一种有色金属连续铸锭线的金属液位测量系统的制作方法

1.本发明属于工业铸锭金属液面测量领域，具体说是一种有色金属连续铸锭线的金属液位测量系统。


背景技术：

2.有色金属是国民经济和国防军工发展的重要基础原材料，是支撑我国国家安全和国家重大战略工程的关键材料，在国民经济发展中占有十分重要的地位。有色金属浇铸过程是有色金属冶炼生产中的关键环节，在高温、高腐蚀、高粉尘的恶劣环境下完成，关键工序主要依靠人工操作，劳动强度大，产品质量波动大，亟需提高其关键工序自动化和智能化水平，研制面向有色金属浇铸过程的机器人作业系统意义重大，目前的履带式波纹线浇铸机生产线浇铸部分存在空间利用率低、模具数量少、设备运转速度较低的问题。而想要在金属浇铸过程中使用机器人代替人工已完成自动化改造，对于何时使用机器人也就显得至关重要。
3.在传统的金属浇铸生产流水线上，都是直接采用人工观测的方式来判断金属液面是否超出规定，但这种方式不仅对人力是极大的浪费，且由于生产环境的高温环境，长时间的工作对工人的身体也是极大的负担；另一方面人工的观测太依赖于人的主观性，无法得到足够的精度要求，甚至跟不上传送式流水线的速度，最终造成极大的浪费，由于很多的金属的价格都很高，所以如果产生一点液面的超出都会造成不少的生产成本。而很多的铸锭金属液面具有很强的镜面效应，如果用工业相机正常的方式直接采集图像，激光的反射量很大且被测金属溶液因生产线震动造成的表面涟漪不平也会让激光反射的非常的乱，最终导致三维表面重建效果很差，甚至无法保证精度。其他的测量方法除了人工目测法，还有多目立体视觉法、仪器高精度传感器测量等。但是多目立体测量，则对自然光线及周围环境的依赖过高且适合测量范围较大的场合，精度不够高；其他的传感器测量也面临着精度问题、和机器人之间通讯不便或者成本过高，一套目前的高精度测量设备动辄数万或者十几万，且维护成本过高，因此提出一种新的有色金属连续铸锭线金属液位测量的系统装置就尤其必要。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种有色金属连续铸锭线的金属液位测量系统，在低成本及长期低维护的情况下，解决铸锭线金属液位测量中各种难点的情况下，依然可以达到需要的高精度实时测量系统装置。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种有色金属连续铸锭线的金属液位测量系统，包括：上位机、激光发射器、工业相机以及滤光片；
6.所述激光发射器设于传送生产线上方，激光发射器的激光平面与传送生产线传动面垂直，用于扫描传送生产线上的待测金属溶液；
7.所述工业相机设于传送生产线上方，且安装于传送生产线放料处与激光发射器之
间，所述工业相机倾斜设置，用于采集激光在待测金属溶液上扫描后得到待测金属溶液状态的光条轮廓图像；
8.所述滤光片设于镜头前方，所述工业相机光轴与滤光片的中心轴线重合，用于减少激光反射量对工业相机采集的结果图像的影响；
9.所述上位机，与工业相机连接，用于接收工业相机采集的光条轮廓图像，并进行处理得到待测金属溶液的高度差信息。
10.所述激光发射器为红光波激光发射器。
11.所述工业相机倾斜设置为：激光发射器向被测金属溶液表面投射激光时形成一个激光平面，相机光轴和激光平面之间形成的夹角为30
°
～45
°
。
12.一种有色金属连续铸锭线的金属液位测量方法，包括以下步骤：
13.1)传送生产线按照设定速度匀速运行，激光发射器发射激光扫描到待测金属溶液，并在待测金属溶液表面形成一条不规则的波纹线；
14.2)工业相机实时对激光扫描后在待测金属溶液上形成每条不规则的波纹线进行采集，得到多个光条轮廓图像；
15.3)工业相机将多个光条轮廓图像传输至上位机，上位机对实时采集的光条轮廓图像进行建模，得到被测金属溶液表面的三维点云模型图；并对三维点云模型图进行去噪处理；
16.4)根据激光三角测量原理，对被测金属溶液表面的三维点云模型图分析，生成金属液位的高度差信息。
17.步骤3)中，所述上位机对实时采集的光条轮廓图像进行建模，得到被测金属溶液表面的三维点云模型图，具体为：
18.(1)在传送生产线相对于金属液位测量系统做相对运动时，工业相机每一次拍摄都得到一张被测金属溶液表面的光条轮廓图像；
19.(2)将得到的每个光条轮廓图像依次存储为图像中对应的每一行，对每一行图像进行处理，得到视差图像；
20.(3)在经过标定的测量系统中，视差图像上的每一个点的坐标及灰度值，即是对应待测金属溶液表面上的点在世界坐标系上的具体坐标；
21.(4)根据得到待测金属溶液表面上的点在世界坐标系上的具体坐标进行建模，得到被测金属溶液表面的三维点云模型图。
22.步骤(2)中，所述对每一行图像进行处理，得到视差图像，具体为：
23.依次将工业相机得到的光条轮廓图像从图0到图n，n为大于0的整数；储存为图像中的所有行依次组合起来，得到视差图像。
24.步骤3)中，所述并对三维点云模型图进行去噪处理，具体为：
25.将得到的三维点云模型通过pcl的双边滤波算法进行去噪；
26.通过取邻近采样点的加权平均来修正当前采样点的位置，以实现滤掉噪声同时剔除与当前采样点云差异超过阈值的相邻采样点；
27.计算相邻点云点之间的距离，根据距离的大小值进行聚类，进而得到只存在被测表面的点云信息，实现进一步对干扰点的剔除。
28.所述步骤4)具体为：
29.当被测金属溶液表面的高度发生变化时，工业相机视点和激光线的交点发生向上相对移动或向下相对移动；
30.根据得到的视差图像，通过视差图像中当前行中的像素点和与其相邻的行中对应的像素点进行匹配，得到当前行中的该像素点的相对移动量，进而得到该点在三维点云模型图中的高度差信息，获得被测金属溶液的液位高度。
31.本发明具有以下有益效果及优点：
32.1.本发明采用红色激光和滤光片可以很好的减弱工业铸锭线上的金属的强镜面效应，得到更好的测量结果。
33.2.本系统采用激光三角法，所使用的硬件软件价格相较于在保持同等精度要求的实时测量方式所要需要付出的代价和后期维护费用相比更加低廉。
34.3.本系统的使用halcon算法以及点云算法滤波和分割处理能更好的应对金属铸锭生产线的震动情况。
附图说明
35.图1为本发明的测量系统结构示意图；
36.其中，1为上位机，2为工业相机，3为滤光片，4为激光发射器，5为激光平面，6为被测金属溶液表面，7为传送生产线；
37.图2为本发明的测量信息处理流程图；
38.图3为本发明的视差图像形成示意图；
39.图4为本发明的传送生产线运动方向标定方法示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
41.下面将要阐述更详细的内容和实施步骤以便于理解，但是，本发明还可以使用其他不同的类似的方法来实施，因此，本发明的保护内容并不局限于下面的阐述的具体的实施内容方法。
42.如图1所示，本发明的测量系统结构示意图，本发明实施例提供了一种有色金属连续铸锭线金属液位测量的系统，该系统包括：激光发射器4，6mm的300 万像素工业相机2，滤光片3，上位机1。
43.激光发射器设于传送生产线上方，激光发射器的激光平面与传送生产线传动面垂直，用于扫描传送生产线上的待测金属溶液；
44.工业相机2设于传送生产线上方，且安装于传送生产线放料处与激光发射器4之间，工业相机2倾斜设置，用于采集激光在被测金属溶液表面6上扫描后得到待测金属溶液状态的光条轮廓图像；
45.滤光片3设于镜头前方，所述工业相机2光轴与滤光片3的中心轴线重合，用于减少激光反射量对工业相机2采集的结果图像的影响；
46.上位机1，分别与工业相机2和激光发射器4连接，用于接收工业相机2采集的光条轮廓图像，并进行处理得到待测金属溶液的高度差信息。
47.激光发射器4为红光波激光发射器。
48.工业相机2倾斜设置为：激光发射器4向被测金属溶液表面6投射激光时形成一个激光平面5，工业相机2光轴和激光平面5之间形成的夹角为30
°
～ 45
°
。角度越小精度越低，角度越大精度越高，但角度太大可能造成闭塞和遮挡问题；
49.本测量系统主要采取激光三角测量法，使用激光直射的方式，工业相机2 倾斜和直射的激光成30
°
～45
°
角，并在激光发射器4的选择上，采用低功率红色的激光发射器，在采集图像的工业相机2加装滤光片3，通过这些方式来降低被测金属溶液表面6的镜面效应带来的不利影响；
50.在系统搭建好之后，需要对工业相机2进行标定、确定世界坐标系中的激光平面5的方向以及标定传送生产线7的运动方向。
51.具体标定方法为：
52.标定工业相机2的内参数和外参数；
53.标定激光平面5：
54.建立世界坐标系oxyz，选取z轴为0的点p1和p2，任意选取z轴不为0 的一个点p3；
55.使用标定板分别对p1、p2和p3点进行标定图像采集；
56.当标定板对p1和p2进行标定图像采集时，标定板与p1所在平面和p2所在平面重合；当标定板对p3进行标定图像采集时，设定标定板与z轴不平行，且与激光平面5相交，且在标定时标定的激光平面5与实际测量时发射的激光平面5为同一平面；
57.如图4所示，标定传送生产线位移方向：
58.标定板置于传送生产线上，采集两张位移不同且非连续移动的图像分别为位置1图像和位置2图像并进行标定，得到位置1的位姿和位置2的位姿；
59.根据已知的线性位移步长n的位移变化向量，得到单位位移向量，进而标定传送生产线位移方向。
60.如图2所示，为本发明的测量信息处理流程图；本发明的工作原理如下：在工业相机2进行标定、确定世界坐标系中的激光平面5的方向以及标定传送生产线7的运动方向完成后，启动传送生产线7在按一定的速率匀速运行时，安装在正上方的激光投射在装满镜面效应很强的金属溶液上，在待测金属溶液表面6形成一条不规则的波纹线，由于该金属溶液的镜面效应太强，如果按照正常的方式直接采集图像，激光的反射量很大且被测金属溶液因生产线震动造成的表面涟漪不平也会让激光反射的非常的乱，最终导致三维表面重建效果很差，甚至无法保证精度。所以经过测试实验，考虑到不同颜色的波长及实际情况使用不同颜色的激光发射器测试过后，确定使用红色的激光效果最好。且在工业相机前方加装一个滤光片，以减少激光反射量。
61.由于车间里面的铸锭生产线在运行时会产生震动，进而会影响到被测金属液表面6产生震动，从而导致我们初步得到的表面三维点云会产生一些杂乱的点，所以我们需要将初步得到的表面三维点云再进行点云滤波、点云分割，过滤掉那些明显干扰点，最后我们可以得到我们所需要的金属液表面的所有深度信息，然后将上位机1halcon作为上位机不断实时的给plc发送深度信息，这些液体表面的深度信息精度将能达到1mm以内，plc根据生产线的速度在一定的时间间隔下不断的接收信息，最后根据我们需要设置一个深度阈值，进而根据这些信息来控制我们的机器人在生产线上工作。
62.本发明对金属液位测量的方法，具体步骤如下：
63.1)传送生产线7按照设定速度匀速运行，激光发射器4发射激光扫描到待测金属溶液6，并在待测金属溶液表面6形成一条不规则的波纹线；
64.2)工业相机2实时对激光扫描后在待测金属溶液表面6上形成每条不规则的波纹线进行采集，得到多个光条轮廓图像；
65.3)工业相机2将多个光条轮廓图像传输至上位机1，上位机1对实时采集的光条轮廓图像进行建模，得到被测金属溶液表面6的三维点云模型图；并对三维点云模型图进行去噪处理；
66.4)根据激光三角测量原理，对被测金属溶液表面6的三维点云模型图分析，生成金属液位的高度差信息。
67.当传送生产线7在开始匀速运行、传送生产线7上的注满金属液的部位匀速经过红色激光被扫描时，一旁的工业相机2将会不断的采集到一条条不规则的波纹线的图像，这些图像在经过上位机1halcon的算法处理之后将会被重构出我们被测物体的表面的三维点云图；
68.如图3所示，为本发明的视差图像形成示意图，上位机1对实时采集的光条轮廓图像进行建模，得到被测金属溶液表面6的三维点云模型图，具体为：
69.(1)在传送生产线7相对于金属液位测量系统做相对运动时，工业相机2 每一次拍摄都得到一张被测金属溶液表面6的光条轮廓图像；
70.(2)将得到的每个光条轮廓图像依次存储为图像中对应的每一行，对每一行图像进行处理，得到视差图像；
71.(3)在测量系统经过标定之后，视差图像上的每一个点的坐标及灰度值，即是对应待测金属溶液表面6上的点在世界坐标系上的具体坐标；
72.(4)根据得到待测金属溶液表面6上的点在世界坐标系上的具体坐标进行建模，得到被测金属溶液表面的三维点云模型图。
73.在传送生产线7相对于测量系统做相对运动时，工业相机2每一次拍摄都可以得到一张被测金属液体表面6某一个水平面上的轮廓图像，依次将得到的轮廓图像存储为图像中的一行，将得到视差图像，在测量系统标定之后，视差图上的每一个点的坐标及灰度值代表对应被测表面上的点在世界坐标系上的具体坐标，将这些点标在三维坐标系中得到被测金属液体表面6的三维点云模型图，并将其可视化。
74.步骤(2)中，对每一行图像进行处理，得到视差图像，具体为：
75.依次将工业相机得到的光条轮廓图像从图0到图n，n为大于0的整数；储存为图像中的所有行依次组合起来，得到视差图像。
76.步骤3)中，并对三维点云模型图进行去噪处理，具体为：
77.在得到三维点云模型之后也许会由于生产线的震动等其他的干扰因素使得得到的三维点云模型会有一些干扰的点和噪声出现，所以将得到的三维点云模型使用pcl的双边滤波算法通过取邻近采样点的加权平均来修正当前采样点的位置，从而滤掉噪声；同时也会选择剔除部分与当前采样点云差异太大的相邻采样点，以达到去除干扰点保持原有特征的目的(实际算法中的参数需要根据实际来调整以达到最佳)。
78.在得到pcl点云处理之后，就可以将上位机1作上位机的方式不同的向plc 发送需要的深度信息，即三维点云模型图中各点的高度差信息，plc在根据生产线的实际传送速率
调整接收信息的频率，最终实现通过金属液面高度的反馈来通过plc操作机器人(机械臂)，以达到实际的生产需求。
79.如图1所示，当传送生产线7在对测量系统做相对匀速移动时，激光发射器4扫描了传送生产线7上的被测金属液体表面6，工业相机2同时尽可能的拍下了激光投射在被测金属液体表面6各个位置的激光图像。首先激光发射器4 向被测表面投射激光时会形成一个激光平面5，工业相机2光轴和激光平面5将会形成一个角(三角测量角)，而相机视点和激光线的交叉点将取决于被测金属液体表面，如果被测金属液面的高度发生变化则相机视点和激光线的交叉点也会发生相对移动，最终相机拍摄到的金属液面的不规则波纹线就是被测金属液体表面轮廓，而利用得到的轮廓光条信息，可以得到高度差信息。
80.本实施例中，当被测金属溶液表面6的高度发生变化时，工业相机2视点和激光线的交点发生向上相对移动或向下相对移动；
81.根据得到的视差图像，通过视差图像中当前行中的像素点和与其相邻的行中对应的像素点进行匹配，得到当前行中的该像素点的相对移动量，进而得到该点在三维点云模型图中的高度差信息，获得被测金属溶液的液位高度。
82.虽然已经描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了具体的内容，则能对本文所提出的具体案例进行修改。所以，所附权利要求解释为包括优选实施案例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
83.显然，本领域的资深专业人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的知识范围。这样，如果本发明的这些修改和变形属于本发明的权力要求及其等同技术范围之内，则本发明也包含这些修改和变形在内。