臧春華， 王海艦， 高興宇， 紀(jì)紅剛， 王 琨， 趙立新， 邱南聰

（1.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所， 廣東 珠海 519060； 2.桂林電子科技大學(xué)， 廣西 桂林 541004）

0 引言

管道在給水、排氣、供煤氣、長(zhǎng)距離輸送石油和天然氣等各種工業(yè)裝置中用途廣泛，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)管道的尺寸要求多種多樣， 因此需要根據(jù)需求對(duì)管道進(jìn)行擴(kuò)徑[1-2]。管道擴(kuò)徑過(guò)程中需要對(duì)主要參數(shù)指標(biāo)直徑和圓度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為工作人員提供精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)[3-4]。

針對(duì)被測(cè)管道具有直徑大， 管道過(guò)長(zhǎng)， 數(shù)量多等特點(diǎn)， 本系統(tǒng)提出了一種基于激光線掃描三維重構(gòu)的管道檢測(cè)系統(tǒng)， 對(duì)各種尺寸和長(zhǎng)輸出的管道都能進(jìn)行直徑和圓度的測(cè)量，提高了檢測(cè)的精確度和工作效率。通過(guò)激光線掃3D 相機(jī)傳感器獲取管道的外部輪廓線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用上機(jī)位對(duì)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 然后采用點(diǎn)云拼接技術(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)， 最后通過(guò)最小二乘法計(jì)算管道直徑尺寸和圓度。 基于不同尺寸大小的管道具有不同的測(cè)量方法，本系統(tǒng)將被測(cè)管道進(jìn)行分類測(cè)量，將半徑小于485mm 的管道和半徑大于485mm 的管道分別進(jìn)行測(cè)量，提高工作效率。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道直徑及圓度檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括傳感器位置控制系統(tǒng)，傳感器角度控制系統(tǒng)， 升降系統(tǒng)及人機(jī)交互界面，整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall framework structure of the system

首先將管道放置在升降系統(tǒng)上，通過(guò)升降系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整使管道中心與整體系統(tǒng)中心基本一致。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整激光線掃3D 相機(jī)傳感器至起始位置，然后通過(guò)高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行角度控制，使傳感器旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的拍照角度，進(jìn)行管道外輪廓數(shù)據(jù)采集，獲取數(shù)據(jù)后，對(duì)管道外輪廓進(jìn)行點(diǎn)云濾波，三維重建得到重構(gòu)的管道外輪廓， 最后通過(guò)最小二乘法函數(shù)對(duì)重構(gòu)的管道直徑尺寸和圓度的計(jì)算。 利用激光線掃描傳感器進(jìn)行外輪廓數(shù)據(jù)獲取后再利用上機(jī)位對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了界面設(shè)計(jì)、結(jié)果顯示、單片機(jī)通訊、相機(jī)控制、數(shù)據(jù)管理等功能。使得整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行， 利用上機(jī)位實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.1 傳感器角度及位置控制系統(tǒng)

由于管道直徑過(guò)大，需要完整的拍攝到整個(gè)外表面，僅僅使用一個(gè)傳感器進(jìn)行單次拍照無(wú)法拍攝到被測(cè)管道的全部范圍，采用單個(gè)進(jìn)行多次拍照需要移動(dòng)相機(jī)，進(jìn)行多次拍照， 該方法無(wú)法滿足本系統(tǒng)的測(cè)量精度和工作效率。 同時(shí)采用多個(gè)傳感器雖然在精度和效率上得到了很大的保證，但由于本系統(tǒng)是一個(gè)高精度測(cè)量系統(tǒng)，采用的是EVT3D 相機(jī)傳感器高精度測(cè)量?jī)x器，價(jià)格昂貴，成本高。 因此，綜合考慮本測(cè)試系統(tǒng)的精度和成本，決定采用兩個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取。 再通過(guò)對(duì)傳感器的位置和角度進(jìn)行精準(zhǔn)的控制， 使得傳感器能夠在保證精度的前提下進(jìn)行多方位拍照， 完整的獲取被測(cè)管道外表面截面的全部圖像數(shù)據(jù)，保證其數(shù)據(jù)的完整性和相關(guān)性。管道測(cè)量方法如圖2 所示。

傳感器的擺放位置總共有A、B、C、D 四個(gè)位置，該四個(gè)點(diǎn)分別在被測(cè)管道角平分線上，使其滿足傳感器拍攝的最大距離。由于管道直徑大小不同，所以需在四個(gè)對(duì)角都進(jìn)行拍照，保證圖片數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)于半徑小于485mm 的管道，需要進(jìn)行兩次拍照，先將傳感器移動(dòng)到A、B 位置，傳感器鏡頭對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中心，拍照完成之后，再通過(guò)高精度步進(jìn)電機(jī)將兩個(gè)傳感器移動(dòng)至C、D 位置，將傳感器鏡頭對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中心進(jìn)行拍照， 隨后將圖片數(shù)據(jù)保存至上機(jī)位進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。 對(duì)于半徑大于485mm 的管道，需要進(jìn)行四次拍照，先將傳感器移動(dòng)至A、B 位置，隨后通過(guò)高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行角度控制， 先將A 位置的傳感器以AD 對(duì)角線為零刻度逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°，B 位置的傳感器以BC 位置中心線為零刻度順時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°，進(jìn)行一次拍照；再將A 位置的傳感器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)30°， 將B 位置的傳感器逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)30°，進(jìn)行第二次拍照；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)傳感器至C、D 位置， 將C 位置的傳感器以CB 對(duì)角線為零刻度順時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°，將D 位置的傳感器以AD 對(duì)角線為零刻度逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°，進(jìn)行第三次拍照；隨后將C 位置的傳感器逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)30°， 將D 位置的傳感器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)30°，進(jìn)行第四次拍照。 照完成后將圖片數(shù)據(jù)發(fā)送至上機(jī)位。

圖2 管道測(cè)量方法Fig.2 Pipeline measurement method

1.2 管道升降系統(tǒng)

由于管道的尺寸大小不一， 為了使被測(cè)管道的中心與標(biāo)定的系統(tǒng)中心保持一致， 所以需對(duì)被測(cè)管道進(jìn)行高度的調(diào)整，便于測(cè)量到管道完整的圖像，同時(shí)利用距離傳感器對(duì)管道中心進(jìn)行檢測(cè)， 通過(guò)升降系統(tǒng)對(duì)被測(cè)管道進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到測(cè)試要求，提高測(cè)量精度。

2 管道直徑及圓度測(cè)量

在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之前需對(duì)激光線掃3D 相機(jī)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，提高測(cè)量的精度[5-6]。通過(guò)對(duì)傳感器相機(jī)設(shè)置，調(diào)整相機(jī)的曝光和增益使拍攝到更廣的視野，保證圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 同時(shí)在校準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)傳感器位置和角度的精度要求極高， 因此采用高精度的步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行位置和角度控制，以滿足拍攝要求，保證一次完整拍攝過(guò)程中只對(duì)一個(gè)截面進(jìn)行拍照， 提高數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

在對(duì)傳感器相機(jī)設(shè)置和光面標(biāo)定之后， 通過(guò)激光線掃3D 相機(jī)傳感器拍圖，將圖片數(shù)據(jù)發(fā)送至上機(jī)位進(jìn)讀取數(shù)據(jù)后采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行濾波，拼接等處理，得到管道某一截面的邊緣弧線重構(gòu)的圓， 通過(guò)圓的方程計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)，圓的方程為：

3 激光線三角法相機(jī)原理

首先在激光線掃3D 相機(jī)傳感器拍照獲取管道外輪廓數(shù)據(jù)后，先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到重構(gòu)的圓，然后利用最小二乘法計(jì)算重構(gòu)管道的直徑和圓度。

激光線掃3D 相機(jī)是由一個(gè)單線激光器和一個(gè)工業(yè)黑白相機(jī)以一定角度組成的。 通過(guò)采集被測(cè)物表面的二維輪廓信息，通過(guò)特殊的透鏡組，激光束被放大形成一條靜態(tài)激光線投射到被測(cè)物體的表面上。 激光線在被測(cè)物體表面形成漫反射，反射光透過(guò)高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)，被投射到敏感感光矩陣上。 除了傳感器到被測(cè)表面的距離信息（z 軸），還可以通過(guò)圖像信息計(jì)算得出沿著激光線的位置信息（x 軸）。 以傳感器為原心的二維坐標(biāo)內(nèi)，輪廓儀測(cè)量輸出一組二維坐標(biāo)值。移動(dòng)被測(cè)物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測(cè)量。

通過(guò)移動(dòng)被測(cè)物或者相機(jī)， 得到物體的3D 點(diǎn)云圖形，可以對(duì)物體的體積，面積以表面特征進(jìn)行分析處理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用搭建的管道非接觸式測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 將被測(cè)管道通過(guò)升降系統(tǒng)調(diào)整至中心， 再利用距離傳感器對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，控制步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)激光線掃3D 相機(jī)傳感器進(jìn)行控制對(duì)被測(cè)管道進(jìn)行拍照， 將獲取的圖像數(shù)據(jù)保存至上機(jī)位，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

選取一根直徑約為400mm 管道為測(cè)量對(duì)象，對(duì)該管道進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試后的圖像見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖像得到被測(cè)管道外表面重構(gòu)的圓， 對(duì)得到的圓進(jìn)行最小二乘法計(jì)算直徑和圓度。 分別對(duì)大小尺寸的管道進(jìn)行測(cè)量，得到如表1 所示數(shù)據(jù)。

表1 管道直徑、圓度及精度Tab.1 Pipe diameter，roundness and accuracy

5 結(jié)論

本文采用基于激光線掃描三維重構(gòu)的非接觸測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道在擴(kuò)徑過(guò)程中的尺寸測(cè)量。調(diào)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明測(cè)量系統(tǒng)的直徑和圓度的精度可達(dá)到，該測(cè)量方法精度高，速度快，可以滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的精確性要求， 克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的諸多缺點(diǎn)，適用于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。