環(huán)軋件加工中的位置補(bǔ)償裝置及其位置補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種環(huán)軋件加工中的位置補(bǔ)償裝置，其使用激光在線檢測環(huán)軋件的尺寸，該位置補(bǔ)償裝置包括：激光掃描單元、激光散斑成像單元和控制單元。激光掃描單元對環(huán)軋件在軋制過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，激光散斑成像單元與激光掃描單元同步，對環(huán)軋件的表面形成散斑圖像，控制單元控制激光掃描單元以及激光散斑成像單元，基于由激光掃描單元采集得到的數(shù)據(jù)和由激光散斑成像單元形成的散斑圖像，來計(jì)算環(huán)軋件的位置補(bǔ)償量。本發(fā)明還提供一種環(huán)軋件加工中的位置補(bǔ)償方法，其可以對正在碾擴(kuò)的環(huán)軋件進(jìn)行尺寸測量并對環(huán)軋件半徑變化的差值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對環(huán)軋件的截面復(fù)原。
【專利說明】
環(huán)軋件加工中的位置補(bǔ)償裝置及其位置補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)乳件生產(chǎn)過程的檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種在環(huán)乳件加工過程中的 位置補(bǔ)償裝置及其位置補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)乳件尺寸的在線檢測是環(huán)乳件生產(chǎn)過程中一個(gè)很典型、很重要的環(huán)節(jié)。環(huán)乳件 在鍛造過程中，環(huán)乳件尺寸的在線測量可以衡量環(huán)乳件是否達(dá)到工藝要求，從而降低廢品 率，所以環(huán)乳件尺寸的在線檢測的方法也就越來越受到國內(nèi)外的關(guān)注和重視。
[0003] 環(huán)乳件尺寸在線檢測的難點(diǎn)主要在于環(huán)乳件在乳制過程中的動態(tài)性，測量到的環(huán) 乳件的直徑隨著乳制的過程時(shí)刻在增大，還有環(huán)乳件的不可接觸性也是環(huán)乳件尺寸在線檢 測技術(shù)的難點(diǎn)。導(dǎo)致傳統(tǒng)的人工測量方法無法對其進(jìn)行測量。眾多的國內(nèi)外專家對此作了 大量的研究工作，提出了激光測距法、CCD視覺測量法、結(jié)構(gòu)光三維測量法，取得了一些令人 鼓舞的進(jìn)展。利用激光掃描單元對正在碾擴(kuò)的環(huán)乳件進(jìn)行尺寸測量時(shí)，由于環(huán)乳件的直徑 尺寸時(shí)刻都在增大，所以用激光掃描的方式恢復(fù)的環(huán)乳件在某一時(shí)刻的截面包含了環(huán)乳件 直徑增大的差值。這需要對這一差值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對環(huán)乳件的截面進(jìn)行恢復(fù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對環(huán)乳件加工過程中尺寸在線檢測不準(zhǔn)確和失真的問題，本發(fā)明提供一種在線 實(shí)時(shí)檢測并進(jìn)行位置補(bǔ)償?shù)姆椒?，從而解決環(huán)乳件加工過程中尺寸在線準(zhǔn)確進(jìn)行檢測的技 術(shù)問題。
[0005] -種環(huán)乳件加工中的位置補(bǔ)償裝置，使用激光在線檢測所述環(huán)乳件的尺寸，包括：
[0006] 激光掃描單元，其對所述環(huán)乳件在乳制加工過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；
[0007] 激光散斑成像單元，其與所述激光掃描單元同步工作，形成所述環(huán)乳件表面的散 斑圖像；
[0008] 控制單元，其分別與所述激光掃描單元和所述激光散斑成像單元相連接；
[0009] 所述控制單元控制所述激光掃描單元，根據(jù)所述激光掃描單元采集得到的數(shù)據(jù)獲 得在每個(gè)激光掃描周期所述環(huán)乳件的半徑值;所述控制單元控制所述激光散斑成像單元， 形成不同時(shí)刻所述環(huán)乳件表面的散斑圖像，所述控制單元利用所述散斑圖像獲得所述環(huán)乳 件的位移量以及所述環(huán)乳件的線速度，得到每個(gè)所述激光掃描周期的所述環(huán)乳件的半徑增 長的差值;并且所述控制單元將所述每個(gè)激光掃描周期環(huán)乳件的半徑值減去所述半徑增長 的差值，進(jìn)而使環(huán)乳件的截面復(fù)原。
[0010] 由于環(huán)乳件在被乳制的過程中，半徑會隨著乳制的過程而逐步變大，此時(shí)需要對 逐步變大的半徑值進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明的位置補(bǔ)償裝置，因?yàn)槲恢醚a(bǔ)償裝置包括激光掃 描單元、激光散斑成像單元以及控制單元，激光掃描單元能夠采集環(huán)乳件在乳制過程中的 數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)能夠獲知每個(gè)激光掃描周期所述環(huán)乳件的半徑值，激光散斑成像單元能 夠采集環(huán)乳件的散斑圖像，通過該散斑圖像就能夠獲知環(huán)乳件在乳制過程中的線速度，利 用環(huán)乳件的半徑值和線速度得到環(huán)乳件半徑增長的差值，將每個(gè)激光掃描周期環(huán)乳件的半 徑值減去所述半徑增長的差值從而完成對環(huán)乳件半徑變化的差值的補(bǔ)償，即完成環(huán)乳件的 位置補(bǔ)償。
[0011]優(yōu)選地，所述激光掃描單元包括第一激光器、激光變束裝置、分光單元以及激光探 測器，所述控制單元控制所述第一激光器發(fā)出激光，通過所述激光變束裝置和所述分光單 元，將所述激光發(fā)射到環(huán)乳件，對所述環(huán)乳件進(jìn)行軸向掃描，所述激光在被所述環(huán)乳件散射 后返回到所述激光掃描單元中的激光探測器，從而所述激光掃描單元采集得到所述環(huán)乳件 被激光照射的點(diǎn)到所述激光掃描單元的距離，作為所述數(shù)據(jù)。
[0012]優(yōu)選地，所述控制單元還基于濾波處理的融合算法對所述環(huán)乳件的位移量進(jìn)行濾 波與修正，來獲得所述環(huán)乳件的半徑補(bǔ)償量。
[0013 ]優(yōu)選地，所述基于濾波處理的融合算法為kalman濾波算法和Par t i CI e濾波算法的 融合。利用kalman濾波與Particle濾波的融合算法對利用散斑圖像測量出的環(huán)乳件的線位 移量進(jìn)行濾波與修正，能夠減少線位移量的測量噪聲，提高數(shù)據(jù)的精度。
[0014] 本發(fā)明還提供一種環(huán)乳件的位置補(bǔ)償方法，使用激光在線檢測所述環(huán)乳件的尺 寸，包括如下步驟：
[0015] 激光掃描步驟，由激光掃描單元對所述環(huán)乳件在乳制過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；
[0016] 激光散斑成像步驟，與所述激光掃描步驟同步進(jìn)行，由激光散斑成像單元對所述 環(huán)乳件的表面形成散斑圖像；
[0017] 控制步驟，控制所述激光掃描單元，根據(jù)所述激光掃描單元采集得到的數(shù)據(jù)計(jì)算 出每個(gè)激光掃描周期所述環(huán)乳件的半徑值，控制所述激光散斑成像單元，形成前后不同時(shí) 刻所述環(huán)乳件表面的散斑圖像，利用所述散斑圖像計(jì)算出所述環(huán)乳件的位移量以及所述環(huán) 乳件的線速度，得到每個(gè)所述激光掃描周期的所述環(huán)乳件的半徑增長的差值，將所述每個(gè) 激光掃描周期環(huán)乳件的半徑值減去所述半徑增長的差值，進(jìn)而使環(huán)乳件的截面復(fù)原。
[0018] 顯示步驟，其用來動態(tài)顯示環(huán)乳件的半徑值和環(huán)乳件半徑補(bǔ)償量。
[0019] 優(yōu)選地，在由激光掃描單元進(jìn)行的所述激光掃描步驟中，所述激光掃描單元包括 第一激光器、激光變束裝置、分光單元以及激光探測器，
[0020] 在所述控制步驟中，控制所述第一激光器發(fā)出激光，通過所述激光變束裝置和所 述分光單元，將所述激光發(fā)射到環(huán)乳件，對所述環(huán)乳件進(jìn)行軸向掃描，
[0021] 所述激光在被所述環(huán)乳件散射后返回到所述激光掃描單元中的激光探測器，從而 所述激光掃描單元采集得到所述環(huán)乳件被激光照射的點(diǎn)到所述激光掃描單元的距離，作為 所述數(shù)據(jù)。
[0022]優(yōu)選地，在所述控制步驟中還包括:基于濾波處理的融合算法來對所述環(huán)乳件的 位移量進(jìn)行濾波與修正，來計(jì)算所述環(huán)乳件的半徑補(bǔ)償量。
[0023 ]優(yōu)選地，所述基于濾波處理的融合算法為kalman濾波算法和Par t i CI e濾波算法的 融合。
[0024]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:針對激光測距方法中存在的問題，即在利用激光 掃描單元對正在碾擴(kuò)的環(huán)乳件進(jìn)行尺寸測量時(shí)，由于環(huán)乳件的半徑尺寸時(shí)刻都在增大，所 以用激光掃描的方式恢復(fù)的環(huán)乳件某一時(shí)刻的截面包含了環(huán)乳件半徑增大的差值。本發(fā)明 提供的方法可以對這一差值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對環(huán)乳件的截面進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和修 正。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置的示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置的示意性框圖；
[0027]圖3為基于kalman與Particle濾波融合算法的位置補(bǔ)償流程圖；
[0028]圖4為環(huán)乳件碾擴(kuò)加工示意圖；
[0029]圖5為增長差值計(jì)算簡圖。
[0030]圖6為kalman與Particle濾波的融合算法和空時(shí)域kalman濾波器的誤差曲線。
[0031] 圖7a為第一個(gè)掃描周期的差值增長曲線。
[0032] 圖7b為最后一個(gè)掃描周期的差值增長曲線。
[0033] 圖8a為仿真實(shí)驗(yàn)中含有半徑增長差值的環(huán)乳件截面輪廓。
[0034]圖8b為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過差值補(bǔ)償?shù)沫h(huán)乳件截面輪廓。
[0035]【附圖標(biāo)記說明】
[0036] 1--環(huán)乳件
[0037] 2--CCD 相機(jī)
[0038] 3一一第二激光器
[0039] 4一一激光掃描單元 [0040] 5--控制室
[0041 ] 6--顯示單元 [0042] 7--控制單元 [0043] 8--驅(qū)動輥
[0044] 9--導(dǎo)向輥
[0045] 10--芯車?yán)?具體實(shí)施例
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0047] 圖1所示為本發(fā)明環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置，使用激光在線檢測環(huán)乳件的尺寸，包 括:激光掃描單元4,其對環(huán)乳件1在乳制過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;激光散斑成像單元，其與 激光掃描單元4同步，對環(huán)乳件1的表面形成散斑圖像；以及控制單元7,其控制激光掃描單 元4以及激光散斑成像單元，基于由激光掃描單元4采集得到的數(shù)據(jù)和由激光散斑成像單元 形成的散斑圖像，來計(jì)算環(huán)乳件1的半徑補(bǔ)償量。由于環(huán)乳件1在被乳制的過程中，半徑會隨 著乳制的過程而逐步變大，此時(shí)需要對逐步變大的半徑差值進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明的位置 補(bǔ)償裝置，因?yàn)槲恢醚a(bǔ)償裝置包括激光掃描單元4、激光散斑成像單元以及控制單元7,激光 掃描單元4能夠采集環(huán)乳件1在乳制過程中的數(shù)據(jù)，激光散斑成像單元能夠采集環(huán)乳件1的 散斑圖像，通過該數(shù)據(jù)和散斑圖像，就能夠獲知環(huán)乳件1在乳制過程中的半徑變化差值，從 而完成對環(huán)乳件半徑變化的差值的補(bǔ)償，即完成環(huán)乳件的位置補(bǔ)償。
[0048]上述激光掃描單元可以包括電源、第一激光器、激光變束裝置、分光單元、軸向掃 描裝置、激光探測器和數(shù)據(jù)采集卡，這些具體的功能部件功能詳細(xì)后述。
[0049] 上述激光散斑成像單元包括激光器電源、第二激光器3、濾光系統(tǒng)和CCD相機(jī)2，這 些具體的功能部件功能詳細(xì)后述。需要注意的是，在本發(fā)明中拍攝裝置采用了 CCD相機(jī)，但 是不限于CCD相機(jī)。
[0050] 控制單元7可以是工控機(jī)，例如，工控機(jī)對激光掃描單元和激光散斑成像單元進(jìn)行 控制。但是控制單元不限于工控機(jī)，只要能夠控制所述激光掃描單元以及所述激光散斑成 像單元，進(jìn)行有關(guān)控制即可。此外，工控機(jī)還可以進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的調(diào)整，比如下文中的"掃描 周期"和"時(shí)間間隔"等參數(shù)的調(diào)整。
[0051] 本發(fā)明的附圖1中還描述了顯示單元6,用于動態(tài)顯示環(huán)乳件的半徑值和環(huán)乳件半 徑補(bǔ)償量，必要的時(shí)候也可以用打印輸出來顯示。但是該顯示單元6并不對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu) 思構(gòu)成限定。例如其具體的設(shè)置位置以及具體的設(shè)置方式均沒有特別限定，可以與控制單 元7同時(shí)放置在控制室5內(nèi)，也可以設(shè)置于其他場所，只要在生產(chǎn)現(xiàn)場能夠?yàn)榧夹g(shù)人員所參 照管理即可，顯示單元的詳細(xì)結(jié)構(gòu)可以采用CRT、液晶顯示器等本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易想 到的任何結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)υ诰€監(jiān)測環(huán)乳件的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示即可。
[0052]圖2是檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。結(jié)合圖1和圖2來具體說明本發(fā)明環(huán)乳件的位置補(bǔ) 償方法，即本發(fā)明環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置工作過程如下：步驟（1)利用激光掃描單元4對乳 制過程中的環(huán)乳件1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;步驟(2)與激光掃描單元4同步，激光散斑成像單元對環(huán) 乳件1表面形成散斑圖像;步驟(3)工控機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到每個(gè)掃描周期的環(huán) 乳件半徑和環(huán)乳件線速度；以及步驟(4)通過處理后的數(shù)據(jù)來計(jì)算出每個(gè)掃描周期中環(huán)乳 件半徑增長的差值；（5)從每個(gè)掃描周期的環(huán)乳件半徑值去掉環(huán)乳件半徑增長的差值即得 到某一時(shí)刻環(huán)乳件相應(yīng)截面的半徑值，完成對環(huán)乳件半徑增大差值的補(bǔ)償。
[0053]所述步驟(1)在工控機(jī)的控制下，由第一激光器發(fā)出的激光，通過激光變束裝置和 分光系統(tǒng)發(fā)射到環(huán)乳件上，對環(huán)乳件進(jìn)行軸向掃描，激光經(jīng)環(huán)乳件散射后返回到激光掃描 單元中，從而得到激光所打到的那個(gè)點(diǎn)到激光掃描單元4的距離。將得到的所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)信 息通過數(shù)據(jù)采集卡送入工控機(jī)中進(jìn)行處理，從而完成數(shù)據(jù)采集。此處，利用數(shù)據(jù)采集卡來傳 輸數(shù)據(jù)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉，本發(fā)明中并不限定數(shù)據(jù)采集卡來傳輸數(shù)據(jù)，可以直 接傳輸數(shù)據(jù)，或者只要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能即可。
[0054]所述步驟(2)的激光散斑成像系統(tǒng)和步驟（1)所述的激光掃描單元定一個(gè)時(shí)間參 考點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。例如，設(shè)激光掃描單元掃描頻率為100次Λ，每個(gè)掃描周期為 0.01s。使掃描周期與散斑圖像采集周期相等。所以散斑圖像采集周期為0.01s。一個(gè)激光掃 描周期采集50張散斑圖像，得散斑圖像采集的時(shí)間間隔t為0.0002s。此處的掃描頻率可以 根據(jù)生產(chǎn)性的實(shí)際需要來設(shè)定，并不限定于某個(gè)具體值。
[0055] 所述步驟(3)利用的對數(shù)據(jù)處理的主要方法是kalman與Part i CI e濾波的融合算法 對利用散斑圖像測量出的環(huán)乳件的線位移量進(jìn)行濾波與修正。如圖3所示，kalman與 Particle濾波的融合算法的具體過程是:將一幅散斑圖像分割成N個(gè)子圖像。每個(gè)子圖像通 過基于梯度的散斑位移計(jì)算方法計(jì)算它的位移Zi, κ(η)(η = 1... N)。然后，空間域kaIman濾 波器對Zlk(Ii)進(jìn)行濾波從而得到散斑位移Xk(n)的估計(jì)?？臻g域kalman濾波器的輸出X k(N) 作為時(shí)間域Part ic Ie濾波器的輸入將再次進(jìn)行濾波。Part ic Ie濾波器進(jìn)行濾波時(shí)會使 kalman濾波器進(jìn)入時(shí)域?qū)αＷ訁?shù)進(jìn)行修正，從而得到當(dāng)前時(shí)刻的環(huán)乳件線位移濾波的估 計(jì)值和對下一時(shí)刻的預(yù)測估計(jì)值，濾波估計(jì)值作為此時(shí)刻的輸出，之后kalman濾波器又進(jìn) 入了空域，并利用預(yù)測估計(jì)值作為初值估計(jì)開始了新的一輪的循環(huán)，利用了 kalman濾波器 的分時(shí)復(fù)用。在本發(fā)明中，優(yōu)選使用kalman與ParticIe濾波的融合算法對利用散斑圖像測 量出的環(huán)乳件的線位移量進(jìn)行濾波與修正，這樣，能夠減少數(shù)據(jù)的噪聲，提高數(shù)據(jù)的精度， 但是濾波與修正方法不限于基于kalman與Particle濾波的融合算法，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 根據(jù)實(shí)際需要來選定。
[0056]步驟(4)中利用環(huán)乳件位置補(bǔ)償公式，通過處理后的數(shù)據(jù)來計(jì)算出每個(gè)掃描周期 中環(huán)乳件半徑增長的差值，涉及該位置補(bǔ)償公式的具體處理詳細(xì)后述。
[0057] 下面，結(jié)合附圖3-8,列舉具體實(shí)施例來詳細(xì)說明環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置及其方 法。
[0058] 環(huán)乳件的碾擴(kuò)如圖4所示，碾擴(kuò)裝置包括驅(qū)動輥8、導(dǎo)向輥9和芯輥10。所述步驟(4) 由于導(dǎo)向輥9的作用，環(huán)乳件1在碾擴(kuò)過程中軸向截面是圓形，環(huán)乳件徑向碾擴(kuò)過程包括咬 入階段、穩(wěn)定碾擴(kuò)階段和整圓階段。環(huán)乳件被連續(xù)的咬入徑向孔型，產(chǎn)生穩(wěn)定的局部塑性變 形。如圖1所示激光掃描單元4對環(huán)乳件以從上向下的掃描方式來獲取環(huán)乳件表面上的點(diǎn)所 在徑向截面的半徑值。掃描單元對環(huán)乳件從上向下掃描一次為一個(gè)掃描周期，在一個(gè)掃描 周期中獲取的環(huán)乳件表面上的點(diǎn)所在徑向截面的半徑值中等時(shí)間間隔的選取N個(gè)徑向截面 的半徑值，用此N個(gè)點(diǎn)所在徑向截面的半徑值減去半徑增長的差值以對環(huán)乳件的母線輪廓 進(jìn)行恢復(fù)?？梢愿鶕?jù)環(huán)乳件的軸向高度來決定所選數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，環(huán)乳件軸向高度越高選 取的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，現(xiàn)以選取N=IO個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為例。將第2個(gè)點(diǎn)到第10個(gè)點(diǎn)所在的徑向截面提 取出來，以第η個(gè)點(diǎn)為例（2<n<10)，碾擴(kuò)過程中在導(dǎo)向輥的作用下環(huán)乳件的徑向截面是 圓，如圖5所示。
[0059]設(shè)在一個(gè)掃描周期中，掃選取的環(huán)乳件表面的第一個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻為七，掃第η個(gè)點(diǎn)的 時(shí)刻為tn，環(huán)乳件當(dāng)前轉(zhuǎn)動的線速度w。激光掃描單元在此掃描周期中掃第η點(diǎn)時(shí)，第η點(diǎn)的 坐標(biāo)就可以得到了，從而此點(diǎn)所在的徑向截面的直徑長cn的值就得到了。η'點(diǎn)是t n時(shí)刻第 一個(gè)點(diǎn)正下方的一個(gè)點(diǎn)，因?yàn)閺钠叩絕時(shí)刻經(jīng)過一段時(shí)間，所以η'點(diǎn)所在的半徑在^時(shí)刻增 大一個(gè)差值。設(shè)圖5中圓的半徑為r則圓的方程為 [0060] x2+y2 = r2
[0061 ] η點(diǎn)坐標(biāo)為(0，-r)，C點(diǎn)坐標(biāo)為（0，r)。則α =弧nn Vr。則η '點(diǎn)坐標(biāo)為(rsina，-rcos a) 〇則
[0062]
[0063] 在一定的環(huán)乳件半徑范圍內(nèi)，tn時(shí)刻半徑增長的差值
[0064] Rn~（2r_cn，）/2
[0065] 弧 nn'= (tn-ti)*vFF
[0066] 通過以上的算法推導(dǎo)便得到每個(gè)周期的增長差值。
[0067] 所述步驟(5)從每個(gè)掃描周期的環(huán)乳件半徑值去掉環(huán)乳件半徑增長的差值即得到 某一時(shí)刻環(huán)乳件相應(yīng)截面的半徑值。設(shè)"時(shí)刻各個(gè)截面的半徑為 ，7^' 84'9^'1()。則恢復(fù)后的各截面半徑為：
[0068]
[0069] 圖3所示為本發(fā)明的位置補(bǔ)償流程圖，首先是激光散斑成像單元對正在乳制的環(huán) 乳件采集散斑圖像，空時(shí)域跟蹤器與一般單個(gè)的時(shí)域跟蹤器不同的是要建立起自己的空域 模型，一般空域模型的建立是在同一時(shí)刻對測量對象進(jìn)行多次測量，找到每次測量之間的 關(guān)系，從而建立起空域模型。在激光散斑跟蹤中，利用散斑圖像的可分割性來建立所需要的 空域模型。將每幅散斑圖像分割成N個(gè)子圖像，計(jì)算每個(gè)激光散斑子圖像的散斑位移來代替 對測量對象的多次測量。由于相互對應(yīng)的散斑子圖像的散斑位移相等，可知 ΧΚ(1) =χκ(2) =……M(N)，那么我們得到：
[0070]
⑴
[0071] 對于子圖像k，V1,k(n)表示它的計(jì)算誤差或測量誤差。假定E[V1, k(i)V1,k(j)]=RS (i_j)，E[vi，k] = 0，E[wk(i )wk(j) ] = Q3(i-j)，E[wk] = 0其中δ(χ)表示Kronecker delta函 數(shù)，xk(n)、wk(n)和vi,k(n)是相互獨(dú)立的。
[0072] 在標(biāo)量情況下根據(jù)(1)式的空域模型有：
[0073]
{I)
[0074] 公(η)是第η步的狀態(tài)輸出，處于空域狀態(tài)的kalman濾波第n+1步的輸出為
[0075]
(2)
[0076] 其中if(n+l)是n+1步之前的狀態(tài)已知的情況下對n+1步的預(yù)測估計(jì)值。
[0077]其中散斑位移預(yù)測估計(jì)錯(cuò)誤方差為：
[0078]
(3)
[0079] 散斑位移的初態(tài)估計(jì)為&處于空域狀態(tài)的kalman增益為：
[0080]
[0081]
[0082]利用pk(n+l)和開始了空域下一輪的狀態(tài)估計(jì)，直到最終估計(jì)兔(N)的輸 出。
[0083]時(shí)域?yàn)V波器用于跟蹤隨時(shí)間變化的散斑位移，為了使跟蹤模型便于處理，在時(shí)域 采用分階段跟蹤的思想。即以一個(gè)掃描周期接受到的散斑圖像為一組進(jìn)行分階段跟蹤，每 個(gè)跟蹤階段的初始測量值作為本次跟蹤的初始狀態(tài)。在時(shí)刻Kt所有子圖像的散斑位移都是 相同的，即Xk(l)= Xk(2) =……Xk(N)=Xkt3由于每個(gè)跟蹤階段的時(shí)間極短，環(huán)乳件在等時(shí)間 間隔內(nèi)的線位移視為相等。但由于環(huán)乳件的金屬流動和與驅(qū)動輥的相對滑動從而處理噪聲 wk不在滿足高斯模型，其噪聲模型表示為 [0084]
[0085]因此時(shí)域米用Particle濾波，它的處理方程與測量方程可以表示為：
[0086]
(7)
[0087] 其中Z2,k為空域kalman濾波器的濾波輸出免(N) , V2,k是空域kalman濾波輸出& (N) 的估計(jì)誤差，a是根據(jù)環(huán)乳件的金屬流動和與驅(qū)動輥的相對滑動而設(shè)定的值，p是根據(jù)系統(tǒng) 處理噪聲產(chǎn)生的隨機(jī)性設(shè)定的值，rand(0，l)產(chǎn)生0到1之間的隨機(jī)數(shù)。時(shí)域Particle濾波采 用卡爾曼估計(jì)修正的粒子濾波算法。因?yàn)榭沼蚝蜁r(shí)域都用到了 kalman濾波器，但是調(diào)用的 時(shí)間不同，所以在設(shè)計(jì)整個(gè)跟蹤器時(shí)，只需設(shè)計(jì)一個(gè)kalman濾波器就滿足要求，在時(shí)域的具 體算法原理如下：
[0088] 從空域進(jìn)入時(shí)域后，運(yùn)行Particle濾波器，進(jìn)行取樣粒子、重要性采樣、權(quán)值歸一 化、重采樣及狀態(tài)估計(jì)，權(quán)值歸一化的同時(shí)會用到來自空域的估計(jì)值P k(N);與此同時(shí) kalman濾波器也在時(shí)域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行估計(jì)。
[0089 ]在跟蹤濾波的過程中，Part i c I e濾波器的重要性密度函數(shù)分布的均值與方差是由 原Particle濾波器自身利用觀測信息而得到重要性密度函數(shù)分布來更新粒子群權(quán)值計(jì)算 并且歸一化，不需要對粒子參數(shù)的修正，還是由轉(zhuǎn)入時(shí)域的kalman濾波器估計(jì)的狀態(tài)估值 及其狀態(tài)誤差協(xié)方差構(gòu)成，來更新粒子群權(quán)值計(jì)算并且歸一化，完成對粒子參數(shù)的修正，還 這需要對粒子權(quán)值進(jìn)行評估來決定。
[0090 ]通過對粒子濾波權(quán)值進(jìn)行評估，來決定是否采用進(jìn)入時(shí)域的ka Iman濾波器對粒子 參數(shù)進(jìn)行修正，使運(yùn)動目標(biāo)系統(tǒng)的隨機(jī)性和重要性權(quán)值相符，得到穩(wěn)定的跟蹤。
[0091] 得到粒子群和粒子權(quán)值后要重新采樣建議分布，來重建新粒子，此時(shí)kalman濾波 器已經(jīng)在空域做好準(zhǔn)備，通過Particle濾波器的輸出值$^的預(yù)測估計(jì)xk+1(z2, k)反饋 到已進(jìn)入空域的kalman濾波器，進(jìn)入下一時(shí)刻的濾波估值。
[0092]圖6為kalman與Particle濾波的融合算法和空時(shí)域kalman濾波器的誤差曲線，其 中，A為kalman與Particle濾波的融合算法的誤差曲線，B空時(shí)域kalman濾波器的誤差曲線。 為了kalman與Particle濾波的融合算法的跟蹤性能能夠滿足本系統(tǒng)中的差值計(jì)算，以本文 中（1)式和(7)式組成的空域和時(shí)域系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，與空域和時(shí)域都采用kalman濾波 器的跟蹤器的性能進(jìn)行了對比。設(shè)空域的處理噪聲方差Q = O.01，空域的測量噪聲方差R = 1，初始的狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤方差為P = 2,仿真迭代次數(shù)tf = 30,即把每個(gè)圖像分成了 30塊子圖 像。由（6)式設(shè)時(shí)域的處理噪聲Wk表示為k*0.00002+sqrt(0.01 )*randn，時(shí)域的測量噪聲方 差是空域的狀態(tài)估計(jì)方差，時(shí)域初始的狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤方差為P = 2,仿真迭代次數(shù)tf = 50,初 始狀態(tài)設(shè)為x = l. 584.采樣粒子數(shù)100,均方根誤差RMSE由公式(7)定義
[0093]
(8)
[0094] 采用不同的算法執(zhí)行30次仿真，得到仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。
[0095]表1狀態(tài)估計(jì)均方根誤差數(shù)據(jù)
[0097]針對（1)式和(7)式組成的空域和時(shí)域系統(tǒng)，kalman與Particle濾波的融合算法的 RMSE均值比空時(shí)域kalman跟蹤器的RMSE均值有一定的提高，這是因?yàn)閗alman與Particle濾 波的融合算法充分的利用了各濾波方法的優(yōu)點(diǎn)，在空域的線性系統(tǒng)利用kalman濾波使估計(jì) 達(dá)到最優(yōu)，空間域kalman濾波器的輸出Xk (N)作為時(shí)間域Part i c I e濾波器的輸入將再次進(jìn) 行濾波。Particle濾波器進(jìn)行濾波是會利用進(jìn)入時(shí)域的kalman濾波器對粒子參數(shù)進(jìn)行修 正，避開了 Particle濾波初始估計(jì)偏差較大的問題，之后進(jìn)入時(shí)域的kalman濾波器又回到 了空域，利用kalman濾波器的分時(shí)復(fù)用，發(fā)揮了kalman濾波器對線性系統(tǒng)估計(jì)最優(yōu)， Par t i c I e濾波適用于非高斯問題的長處。在跟蹤時(shí)間方面，ka Iman與Par t i c I e濾波的融合 算法跟蹤時(shí)間比空時(shí)域kalman跟蹤器的跟蹤時(shí)間長。這是因?yàn)樵跁r(shí)域時(shí)，又使kalman濾波 進(jìn)入時(shí)域服務(wù)于Particle濾波的緣故。RMSE方面，兩個(gè)跟蹤器差別不大。圖6是kalman與 Particle濾波的融合算法和空時(shí)域kalman跟蹤器在某一次跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)中的位置誤差曲 線，可以看出ka Iman與Par t i c I e濾波的融合算法的位置誤差小于空時(shí)域ka Iman跟蹤器的位 PJ3、口 -Vg- 置祆差。
[0098] 圖7a和圖7b分別為第一個(gè)掃描周期與最后一個(gè)掃描周期的差值增長曲線，根據(jù)工 業(yè)現(xiàn)場的一般的碾擴(kuò)條件，現(xiàn)對整個(gè)位置補(bǔ)償算法可行性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。在本次仿真 實(shí)驗(yàn)中，設(shè)碾擴(kuò)機(jī)驅(qū)動輥線速度為1.584m/s，環(huán)乳件半徑增長率為8mm/s，激光掃描單元掃 描頻率為100次/s，每個(gè)掃描周期為0.01s，對于半徑從792mm增長到808mm的矩形環(huán)乳件為 例，定一個(gè)激光掃描與散斑圖像采集相互參考的時(shí)間點(diǎn)，以一個(gè)掃描周期為散斑圖像的采 集周期，即使掃描周期與圖像采集周期相等。所以圖像采集周期和跟蹤周期都為0.01s。一 個(gè)激光掃描周期采集5 0張散斑圖像，得圖像采集時(shí)間間隔t為0.0 0 0 2 s，所以k a I m a η與 Particle濾波的融合算法的跟蹤迭代次數(shù)tf = 50。再以每個(gè)圖像采集周期為一個(gè)跟蹤周 期，利用kalman與Particle濾波的融合算法跟蹤模擬產(chǎn)生的環(huán)乳件位移測量值得每個(gè)掃描 周期內(nèi)的環(huán)乳件線速度W，再將W和將MATLAB軟件模擬激光掃描單元測出的每個(gè)周期的半 徑值r代入到差值增長公式中，即可得到每個(gè)周期的差值。
[0099] 表2是列出前十二個(gè)掃描周期和后十二個(gè)掃描周期的增長差值。圖7a，7b中X坐標(biāo) 軸為當(dāng)前掃描周期各掃描時(shí)刻的環(huán)乳件半徑值，Y坐標(biāo)軸為當(dāng)前掃描周期環(huán)乳件線位移值， Z坐標(biāo)為半徑增長差值。
[0100]表2部分掃描周期的增長差值
[0102] 結(jié)合圖7a和圖7b以及表2可以看出每個(gè)周期的差值增長率近似直線，并且每個(gè)周 期的整體增長率約為8mm/s，正好與碾擴(kuò)機(jī)的半徑增長率近似。
[0103] 表3部分掃描周期的增長差值誤差
[0105] 表3為部分周期的增長差值平均絕對誤差和平均相對誤差。圖8a為仿真實(shí)驗(yàn)中含 有半徑增長差值的環(huán)乳件母線輪廓，圖8b為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過差值補(bǔ)償?shù)沫h(huán)乳件母線輪廓。 這樣在精度允許的范圍內(nèi)可以近似的對環(huán)乳件的截面輪廓進(jìn)行恢復(fù)。
[0106] 最后，將上述環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置以及方法具體地應(yīng)用到環(huán)乳件的制造系統(tǒng)以 及環(huán)乳件的制造方法中，也能夠得到與通過環(huán)乳件的位置補(bǔ)償裝置以及方法的相同的技術(shù) 效果。
[0107] 以上，參照【附圖說明】了本發(fā)明的工作原理及其實(shí)施例。而這些實(shí)施例是包含在本 發(fā)明權(quán)利要求中所記載的技術(shù)思想里。并且，這些實(shí)施例是僅為示例性的，不應(yīng)用來限定解 釋本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種環(huán)乳件加工中的位置補(bǔ)償裝置，使用激光在線檢測所述環(huán)乳件的尺寸，其特征 在于，包括： 激光掃描單元，其對所述環(huán)乳件在乳制加工過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集； 激光散斑成像單元，其與所述激光掃描單元同步工作，形成所述環(huán)乳件表面的散斑圖 像； 控制單元，其分別與所述激光掃描單元和所述激光散斑成像單元相連接； 所述控制單元控制所述激光掃描單元，根據(jù)所述激光掃描單元采集得到的數(shù)據(jù)獲得在 每個(gè)激光掃描周期所述環(huán)乳件的半徑值;所述控制單元控制所述激光散斑成像單元，形成 不同時(shí)刻所述環(huán)乳件表面的散斑圖像，所述控制單元利用所述散斑圖像獲得所述環(huán)乳件的 位移量以及所述環(huán)乳件的線速度，得到每個(gè)所述激光掃描周期的所述環(huán)乳件的半徑增長的 差值;并且所述控制單元將所述每個(gè)激光掃描周期環(huán)乳件的半徑值減去所述半徑增長的差 值，進(jìn)而使環(huán)乳件的截面復(fù)原。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置補(bǔ)償裝置，其特征在于： 所述激光掃描單元包括第一激光器、激光變束裝置、分光單元以及激光探測器， 所述控制單元控制所述第一激光器發(fā)出激光，通過所述激光變束裝置和所述分光單 元，將所述激光發(fā)射到環(huán)乳件，對所述環(huán)乳件進(jìn)行軸向掃描， 所述激光探測器接收到從所述環(huán)乳件散射后返回到所述激光掃描單元中的散射激光， 從而所述激光掃描單元采集得到所述環(huán)乳件經(jīng)激光照射的點(diǎn)到所述激光掃描單元的距離， 作為所述數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的位置補(bǔ)償裝置，其特征在于： 所述控制單元還基于濾波處理的融合算法對所述環(huán)乳件的位移量進(jìn)行濾波與修正，來 獲得所述環(huán)乳件的半徑補(bǔ)償量。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置補(bǔ)償裝置，其特征在于： 所述基于濾波處理的融合算法為kalman濾波算法和Particle濾波算法的融合。5. -種環(huán)乳件加工中的位置補(bǔ)償方法，使用激光在線檢測所述環(huán)乳件的尺寸，其特征 在于，包括： 激光掃描步驟，由激光掃描單元對所述環(huán)乳件在乳制過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集； 激光散斑成像步驟，與所述激光掃描步驟同步進(jìn)行，由激光散斑成像單元對所述環(huán)乳 件的表面形成散斑圖像； 控制步驟，控制所述激光掃描單元，根據(jù)所述激光掃描單元采集得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出每 個(gè)激光掃描周期所述環(huán)乳件的半徑值，控制所述激光散斑成像單元，形成前后不同時(shí)刻所 述環(huán)乳件表面的散斑圖像，利用所述散斑圖像計(jì)算出所述環(huán)乳件的位移量以及所述環(huán)乳件 的線速度，得到每個(gè)所述激光掃描周期的所述環(huán)乳件的半徑增長的差值，將所述每個(gè)激光 掃描周期環(huán)乳件的半徑值減去所述半徑增長的差值，進(jìn)而使環(huán)乳件的截面復(fù)原。 顯示步驟，其用來動態(tài)顯示環(huán)乳件的半徑值和環(huán)乳件半徑補(bǔ)償量。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置補(bǔ)償方法，其特征在于： 在由激光掃描單元進(jìn)行的所述激光掃描步驟中，所述激光掃描單元包括第一激光器、 激光變束裝置、分光單元以及激光探測器， 在所述控制步驟中，控制所述第一激光器發(fā)出激光，通過所述激光變束裝置和所述分 光單元，將所述激光發(fā)射到環(huán)乳件，對所述環(huán)乳件進(jìn)行軸向掃描， 所述激光在被所述環(huán)乳件散射后返回到所述激光掃描單元中的激光探測器，從而所述 激光掃描單元采集得到所述環(huán)乳件被激光照射的點(diǎn)到所述激光掃描單元的距離，作為所述 數(shù)據(jù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的位置補(bǔ)償方法，其特征在于，在所述控制步驟中還包括： 基于濾波處理的融合算法來對所述環(huán)乳件的位移量進(jìn)行濾波與修正，來計(jì)算所述環(huán)乳 件的半徑補(bǔ)償量。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置補(bǔ)償方法，其特征在于： 所述基于濾波處理的融合算法為kalman濾波算法和Particle濾波算法的融合。
【文檔編號】B21B37/16GK106040750SQ201610347971
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】張玉存, 王永杰, 徐飛, 田夢琦
【申請人】燕山大學(xué)