基于激光線掃描三維重構的擴徑管道直徑及圓度測量方法

臧春華， 王海艦， 高興宇， 紀紅剛， 王 琨， 趙立新， 邱南聰

（1.廣東省珠海市質量計量監督檢測所， 廣東 珠海 519060； 2.桂林電子科技大學， 廣西 桂林 541004）

0 引言

管道在給水、排氣、供煤氣、長距離輸送石油和天然氣等各種工業裝置中用途廣泛，不同應用場合對管道的尺寸要求多種多樣， 因此需要根據需求對管道進行擴徑[1-2]。管道擴徑過程中需要對主要參數指標直徑和圓度進行實時在線監測，為工作人員提供精準的測量數據[3-4]。

針對被測管道具有直徑大， 管道過長， 數量多等特點， 本系統提出了一種基于激光線掃描三維重構的管道檢測系統， 對各種尺寸和長輸出的管道都能進行直徑和圓度的測量，提高了檢測的精確度和工作效率。通過激光線掃3D 相機傳感器獲取管道的外部輪廓線的點云數據，利用上機位對得到的點云數據進行分析， 然后采用點云拼接技術進行三維重構， 最后通過最小二乘法計算管道直徑尺寸和圓度。 基于不同尺寸大小的管道具有不同的測量方法，本系統將被測管道進行分類測量，將半徑小于485mm 的管道和半徑大于485mm 的管道分別進行測量，提高工作效率。

1 整體結構設計

管道直徑及圓度檢測系統整體結構包括傳感器位置控制系統，傳感器角度控制系統， 升降系統及人機交互界面，整體框架如圖1 所示。

圖1 系統整體框架結構Fig.1 Overall framework structure of the system

首先將管道放置在升降系統上，通過升降系統進行調整使管道中心與整體系統中心基本一致。通過步進電機調整激光線掃3D 相機傳感器至起始位置，然后通過高精度旋轉臺進行角度控制，使傳感器旋轉至設定的拍照角度，進行管道外輪廓數據采集，獲取數據后，對管道外輪廓進行點云濾波，三維重建得到重構的管道外輪廓， 最后通過最小二乘法函數對重構的管道直徑尺寸和圓度的計算。 利用激光線掃描傳感器進行外輪廓數據獲取后再利用上機位對圖像數據進行處理和分析；對上位機軟件進行了設計，完成了界面設計、結果顯示、單片機通訊、相機控制、數據管理等功能。使得整個檢測系統能夠順利運行， 利用上機位實現對管道的實時監測。

1.1 傳感器角度及位置控制系統

由于管道直徑過大，需要完整的拍攝到整個外表面，僅僅使用一個傳感器進行單次拍照無法拍攝到被測管道的全部范圍，采用單個進行多次拍照需要移動相機，進行多次拍照， 該方法無法滿足本系統的測量精度和工作效率。 同時采用多個傳感器雖然在精度和效率上得到了很大的保證，但由于本系統是一個高精度測量系統，采用的是EVT3D 相機傳感器高精度測量儀器，價格昂貴，成本高。 因此，綜合考慮本測試系統的精度和成本，決定采用兩個傳感器進行數據的獲取。 再通過對傳感器的位置和角度進行精準的控制， 使得傳感器能夠在保證精度的前提下進行多方位拍照， 完整的獲取被測管道外表面截面的全部圖像數據，保證其數據的完整性和相關性。管道測量方法如圖2 所示。

傳感器的擺放位置總共有A、B、C、D 四個位置，該四個點分別在被測管道角平分線上，使其滿足傳感器拍攝的最大距離。由于管道直徑大小不同，所以需在四個對角都進行拍照，保證圖片數據的完整性。對于半徑小于485mm 的管道，需要進行兩次拍照，先將傳感器移動到A、B 位置，傳感器鏡頭對準系統中心，拍照完成之后，再通過高精度步進電機將兩個傳感器移動至C、D 位置，將傳感器鏡頭對準系統中心進行拍照， 隨后將圖片數據保存至上機位進行點云數據處理。 對于半徑大于485mm 的管道，需要進行四次拍照，先將傳感器移動至A、B 位置，隨后通過高精度旋轉臺對傳感器進行角度控制， 先將A 位置的傳感器以AD 對角線為零刻度逆時針偏轉15°，B 位置的傳感器以BC 位置中心線為零刻度順時針偏轉15°，進行一次拍照；再將A 位置的傳感器順時針偏轉30°， 將B 位置的傳感器逆時針偏轉30°，進行第二次拍照；通過步進電機移動傳感器至C、D 位置， 將C 位置的傳感器以CB 對角線為零刻度順時針偏轉15°，將D 位置的傳感器以AD 對角線為零刻度逆時針偏轉15°，進行第三次拍照；隨后將C 位置的傳感器逆時針偏轉30°， 將D 位置的傳感器順時針偏轉30°，進行第四次拍照。 照完成后將圖片數據發送至上機位。

圖2 管道測量方法Fig.2 Pipeline measurement method

1.2 管道升降系統

由于管道的尺寸大小不一， 為了使被測管道的中心與標定的系統中心保持一致， 所以需對被測管道進行高度的調整，便于測量到管道完整的圖像，同時利用距離傳感器對管道中心進行檢測， 通過升降系統對被測管道進行調整，達到測試要求，提高測量精度。

2 管道直徑及圓度測量

在進行實際測量之前需對激光線掃3D 相機傳感器進行校準和標定，提高測量的精度[5-6]。通過對傳感器相機設置，調整相機的曝光和增益使拍攝到更廣的視野，保證圖像數據的質量。 同時在校準過程中對傳感器位置和角度的精度要求極高， 因此采用高精度的步進電機和旋轉臺對傳感器進行位置和角度控制，以滿足拍攝要求，保證一次完整拍攝過程中只對一個截面進行拍照， 提高數據的相關性。

在對傳感器相機設置和光面標定之后， 通過激光線掃3D 相機傳感器拍圖，將圖片數據發送至上機位進讀取數據后采用點云數據處理技術進行濾波，拼接等處理，得到管道某一截面的邊緣弧線重構的圓， 通過圓的方程計算相應的參數，圓的方程為：

3 激光線三角法相機原理

首先在激光線掃3D 相機傳感器拍照獲取管道外輪廓數據后，先對點云數據進行處理得到重構的圓，然后利用最小二乘法計算重構管道的直徑和圓度。

激光線掃3D 相機是由一個單線激光器和一個工業黑白相機以一定角度組成的。 通過采集被測物表面的二維輪廓信息，通過特殊的透鏡組，激光束被放大形成一條靜態激光線投射到被測物體的表面上。 激光線在被測物體表面形成漫反射，反射光透過高質量光學系統，被投射到敏感感光矩陣上。 除了傳感器到被測表面的距離信息（z 軸），還可以通過圖像信息計算得出沿著激光線的位置信息（x 軸）。 以傳感器為原心的二維坐標內，輪廓儀測量輸出一組二維坐標值。移動被測物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測量。

通過移動被測物或者相機， 得到物體的3D 點云圖形，可以對物體的體積，面積以表面特征進行分析處理。

4 實驗驗證

利用搭建的管道非接觸式測試實驗平臺， 將被測管道通過升降系統調整至中心， 再利用距離傳感器對管道進行檢測，控制步進電機和旋轉臺對激光線掃3D 相機傳感器進行控制對被測管道進行拍照， 將獲取的圖像數據保存至上機位，對圖像數據進行處理。

選取一根直徑約為400mm 管道為測量對象，對該管道進行測試，測試后的圖像見圖3。

根據圖像得到被測管道外表面重構的圓， 對得到的圓進行最小二乘法計算直徑和圓度。 分別對大小尺寸的管道進行測量，得到如表1 所示數據。

表1 管道直徑、圓度及精度Tab.1 Pipe diameter，roundness and accuracy

5 結論

本文采用基于激光線掃描三維重構的非接觸測量方法，實現對管道在擴徑過程中的尺寸測量。調試過程中對測試系統進行重復性實驗， 結果表明測量系統的直徑和圓度的精度可達到，該測量方法精度高，速度快，可以滿足實際工業生產的精確性要求， 克服了傳統測量方法的諸多缺點，適用于生產過程的實時監測。