汪鑫耘，趙衛(wèi)東，賀海波

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

目前常用帶鋼測寬儀實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼寬度的實(shí)時(shí)檢測，測寬儀通過CCD(電荷耦合器件)相機(jī)、激光等傳感器檢測帶鋼邊緣位置來計(jì)算帶鋼寬度。帶鋼現(xiàn)場溫度較高且伴有鐵屑鐵粉，這對(duì)帶鋼測寬儀的穩(wěn)定性、精確性等要求極高。采用CCD相機(jī)可對(duì)帶鋼進(jìn)行非接觸式的在線測量，穩(wěn)定性好，能較好地適應(yīng)帶鋼現(xiàn)場惡劣的環(huán)境[1-2]。劉海艷[3]采用單片機(jī)控制單線陣CDD 的方法檢測帶鋼中心位置，該方法使帶鋼成像到CCD 像敏面[4]，未對(duì)測量值進(jìn)行補(bǔ)償，測量精度較低。對(duì)此，李霞[5]采用雙目線陣CCD對(duì)帶鋼寬度進(jìn)行角度修正補(bǔ)償，提高了檢測精度，但對(duì)于寬度較寬的帶鋼，檢測誤差較大。何社陽等[6]提出一種簡單的CCD成像檢測方法，使用反光鏡反射激光到帶鋼上，然后采用線陣CCD采集帶鋼圖像。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但對(duì)于帶鋼邊緣上下抖動(dòng)劇烈的情況，檢測誤差很大。

面陣CCD相機(jī)是以面為單位進(jìn)行圖像采集的成像工具，可在短時(shí)間內(nèi)曝光、一次性獲取完整的目標(biāo)圖像[7]，具有高效快速、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)[8]。由于物距限制致使相機(jī)視場范圍受限，無法檢測完整帶鋼圖像，如果采用廣角鏡頭如魚眼鏡頭，會(huì)讓原本較平整的帶鋼邊緣產(chǎn)生畸變，影響檢測效果。若相機(jī)跟隨帶鋼邊緣，使帶鋼邊緣保持在相機(jī)鏡頭光軸附近，可減小因帶鋼上下抖動(dòng)造成的相機(jī)視場角[9]誤差。鑒于此，針對(duì)某鋼鐵股份有限公司冷軋總廠酸洗線帶鋼邊緣不平整、上下抖動(dòng)的情況，設(shè)計(jì)一種基于面陣CCD(電荷耦合器件)的雙邊跟隨式帶鋼測寬儀，以期減小帶鋼測寬儀實(shí)時(shí)檢測的誤差。

1 邊緣檢測算法

1.1 邊緣檢測算法的選取

差分邊緣檢測算法是一種最簡單的邊緣檢測算法，常用于形狀規(guī)則、黑白邊緣分明的情況，設(shè)g(x,y)為圖像(x,y)處像素的灰度值，在(x,y)和相鄰點(diǎn)處像素灰度值差為Δg(x,y)，設(shè)閾值為τ，若|Δg(x,y)|>τ，則(x,y)為邊緣點(diǎn)，否則判斷(x,y)為非邊緣點(diǎn)。Sobel邊緣檢測算法[10-11]通過結(jié)合方向差分運(yùn)算與局部加權(quán)平均來提取邊緣，將鄰域范圍擴(kuò)充到3×3，提高了抗噪性能，但得到的邊緣較粗，不利于檢測的準(zhǔn)確性。Canny邊緣檢測算法[12-14]是一個(gè)多級(jí)邊緣檢測算法。為了減少二階差分運(yùn)算對(duì)噪聲的放大作用，該方法首先使用高斯濾波器[15]平滑圖像，去除圖像噪聲[16]；再計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的梯度強(qiáng)度和方向，使用非極大值抑制消除邊緣檢測帶來的雜散響應(yīng)，運(yùn)用雙閾值檢測確定真實(shí)和潛在的邊緣，通過抑制孤立的弱邊緣最終完成邊緣檢測。Canny邊緣檢測算法較為復(fù)雜，不利于檢測的實(shí)時(shí)性。

采用面陣CCD相機(jī)采集某鋼鐵股份有限公司冷軋總廠酸洗線的帶鋼圖像，考慮到帶鋼檢測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性問題，采用差分邊緣檢測算法對(duì)帶鋼左右邊緣進(jìn)行檢測，部分典型帶鋼邊緣的檢測結(jié)果如圖1。

圖1 帶鋼左右邊緣差分邊緣檢測結(jié)果Fig.1 Detection results of difference edge between left and right edges of strip steel

由圖1(a)、(b)可看出，帶鋼左、右邊緣均比較模糊；由圖1(c)～(f)可知，選取閾值為20和30時(shí)，采用差分邊緣檢測算法檢測帶鋼邊緣可得到較好的結(jié)果。故兼顧邊緣定位的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，選取差分邊緣檢測算法檢測帶鋼左右邊緣。

1.2 邊緣檢測算法的改進(jìn)

1.2.1 ROI差分邊緣檢測算法

采用差分邊緣檢測算法檢測邊緣不平整、上下抖動(dòng)較大的帶鋼能取得較好的效果，但帶鋼現(xiàn)場環(huán)境常伴有鐵屑掉落，鐵屑掉落在光源上會(huì)嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。為此設(shè)計(jì)一種ROI(感興趣區(qū)域)差分邊緣檢測算法，即選取圖像的部分行，使用差分邊緣檢測算法進(jìn)行預(yù)檢測，根據(jù)式(1)得到圖像邊緣橫坐標(biāo)的平均值l,其中n為圖像包含邊緣點(diǎn)行數(shù)，mi為圖像第i行所含邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)，xij為圖像中邊緣點(diǎn)第i行第j列的坐標(biāo)。

設(shè)定ROI閾值為α，濾除不在[l-α,l+α]范圍內(nèi)的噪聲邊緣點(diǎn)，避免少量鐵屑對(duì)邊緣檢測的干擾，再對(duì)[l-α,l+α]區(qū)域通過式(1)進(jìn)行差分邊緣檢測計(jì)算圖像的平均邊緣值。

采集伴有鐵屑的帶鋼圖像，分別使用差分邊緣檢測算法和ROI差分邊緣檢測算法對(duì)其邊緣進(jìn)行測試，并計(jì)算圖像中每行邊緣點(diǎn)橫坐標(biāo)的平均值，以此作為邊緣點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)果如圖2。由圖2(b)可知，差分邊緣檢測算法可檢測到鐵屑的邊緣。根據(jù)式(2)得到圖像每行邊緣橫坐標(biāo)的平均值l1～ln, 結(jié)果見圖2(c)。由圖2(c)可知，鐵屑對(duì)圖像每行邊緣坐標(biāo)平均值的檢測結(jié)果影響很大，導(dǎo)致由式(1)得到圖像邊緣坐標(biāo)的平均值l有較大誤差。由圖2(d)可知，采用ROI差分邊緣檢測算法可有效避免鐵屑的干擾。

圖2 差分邊緣檢測和ROI差分邊緣檢測算法的檢測結(jié)果Fig.2 Detection results of differential edge detection and ROI differential edge detection algorithms

1.2.2 雙視場ROI差分邊緣檢測算法

現(xiàn)場帶鋼運(yùn)行速度快，達(dá)10 m/s，為減少帶鋼高速運(yùn)行過程中邊緣突變而產(chǎn)生的誤差，設(shè)計(jì)一種大小雙視場ROI差分邊緣檢測算法，即檢測邊緣的同時(shí)，控制電機(jī)移動(dòng)速度，提高實(shí)時(shí)檢測的準(zhǔn)確性。正常情況下，電機(jī)靜止不動(dòng)，帶鋼邊緣處于小視場范圍內(nèi)；當(dāng)帶鋼邊緣在小視場和大視場范圍時(shí)，控制電機(jī)低、中速移動(dòng)保證實(shí)時(shí)精度；當(dāng)帶鋼邊緣突變到大視場外時(shí)，控制電機(jī)高速移動(dòng)保證邊緣跟隨的實(shí)時(shí)性。為檢測帶鋼帶頭的鐮刀彎和光源異常的情況，采用雙視場ROI 差分邊緣檢測算法的同時(shí)，記錄n 行邊緣點(diǎn)的橫坐標(biāo)x1～xn，每20行選取一個(gè)邊緣點(diǎn)(x,y)，即(x1,20),(x2,40),…,(xn,20n)，方差閾值S滿足式(3)

根據(jù)現(xiàn)場帶鋼帶頭鐮刀彎大小，設(shè)置S 閾值為5 000，鐮刀彎出現(xiàn)的時(shí)間一般在1 s 以內(nèi)。當(dāng)S ＞5 000時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別為疑似鐮刀彎，開啟5 s定時(shí)器，若5 s后S恢復(fù)正常范圍，則檢測到鐮刀彎；若光源開始附著較多鐵屑，ROI差分邊緣檢測算法將鐵屑檢測為邊緣，導(dǎo)致無法正常檢測邊緣，此時(shí)S會(huì)超過5 000并逐漸增大，觸發(fā)5 s定時(shí)器，5 s后若S依然大于5 000，則檢測出現(xiàn)光源異常。

2 帶鋼測寬儀的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)

帶鋼測寬儀主要由服務(wù)器、主控制器一體柜及設(shè)備主體等部分組成，如圖3。服務(wù)器、主控制器一體柜是帶鋼測寬儀的控制中樞，包含伺服控制器、2個(gè)伺服電機(jī)、服務(wù)器和其他電控元件。設(shè)備主體結(jié)構(gòu)為龍門架結(jié)構(gòu)，龍門架上部包含左右2個(gè)檢測箱，每個(gè)檢測箱內(nèi)部包含1個(gè)伺服滑臺(tái)，每個(gè)滑臺(tái)上安裝1個(gè)面陣CCD相機(jī)；龍門架下部為2個(gè)LED 條形背光源。帶鋼從光源上方穿過，自動(dòng)模式下2個(gè)伺服滑臺(tái)分別控制2個(gè)相機(jī)跟隨帶鋼邊緣運(yùn)動(dòng)。

2.2 工作原理

如圖3所示，2個(gè)相機(jī)分別安裝在2個(gè)伺服滑臺(tái)上，相機(jī)實(shí)時(shí)采集帶鋼圖像，并檢測帶鋼邊緣在圖像中的位置。預(yù)先設(shè)定中線范圍閾值，若帶鋼邊緣不在圖像中線范圍，服務(wù)器將控制信息通過485 總線下發(fā)給主控制器，主控制器解析數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)過程，其中包括伺服控制、位置信號(hào)的采集以及相應(yīng)輸入和輸出的控制；最后控制伺服滑臺(tái)移動(dòng)，保證帶鋼邊緣始終在圖像中線附近；同時(shí)伺服控制器將編碼器累計(jì)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為累計(jì)位移發(fā)送回服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)位置信息解析。當(dāng)帶鋼邊緣在圖像中線范圍內(nèi)時(shí)，服務(wù)器計(jì)算帶鋼寬度。因此，帶鋼整體上下跳動(dòng)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生誤差很小。

圖3 帶鋼測寬儀結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of width gauge for strip steel

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采用本文設(shè)計(jì)的帶鋼測寬儀對(duì)某鋼鐵股份有限公司冷軋總廠酸洗線生產(chǎn)的帶鋼邊緣進(jìn)行檢測，以檢驗(yàn)測寬儀的測量效果。帶鋼測寬儀中伺服控制器的型號(hào)為US-60KP40A30SAYYB，其中包含2 500線的高精度編碼器，以保證單個(gè)脈沖數(shù)達(dá)到0.000 3 mm 的精度；服務(wù)器型號(hào)為E3-1220V6；面陣CCD 相機(jī)型號(hào)為AVT Manta G-507B，分辨率為2 464 像素×2 056 像素，幀率為20 F/s。寬度標(biāo)定板實(shí)際長度為1 199.8 mm。大小雙視場分別為圖像中心1 000 像素×200 像素、200 像素×200 像素，當(dāng)只使用圖像中心1 000 像素×200像素時(shí)，面陣CCD相機(jī)的幀率可達(dá)38 F/s?？紤]到帶鋼邊緣不整齊且上下抖動(dòng)影響像素的分辨率，采用圖像中心200像素×200像素的圖像進(jìn)行寬度計(jì)算?？紤]現(xiàn)場鐵屑情況，選取ROI閾值為20。

3.1 像素分辨率的標(biāo)定

采用面陣CCD相機(jī)采集帶鋼邊緣圖像，采用大小雙視場差分邊緣檢測算法實(shí)時(shí)計(jì)算邊界L1。通過服務(wù)器發(fā)送移動(dòng)信息Δx 給伺服控制器，控制相機(jī)移動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)計(jì)算邊界L1，寬度標(biāo)定板在圖像上的邊界移動(dòng)距離等于伺服控制器發(fā)送的距離。采用式(4)對(duì)分辨率進(jìn)行標(biāo)定，ε 為像素分辨率。

像素分辨率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。最后標(biāo)定得到ε 為0.055 mm，像素分辨率即為大小雙視場ROI差分邊緣檢測算法精度。

3.2 中間寬度的標(biāo)定

設(shè)標(biāo)定板實(shí)際寬度為標(biāo)定寬度X標(biāo)，ll為左相機(jī)檢測的平均邊緣值，lr為右相機(jī)檢測的平均邊緣值，ε 為像素分辨率，X中為標(biāo)定的中間寬度，x1+x2分別為左、右電機(jī)移動(dòng)的距離。X標(biāo)滿足式(5)

標(biāo)定中間寬度后，利用式(6)計(jì)算帶鋼總寬度X總

3.3 寬度的實(shí)時(shí)測量

分辨率和中間寬度標(biāo)定完成后，即可實(shí)現(xiàn)帶鋼寬度的實(shí)時(shí)檢測，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果如表2。其中：實(shí)際寬度為田島5.5 m卷尺測量所得寬度；測量寬度為測寬儀系統(tǒng)計(jì)算所得寬度。

表1 分辨率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of resolution calibration

表2 帶鋼靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果Tab.2 Static and dynamic test results of strip steel

由表2可看出：靜態(tài)測量寬度和實(shí)際寬度相差很小，絕對(duì)誤差均在±0.10 mm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)測量寬度和實(shí)際寬度的絕對(duì)誤差相對(duì)較大，但均在±1.00 mm以內(nèi)，可滿足精度要求。檢測過程中，大小雙視場ROI差分邊緣檢測算法幀率可達(dá)46 F/s，測寬儀檢測幀率可達(dá)20 F/s，滿足實(shí)時(shí)性要求。由此可看出，采用本文設(shè)計(jì)的帶鋼測寬儀可對(duì)邊緣不平整、上下抖動(dòng)較大的帶鋼邊緣進(jìn)行有效檢測，且能有效避免鐵屑掉落和邊緣突變帶來的誤差，不僅符合現(xiàn)場精度要求，也滿足實(shí)時(shí)性檢測要求。目前，該帶鋼測寬儀已成功應(yīng)用于某鋼鐵股份有限公司冷軋酸洗、酸軋、連退和鍍鋅等帶鋼入口生產(chǎn)線。

4 結(jié) 論

針對(duì)某鋼鐵股份有限公司冷軋總廠酸洗入口帶鋼寬度測量精度和實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)一種基于面陣的CCD雙邊跟隨式帶鋼測寬儀，所得主要結(jié)論如下：

1)使用面陣CCD 相機(jī)采集帶鋼邊緣圖像可減小因帶鋼邊緣不整齊造成的成像誤差，使用大小雙視場ROI差分邊緣檢測算法檢測帶鋼邊緣可有效避免鐵屑掉落和邊緣突變帶來的誤差；

2)現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的帶鋼測寬儀運(yùn)行測試精度可達(dá)1 mm，符合精度要求，檢測幀率可達(dá)20 F/s，滿足實(shí)時(shí)性檢測的要求。