基于CMOS圖像傳感器的熱軋鋼板輪廓測(cè)量系統(tǒng)

溫方金，馬豐原，賈治國，呂 坤

（1.新余鋼鐵股份有限公司中厚板廠，江西 新余 338001；2.河南中原光電測(cè)控技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450046）

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展以及智能制造理念的進(jìn)一步深化，鋼板特別是中厚板因其良好的機(jī)械性能、成品的尺寸精度高等特點(diǎn)己經(jīng)被廣泛地用在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)[1]。與此同時(shí)，對(duì)各個(gè)鋼廠對(duì)軋制成品板材的板形質(zhì)量要求也越來越高。對(duì)于鋼板的板形檢測(cè)，傳統(tǒng)的人工視覺己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的檢測(cè)要求，因此基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)己經(jīng)成為板形輪廓檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，也得到了很多研究機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)的認(rèn)同和重視[2]。

該課題主要針對(duì)基于CMOS光電測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，基于項(xiàng)目組所在多年以來在激光測(cè)量技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)基于CMOS圖像傳感器的光電測(cè)寬系統(tǒng)，提高鋼板寬度的測(cè)量速度和測(cè)量精度。并結(jié)合測(cè)速測(cè)長(zhǎng)儀實(shí)時(shí)記錄鋼板的速度數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算出鋼板的輪廓模型，最終實(shí)現(xiàn)基于CMOS圖像傳感器的鋼板輪廓測(cè)量系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量進(jìn)入測(cè)量區(qū)域的鋼板輪廓信息，并計(jì)算鋼板頭部的有效寬度位置，形成鋼板的優(yōu)化寬度和切頭長(zhǎng)度位置等剪切數(shù)據(jù)。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 鋼板輪廓測(cè)量系統(tǒng)的整體布局

鋼板輪廓測(cè)量系統(tǒng)由寬度測(cè)量系統(tǒng)、激光測(cè)速儀、數(shù)據(jù)處理單元、上位機(jī)處理軟件及界面組成。寬度測(cè)量系統(tǒng)由光電接收系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元和標(biāo)定系統(tǒng)組成，用于實(shí)時(shí)測(cè)量鋼板通過測(cè)量區(qū)域時(shí)的數(shù)據(jù)處理及寬度計(jì)算。激光測(cè)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量鋼板的速度信息。上位機(jī)軟件同步寬度和速度信息，擬合鋼板的輪廓曲線，計(jì)算鋼板板頭、板尾的最大剪切值，以及與工場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊，最終實(shí)現(xiàn)鋼板的優(yōu)化剪切。具體布局如圖1所示：

圖1 輪廓測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局

1.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)是通過圖像處理實(shí)現(xiàn)工業(yè)測(cè)量的基礎(chǔ)，由其設(shè)計(jì)帶來的誤差會(huì)影響到后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理及各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，因此良好的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)鋼板輪廓測(cè)量有著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的非接觸式檢測(cè)測(cè)量分為兩種類型，一是憑借己知的被測(cè)物的圖像，計(jì)算它的一些特征參數(shù)時(shí)，如鋼板的表面檢測(cè)系統(tǒng)，常選用白熾燈或LED燈帶作為補(bǔ)光光源；另一種是被測(cè)鋼板溫度較高時(shí)，其自身發(fā)出紅外波段光譜，可直接通過圖像傳感器進(jìn)行成像和采集[3]。針對(duì)熱軋鋼板輪廓測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙目被動(dòng)雙目測(cè)量原理，通過被動(dòng)成像對(duì)鋼板的寬度信息進(jìn)行采集處理和計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用4096像素單元CMOS圖像傳感器，每個(gè)像素尺寸為7*200μm，信號(hào)采樣頻率最大10MHz，滿足測(cè)量要求。

2 基本原理

2.1 鋼板寬度測(cè)量原理

本文鋼板寬度測(cè)量系統(tǒng)基于雙目被動(dòng)式測(cè)寬原理，該系統(tǒng)由2個(gè)光電接收系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元和標(biāo)定系統(tǒng)組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求兩個(gè)光電接受系通安裝在距離輥道平面H的平臺(tái)上，兩個(gè)接收系統(tǒng)距離為D，以其中垂線為y軸，以輥道平面為x軸，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖2所示。PQ為鋼板通過測(cè)量區(qū)域時(shí)的瞬時(shí)位置，設(shè)P點(diǎn)坐標(biāo)（x1,y1）,Q點(diǎn)坐標(biāo)（x2,y2）,M、N分別為鋼板邊緣P點(diǎn)在兩光電接收單元上的成像讀值位置a，b，則M點(diǎn)坐標(biāo)（a,0），N點(diǎn)坐標(biāo)（b,0）。

圖2 雙目測(cè)量原理示意圖

根據(jù)已有條件可求得△PBA≌△PMN，△MDP≌△MCB，可得：

同理可求得Q點(diǎn)坐標(biāo)（x2,y2）:

因此可求得待測(cè)鋼板寬度W：

2.2 基于激光測(cè)速儀的鋼板速度采集

激光測(cè)長(zhǎng)測(cè)速儀是通過光的多普勒效應(yīng)，通過對(duì)被測(cè)量物體的表面發(fā)射兩條明暗相間的干涉條紋。當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，光束就依照與該材料的速度成比例的頻率被散射回到測(cè)速儀接收系統(tǒng)中。對(duì)該光頻率的測(cè)量，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出速度信息，利用速度和時(shí)間的積分關(guān)系得出待測(cè)物體長(zhǎng)度[4]。

3 算法研究

3.1 鋼板寬度信號(hào)預(yù)處理與鋼板邊緣信號(hào)提取

本文設(shè)計(jì)采用線CMOS圖像傳感器，其采集結(jié)果為一維信號(hào)。一維信號(hào)的特性可由其幅值和邊緣來表示。在圖像處理邊緣檢測(cè)中，高斯平滑濾波是一個(gè)非常重要的平滑濾波函數(shù)[5]，一般，設(shè)θ（x）是一個(gè)平滑函數(shù)，,小波 ψ（x）是θ（x）的一階導(dǎo)數(shù)，即 ，則一個(gè)函數(shù)在尺度s下的邊緣定義為f（x）被θ（sx）平滑后的局部突變點(diǎn)。利用小波變換模極大值提取信號(hào)多尺度下的突變點(diǎn)，如圖所示：

圖3 小波變換模極大與突變點(diǎn)檢測(cè)

圖4 小波變換求鋼板邊緣信號(hào)

3.2 建表標(biāo)定與寬度計(jì)算

本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)建表標(biāo)定機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由固定底座、導(dǎo)軌滑塊、伺服電機(jī)、目標(biāo)板等部分組成。

圖5 建表標(biāo)定機(jī)構(gòu)示意圖

目標(biāo)板內(nèi)部置有紅外發(fā)光燈帶，表面開出50*400的長(zhǎng)方形孔模擬熱態(tài)鋼板，孔的邊緣經(jīng)接收系統(tǒng)成像在COMS傳感器上，當(dāng)系統(tǒng)開始建表后，由伺服電機(jī)帶動(dòng)滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從輥道平面向上方依次移動(dòng)固定位移，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄每個(gè)長(zhǎng)方孔邊緣位置信息，通過水平和垂直兩個(gè)方向數(shù)據(jù)擬合，最終建立鋼板寬度方向的平面空間坐標(biāo)系。當(dāng)鋼板通過測(cè)量區(qū)域時(shí)，將鋼板邊緣數(shù)據(jù)帶入平面坐標(biāo)系統(tǒng)，得到式（5）的各個(gè)參數(shù)，最終得出鋼板的實(shí)時(shí)寬度值。

3.3 輪廓測(cè)量

在傳統(tǒng)的圖像處理檢測(cè)方法中，通常將待測(cè)物體近似看作是勻速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是在進(jìn)行鋼板輪廓檢測(cè)的算法設(shè)計(jì)中，通常的處理方法是將待鋼板的勻速速度直接匹配寬度信息，并以此獲得待測(cè)鋼板的整體輪廓特征，這種計(jì)算方法是存在非常大誤差，由于待測(cè)鋼板在運(yùn)動(dòng)時(shí)受外界干擾比較大，其真實(shí)的運(yùn)動(dòng)速度并非一致。

考慮到在實(shí)際中外界干擾存在時(shí)鋼板的運(yùn)動(dòng)速度，因此本文采取將測(cè)速儀測(cè)得的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的匹配鋼板的寬度信息，并以此獲取的輪廓端點(diǎn)數(shù)據(jù)。本文設(shè)定將寬度測(cè)量周期設(shè)置成與速度采集周期一致。

圖6 寬度與長(zhǎng)度匹配的輪廓數(shù)據(jù)

通過對(duì)每個(gè)采集周期內(nèi)鋼板寬度方向邊緣的提取，計(jì)算寬度數(shù)值，然后匹配該采集周期內(nèi)中板的運(yùn)動(dòng)速度，就可以將圖像中待測(cè)中厚板的長(zhǎng)度尺寸與寬度尺寸求取出來，然后結(jié)合比例系數(shù)，就可以將待測(cè)鋼板的實(shí)際輪廓計(jì)算出來。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

該系統(tǒng)在某鋼廠中板生產(chǎn)線矯直機(jī)出口安裝一套，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼板的長(zhǎng)度和寬度數(shù)據(jù)，并依據(jù)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)計(jì)算出鋼板母板的輪廓信息以及鋼板頭部和尾部的有效長(zhǎng)度，并將此信息提供給工廠PLC網(wǎng)路，在未使用該系統(tǒng)前，需要操作人員對(duì)每塊鋼板進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，稍有疏忽就可能由于剪切不準(zhǔn)造成比較嚴(yán)重的后果。

該系統(tǒng)應(yīng)用后，切頭切尾的長(zhǎng)度由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算，極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低鋼板的切損率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)論

基于CMOS圖像傳感器的鋼纜輪廓測(cè)量系統(tǒng)模型是結(jié)合CMOS圖像測(cè)量技術(shù)與熱軋鋼板生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出來的。利用CMOS的圖像成像原理與小波邊緣多通道邊緣提取方法相結(jié)合計(jì)算鋼板寬度，通過激光測(cè)速儀對(duì)鋼板的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行采集并積分運(yùn)算得到鋼板實(shí)時(shí)長(zhǎng)度，最終依據(jù)鋼板的實(shí)時(shí)寬度和長(zhǎng)度信息綜合計(jì)算出鋼板的輪廓信息模型。

該模型可以實(shí)時(shí)獲取鋼板的寬度和長(zhǎng)度信息，最大限度的減小由于鋼板非勻速運(yùn)動(dòng)和外界環(huán)境的干擾對(duì)鋼板輪廓測(cè)量帶來的誤差，提高了測(cè)量精度，可對(duì)鋼板的優(yōu)化剪切起到很好的指導(dǎo)作用，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?？蓱?yīng)用與板材、熱連軋、板坯等多種場(chǎng)合的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。