基于激光掃描的鋼板尺寸自動測量系統

姜志華 熊 烽 劉祥謀

(1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074; 2.武漢黃鶴樓新材料科技開發有限公司，湖北武漢 430074)

鋼鐵板材的尺寸是國內、國際產品標準中重要的技術指標。如何測量和控制好鋼板的尺寸，無論是對鋼鐵生產企業的質量提高、成本的降低，還是對最大限度滿足客戶的多樣化需求、提高產品的競爭力，都具有非常重要的意義[1]。隨著光電技術、微電子和計算機技術的快速發展，以激光掃描儀等為代表的新型傳感器使非接觸式尺寸測量進入到一個全新的階段，并有著越來越廣闊的應用和發展前景。鑒于此，本文采用激光掃描儀、數據采集卡、工控機等為主要組成的測試系統對鋼板尺寸進行測量，該系統具有檢測精度高、成本低和輸出穩定性好等特點。

1 測量方法

鋼板尺寸自動測量系統是通過激光測距技術獲取掃描區域內的一系列三維坐標點，并通過相應的算法提取鋼板邊界的特征點，從而進一步求取鋼板的長、寬等尺寸。如圖1所示為鋼板尺寸自動測量系統的原理示意圖。當鋼板接近與鋼板運行方向成一定角度且對稱安裝的激光掃描儀組所形成測量場時，安裝于輥道兩側的紅外對管發出啟動信號，觸發激光掃描儀組和計算機數據采集分析系統同時工作，所得的數據由串口高速采集卡同步采集并交由相應的軟件進行處理，通過邊界特征點的提取即可計算鋼板的長度和寬度。

圖1中1～8為激光掃描儀，一般由激光發射器、接收器、時間計數器、微電腦等部分組成。本文選用的激光掃描儀為德國SICK公司的LMS-400型激光測距掃描儀，屬非接觸式測量系統，它通過發射激光對其周圍物體進行二維掃描，并且不需要額外的反射棱鏡和位置標記。

2 數據處理

2.1 邊界特征點提取

在基于激光掃描的鋼板尺寸測量系統中，邊界特征點的提取是整個系統的基礎和關鍵。本文利用各掃描點在豎直方向上的坐標值突變實現鋼板邊界特征點的提取。

由激光掃描儀組形成的掃描截面中，以掃描截面中線對應的掃描點為基準向兩邊掃描，比較各掃描點在豎直方向上的坐標值是否發生突變，如果發生突變，并大于某一確定的閥值，則認為該掃描點的前一個掃描點為鋼板邊界特征點。如圖2所示為鋼板邊界特征點提取示意圖。閥值需要根據被測鋼板的厚度、激光掃描儀的距離測量精度以及安裝位置來定，并通過實驗進行修正，以達到最佳的測量效果。

2.2 數學模型

要得到鋼板長、寬的數學模型，必須將每一個掃描點的極坐標距離信息轉換到相應激光掃描儀的當地坐標系[3]，見圖3。

如圖3所示，兩組共6臺激光掃描儀對稱安裝于輥道的正上方，與輥道平面相距為h，與鋼板運行方向的夾角為?。每組相鄰兩臺激光掃描儀的安裝間距為l，激光掃描儀3，4之間的距離為L，激光掃描儀的角度掃描范圍為 θ。Ai，Aj，Am，An分別為激光掃描儀在鋼板寬度和長度方向上的邊界掃描特征點。設掃描點Ai的極坐標為(ri，ωi，?)，則可得其在相應當地坐標系中的位置:

同理可得鋼板寬度方向上另一邊界特征點Aj在相應坐標系中的位置:

兩相應掃描中心Oi，Oj的距離:

由上式可得鋼板的寬度為:

同理可得鋼板的長度為:

為保證每組相鄰兩臺激光掃描儀的掃描點有一定的重合度，需滿足如下不等式:

由此，系統可測得鋼板最大的寬度和長度分別為:

3 測試結果及結論

對測量系統進行現場標定，并通過實驗對測量結果的系統誤差進行修正后，經過長時間的實際測量后表明，系統具有較高的測量精度和輸出穩定性。系統對長度、寬度的測量見表1，表2。

表1 系統長度測量值比較 cm

表2 系統寬度測量值比較 cm

本文提出了一種基于激光掃描的鋼板尺寸自動測量方案，該方案通過鋼板邊界特征點的識別和提取對鋼板的長、寬進行測量，具有測量精度高、成本低、光照影響小、輸出穩定性好等特點。與鋼板運行方向成一定角度安裝的激光掃描儀組可以對鋼板跑偏帶來的測量誤差進行自動補償，進一步提高了測量精度。

[1]賀賽先，何對燕.面陣CCD鋼板長寬尺寸在線實時測量系統[J].儀器儀表學報，1997(5):640-642.

[2]解建國，張河新.鋼板寬度高速實時在線監測系統研究[J].機床與液壓，2002(5):226-227.

[3]六 星，裴海龍.一種基于激光測距技術的三維可視化系統[J].現代電子技術，2008(4):147-149.