TOF相機在連鑄自動化場景的應用

朱麗業(yè),郭曉峰

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201999)

0 引言

在經(jīng)濟全球化、產(chǎn)業(yè)信息化的大背景下，占世界冶金工業(yè)產(chǎn)能80%以上的鋼鐵企業(yè)也在努力從傳統(tǒng)工業(yè)向數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。然而，鋼鐵企業(yè)，尤其是煉鋼工廠的連鑄澆鋼場景作業(yè)繁重、危險系數(shù)高，是鋼鐵行業(yè)自動化與智能化難以攻克的領域之一。連鑄澆鋼作業(yè)亟需一種可有效提高勞動生產(chǎn)力、降低人工操作危險的解決方案。

在此背景下，鋼鐵企業(yè)開始越來越多地使用智能機器人，以承擔繁重的生產(chǎn)工作。鑒于連鑄澆鋼作業(yè)對精度定位有特別高的要求，連鑄澆鋼智能機器人大多需要額外加裝一套深度傳感器，以實現(xiàn)輔助定位和成像檢測的功能。

常見的連鑄澆鋼智能機器人一般使用基于雙目視覺原理的深度傳感器配合常規(guī)機械控制設備進行工作。但雙目視覺普遍存在定位不精確、視覺檢測質(zhì)量低等問題。這些問題一直無法得到有效解決。

基于飛行時間(time of flight，TOF)原理的三維成像檢測使用較多的方法是點云技術(shù)。點云技術(shù)[1]是一種將大量單個空間測量數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)集的方法。該數(shù)據(jù)集可以代表一個整體。每一個點數(shù)據(jù)表示底層采樣曲面上單個點的X、Y、Z方向三維坐標。當存在顏色信息時，點云變?yōu)樗木S數(shù)據(jù)。點云通常是使用三維激光掃描儀和激光雷達(光探測和測距)技術(shù)[2]生成的。每個點代表一個單獨的激光掃描測量。這些點拼接在一起即完成場景創(chuàng)建。點云也可以由計算機程序手動生成。通過生成的空間坐標，可以在連鑄澆鋼這一特殊工作場景下，由多維感知系統(tǒng)與機器人的有效配合，進行精確定位并完成多類別現(xiàn)場作業(yè)任務，且可以24 h工作而不損失任何性能，從而達到有效實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 傳統(tǒng)煉鋼生產(chǎn)工藝流程

鋼鐵生產(chǎn)工藝主要包括煉鐵、煉鋼、軋鋼等流程[3]。

①煉鐵：還原燒結(jié)礦和塊礦中的鐵的過程。焦炭、燒結(jié)礦、塊礦連同少量的石灰石、一起送入高爐中冶煉成液態(tài)生鐵(鐵水)，然后送往煉鋼廠作為煉鋼的原料。

②煉鋼：去除原料(鐵水和廢鋼等)中過多的碳及硫、磷等雜質(zhì)，并加入適量的合金成分。

③連鑄：將鋼水經(jīng)中間罐連續(xù)注入用水冷卻的結(jié)晶器里；凝成坯殼后，從結(jié)晶器中將其以穩(wěn)定的速度拉出，再經(jīng)噴水冷卻；待全部凝固后，切成指定長度的連鑄坯。

④軋鋼：連鑄出來的鋼錠和連鑄坯以熱軋方式在不同的軋鋼機軋制成各類鋼材，形成產(chǎn)品，包括線材、棒材、板坯、熱連軋帶鋼、冷連軋帶鋼等。

圖1、圖2分別為鋼鐵工藝典型的長、短流程工藝[4]。

圖1 長流程工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of long flow process

圖2 短流程工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of short flow process

連鑄生產(chǎn)過程是鋼鐵制造全流程中的核心環(huán)節(jié)之一[5]，主要工作是將高溫鋼水進行鋼水成分和溫度調(diào)節(jié)，通過連鑄機澆鑄成符合要求的鋼坯[6]。值得注意的是，鋼水從液態(tài)向固態(tài)變換的過程中，并不是簡單的物理形態(tài)變化，而是伴隨著大量的高溫化學反應。這一生產(chǎn)過程存在溫度高、節(jié)奏快、噪聲大等問題。為實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)代連鑄設備大多采用回轉(zhuǎn)臺或橫移臺車等方式進行，并在鋼包回轉(zhuǎn)臺周圍(如受包位、澆鑄位等區(qū)域)使用機器人完成相關工作。然而，滿載熾熱鋼水的鋼包作業(yè)需要在連鑄作業(yè)區(qū)域來回移動，即使有機器人作輔助定位，定位精度仍然會受到現(xiàn)場操作人員的操作習慣和操作水平的影響，誤差在所難免。除此以外，機器人還需要在連鑄澆鋼區(qū)域完成諸如安裝油缸、安裝相應的油管氣管信號線插頭、安裝長水口等操作。傳統(tǒng)的雙目視系統(tǒng)已經(jīng)很難保證工序過程的精確控制，無法滿足連鑄澆鋼作業(yè)的要求。

2 三維成像定位技術(shù)原理

傳統(tǒng)二維相機主要采用基于雙目視覺的方法[7]。其原理是：首先，通過兩個相隔一定距離的攝像機同時獲取同一場景的兩幅圖像，利用立體匹配算法找到兩幅圖像中對應的像素點；然后，根據(jù)三角原理計算出時差信息，再轉(zhuǎn)換成可以用于表征場景中物體的深度信息。該方法復雜度高，實時性差。

以三維成像技術(shù)為核心的深度傳感器，檢測速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，并可通過保存原始圖像的方式對缺陷類型進行有效識別。這些優(yōu)勢使得深度傳感器可以取代傳統(tǒng)二維相機，成為連鑄工藝檢測的重要方法之一。

深度傳感器分類如圖3所示[7]。

圖3 深度傳感器分類Fig.3 Depth sensor classification

三維成像的數(shù)據(jù)信息源于對三維景深信息的有效獲取。目前，主流的三維景深信息獲取方式主要有TOF相機法、結(jié)構(gòu)光法和雙目視覺法。而激光雷達三維成像由于成本過高，很少應用于三維成像檢測領域。需要說明的是，TOF相機法和結(jié)構(gòu)光法屬于主動測量，而雙目視覺法屬于被動測量。

2.1 TOF相機法

TOF相機作為飛行時間法的主要測量設備，是一種主動測距的3D深度傳感器。深度傳感器技術(shù)主要有TOF相機法[7-8]、結(jié)構(gòu)光[9-11]法和激光雷達[12-13]等。TOF相機獲取深度圖像的原理是：對目標場景發(fā)射連續(xù)的光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，并通過用探測光脈沖的飛行時間得到目標物體的距離，從而直接獲取物體的深度信息和灰度信息。不過，TOF相機所獲得圖像的分辨率遠不及二維彩色圖像的分辨率，其深度值易受噪聲干擾。TOF相機價格較貴，在一定程度上影響了TOF相機的大規(guī)模應用。目前，TOF相機主要在機器人、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)自動化等領域發(fā)揮作用。

TOF相機測距工作原理如圖4所示。

圖4 TOF相機測距基本原理Fig.4 TOF camera ranging fundamentals

2.2 結(jié)構(gòu)光法

基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的深度相機由一臺攝像機與一臺投影儀組成[11]。其原理為：通過投影儀向被測物表面發(fā)射有特征值的結(jié)構(gòu)光信號；被測物不平整表面對結(jié)構(gòu)光信號產(chǎn)生特定的變形并反射到攝像機；攝像機對反射的結(jié)構(gòu)光信號進行采集和分析。結(jié)構(gòu)光屬于主動投射編碼光。由于缺少深度信息，所以結(jié)構(gòu)光法易受強光干擾，比較適用于光照條件不足甚至無光的場景。目前，結(jié)構(gòu)光法主要應用于游戲、醫(yī)療等領域。

結(jié)構(gòu)光測距基本原理如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)光測距基本原理Fig.5 Structured light distance measurement fundamentals

2.3 雙目視覺法

雙目視覺[14]法采用雙目仿生的原理，主要通過視差來獲取目標信息。雙目視覺由兩臺相機組成。在兩臺相機與被測物保持一定長度的前提下，通過兩臺相機測得的兩幅二維圖像進行整合，即可恢復出被測物的三維信息，進而實現(xiàn)三維重建并確定被測物位置。雙目視覺采用被動光對物體進行測量，易受外部光線干擾。但雙目視覺的施行成本很低，使用常見的攝像頭就可以，所得到的圖像可呈現(xiàn)更加直觀的效果。

雙目視覺測距基本原理如圖6所示。

圖6 雙目視覺測距基本原理Fig.6 Binocular visual distance measurement fundamentals

從三種主要三維成像技術(shù)可以得知：結(jié)構(gòu)光技術(shù)和雙目視覺技術(shù)都是在可見光領域?qū)Ρ粶y物體進行三維重建，極易受到強光干擾，因此無法在生產(chǎn)環(huán)境惡劣(溫度高、節(jié)奏快、噪聲大)的連鑄澆鋼環(huán)境下得到有效應用；基于TOF原理的TOF相機法，則基本不受可見光和溫度的干擾，可以較好地應用于連鑄生產(chǎn)工藝，目前已成為一種切實、可操作的新型檢測技術(shù)手段。

3 TOF相機在連鑄工藝的實例應用分析

在復雜的煉鋼生產(chǎn)過程中，連鑄區(qū)域作業(yè)的操作內(nèi)容主要包括鋼包長水口安裝及更換、鋼包燒氧、中間罐測溫、取樣等。如何通過精準的坐標定位是解決目前機械設備與生產(chǎn)工藝流程密切配合的關鍵。當前，連鑄環(huán)節(jié)工序基本由人工完成，專業(yè)環(huán)境惡劣、高溫烘烤、勞動強度較大，且容易發(fā)生鋼水飛濺、噴濺造成人員燙傷、燒傷。比如，鋼包長水口的安裝、對中、升降、更換等操作，需要操作工通過操作機械手來實現(xiàn)；中間罐測溫/取樣，需要人工安裝探頭，并通過人工將測溫/取樣槍插入鋼水中進行測溫取樣，且每爐鋼至少要測5～6次；鋼包更換，需要人工使用氧槍清理長水口內(nèi)的冷鋼。

目前，針對以上問題的解決方案主要是在中間包的澆鋼平臺上安裝一套中包機器人配合雙目視覺系統(tǒng)，通過更換不同的工具，由機器人及其相關工具完成長水口的安裝及更換，以及中間罐測溫、取樣、定氫，水口清洗等功能，并在開澆過程中以及鋼包更換后添加覆蓋劑。機器人配合雙目視覺系統(tǒng)以每5 min工作2～3 min的節(jié)奏，在澆鋼平臺上替代操作工人完成各種工作。其中，長水口安裝與拆除功能由于鋼包回轉(zhuǎn)臺的吊運以及回轉(zhuǎn)，無法實現(xiàn)精確定位。這是長期存在的難題。隨著三維機器視覺技術(shù)的發(fā)展，鋼包定位難題得以解決。

由TOF相機配合多維感知系統(tǒng)為主要技術(shù)手段的方案是通過調(diào)制光照射場景作用下,測量場景中的物體反射后返回光的相位延遲。得到相位延遲后,再使用正交采樣技術(shù)測量間接得到距離。深度值輔助定位技術(shù)以及先進的穩(wěn)像技術(shù)以其特有的差分信號性質(zhì)，可有效降低背景光的影響，實現(xiàn)數(shù)據(jù)抖動優(yōu)于1%。感知系統(tǒng)所使用的TOF相機還可以有效消除鋼水發(fā)出的背景光，降低高溫鋼水產(chǎn)生的影響，準確探測距離并定點定位，響應時間優(yōu)于90 ms，實現(xiàn)對小于0.2 mm物體的檢測，完全可以替代連鑄作業(yè)傳統(tǒng)的視覺檢測系統(tǒng)。針對鋼鐵復雜的環(huán)境進行定位，輸出的灰度圖和點云圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 灰度圖Fig.7 Grayscale image

圖8 3D點云圖Fig.8 3D point cloud map

TOF相機輸出的深度圖在2D空間表示為灰度圖像，每個像素點對應一個距離值。其中，強度越亮表示距離越近；如果光源被吸收或者未收到反射信號，則呈現(xiàn)黑色。

在深度圖的基礎上，配合相機的外參數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換三維點云。如果同時有一顆RGB相機，則能夠?qū)⑽矬w表面紋理映射到點云體素上。

目前，在煉鋼的連鑄作業(yè)區(qū)域使用裝備有TOF相機的智能機器人代替人工作業(yè)已成為一種趨勢。世界主要煉鋼廠都建立了相關研發(fā)及裝備項目。數(shù)據(jù)顯示，裝備有TOF相機的智能機器人操作的定位精度小于0.2 mm，遠高于人工操作的定位精度。

通過TOF相機向目標發(fā)射連續(xù)的特定波長的紅外光線脈沖,在碰到場景中的對象時返回，再由特定傳感器接收待測物體傳回的光信號,計算光線往返的飛行時間或相位差，從而獲取目標物體的深度信息(包括距離、輪廓、三維坐標等)。該原理的應用解決了機械臂工作過程中無法在作業(yè)空間內(nèi)自動精準定位操作目標的問題。而多維感知系統(tǒng)獲取的三維坐標信息配合機器人進行自動化作業(yè)，使得在采用機器人拆裝長水口時無需人工干預自主工作成為可能，也使得連鑄澆鋼區(qū)域少人化甚至無人化得以逐步推廣。

目前，TOF相機在寶鋼、武鋼、韶鋼、馬鋼等行業(yè)實際應用可以達到以下效果。

①改善操作工工作環(huán)境及減輕工作量。

鋼包-中間罐-結(jié)晶器區(qū)域是高溫、高粉塵、高噪聲、高輻射的高危區(qū)域。隨著勞動力危機的到來，改善操作工的工作環(huán)境成為當務之急。目前，鋼包到達回轉(zhuǎn)臺受包位座包位置后，需要由操作工到鋼包接收位的平臺上進行吹氬管以及滑板油缸安裝操作，并進行鋼包滑板點動開閉試驗，以確認油管有無泄漏。待澆注結(jié)束后，操作工再到平臺上進行吹氬管以及滑板油缸拆除操作?；剞D(zhuǎn)臺受包位為高溫區(qū)域，亦存在高處墜落的危險。中間罐區(qū)域作業(yè)屬高溫、高危作業(yè)，測溫、取樣及燒冷鋼作業(yè)容易發(fā)生鋼水飛濺、噴濺造成人員燙傷、燒傷。另外，如鋼包包壁附著冷鋼時，作業(yè)時存在冷鋼墜落傷人的風險。用機器人進行操作，并由TOF相機提供空間坐標和物體距離，就可以完全代替人工進行高危區(qū)域的作業(yè)。這不但減輕了操作工的工作強度，而且極大地提高了操作工的人身安全。

②降本提效。

在整體經(jīng)濟效益低靡的冶金行業(yè)，積極推動“機器換人，人控機器”的理念，是制造業(yè)的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、柔性化提升生產(chǎn)工具的效率效能、提高勞動生產(chǎn)率和提高勞動者素質(zhì)的關鍵。通過工業(yè)機器人配合TOF智能傳感器的組合方案應用已經(jīng)可以大規(guī)模取代傳統(tǒng)人工，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了用工成本，增強了企業(yè)在國際市場的競爭力。

4 結(jié)論

在中國制造2025的浪潮下，鋼鐵企業(yè)面臨重大轉(zhuǎn)型，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化、無人化成為其中的重要一環(huán)。雖然智能機器人已經(jīng)在鋼鐵行業(yè)得到越來越多的應用，但在連鑄澆鋼這樣一個高溫、高亮、高粉塵和強電磁輻射的環(huán)境下，也對智能機器人提出了更高的技術(shù)要求。加裝TOF相機的連鑄澆鋼機器人不但可以有效實現(xiàn)精確定位和被測物特征識別，而且不易受環(huán)境干擾，在連鑄澆鋼領域擁有更廣闊的應用前景。

本文介紹了鋼鐵工業(yè)場景下，攜帶TOF相機的智能機器人在連鑄澆鋼場景中的應用。雖然該技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的大規(guī)模推廣上還存在應用場景單一等問題，但其作為鋼鐵企業(yè)數(shù)字化、無人化生產(chǎn)的新興技術(shù)應用，具有良好的基礎和前景。