基于激光線掃描三維重構的擴徑管道直徑及圓度測量方法

臧春華， 王海艦， 高興宇， 紀紅剛， 王 琨， 趙立新， 邱南聰

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

0 引言

管道在給水、排氣、供煤氣、長距離輸送石油和天然氣等各種工業(yè)裝置中用途廣泛，不同應用場合對管道的尺寸要求多種多樣， 因此需要根據(jù)需求對管道進行擴徑[1-2]。管道擴徑過程中需要對主要參數(shù)指標直徑和圓度進行實時在線監(jiān)測，為工作人員提供精準的測量數(shù)據(jù)[3-4]。

針對被測管道具有直徑大， 管道過長， 數(shù)量多等特點， 本系統(tǒng)提出了一種基于激光線掃描三維重構的管道檢測系統(tǒng)， 對各種尺寸和長輸出的管道都能進行直徑和圓度的測量，提高了檢測的精確度和工作效率。通過激光線掃3D 相機傳感器獲取管道的外部輪廓線的點云數(shù)據(jù)，利用上機位對得到的點云數(shù)據(jù)進行分析， 然后采用點云拼接技術進行三維重構， 最后通過最小二乘法計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量方法，本系統(tǒng)將被測管道進行分類測量，將半徑小于485mm 的管道和半徑大于485mm 的管道分別進行測量，提高工作效率。

1 整體結構設計

管道直徑及圓度檢測系統(tǒng)整體結構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)及人機交互界面，整體框架如圖1 所示。

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

首先將管道放置在升降系統(tǒng)上，通過升降系統(tǒng)進行調(diào)整使管道中心與整體系統(tǒng)中心基本一致。通過步進電機調(diào)整激光線掃3D 相機傳感器至起始位置，然后通過高精度旋轉臺進行角度控制，使傳感器旋轉至設定的拍照角度，進行管道外輪廓數(shù)據(jù)采集，獲取數(shù)據(jù)后，對管道外輪廓進行點云濾波，三維重建得到重構的管道外輪廓， 最后通過最小二乘法函數(shù)對重構的管道直徑尺寸和圓度的計算。 利用激光線掃描傳感器進行外輪廓數(shù)據(jù)獲取后再利用上機位對圖像數(shù)據(jù)進行處理和分析；對上位機軟件進行了設計，完成了界面設計、結果顯示、單片機通訊、相機控制、數(shù)據(jù)管理等功能。使得整個檢測系統(tǒng)能夠順利運行， 利用上機位實現(xiàn)對管道的實時監(jiān)測。

1.1 傳感器角度及位置控制系統(tǒng)

由于管道直徑過大，需要完整的拍攝到整個外表面，僅僅使用一個傳感器進行單次拍照無法拍攝到被測管道的全部范圍，采用單個進行多次拍照需要移動相機，進行多次拍照， 該方法無法滿足本系統(tǒng)的測量精度和工作效率。 同時采用多個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)是一個高精度測量系統(tǒng)，采用的是EVT3D 相機傳感器高精度測量儀器，價格昂貴，成本高。 因此，綜合考慮本測試系統(tǒng)的精度和成本，決定采用兩個傳感器進行數(shù)據(jù)的獲取。 再通過對傳感器的位置和角度進行精準的控制， 使得傳感器能夠在保證精度的前提下進行多方位拍照， 完整的獲取被測管道外表面截面的全部圖像數(shù)據(jù)，保證其數(shù)據(jù)的完整性和相關性。管道測量方法如圖2 所示。

傳感器的擺放位置總共有A、B、C、D 四個位置，該四個點分別在被測管道角平分線上，使其滿足傳感器拍攝的最大距離。由于管道直徑大小不同，所以需在四個對角都進行拍照，保證圖片數(shù)據(jù)的完整性。對于半徑小于485mm 的管道，需要進行兩次拍照，先將傳感器移動到A、B 位置，傳感器鏡頭對準系統(tǒng)中心，拍照完成之后，再通過高精度步進電機將兩個傳感器移動至C、D 位置，將傳感器鏡頭對準系統(tǒng)中心進行拍照， 隨后將圖片數(shù)據(jù)保存至上機位進行點云數(shù)據(jù)處理。 對于半徑大于485mm 的管道，需要進行四次拍照，先將傳感器移動至A、B 位置，隨后通過高精度旋轉臺對傳感器進行角度控制， 先將A 位置的傳感器以AD 對角線為零刻度逆時針偏轉15°，B 位置的傳感器以BC 位置中心線為零刻度順時針偏轉15°，進行一次拍照；再將A 位置的傳感器順時針偏轉30°， 將B 位置的傳感器逆時針偏轉30°，進行第二次拍照；通過步進電機移動傳感器至C、D 位置， 將C 位置的傳感器以CB 對角線為零刻度順時針偏轉15°，將D 位置的傳感器以AD 對角線為零刻度逆時針偏轉15°，進行第三次拍照；隨后將C 位置的傳感器逆時針偏轉30°， 將D 位置的傳感器順時針偏轉30°，進行第四次拍照。 照完成后將圖片數(shù)據(jù)發(fā)送至上機位。

圖2 管道測量方法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， 為了使被測管道的中心與標定的系統(tǒng)中心保持一致， 所以需對被測管道進行高度的調(diào)整，便于測量到管道完整的圖像，同時利用距離傳感器對管道中心進行檢測， 通過升降系統(tǒng)對被測管道進行調(diào)整，達到測試要求，提高測量精度。

2 管道直徑及圓度測量

在進行實際測量之前需對激光線掃3D 相機傳感器進行校準和標定，提高測量的精度[5-6]。通過對傳感器相機設置，調(diào)整相機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。 同時在校準過程中對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電機和旋轉臺對傳感器進行位置和角度控制，以滿足拍攝要求，保證一次完整拍攝過程中只對一個截面進行拍照， 提高數(shù)據(jù)的相關性。

在對傳感器相機設置和光面標定之后， 通過激光線掃3D 相機傳感器拍圖，將圖片數(shù)據(jù)發(fā)送至上機位進讀取數(shù)據(jù)后采用點云數(shù)據(jù)處理技術進行濾波，拼接等處理，得到管道某一截面的邊緣弧線重構的圓， 通過圓的方程計算相應的參數(shù)，圓的方程為：

3 激光線三角法相機原理

首先在激光線掃3D 相機傳感器拍照獲取管道外輪廓數(shù)據(jù)后，先對點云數(shù)據(jù)進行處理得到重構的圓，然后利用最小二乘法計算重構管道的直徑和圓度。

激光線掃3D 相機是由一個單線激光器和一個工業(yè)黑白相機以一定角度組成的。 通過采集被測物表面的二維輪廓信息，通過特殊的透鏡組，激光束被放大形成一條靜態(tài)激光線投射到被測物體的表面上。 激光線在被測物體表面形成漫反射，反射光透過高質(zhì)量光學系統(tǒng)，被投射到敏感感光矩陣上。 除了傳感器到被測表面的距離信息（z 軸），還可以通過圖像信息計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內(nèi)，輪廓儀測量輸出一組二維坐標值。移動被測物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測量。

通過移動被測物或者相機， 得到物體的3D 點云圖形，可以對物體的體積，面積以表面特征進行分析處理。

4 實驗驗證

利用搭建的管道非接觸式測試實驗平臺， 將被測管道通過升降系統(tǒng)調(diào)整至中心， 再利用距離傳感器對管道進行檢測，控制步進電機和旋轉臺對激光線掃3D 相機傳感器進行控制對被測管道進行拍照， 將獲取的圖像數(shù)據(jù)保存至上機位，對圖像數(shù)據(jù)進行處理。

選取一根直徑約為400mm 管道為測量對象，對該管道進行測試，測試后的圖像見圖3。

根據(jù)圖像得到被測管道外表面重構的圓， 對得到的圓進行最小二乘法計算直徑和圓度。 分別對大小尺寸的管道進行測量，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 結論

本文采用基于激光線掃描三維重構的非接觸測量方法，實現(xiàn)對管道在擴徑過程中的尺寸測量。調(diào)試過程中對測試系統(tǒng)進行重復性實驗， 結果表明測量系統(tǒng)的直徑和圓度的精度可達到，該測量方法精度高，速度快，可以滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的精確性要求， 克服了傳統(tǒng)測量方法的諸多缺點，適用于生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測。