基于CMOS圖像傳感器的熱軋鋼板輪廓測量系統

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.河南中原光電測控技術有限公司，河南 鄭州 450046）

隨著我國制造業的快速發展以及智能制造理念的進一步深化，鋼板特別是中厚板因其良好的機械性能、成品的尺寸精度高等特點己經被廣泛地用在制造業的各個領域內[1]。與此同時，對各個鋼廠對軋制成品板材的板形質量要求也越來越高。對于鋼板的板形檢測，傳統的人工視覺己經不能滿足現代工業的檢測要求，因此基于機器視覺的檢測系統己經成為板形輪廓檢測的發展趨勢，也得到了很多研究機構和鋼鐵企業的認同和重視[2]。

該課題主要針對基于CMOS光電測量技術進行研究，基于項目組所在多年以來在激光測量技術相關研究領域的技術發展，實現基于CMOS圖像傳感器的光電測寬系統，提高鋼板寬度的測量速度和測量精度。并結合測速測長儀實時記錄鋼板的速度數據以及長度數據，計算出鋼板的輪廓模型，最終實現基于CMOS圖像傳感器的鋼板輪廓測量系統。能夠實時在線測量進入測量區域的鋼板輪廓信息，并計算鋼板頭部的有效寬度位置，形成鋼板的優化寬度和切頭長度位置等剪切數據。

1 整體系統設計

1.1 鋼板輪廓測量系統的整體布局

鋼板輪廓測量系統由寬度測量系統、激光測速儀、數據處理單元、上位機處理軟件及界面組成。寬度測量系統由光電接收系統、激光發射系統、數據處理單元和標定系統組成，用于實時測量鋼板通過測量區域時的數據處理及寬度計算。激光測速儀實時測量鋼板的速度信息。上位機軟件同步寬度和速度信息，擬合鋼板的輪廓曲線，計算鋼板板頭、板尾的最大剪切值，以及與工場網絡通訊，最終實現鋼板的優化剪切。具體布局如圖1所示：

圖1 輪廓測量儀現場設備布局

1.2 光學系統設計

光學系統是通過圖像處理實現工業測量的基礎，由其設計帶來的誤差會影響到后續圖像數據處理及各個測量環節，因此良好的光學系統設計對鋼板輪廓測量有著至關重要的作用。傳統的非接觸式檢測測量分為兩種類型，一是憑借己知的被測物的圖像，計算它的一些特征參數時，如鋼板的表面檢測系統，常選用白熾燈或LED燈帶作為補光光源；另一種是被測鋼板溫度較高時，其自身發出紅外波段光譜，可直接通過圖像傳感器進行成像和采集[3]。針對熱軋鋼板輪廓測量系統應用環境和特點，本系統設計采用雙目被動雙目測量原理，通過被動成像對鋼板的寬度信息進行采集處理和計算。本設計采用4096像素單元CMOS圖像傳感器，每個像素尺寸為7*200μm，信號采樣頻率最大10MHz，滿足測量要求。

2 基本原理

2.1 鋼板寬度測量原理

本文鋼板寬度測量系統基于雙目被動式測寬原理，該系統由2個光電接收系統、激光發射系統、數據處理單元和標定系統組成。根據設計要求兩個光電接受系通安裝在距離輥道平面H的平臺上，兩個接收系統距離為D，以其中垂線為y軸，以輥道平面為x軸，建立平面直角坐標系，如圖2所示。PQ為鋼板通過測量區域時的瞬時位置，設P點坐標（x1,y1）,Q點坐標（x2,y2）,M、N分別為鋼板邊緣P點在兩光電接收單元上的成像讀值位置a，b，則M點坐標（a,0），N點坐標（b,0）。

圖2 雙目測量原理示意圖

根據已有條件可求得△PBA≌△PMN，△MDP≌△MCB，可得：

同理可求得Q點坐標（x2,y2）:

因此可求得待測鋼板寬度W：

2.2 基于激光測速儀的鋼板速度采集

激光測長測速儀是通過光的多普勒效應，通過對被測量物體的表面發射兩條明暗相間的干涉條紋。當被測物體發生位移時，光束就依照與該材料的速度成比例的頻率被散射回到測速儀接收系統中。對該光頻率的測量，通過數學模型計算出速度信息，利用速度和時間的積分關系得出待測物體長度[4]。

3 算法研究

3.1 鋼板寬度信號預處理與鋼板邊緣信號提取

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

圖3 小波變換模極大與突變點檢測

圖4 小波變換求鋼板邊緣信號

3.2 建表標定與寬度計算

本文設計一種自動建表標定機構。該機構由固定底座、導軌滑塊、伺服電機、目標板等部分組成。

圖5 建表標定機構示意圖

目標板內部置有紅外發光燈帶，表面開出50*400的長方形孔模擬熱態鋼板，孔的邊緣經接收系統成像在COMS傳感器上，當系統開始建表后，由伺服電機帶動滑塊傳動機構從輥道平面向上方依次移動固定位移，數據采集系統記錄每個長方孔邊緣位置信息，通過水平和垂直兩個方向數據擬合，最終建立鋼板寬度方向的平面空間坐標系。當鋼板通過測量區域時，將鋼板邊緣數據帶入平面坐標系統，得到式（5）的各個參數，最終得出鋼板的實時寬度值。

3.3 輪廓測量

在傳統的圖像處理檢測方法中，通常將待測物體近似看作是勻速的運動狀態，特別是在進行鋼板輪廓檢測的算法設計中，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，并以此獲得待測鋼板的整體輪廓特征，這種計算方法是存在非常大誤差，由于待測鋼板在運動時受外界干擾比較大，其真實的運動速度并非一致。

考慮到在實際中外界干擾存在時鋼板的運動速度，因此本文采取將測速儀測得的實時運動速度數據更加準確的匹配鋼板的寬度信息，并以此獲取的輪廓端點數據。本文設定將寬度測量周期設置成與速度采集周期一致。

圖6 寬度與長度匹配的輪廓數據

通過對每個采集周期內鋼板寬度方向邊緣的提取，計算寬度數值，然后匹配該采集周期內中板的運動速度，就可以將圖像中待測中厚板的長度尺寸與寬度尺寸求取出來，然后結合比例系數，就可以將待測鋼板的實際輪廓計算出來。

4 現場驗證

該系統在某鋼廠中板生產線矯直機出口安裝一套，系統通過實時檢測鋼板的長度和寬度數據，并依據系統之間的關聯計算出鋼板母板的輪廓信息以及鋼板頭部和尾部的有效長度，并將此信息提供給工廠PLC網路，在未使用該系統前，需要操作人員對每塊鋼板進行手動設定，增加了操作人員的勞動強度，稍有疏忽就可能由于剪切不準造成比較嚴重的后果。

該系統應用后，切頭切尾的長度由系統自動計算，極大地減輕了操作人員的勞動強度，降低鋼板的切損率，取得了良好的經濟效益和社會效益。

5 結論

基于CMOS圖像傳感器的鋼纜輪廓測量系統模型是結合CMOS圖像測量技術與熱軋鋼板生產現場實際情況提出來的。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合計算鋼板寬度，通過激光測速儀對鋼板的實時速度進行采集并積分運算得到鋼板實時長度，最終依據鋼板的實時寬度和長度信息綜合計算出鋼板的輪廓信息模型。

該模型可以實時獲取鋼板的寬度和長度信息，最大限度的減小由于鋼板非勻速運動和外界環境的干擾對鋼板輪廓測量帶來的誤差，提高了測量精度，可對鋼板的優化剪切起到很好的指導作用，滿足現場應用。可應用與板材、熱連軋、板坯等多種場合的實時在線測量。