中各点光源的中心连线形成辊道相应边缘的标准线即参考轴，参考轴在左侧相机坐标系下不过原点的辊道平面方程的一般表达式为：ax+by+cz+1＝0，设a、b、c为平面的最优参数，将每个点光源的三维坐标代入辊道平面方程的表达式，存在误差ei＝axi+byi+czi+1，将所有误差的平方进行求和则有

65、

66、式(13)为四维空间中的一个下凸超平面，且具有唯一的极小值，同时也是全局最小值，求解该方程组得出参考轴所在的辊道平面方程；

67、s1-1-3、计算连铸坯边缘与辊道相应侧边缘之间的第一夹角

68、s1-1-31、连铸坯边缘轮廓点提取

69、通过控制多线激光器的激光投射角度以对连铸坯图像添加人工特征，使线结构光在连铸坯边缘出现断裂情况，便于边缘点定位，并采用间隔定位法区分线结构光位置，以分离出单个完整线结构光条纹，具体为：

70、选取一间隔值dis并沿roi图像的y方向遍历图像：若每一列线结构光的某像素点在x方向上的前一个像素点灰度值i(i-1,n·dis)小于激光线低阈值l_thre，且下一个像素点灰度值i(i+1,n·dis)大于激光线高阈值h_thre，则像素点(i,n·dis)判定为线结构光的左边缘点，右边缘点则相反，其中同一行中连续的左边缘点和右边缘点定位一条线结构光条纹，则每一行可定位多条线结构光条纹，选取定位线结构光条纹数量等于图像投影线结构光数量的行作为基准行，以每条线结构光条纹的左边缘点利用最小二乘法做线性回归拟合线结构光的直线；

71、根据所确定的某条线结构光直线的上边缘点和下边缘点，其中线结构光的上边缘点所在位置对应连铸坯的右边缘，线结构光的下边缘点所在位置对应连铸坯的左边缘，选取一上边缘距离和一下边缘距离进行roi提取与拼接，实现单条线结构光roi区域提取，之后由灰度质心法得到的线结构光条纹中心点进行优化，其中在图像坐标系o-xy内由灰度质心法求解出各点初始亚像素坐标，cp(xp,yp)为其中一点，以cp为中心，以rp为距离范围，选取范围内共(2rp+1)个点重新计算质心作为优化后的亚像素坐标：

72、

73、最终提取到精度高且平滑的线结构光条纹中心点，之后对线结构光两侧的端点进行提取，并对双目图像进行极线矫正，将左侧相机拍摄的连铸坯图像和右侧相机拍摄的连铸坯图像所获取的边缘点进行匹配，确保左右两侧图像所获取的边缘点对应为同一个三维坐标，实现连铸坯边缘轮廓点的提取；

74、s1-1-32、连铸坯边缘轮廓点三维坐标计算

75、对于连续采集的连铸坯图像中所提取到的边缘轮廓点，需做进一步的拼接以拟合出整个连铸坯的轮廓，具体为：根据边缘轮廓点的世界坐标确定其真实的位置，同时提取相机图像中的像素坐标，并且为连铸坯边缘轮廓中对应轮廓点赋值，得到连铸坯边缘轮廓点的三维坐标；

76、s1-1-33、连铸坯轮廓直线方程与参考轴之间的第一夹角求解

77、通过单组左右两侧图像对匹配，得到连铸坯某一时刻的边缘轮廓点在相机坐标系下的三维坐标，并将采集间隔时间与连铸坯行进速度结合计算，以获得连铸坯完整轮廓，对于单次测量获得的连铸坯边缘轮廓点的三维坐标，均建立在同样的左侧相机坐标系下，根据相对位移的原理，将不同时刻的相机坐标系根据行进距离进行相应的位移，以将连铸坯边缘轮廓点三维坐标统一到t1时刻的左侧相机坐标系o1-x1y1z1下；

78、假设在t时刻，连铸坯行进速度为vtmm/s，辊道受外界影响导致行进速度受到不同程度的干扰，导致连铸坯行进速度不能保持匀速，需对vt进行积分，以求得连铸坯在辊道上按照标准线方向前进的距离d，

79、

80、式(15)中，t1为起始时间，t2为结束时间；

81、记录连续两幅图像的采集时间与采集间隔，以将每幅图像的连铸坯边缘轮廓点集按时间顺序拼接获得统一坐标系后的边缘轮廓点集

82、在得到连铸坯边缘与线结构光交点的三维坐标后，将三维坐标向辊道所在平面进行投影，设连铸坯边缘轮廓上一个点的坐标为p(xp,yp,zp)，由步骤s1-1-2所求得的辊道平面方程ax+by+cz+1＝0，及对应的法向量得点p(xp,yp,zp)到辊道所在平面的投影直线方程为：

83、

84、该投影直线与辊道所在平面的交点为连铸坯边缘轮廓点到辊道所在平面的投影点p(x,y,z)，联立式ax+by+cz+1＝0与式(16)得：

85、

86、将所有投影直线与辊道所在平面的交点均按上述方法进行投影，得到辊道所在平面上连铸坯边缘轮廓的投影点集{p'(xi,yi,zi),i＝1,2,...,n}，根据投影点集进行直线拟合得到连铸坯轮廓直线方程：

87、

88、式(18)中，a(x0,y0,z0)为连铸坯轮廓直线上的其中一点，向量为非零向量且与连铸坯轮廓直线平行，b(x,y,z)为连铸坯轮廓直线上的任意一点，向量与向量平行，向量的各个分量成比例，再结合辊道的运动方向向量，计算得到连铸坯轮廓直线方程与参考轴之间的第一夹角为

89、进一步地，

90、步骤s1-2具体为：

91、相位式激光检测技术通过调制信号对发射激光光波的光强进行调制，根据测量相位差计算被测目标与激光测距仪之间的距离，具体为：

92、假设激光发射处与反射处之间的距离为x，激光在空气中传播的速度为c，激光在激光发射处与反射处之间的往返时间为t，则有：

93、t＝2x/c                                             (19)

94、且调制信号的周期为t，频率为f，激光发射处与反射处接收信号的相位差为φ，则φ表示为：

95、

96、式(20)中，n为获取完整周期波的数量，δφ为不足一个完整周期的波相位；

97、综上可得被测目标与激光测距仪之间的距离为：

98、

99、当连铸坯经过激光测距仪时，激光测距仪不断发出激光光波，对连铸坯边缘与辊道相应侧边缘之间的距离进行测量，并实时传送至控制系统，左右两侧激光测距仪测得的距离值随时间逐渐递增或递减，最后由拟合直线y＝k1x+b1和参考线y＝k2x+b2计算得到连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的第二夹角其中拟合直线y＝k1x+b1为相应侧激光测距仪测得的距离值随时间的变化关系，与连铸坯相应边缘的方向具有近似的直线关系，参考线y＝k2x+b2为辊道相应边缘所在直线；

100、步骤s2中，所述控制系统将实时获取的第一夹角与第二夹角进行优化，得到优化夹角，且优化夹角表示为

101、相对于现有技术，本发明的有益效果为：

102、本发明中，双目相机与左右两侧点光源组配合以标定辊道相应边缘的参考轴，并将标定的辊道相应边缘的参考轴数据传送至控制系统，多线激光器向辊道上运行的连铸坯投射多条平行的线结构光，双目相机识别多线激光器提供的连铸坯的边缘特征点并拟合连铸坯轮廓直线方程，并将拟合的连铸坯轮廓直线方程数据传送至控制系统，控制系统实时计算并获取参考轴与拟合的连铸坯轮廓直线方程之间的第一夹角，控制系统将实时获取的第一夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，当第一夹角超出安全阈值时，控制系统控制报警器发出报警信号；这样通过双目相机和多线激光器能测出连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的夹角，并能提示设备操作人员及时发现连铸坯跑偏的现象，采取合理的安全措施，最大限度降低故障带来的损失。

103、另外，左侧激光测距仪实时获取连铸坯左边缘与辊道左边缘之间的距离并传送至控制系统，右侧激光测距仪实时获取连铸坯右边缘与辊道右边缘之间的距离并传送至控制系统，控制系统根据接收的距离信息实时检测连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的第二夹角，控制系统将实时获取的第二夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，当第二夹角超出安全阈值时，控制系统控制报警器发出报警信号；这样通过激光测距仪也能测出连铸坯边缘与辊道相应边缘之间的夹角。

104、本发明中，控制系统将实时获取的第一夹角与第二夹角进行优化，得到优化夹角，控制系统将优化夹角与控制系统中存储的安全阈值进行比较，当优化夹角超出安全阈值，控制系统控制报警器发出报警信号；这样通过将第一夹角和第二夹角进行优化，能更精确地测量出连铸坯边缘与辊道两侧边缘之间的平直角度。

105、综上，本发明的测量方法高效、精确、低成本，能实时监测连铸坯边缘与辊道两侧边缘之间的平直角度是否超出安全阈值。