CN111076665B - 一种线激光快速测高装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线激光快速测高装置，包括电源、线型激光器、移轴镜头、CCD传感器、PCB电路板和载物面，载物面为固定的平板面或者为流水线上的平滑面，载物面上置有被测物体，载物面正上方安装有线型激光器，线型激光器用于垂直向下投射激光线，激光线投影到被测物体和载物面上，移轴镜头斜向上布置，经被测物体和载物面反射后的激光线成像到斜向上的移轴镜头内，并成焦在CCD传感器上，CCD传感器电连接PCB电路板，PCB电路板的输出端连接输出网口和IO口，PCB电路板、线型激光器分别通过线路连接电源；本发明能够快速可靠地测量流水线上经过的物体高度，有效改善了现有技术的测量精度低，速度慢，可靠性差等问题。
Description
[技术领域]
本发明涉及测量技术领域，具体地说是一种线激光快速测高装置及方法。
[背景技术]
现有视觉测高技术中，测量精度、测量速度以及测量稳定可靠性一直是技术提高的关键点。目前，无接触测高技术主要有这几种：激光测高、视觉测高、三角测高。其中，(1)激光测高，是激光测距技术，通过测量发射激光与接收激光的时间差，然后乘上光速得到距离。(2)视觉测高，是利用摄像头对被测物体拍照，通过物体在传感器成的像，估算物体高度或距离。(3)三角测高，是利用线激光打在被测物体上，然后用摄像头拍照，利用照射角与拍摄角度的差，计算出被测物体的高度。
以上测高方案均存在一定的不足之处：(1)激光测距精度不高，而且主要是测点，不能完全一次性测量物体的整体高度。(2)视觉测高需要固定的场景，对环境的亮度，光线角度等要求很高，测量不精确，而且这种技术需要复杂的软件来处理，导致处理速度慢，测量速度慢。(3)三角测高技术相对来说比较好，利用线激光，和摄像头拍照，利用角度差能比较好的测量物体高速，但这个角度差不好达到线性区间，误差还不小，如果工作环境不断有震动，会很大程度影响测量精度，可靠性不足。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种线激光快速测高装置，能够快速可靠地测量流水线上经过的物体高度，有效改善了现有技术的测量精度低，速度慢，可靠性差等问题。
为实现上述目的设计一种线激光快速测高装置，包括电源1、线型激光器2、移轴镜头3、CCD传感器4、PCB电路板5和载物面6，所述载物面6为固定的平板面或者为流水线上的平滑面，所述载物面6上放置有被测物体7，所述载物面6正上方安装有线型激光器2，所述线型激光器2用于垂直向下投射激光线，所述激光线投影到被测物体7和载物面6上，所述移轴镜头3斜向上布置，经被测物体7和载物面6反射后的激光线成像到斜向上的移轴镜头3内，并成焦在CCD传感器4上，所述CCD传感器4电连接PCB电路板5，所述PCB电路板5的输出端连接输出网口和IO口，所述PCB电路板5、线型激光器2分别通过线路连接电源1。
进一步地，所述载物面6上方横跨有一个U型支架8，所述线型激光器2固定在U型支架8上方中间位置处。
进一步地，所述移轴镜头3、CCD传感器4以及PCB电路板5组装成一个封闭的相机，所述相机安装在与线型激光器2同一高度但不同水平位置处。
本发明还提供了一种线激光快速测高装置的测量方法，包括以下步骤：先通过线型激光器2将一束线型激光垂直照射在被测物体7和载物面6上，反射后的激光线经过移轴镜头3后成像到CCD传感器4上，不同高度的物体通过测量线位置后在CCD传感器4不同行上留下投影，并且投影的行所在的位置与被测物体7的高度成一定的投影关系，通过用已知高度的物体来标定测量系数，即可测量出被测物体7的高度；当多个被测物体7同时通过测量线时，则投射到CCD传感器4上的不同列上，即可对多个被测物体同时测量。
进一步地，所述PCB电路板5内置有ARM处理器和FPGA芯片，当PCB电路板5采集到CCD传感器4上的图像信息后传输到FPGA芯片，再对输入的图像数据流提取中位线；然后ARM处理器控制曝光拍照，并读取中位线数据，最后通过ARM处理器识别到被测物体7的数量以及根据交比定理计算出被测物体7的高度。
进一步地，图像数据流进入FPGA芯片提取中位线的步骤为：先预设高斯曲线模板数据，然后对输入的图像数据流进行几何变换，通过求图像上实时曲线与高斯分布曲线的差卷积，搜索单行最小值并记录坐标，即可求出激光投影中心线坐标位置。
本发明同现有技术相比，能够实现对多个物体同时快速的高度测量，特别是在高速的流水线上，能够快速检测经过的物体数量、宽度和高度，测量结果精准而快速，解决了市面传感器的检测范围窄，高度测量不精准，功能单一，检测速度跟不上流水线上的运行速度等问题，实现了集检测、测量、识别、计算一体化的激光测高功能，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的成像原理图；
图4是图3的交比定理高度计算公式；
图5是本发明的测高流程图；
图6是本发明的激光线中心坐标计算流程图；
图中：1、电源 2、线型激光器 3、移轴镜头 4、CCD传感器 5、PCB电路板 6、载物面7、被测物体 8、U型支架。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图所示，本发明提供了一种线激光快速测高装置，包括电源1、线型激光器2、移轴镜头3、CCD传感器4、PCB电路板5和载物面6，载物面6为固定的平板面或者为流水线上的平滑面，载物面6上放置有被测物体7，载物面6正上方安装有线型激光器2，线型激光器2用于垂直向下投射激光线，激光线投影到被测物体7和载物面6上，移轴镜头3斜向上布置，经被测物体7和载物面6反射后的激光线成像到斜向上的移轴镜头3内，并成焦在CCD传感器4上，CCD传感器4电连接PCB电路板5，PCB电路板5的输出端连接输出网口和IO口，PCB电路板5、线型激光器2分别通过线路连接电源1。其中，载物面6上方横跨有一个U型支架8，线型激光器2固定在U型支架8上方中间位置处；移轴镜头3、CCD传感器4以及PCB电路板5组装成一个封闭的相机，相机安装在与线型激光器2同一高度但不同水平位置处。
该线激光快速测高装置的测量方法，包括以下步骤：先通过线型激光器2将一束线型激光垂直照射在被测物体7和载物面6上，反射后的激光线经过移轴镜头3后成像到CCD传感器4上，不同高度的物体通过测量线位置后在CCD传感器4不同行上留下投影，并且投影的行所在的位置与被测物体7的高度成一定的投影关系，通过用已知高度的物体来标定测量系数，即可测量出被测物体7的高度；当多个被测物体7同时通过测量线时，则投射到CCD传感器4上的不同列上，即可对多个被测物体同时测量。
本发明中，PCB电路板5内置有ARM处理器和FPGA芯片，当PCB电路板5采集到CCD传感器4上的图像信息后传输到FPGA芯片，再对输入的图像数据流提取中位线；然后ARM处理器控制曝光拍照，并读取中位线数据，最后通过ARM处理器识别到被测物体7的数量以及根据交比定理计算出被测物体7的高度。其中，图像数据流进入FPGA芯片提取中位线的步骤为：先预设高斯曲线模板数据，然后对输入的图像数据流进行几何变换，通过求图像上实时曲线与高斯分布曲线的差卷积，搜索单行最小值并记录坐标，即可求出激光投影中心线坐标位置。
本发明装置包括电源、载物面、线型激光器、移轴镜头、CCD传感器、PCB电路板和输出端口；载物面可以是固定的平板面，或者流水线上的平滑面，主要用来放置被测物体；线型激光器安装在载物面的正上方，主要用来照射出一条细亮的直线，投影到被测物体和载物面上；移轴镜头和CCD传感器以及PCB电路板组装成一个封闭的相机，相机安装在和线型激光同一高度但不同水平位置上，使线激光的发射角度与成像角度成一定的差角，便于在CCD传感器上成立焦面。本发明装置用于流水线上多物体、宽范围、快速可靠地测量高度，能够有效地改善现有技术的测量精度低，速度慢，可靠性差等问题。
本发明的工作过程包括成像过程和数据处理过程。其中，成像过程如附图3所示，先用一束线型激光垂直照在被测面上，经过移轴镜头后成像到CCD传感器上，不同高度的物体通过测量线位置后会在CCD传感器不同行上留下投影，并且投影的行所在的位置与被测物体的高度成一定的投影关系，通过用已知高度的物体来标定测量系数，从而可以测量被测物体的高度；当多个物体同时通过测量线时，会投射到不同的CCD传感器上的不同列上，从而实现多个物体同时测量，以及物体宽度的测量。为了使不同高度物体在相机里面都能清晰成像，可改变移轴镜头与CCD传感器的夹角，利用移轴镜头原理，从而达到完全清晰成像的效果。成像物体在CCD传感器上的投影，遵循射影几何交比不变性(如附图4)，利用交比不变性来计算被测物体的高度。数据处理过程如附图5和附图6所示，当采集到CCD传感器上的图像信息后传输到FPGA，然后对输入的图像数据流进行S230处理；先预设值S231,然后对输入数据进行S233变换，通过求图像上S234最小值，达到最佳匹配效果，从而求出激光投影中心线坐标位置；然后ARM的软件控制相机进行S220，ARM端再读取S230的计算结果，再通过ARM的软件根据S130计算和识别到物体的数量，位置高度。
如附图2所示，本发明典型应用在流水线上，检测经过物品的高度、宽度等参数，看是否达标，从而为流水线的下一阶段提供控制信号。如果精确控制流水线速度的话，本发明还可以用于物体外形的三维扫描。该附图2中，载物面6是平滑的硬面，位于最下方，用于安装支架、放置被测物体7，投射激光。横跨载物面有一个U型支架8，U型支架8上方中间固定住线型激光器2，线型激光器2垂直向下投射激光线，反射后的激光线成像到斜向上的移轴镜头3内，并成焦在CCD传感器4上，可以看出，成焦后的图像充分反应出被测物体的高度和宽度信息；然后图像传到PCB电路板5进行处理即可。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种线激光快速测高装置，其特征在于：包括电源（1）、线型激光器（2）、移轴镜头（3）、CCD传感器（4）、PCB电路板（5）和载物面（6），所述载物面（6）为固定的平板面或者为流水线上的平滑面，所述载物面（6）上放置有被测物体（7），所述载物面（6）正上方安装有线型激光器（2），所述线型激光器（2）用于垂直向下投射激光线，所述激光线投影到被测物体（7）和载物面（6）上，所述移轴镜头（3）斜向上布置，经被测物体（7）和载物面（6）反射后的激光线成像到斜向上的移轴镜头（3）内，并成焦在CCD传感器（4）上，所述CCD传感器（4）电连接PCB电路板（5），所述PCB电路板（5）的输出端连接输出网口和IO口，所述PCB电路板（5）、线型激光器（2）分别通过线路连接电源（1）；
不同高度的物体通过测量线位置后在CCD传感器（4）不同行上留下投影，并且投影的行所在的位置与被测物体（7）的高度成一定的投影关系，通过用已知高度的物体来标定测量系数，即可测量出被测物体（7）的高度；
所述PCB电路板（5）内置有ARM处理器和FPGA芯片，当PCB电路板（5）采集到CCD传感器（4）上的图像信息后传输到FPGA芯片，再对输入的图像数据流提取中位线；然后ARM处理器控制曝光拍照，并读取中位线数据，最后通过ARM处理器识别到被测物体（7）的数量以及根据交比定理计算出被测物体（7）的高度；
图像数据流进入FPGA芯片提取中位线的步骤为：先预设高斯曲线模板数据，然后对输入的图像数据流进行几何变换，通过求图像上实时曲线与高斯分布曲线的差卷积，搜索单行最小值并记录坐标，即可求出激光投影中心线坐标位置。
2.如权利要求1所述的线激光快速测高装置，其特征在于：所述载物面（6）上方横跨有一个U型支架（8），所述线型激光器（2）固定在U型支架（8）上方中间位置处。
3.如权利要求2所述的线激光快速测高装置，其特征在于：所述移轴镜头（3）、CCD传感器（4）以及PCB电路板（5）组装成一个封闭的相机，所述相机安装在与线型激光器（2）同一高度但不同水平位置处。
4.如权利要求1所述的线激光快速测高装置，其特征在于：当多个被测物体（7）同时通过测量线时，则投射到CCD传感器（4）上的不同列上，即可对多个被测物体同时测量。
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