基于OpenCV非接觸式管材測速器的研究

施家悅 葉寒劍 鄭文錦 黃利杰

摘 ? 要：當前工業制管機采用接觸式測速裝置對管材進行測速，該測速方式由于測量輥的損耗，會導致加工存在誤差。為從根本上解決此問題，文章設計了一種非接觸式管材測速裝置，以攝像頭及控制器結合的方式對管材進行測速，以此提高測量精度，減小加工誤差。處理器主要通過對攝像頭所獲取的圖像信息進行相應的圖像處理以及數據分析，最終得出速度數據。目前，此裝置運行穩定，測速精度也已達到預先設計目標。

關鍵詞：非接觸式測量;速度檢測;圖像處理;測速精度

1 ? ?管材測速器的簡要介紹

因為當前傳統工業制管機所采用的測速裝置多為測速輥配合軸套編碼器進行測速，在長時間的使用過程中管材擠壓必定會使測速輥產生磨損，而這樣的磨損是無法測定的，同時也對其工作的檢修與維護造成了困難[1]。

當前工廠內使用的為管材切割系統，筆者發現了該套切割系統存在的一些問題：

（1）在管材從冷卻箱出來后容易帶水并打滑，致使測量失準、數據無效，給后期工業生產切割帶來了一定的麻煩。

（2）由于測量輥是直接與管材表面接觸的，產生的磨損暫時無法通過反饋環節進行補償，最終也會對管材切割的精度產生影響。

為減小誤差，提高生產力，本文提出利用圖像找點進而推導求速度的方案，采用非接觸式測量方法，利用高分辨率、高清晰度的攝像頭對行進中的管材進行多圖連拍，在將圖像回傳至處理器模塊以后，對圖像進行分析與數據處理，由此可推算得該管材的瞬時速度。

使用雙目攝像頭USB3.0雙目產品（HNY-CV-001/002/003B），通過USB接口接入上位機，通過攝像頭對圖像進行處理，研究制作了一種非接觸式管材測速裝置。該非接觸式管材測速裝置基于Microsoft Visual Studio 2017平臺，配置OpenCV3.3.0（以下簡稱OpenCV）依照預定方案進行代碼的設計與開發，完成了上位機對攝像頭資源的調用與其對攝像頭信息的采集控制，實現了對測速裝置預期功能的設計[2]。

2 ? ?結構設計

測速器整體結構如圖1所示，具體如下：（1）可調節光強LED燈。（2）攝像頭半活動支架。（3）英特爾i5處理器。（4）被測對象管材。（5）舵機。（6）舵機支架。（7）滑軌。（8）暗箱。（9）被測對象運動方向，其中還有未展示的步進電機推桿。

在測速器基本裝置中，可調節LED燈具有多個亮度檔供調節，攝像頭半活動支架將為攝像頭提供一個合適的角度以供拍攝采圖能達到最佳效果;舵機根據事先設置的參數進行頻率調節。

為保證實驗測試能得到最佳效果，筆者對調用攝像頭的分辨率及幀率進行了多組參數設置，最終選用了分辨率2 560×720、幀率60 f/s參數進行攝像頭預參數設定。

3 ? ?電氣設計

電氣設計主要包括檢測部分及控制部分。

3.1 ?檢測部分

該測速器在對圖像處理時需要一定的特征點進行圖像分析，基于這方面的要求，選擇在電路板上預先寫入舵機控制程序的單片機，對舵機進行打點頻率控制。通過控制舵機的頻率，完成對管道的打點標記，實現舵機打點功能。

3.2 ?控制部分

控制部分主要集中在自主設計的電路板和控制統一的光照強度。設計部分搭載了電源模塊、舵機模塊、攝像頭模塊及無線傳輸模塊的電路板，以達到控制功能。電源模塊連接電源，啟動供電給舵機模塊、攝像頭模塊及無線傳輸模塊。其功能主要為：控制攝像頭進行圖像采集工作，接著傳輸到SD卡存儲，通過無線傳輸模塊提取或清除圖像。

在工廠環境中測試時，發現不同時間段的工廠環境影響攝像頭采圖質量。因此設計了一個暗箱，用可調節LED燈來控制光照強度，保證攝像頭采圖質量。

4 ? ?軟件設計

該測速器基本工作流程：開始→系統初始化→打標機打電→攝像頭采集圖像→控制器進行圖像分析處理→顯示器顯示打電坐標及管材速度→清中斷標志位→結束。

4.1 ?圖像處理

在測速器通電后系統正常工作的情況下，對攝像頭采集到兩張圖像分別進行數據獲取。

該測速器所采集到的原始圖像首先經過二值化處理[3]，然后再經過形態學操作，進一步優化圖像效果;其次，基于Canny算法[4]對圖像進行邊緣檢測，將特征輪廓進行檢測處理，其中OpenCV提供了相應的檢測函數可供調用，在此基礎上，通過輪廓得到標記點的質心坐標，從而解決了標記點坐標尋找的問題。

通過對比經過形態學操作前后的兩張二值化圖像，可清晰地看到，原圖左半邊的圖像噪點被消除了，而圖像右側的管道在經過去噪操作后也更加細膩，更加方便了圖像處理部分的下一步—坐標標定的進行。

4.2 ?結果分析

在本文的此次實驗中，選取了分辨率為2 560×720，幀率為60 f/s的弱光環境進行測速試驗。

圖2中左側各點顯示縱坐標為213和635，右側各點顯示縱坐標為203和625。將兩張圖像的坐標數據分別保存至數組，并進行計算。具體計算公式為：

式中：v表示速度;k表示實物與圖像比例;xn表示第n張圖片的縱坐標;t表示間隔時間。在本次測試中使用了步進電機推桿對管道進行拖動，該電動推桿設計速度與工廠管材運動速度相近，速度控制在5 m/min運行。

在實驗室內進行多組模擬測試，分析了誤差來源以及確定各部分的誤差值，為了對系統整體的切割精度進行評估，對各部分誤差進行誤差合成。系統的切割精度指標大致如下：

（1）設定速度與處理速度的相對誤差可控制在2‰以內。

（2）切割端面垂直度和光潔度保持水平較高，完全能夠滿足目前實際應用的要求，在連接時不需要重新加工端面。

5 ? ?結語

本課題是對管材速度檢測問題進行理論研究并可用于實際工廠項目的設計，從應用的角度提出解決方案。采用非接觸式的測量方法完成速度檢測，很好地避免了傳統工業制管過程中夾送輥遇水引起的管材打滑問題，同時，也解決了測量環節元件容易耗損且無法反饋補償的問題。從目前實際系統測試的情況來看，整體系統運行穩定，檢測速度精度也已達到預先的設計目標。

[參考文獻]

[1]馬國勝.管材同步追剪控制系統的研究與設計[D].沈陽：東北大學，2015.

[2]李玲，李洋濤.非接觸式測速系統的FPGA開發[J].微處理機，2013（1）：73-75.

[3]趙哲.基于C#的數字圖像處理算法的分析研究[J].科技信息，2010（7）：92-93.

[4]郭逸倫.基于OpenCV的邊緣檢測算法效率分析[J].科學技術創新，2019（1）：92-93.