一種非接觸式管類物體的測量方法及系統與流程

2023-05-10 16:34:51

本發明涉及一種非接觸式管類物體的測量方法及系統。

背景技術：

彎管作為工業各領域廣泛應用的重要零部件，在車輛、石油、化工、航海、航空和核工業等領域具有重要的用途，其質量的好壞可能直接影響到整臺機器或設備是否能夠正常安全的運行。因此，在彎管管實際生產中，如何能高效、準確的測量所產彎管的各項參數是否滿足設計要求，具有重要的意義。

彎管彎曲成形是一個集材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性於一體的複雜過程，該過程影響因素複雜、成形質量難以控制。目前，在航空、航天等複雜軍工產品研製生產中，成形後的彎管測量是保證管路製造質量和實現精確無應力裝配的不可缺少的最有效、最直接的手段。

彎管的測量難點在於加工後其彎曲角度、拐點位置、每一段的推進量等參數的測量。目前彎管加工廠多依靠人工利用卡尺、量角器等測量器具或三坐標測量儀進行尺寸參數測量。但利用常規測量器具進行測量，不僅工作效率低、測量精度差且多與工人的測量經驗有關，而三坐標測量儀雖然技術發展較成熟、測量精度較高但其實質是測量被測件表面一系列點集的三維坐標，因此其測量工作量大、效率也較低，且其設備價格往往較高。

近年來，隨著機器視覺技術及圖像獲取技術的飛速發展，許多新的產品應運而生，相比於傳統的測量手段，視覺測量具有非接觸、精度高及快速方便等優點，因此可以大大提高檢測精度和速度，從而提高生產效率。如中國專利申請號「201410292927.7」公開了《一種三維彎管多相機視覺檢測方法及其系統》，其方案如下：該三維彎管多相機視覺檢測方法包括下述步驟：步驟s1，多相機標定；步驟s2，彎管圖像採集；步驟s3，彎管邊緣識別；步驟s4，彎管二維中心線檢測；步驟s5，彎管三維中心線重建；步驟s6，彎管參數計算。通過上述操作步驟，其為加工後彎管的尺寸檢測提供了一種快速、準確的量測方法，不僅操作方便，自動化程度高，而且測量結果準確、可靠。簡而言之，該方法為根據二維圖像獲取彎管的邊緣線然後的到中心線，再根據給定的直徑得到彎管圖像。但是，該方法存在如下問題：該方法僅能得出彎管圖像的數據及該圖像的中心線，但無法得出彎管的實際狀況；另外，該方法由於需要先得到二位圖像，再得到中心線，所以，耗時較長。其方法尤其對於管類物體表面存在形變時，二維中心線提取誤差較大，且其需要先提取二維中心線再擬合三維中心線，計算複雜，誤差較大。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供非接觸式管類物體的測量方法，其可以直接得出管類物體的中心線，相比傳統測量方法可大幅度提高測量速度和精度。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種非接觸式管類物體的測量方法，包括如下步驟：

步驟一：管類物體圖形採集，利用相機拍攝管類物體在同一位姿上的照片；

步驟二：管類物體三維模型重建，根據雙目視覺三角測量原理通過採集到的管類物體圖形得到整個管類物體的表面的點雲三維信息以形成該管類物體的三維點雲數據；

步驟三：管類物體中心線提取，通過第一模塊測量方式或第二模塊測量方式提取管類物體的中心線；

所述第一模塊測量方式為：由所述步驟二中所獲得的該管類物體的三維點雲數據進行封裝對其進行三角面片化並進一步進行實體化，以得到該管類物體的三維實體模型，並從該三維實體模型中提取中心線數據；

所述第二模塊測量方式為：對所述步驟二中所獲得的三維點雲數據分段切割，並對其截面上的各點進行圓擬合併得到各個截面圓的圓心，所得的各截面圓的圓心即為該管類物體中心線上一系列的離散點，然後對這些離散點用最小二乘法進行曲線擬合，以提取出中心線數據。

進一步的：在所述步驟一前還包括，多個相機標定，通過在測量視場中布置標誌點來標定多個相機的內部參數和外部參數。

進一步的：在所述步驟一中，多個相機同步拍攝該管類物體在同一位姿上的照片。

進一步的：在所述步驟三中，在進行分段切割時，管類物體的拐點及靠近管類物體的拐點的區域的分段間隔小於管類物體的直線部位的分段間隔。

進一步的：在所述步驟三中，當採用所述第二模塊測量方式獲得管類物體的中心線數據後，再對各個截面圓所得的半徑求取其平均值，利用所得的中心線數據及半徑值進行掃略式三維實體重建，以得到該管類物體的三維實體模型。

進一步的：在所述非接觸式管類物體的測量方法還包括：

將某一管類物體所獲得的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據標記為標準數據保存；

設定偏差值參數；

對其他管類物體採用第二模塊測量方式測量，以獲得該其他管類物體的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據，將該其他管類物體的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據標記為比對數據；

將比對數據與標準數據進行對比，並參考設定偏差參數進行比對分析；若比對數據與標準數據的偏差值在偏差參數的範圍內，則該其他管類物體被判定為合格；若比對數據與標準數據的偏差值在偏差參數的範圍外，則該其他管類物體被判定為不合格。

進一步的：當該其他管類物體被判定為合格時，則將該判定結果標定為一種特定的顏色；當該其他管類物體被判定為不合格時，則將該判定結果標定為另一種特定的顏色。

進一步的：可同時對至少兩根管類物體採用第二模塊測量方式進行測量。

進一步的：在所述步驟二與步驟三之間包括：選擇第一模塊測量方式或第二模塊測量方式。

本發明還提供了一種非接觸式管類物體的測量系統，採用上述非接觸式管類物體的測量方法。

本發明的有益效果在於：由於本發明的非接觸式管類物體的測量方法利用標定好的多個相機拍攝管類物體在同一位姿上的照片，根據雙目視覺三角測量原理通過採集到的管類物體圖形得到整個管類物體的表面的點雲三維信息以形成該管類物體的三維點雲數據，然後通過第一模塊測量方式或第二模塊測量方式提取管類物體的中心線，從而可以直接得出管類物體的中心線，相比傳統測量方法可大幅度提高測量速度和精度。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1為本發明一實施例所示的非接觸式管類物體的測量方法的流程圖；

圖2為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的中心線擬合效果圖；

圖3為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的三維重建效果圖；

圖4為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的拐點識別圖；

圖5為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的與標準件對比偏差柱狀圖；

圖6為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的計算參數效果圖；

圖7為通過本發明的非接觸式管類物體的測量方法所得到的同時測量兩根或多根彎管結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

請參見圖1，本發明一較佳實施例所示的一種非接觸式管類物體的測量方法用於非接觸式管類物體的測量系統，該系統用於非接觸式管類物體的測量設備。所述測量設備包括主體框架、布置在主體框架內的多個相機、導光板及多個led白光光源，該主體框架包括用以放置被測量物(在本實施例中為管類物體)的測量視場，多個相機布置在測量視場內，多個相機位於測量視場的上方。導光板位於測量視場的後側，多個led白光光源均勻布置於主體框架的導光板後側，從而使測量視場形成一個光照均勻的空間，使得拍攝到的管類物體的圖像不會產生陰影。所述非接觸式管類物體的測量方法包括六個步驟。

s1：多個相機標定，通過在測量視場中布置標誌點來標定多個相機的內部參數和外部參數。多個相機的標定是通過在視場中布置標定板來實現十個相機內、外參數的全局標定。所用的標定板正面粘貼有環形的編碼標誌點，並且所有標誌點的三維空間數據已知。多相機標定屬於現有技術，作為示例，本實施例中可以採用文獻「大視場多像機視頻測量系統的全局標定.」(胡浩,梁晉,唐正宗,等.光學精密工程,2012)所提出的多相機標定方法。標定時，將標定板在十個相機測量視場內擺放不同位姿，並控制所有相機同步拍攝標定板不同位姿的圖像；對採集的標定圖像進行處理，並利用近景攝影測量原理進行整體一次性解算，得到所有相機的內部參數和外部參數，其中內部參數表示相機幾何模型和透鏡畸變模型，外部參數表徵不同相機之間的相對位置。在具體使用的時候，該多個相機標定可以僅設置一次，故具體實施的時候，除第一次啟動系統時或者測量視場重新定位，在其他測量過程中，本步驟可以省略。

s2：管類物體圖形採集，利用相機拍攝管類物體在同一位姿上的照片。利用計算機控制多個相機同步拍攝該管類物體在同一位姿上的照片，以一次得到管類物體在同一位姿的十幅灰度圖像。拍攝之前應當調節相機的光圈和鏡頭焦距，使得每個相機採集的圖像清晰。誠然，其他實施方式中，多個相機可以不同步拍攝，但是，同步拍攝相對來說可以縮短測量時間。

s3：管類物體三維模型重建，根據雙目視覺三角測量原理通過採集到的管類物體圖形得到整個管類物體的表面的點雲三維信息以形成該管類物體的三維點雲數據。多個相機可看做每兩個相機為一組雙目成像系統，這樣將測量視場劃分為了多組雙目成像系統組成的空間，每組雙目系統可得到部分物體表面的空間點，由於多個相機在採集前已經進行標定，所以多個相機處於同一空間坐標系中，各組雙目系統測量所得到的空間點也處於同一坐標系中，因此可得到整個物體表面的點雲三維信息，雙目視覺成像原理為較成熟技術，故不再贅述。而由於採用多目視覺，所以，與現有技術相比，無需像雙目視覺掃描儀那樣，需在物體表面粘貼用於不同圖像間進行拼接的多個標識點並通過不斷變換兩個相機的位置進行圖像採集才能得到整個物體表面的三維信息。通過採用雙目視覺三維測量原理從而僅需一次圖像採集，從而有助於提高測量方法的測量速度。

s4：管類物體中心線提取，通過第一模塊測量方式或第二模塊測量方式提取管類物體的中心線。

所述第一模塊測量方式為：由所述s3中所獲得的該管類物體的三維點雲數據進行封裝對其進行三角面片化並進一步進行實體化，以得到該管類物體的三維實體模型，並從該三維實體模型中提取中心線數據；

所述第二模塊測量方式為：對所述s3中所獲得的三維點雲數據分段切割，並對其截面上的各點進行圓擬合併得到各個截面圓的圓心，所得的各截面圓的圓心即為該管類物體中心線上一系列的離散點，然後對這些離散點用最小二乘法進行曲線擬合，以提取出中心線數據。

上述第二模塊測量方式與第一模塊測量方式相比，由於無需對得到的三維點雲數據進行面片化及實體化，所以，該第二模塊測量方式相對來說速度更快。

在本實施例中，在第二模塊測量方式中為了得到較高的精度，在所述s4中，在進行分段切割時，管類物體的拐點及靠近管類物體的拐點的區域的分段間隔小於管類物體的直線部位的分段間隔。在所述s4中，當採用所述第二模塊測量方式獲得管類物體的中心線數據後，再對各個截面圓所得的半徑求取其平均值，利用所得的中心線數據及半徑值進行掃略式三維實體重建，以得到該管類物體的三維實體模型。

在所述s4之後還包括：

s5：將某一管類物體所獲得的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據(彎管中心線的拐點坐標、彎曲角度、旋轉角度、直管段長度等尺寸參數)標記為標準數據保存；在本步驟中，推薦採用第一模塊測量方式獲得標準數據以進行保存，並所採用的第一模塊測量方式可進行多次或變換不同位置進行測量，對測量結果參數求取平均值後進行存儲，以提高後期對比精度。對比採用第二模塊測量方式獲得標準數據，該第一模塊測量方式所獲得得的精度更高。

s6：設定偏差值參數；

s7：對其他管類物體採用第二模塊測量方式測量，以獲得該其他管類物體的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據，將該其他管類物體的中心線數據、三維實體模型及三維點雲數據標記為比對數據；

s8：將比對數據與標準數據進行對比，並參考設定偏差參數進行比對分析；若比對數據與標準數據的偏差值在偏差參數的範圍內，則該其他管類物體被判定為合格；若比對數據與標準數據的偏差值在偏差參數的範圍外，則該其他管類物體被判定為不合格。

除本實施例外，上述s5與s6位置可以互換，或者將s6放在s1至s4之中的任意一個之前。

為了便於測試人員觀察，可將測試結果標定為不同的顏色。具體為：當該其他管類物體被判定為合格時，則將該判定結果標定為一種特定的顏色(本實施例中標定為綠色)；當該其他管類物體被判定為不合格時，則將該判定結果標定為另一種特定的顏色(本實施例中標定為紅色)。從而可以非常直觀的顯示各參數偏差對比圖及數模對比圖，從而可完成一批次產品(管類物體)的抽檢或全檢，達到控制產品質量的目的。

為了縮短測量速度，可同時對至少兩根管類物體採用第二模塊測量方式進行測量。

在所述s3與s4之間包括：選擇第一模塊測量方式或第二模塊測量方式。該選擇方式可以通過人工方式實現。

綜上所述：由於上述非接觸式管類物體的測量方法利用標定好的多個相機拍攝管類物體在同一位姿上的照片，根據雙目視覺三角測量原理通過採集到的管類物體圖形得到整個管類物體的表面的點雲三維信息以形成該管類物體的三維點雲數據，然後通過第一模塊測量方式或第二模塊測量方式提取管類物體的中心線，從而可以直接得出管類物體的中心線，相比傳統測量方法可大幅度提高測量速度和精度。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。