定位装置及其系统的制作方法

1.本实用新型属于移动物体定位技术领域，具体涉及一种定位装置及其系统。


背景技术：

2.随着智能制造的兴起以及科技的发展，对工业检测技术的要求也越来越高，传统的智能制造检测设备的速度与精度已经无法满足需求。从目前来看，加热炉炉前定位系统普遍基于传统的检测技术，通过测距仪、金属冷检以及编码器来实现对辊道上的钢坯位置检测以及定位，这种方式要求检测设备安装位置严格，稍有偏差即会出现钢坯定位不准的问题，并且各检测设备需要靠近高温区域，导致设备寿命短，不能满足定位系统的移植性，适应性比较差。此外，传统的检测技术需要安装大量检测设备，也会导致系统故障率以及维护成本上升。


技术实现要素：

3.实用新型目的：本实用新型提供一种定位装置，旨在替代传统的移动物体定位设备，提供一种适应性更广的装置；本实用新型还提供一种定位系统，旨在解决传统钢坯定位需要安装大量检测设备，因设备过多而导致故障率和维护成本高的技术问题。
4.技术方案：本实用新型的一种定位装置，用于将轨道上的目标物体停在目标定位区域内，包括：
5.视觉相机，所述视觉相机的视野区域内配置所述目标定位区域和位置固定的参照物，其中，所述参照物沿着所述目标物体的移动方向设置在所述目标定位区域的前方；
6.图像处理器，与所述视觉相机连接，并连接所述轨道的驱动装置的控制器。
7.在一些实施例中，该定位装置包括测距仪，所述测距仪的测量方向垂直于所述目标物体的移动方向，指向所述目标定位区域的边缘。
8.在一些实施例中，所述视觉相机通过光纤与所述图像处理器连接。
9.在一些实施例中，所述视觉相机的输出端通过光纤与所述图像处理器的输入端连接。
10.在一些实施例中，所述图像处理器的输出端通过光纤与所述控制器的输入端连接。
11.本实用新型所述的一种定位系统，包括上述定位装置和轨道；
12.所述轨道为加热炉的炉前辊道，所述目标物体为钢坯，所述目标定位区域为装钢区域，所述装钢区域形成于所述炉前辊道上，所述装钢区域的边缘与所述加热炉的炉门的边缘对齐。
13.在一些实施例中，所述视觉相机安装在所述炉前辊道的一侧，所述参照物和所述装钢区域均位于所述视觉相机的视野区域内。
14.在一些实施例中，所述视觉相机的视野区域、所述炉门以及所述装钢区域均关于平面对称，所述平面为垂直于所述钢坯的移动方向的同一个平面。
15.在一些实施例中，所述定位装置包括测距仪，所述测距仪设置在所述炉前辊道的一侧，其测量方向垂直于所述钢坯的移动的方向，指向所述装钢区域的边缘。
16.在一些实施例中，所述控制器为plc控制器。
17.在一些实施例中，所述控制器与所述炉前辊道的辊道电机连接。
18.在一些实施例中，所述参照物为设置在所述炉前辊道末端的挡块。
19.有益效果：与现有技术相比，本实用新型的定位装置通过设置视觉相机和图像处理器，将目标物体的目标定位区域以及位置固定的参照物配置在视觉相机的视野区域内，利用图像处理器连接视觉相机接收并处理视觉相机的图像，并将图像处理器连接轨道的驱动装置的控制器，其信号可传输给控制器实现对控制轨道的控制，进而实现将目标物体停至目标定位区域内。该装置通过机器视觉完成目标物体的定位，适应性更广，其采用的设备更少，能够有效避免因设备过多增加的故障风险和维护成本。
20.本实用新型的定位系统通过设置上述定位装置，利用机器视觉实现对钢坯的精确定位，为顺利装钢提供保障。与现有技术相比，该定位系统减少了设备的数量，从而降低设备的故障率以及维护成本；利用机器视觉解决了传统技术因设备安装位置偏差、辊道磨损打滑、传感器无法覆盖整个检测区域所导致的定位不准的问题；此外，该定位系统采用较少的设备以及较低的安装位置要求，也提升了整个系统的可移植性以及适应性。该定位系统能够完成对任意钢种在装钢区域任意位置的定位，保障加热炉装钢的顺利进行。
附图说明
21.下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。
22.图1为本实用新型实施例提供的定位装置使用状态的示意图；
23.图2为应用于图1中定位装置的一种定位方法的流程图；
24.图3为本实用新型实施例提供的定位系统应用于加热炉的使用状态的示意图；
25.图4为本实用新型实施例提供的定位系统的一种定位方法的流程图；
26.图5为图4的定位方法中炉前辊道的降速策略示意图；
27.图6为图5中炉前辊道的降速曲线示意图；
28.附图标记：1-视野区域；2-目标定位区域；3-轨道；4-目标物体；5-视觉相机；6-参照物；7-图像处理器；8-控制器；9-测距仪；10-炉前辊道；11-钢坯；12-装钢机；13-炉门。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前方”、“后方”等指示的方位或位置关系基于轨道3上目标物体4的移动方向确定，在轨道3未受到本实用新型的定位装置的控制器8的控制之前，目标物体4的移动方向为“前方”，相对的，目标物体4的移动方向的反方向为“后方”；除非另有明确的规定和限定，本实用新型的描述中，第一特征在第二特征的“一侧”可以包括第一特征非接触的设置在第二特征旁边，也可以包括第一特征和第二特征接触，连接第二特征；此外，在本实用新型的描述中，术语“边缘”指特征在目标物体4移动方向的前、后两端的边界，一个特征的“边缘”不被包含于该特征之“内”，例如目标定位区域的边缘不在目标定位区域内；两个特征的“边缘对齐”是指两个特征的对应边界位于垂直于目标物体4移动方向的相同平面内。
31.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种定位装置，该定位装置可检测轨道3上目标物体4的实时位置，并将目标物体4停至目标定位区域1内。其中，目标定位区域1形成于轨道3上，可以是在轨道3上人为任意划定的区域，也可以是为满足工序要求有目的的划定的区域。
32.可以理解的是，该定位装置本身并不包括轨道3，也不包括轨道3上移动的目标物体4，当然，也不包括目标定位区域1。而是由包括视觉相机5、图像处理器7在内的多个部件组成的装置，该装置在现场组装后，能够用于检测轨道3上目标物体4的实时位置，并将目标物体4停至目标定位区域1内。
33.在使用时，视觉相机5设置在轨道3的一侧，其被配置为获取视野区域2的实时图像，一般地，视觉相机5可采用本领域已知的视觉定位相机/工业相机即可。视觉相机5的安装位置根据其自身的视野大小确定。
34.请再次参阅图1所示，视野区域2的范围划定则首先需要将目标定位区域1包含于其内部，也就是说，沿着目标物体4的移动方向，视野区域2的前后边缘的跨度较目标定位区域1的前后边缘的跨度更大，目的是为了使轨道3上的目标物体4在进入目标定位区域1之前就能够被视觉相机5捕捉到，从而快速的将目标物体4停在目标定位区域1内。
35.此外，要求参照物6也固定设置在视野区域2内，并且沿着目标物体4的移动方向，参照物6需设置在目标定位区域1的前方。设置参照物6目的是在检测目标物体4的实时位置时，将其作为参照基准，因此参照物6必须固定不动。一般地，可将其安装在轨道3上固定，当然，在一些实施例中，也可以将其安装在轨道3附近，和轨道3不接触，在目标物体4的移动方向上与目标物体4对齐即可。
36.可以理解的是，由于参照物6的选择是多种多样的，本实用新型实施例中的定位装置在制造、销售时可以不包含参照物6，而是利用使用场景中原有的固定物作为参照物6。当然，在一些实施例中，在制造、销售时，也可以将参照物6包含于其中。
37.图像处理器7可设置在视觉算法服务器中，与视觉相机5通信连接，具体可采用光或电、有线或者无线的通信方式，例如采用光纤将视觉相机5的输出端与视觉算法服务器的输入端连接，将视觉相机5采集的实时图像，传输给视觉算法服务器，然后被图像处理器7获取。图像处理器7获取到图像数据后，通过处理后，可得到目标物体4相对于参照物6的实时位置。其中，所采用的视觉算法可以为本领域已知的视觉算法，例如cn201210048893.8所公开的“一种测量距离的方法及图像获取设备”以及cn202011158684.x所公开的“一种目标定位方法、装置、设备及存储介质”等。也可以采用本实用新型实施例中提供的方法，本领域技术人员可根据实际需要选择。
38.在本实用新型的一些实施例中，图像处理器7处理实时图像的步骤包括：
39.1)对图像进行场景和钢坯分割、图像质量去噪化；
40.2)获取到目标物体在图像中的像素坐标；
41.3)利用图像的像素坐标和视野区域2的实际空间坐标的标定关系，计算目标物体与参照物的实时距离。
42.其中，对图像进行场景和钢坯分割包括：在实时图像中截取画面，将目标物体4完整的截取在画面中，从而减少文件大小，使数据的处理和传输的速度更快。然后对画面进行前景背景分离，其中前景为目标物体4的画面，背景为视野区域2中的轨道以及其他场景物。其中，前景背景分离的方法可采用本领域已知的方法进行，也可以利用深度学习和人工智能提高准确性。
43.其中，上述标定关系可采用本领域已知的方法进行标定，也可以把画面中的目标物体4中心点为原点作x0y轴，在x轴位置拉一条横跨画面的标定带，标定带上是长度相等红白相间的格子，画面中目标物体长度不能用像素读取，因为在画面中标定带上红白格子疏密程度是不同，所以要用非线性的关系。我们可以把画面中x轴长度分为多个相等长度部分，再根据每个部分红白格子的个数得到每个部分的长度换算关系，再把这个关系映射到目标物体。以及利用模型计算判断出目标物体4的前后端面(即附图中目标物体4的左右端面)，利用左右端面可以计算出目标物体4的长度或端面到某处的距离。
44.控制器8与图像处理器7通信连接，具体也可以采用光或电、有线或者无线的通信方式，例如采用光纤将图像处理器7的输出端与控制器8的输入端连接，将图像处理器7的信号传递给控制器8。控制器8被配置为接收目标物体4相对于参照物6的实时位置的信息，并根据实时位置的信息控制轨道3，以将目标物体4停至目标定位区域1内。在一些实施例中，控制器8可采用轨道3原有的plc控制器，在plc控制器上录入根据位置信息控制轨道3降速、停止或者换向所需要的控制指令即可，具体的控制方法可采用本领域已知的控制轨道3的方法。
45.可以理解的是，因为控制器8可以选择轨道3原有的控制器，在制造、销售本实用新型实施例中的定位装置时，可以不包含控制器8。当然，在一些实施例中，在制造、销售时，也可以将控制器8包含于其中。
46.进一步地，在一些实施例中，该定位装置还包括测距仪9，该测距仪9设置在轨道3的一侧，其测量方向垂直于目标物体4的移动方向，指向目标定位区域1的边缘。其中，测距仪9即本领域已知的光学测距设备，通过测距仪9能够感知目标定位区域1的边缘是否有目标物体4，若测距仪9的测量数值变小，说明其测量方向有目标物体4阻挡，则说明目标物体4未完全进入目标定位区域1内。
47.如图2所示，本实用新型实施例还提供一种应用于上述定位装置的方法，用于检测轨道3上目标物体4的实时位置，并将目标物体4停至目标定位区域1内。其中，目标定位区域1形成于轨道3上，可以是在轨道3上人为任意划定的区域，也可以是为满足工序要求有目的的划定的区域。
48.具体的，该方法包括如下步骤：
49.s1：获取视野区域2的实时图像，目标定位区域1在视野区域2内部；
50.s2：处理实时图像，得到视野区域2内目标物体4相对于参照物6的实时位置；其中，参照物6固定设置在视野区域2内，且沿着目标物体4的移动方向，参照物6设置在目标定位区域1的前方；
51.s3：根据实时位置的信息，控制轨道3，以将目标物体4停至目标定位区域1内。
52.其中，还包括通过感知目标定位区域1的边缘是否有目标物体4，判断目标物体4是否停至目标定位区域1内的步骤。
53.其中，处理实时图像的步骤包括：
54.1)对图像进行场景和钢坯分割、图像质量去噪化；
55.2)获取到目标物体在图像中的像素坐标；
56.3)利用图像的像素坐标和视野区域的实际空间坐标的标定关系，计算目标物体与参照物的实时距离。
57.其中，对图像进行场景和钢坯分割包括：在实时图像中截取画面，将目标物体4完整的截取在画面中，从而减少文件大小，使数据的处理和传输的速度更快。然后对画面进行前景背景分离，其中前景为目标物体4的画面，背景为视野区域2中的轨道以及其他场景物。其中，前景背景分离的方法可采用本领域已知的方法进行，也可以利用深度学习和人工智能提高准确性。
58.其中，上述标定关系可采用本领域已知的方法进行标定，也可以把画面中的目标物体4中心点为原点作x0y轴，在x轴位置拉一条横跨画面的标定带，标定带上是长度相等红白相间的格子，画面中目标物体长度不能用像素读取，因为在画面中标定带上红白格子疏密程度是不同，所以要用非线性的关系。我们可以把画面中x轴长度分为多个相等长度部分，再根据每个部分红白格子的个数得到每个部分的长度换算关系，再把这个关系映射到目标物体。以及利用模型计算判断出目标物体4的前后端面(即附图中目标物体4的左右端面)，利用左右端面可以计算出目标物体4的长度或端面到某处的距离。
59.可以理解的是，该方法可以采用本实用新型提供的定位装置执行，也可以采用本领域已知的其他机器视觉定位系统执行，本领域技术人员可以根据需要进行选择。
60.可以理解的是，当采用本实用新型提供的定位装置执行该方法时，其对装置的要求与本实用新型实施例中提供的定位装置的说明一致，再次不再赘述。
61.如图3所示，本实用新型实施例中还提供一种定位系统，用于将加热炉的炉前辊道10上的钢坯11停在装钢区域内，该装钢区域形成于炉前辊道10上，装钢区域的边缘与加热炉的炉门13的边缘对齐。需要说明的是，该定位系统本身不包括加热炉以及钢坯11，本实用新型实施例将这些物件一并进行描述，目的是为了对该定位系统进行更清楚的说明。
62.该定位系统所针对的钢坯11的类型不限，可以是矩形钢坯，也可以是h型坯料。
63.该定位系统包括上述的定位装置。该定位装置检测加热炉的炉前辊道10上钢坯11的实时位置，并将钢坯11停至装钢区域内。
64.具体的，视觉相机5设置在炉前辊道10的一侧，参照物6和装钢区域均位于视觉相机5的视野区域2内。在一些实施例中，视觉相机5的视野区域2、炉门13以及装钢区域均关于平面对称，该平面为垂直于钢坯11的移动方向的同一个平面。请再次参阅图3所示，视觉相机5的视野区域2的中线与炉门13的中线重叠，视觉相机5可以安装在加热炉中轴线上、装钢机12远离炉前辊道10的一侧、正对炉门13，保证视野区域2尽量的与炉门13平行，减少实时图像中钢坯11的畸变。
65.目标定位区域1为钢坯11的装钢区域，形成于炉前辊道10上，装钢区域的边缘与加热炉的炉门13的边缘对齐。
66.参照物6固定安装在炉前辊道10的末端，可直接采用炉前辊道10末端用于挡钢的
挡块。当然，在一些实施例中，也可以单独设置将其安装在轨道3附近，和轨道3不接触，在目标物体4的移动方向上与目标物体4对齐即可。
67.控制器8可采用炉前辊道10原本的plc控制系统，在plc上录入根据位置信息控制炉前辊道10降速、停止或者换向所需要的控制指令即可，具体的控制方法可采用本领域已知的控制轨道的方法。
68.装钢机12为加热炉设置在炉前辊道10的一侧，用于将停在装钢区域内的钢坯11送入加热炉。
69.进一步地，在一些实施例中，定位装置还包括测距仪9，该测距仪9设置在炉前辊道10的一侧，其测量方向垂直于钢坯11的移动方向，指向装钢区域的边缘。其中，测距仪9即本领域已知的光学测距设备，通过测距仪9能够感知目标定位区域1的边缘是否有钢坯11，若测距仪9的测量数值变小，说明其测量方向有钢坯11阻挡，则说明钢坯11未完全进入目标定位区域1内。
70.如图4所示，对应于上述定位系统，本实用新型实施例还提供一种定位方法，包括如下步骤：
71.根据钢坯11的长度，确定钢坯11完全停在装钢区域内时，钢坯11的头部与参照物6之间的定位目标距离ssp；
72.将钢坯11的头部与参照物6之间的实时距离s与定位目标距离ssp对比计算，得到钢坯11需要移动的方向和移动的距离；
73.通过控制炉前辊道10，将钢坯11停至装钢区域内。
74.在一些实施例中，钢坯11的长度可通过定位装置通过视觉算法计算确定，也可以根据钢坯11的二级管理系统得到。确定钢坯11的长度后，可计算出钢坯11的头部与参照物6之间的定位目标距离ssp。在一些实施例中，还可以将每种钢坯的定位目标距离ssp录入至加热炉的二级系统内，通过二级系统发送数据，一级系统可以接收到钢坯的定位信息，可实现定位的全自动。
75.在一些实施例中，plc接收到钢坯11的头部距参照物6的实时距离s后，通过对比计算：
76.当ssp小于s时，辊道带动钢坯正转，通过控制炉前辊道10降速，使ssp等于s，此时定位完成，辊道停止转动，实现将钢坯11停至装钢区域内；
77.当ssp大于s时，辊道先带动钢坯反转，通过控制炉前辊道10降速，使ssp等于s，此时定位完成，辊道停止转动，实现将钢坯11停至装钢区域内。
78.在一些实施例中，对于炉前辊道10的降速过程，可以根据得到的钢坯11需要移动的距离ssp-s，设置炉前辊道10上钢坯11移动的速度，设置的原理如下，请一并结合图5和图6，初始速度计算公式：
[0079][0080]
v：炉前辊道10的初始速度，单位为m/s。
[0081]
n：辊道电机的额定转速，单位r/min。
[0082]
π：圆周率，3.1415926。
[0083]
d：炉前辊道10所用辊子的直径，单位m。
[0084]
i：转速比也叫减速比，辊道电机与炉前辊道10之间存在减速机，减速机的减速比。
[0085]
根据物理学中速度与位移的公式可知：
[0086][0087]
v：炉前辊道10的初始速度，单位为m/s。
[0088]
v0:为目标速度，一般在0.2～0.5之间选取，单位为m/s。
[0089]
a:为加速度，一般在0.1～0.3之间选取，单位m/s2。
[0090]
s:当前速度到达目标速度所需位移，单位m。
[0091]
可将钢坯11需要移动的距离ssp-s分割为如图5所示的几部分：
[0092]
综合加热炉生产节奏以及变频器性能，一般分两次进行减速，如果降速次数越多炉前定位用时就越长，两次降速就能满足功能。
[0093]
首先，可以根据选取的加速度a，通过公式计算出第一次减速所需位移s2以及第二次减速所需位移s4，v0恒速运行阶段位移s3与v恒速运行阶段s1可根据现场情况选取，考虑到生产节奏的问题，s1应尽可能大，而s3尽可能小，同时保证s1～s4总和等于ssp-s，从而，可得到如图6所示的减速曲线。
[0094]
根据算出的实时速度，经过公式换算得到辊道电机变频器实时频率，进而控制钢坯11的减速完成对钢坯11的精准定位。公式如下：
[0095][0096]
f：换算得到的实时频率，单位hz。
[0097]
i：转速比也叫减速比，电机与炉前辊道10之间存在减速机，减速机的减速比。
[0098]v′
：钢坯11的实时速度，单位m/s。
[0099]
fe：辊道电机的额定频率，一般为50hz。
[0100]
π：圆周率，3.1415926。
[0101]
d：炉前辊道10所用辊子的直径，单位m。
[0102]
ne：电机的额定转速，单位r/min。
[0103]
在一些实施例中，在将钢坯11停至装钢区域内之后，为保证装钢的安全，可通过测距仪9判断钢坯11是否完全停在装钢区域内，当测距仪9检测到有钢坯11时装钢机12禁止装钢，plc发出报警信号。
[0104]
请再次参阅图4所示，钢坯11在进行定位时，有的钢坯11存在栽头的情况，也即钢坯11可能会卡在炉前辊道10的缝隙处，造成即使炉前辊道10运行钢坯11也不动的情况，所以，在一些实施例中，为钢坯11的定位时间设定一阈值范围，钢坯11定位所用的时间应该在这个阈值范围内，当定位用时超过这个范围，可判断定位异常并发出报警信息，当出现定位异常时需人工干预处理异常。
[0105]
以上对本实用新型实施例所提供的一种定位装置及其系统进行了详细介绍，其中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例的技术方
案的范围。