一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法，混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置由两台相机、光源、工控主机、显示屏、测量平台和支架组成，相机、光源和显示屏电性连接于工控主机；一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置的使用方法，具体包括以下步骤：S1、图像采集；S2、三维立体重构；S3、塌落度测量；S4、扩展度测量；S5、结果显示；本发明全自动测量，减少人为测量过程中的误差；数据测量全面，能同时测量塌落度和扩展度；测量速度快，能在10s内完成塌落度和扩展度的测量。

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法。

背景技术

坍落度是混凝土工作性能的一个重要指标，它直接影响到混凝土塑化性能和可泵性能。按照国标《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)，坍落度的测试方法为：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落度桶，灌入混凝土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，称为坍落度。如果差值为100mm，则坍落度为100。但是当坍落度大于220mm时，坍落度不能准确反映混凝土的流动性，需要用混凝土扩展后的平均直径即坍落扩展度，作为流动性指标。

文献1：夏开飞.混凝土坍落度检测装置技术研究[J].四川建材,2021,47(7)。

该文献提出的装置主要包括检测台以及置于检测台上的试验桶。其特点在于可以双桶同步检测，同步加料自动振捣，同步机械提桶，减少了人工操作带来的误差，不但提高了试验效率，而且保证了试验的稳定性和准确性。

文献2：李长春,等.全自动六工位混凝土塌落度测量仪的研发[J].现代制造技术与装备,2019(2)。

该文献提出的装置主要包括下料、插捣、刮平、提桶、测量和卸料六个工位。具备自动多次下料、多次插捣、提桶、拉绳激光测量、卸料以及自动显示塌落度结果等功能，且操作简单方便，很好地满足了建筑施工现场测量要求。其中测量工位主要采用拉绳位移和激光测量技术，在测量气缸动力驱动下向下移动；拉绳位移传感器通过拉绳连接到测量气缸移动杆上，测量气缸杆的移动带动激光传感器向下移动。当激光传感器扇形激光平面扫描到混凝土拌和物最高点时激光传感器会传给控制系统信号，拉绳位移传感器通过拉绳得到下移距离，控制系统软件就会计算出测量混凝土塌落度大小。

文献3：李继全,等.混凝土塌落度自动检测技术的研究与应用[J].现代制造技术与装备,2017(9)。

该文献提出的设备能自动完成秤料、送料、插捣、压平、筒分离、塌落度测量、卸料等动作。其中塌落度的数值测量过程为：测量气缸带动向下移动，当工业相机达到合适高度时，气缸停止工作，启动工业相机拍摄混凝土塌落工业相机图像。然后，经过控制系统图像处理、自动识别混凝土的边缘，找到混凝土的最高点，自动计算混凝土塌落度大小。

文献1的缺点：该装置只实现了混凝土坍落度的检测流程中的装桶、振捣和拔桶流程，但是坍落度的具体数值仍需要人工进行测量。

文献2的缺点：该装置虽然实现了混凝土坍落度测量过程的自动化，但是该装置仅测量塌落度并没有测扩展度，而且测量时间较长(文献中给出的指标是50s以内)。

文献3的缺点：该装置同样实现了混凝土坍落度测量过程的自动化，且测量速度较快，但同样没有对扩展度进行测量。

为此，我们提出一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法，以解决上述背景技术中提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置，包括两台相机、光源、工控主机、显示屏、测量平台和支架，相机、光源和显示屏电性连接于工控主机；所述相机、光源、工控主机、测量平台和显示屏固定在所述支架上，且支架为铝合金支架；

相机为高清2D工业相机，用于采集混凝土堆的图像；光源为结构光源，用于投射特定的光信息到混凝土堆表面；工控主机用于处理混凝土堆的图像，计算出塌落度和扩展度；显示屏为触摸控制的显示器，用于显示塌落度和扩展度的测量结果；测量平台为一块水平放置的平板，用于放置待测的混凝土堆；支架为铝合金支架，用于固定相机、光源、工控主机、测量平台和显示屏。

本发明还提供了一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置的使用方法，具体包括以下步骤：

S1、图像采集：

利用光源将光信息投射到混凝土堆表面，然后通过两台相机从不用的视角同时采集混凝土堆的图像，最后将采集到的图像传输到工控主机；

S2、三维立体重构：

工控主机对两张不同视角下的混凝土堆图像进行极线矫正、对应点匹配和深度计算，得到被测混凝土堆的三维坐标信息；

S3、塌落度测量：

对混凝土堆的三维坐标进行旋转平移，使混凝土堆的底面落在XoY平面上；然后找到混凝土堆的高度值，用300mm减去最高值即可得到混凝土的塌落度；

S4、扩展度测量：

提取出混凝土堆底部的轮廓数据，找到轮廓的中心点坐标；然后以中心点作为圆心，找到一个与边缘轮廓数据偏差最小的圆，此时圆的直径即为混凝土的扩展度；

S5、结果显示：

通过显示器将测量计算得到的塌落度和扩展度显示出来。

所述步骤S3中，旋转平移量的计算方法如下：

S3.1、测量平台不摆放任何物品，然后利用光源将光信息投射到测量平台表面，并通过两台相机从不用的视角同时采集测试平台的图像；

S3.2、通过双目立体视觉三维重构技术得到测试平台的三维坐标数据；

S3.3、通过最小二乘法对测试平台的三维坐标数据进行平面拟合，得到拟合平面的方程：Ax+By+Cz＝0

式中参数A、B、C拟合过程参数；

S3.4、计算平面法向量法向量

S3.5、对测试平台的三维坐标数据进行旋转，旋转量为步骤S3.4的计算值，然后计算出旋转后平台三维坐标数据中Z轴分量的平均值Zave，此时-Zave为数据的平移量。

所述步骤S3中，混凝土堆高度值的获取是先对测量得到的混凝土堆三维坐标数据先旋转后平移，然后数据中的最大值即为混凝土堆的高度值Hmax。

所述步骤S4中，混凝土堆底部轮廓数据的提取方法如下：

S4.1、对混凝土堆的三维坐标数据进行预处理，剔除Z值小于3mm的数据点；

S4.2、将预处理后的数据投影到XoY平面上，生成一张2D图片，图片上用黑色表示有数据投影到该位置，用白色表示该位置没有投影数据；

S4.3、利用边缘检测算子提取出混凝土堆底部轮廓的X、Y坐标数据；

所述步骤S4中，轮廓中心点坐标的计算方法如下：

S4.5、计算出轮廓坐标数据的平均值X

S4.6、将区间[X

S4.7、计算每一个正方形小块中心点到轮廓各点的距离，并记录距离的最大值D

S4.8、将D

所述步骤S4中，扩展度计算方法如下：

S4.9、计算轮廓各点到中心点坐标(x

S4.10、根据最小二乘原则，计算出一个R

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置及方法，本发明全自动测量，减少人为测量过程中的误差；数据测量全面，能同时测量塌落度和扩展度；测量速度快，能在10s内完成塌落度和扩展度的测量。

附图说明

图1为本发明一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置的电性连接示意图；

图2为本发明一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置的使用方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1的一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置，包括两台相机、光源、工控主机、显示屏、测量平台和支架，所述相机、光源和显示屏电性连接于工控主机；

所述相机为高清2D工业相机，用于采集混凝土堆的图像；

所述光源为结构光源，用于投射特定的光信息到混凝土堆表面；

所述工控主机用于处理混凝土堆的图像，计算出塌落度和扩展度；

所述显示屏为触摸控制的显示器，用于显示塌落度和扩展度的测量结果；

所述测量平台为一块水平放置的平板，用于放置待测的混凝土堆；

所述支架为铝合金支架，用于固定相机、光源、工控主机、测量平台和显示屏。

本发明还提供了如图2的一种混凝土塌落度和扩展度视觉测量装置的使用方法，具体包括以下步骤：

S1、图像采集：

利用光源将光信息投射到混凝土堆表面，然后通过两台相机从不用的视角同时采集混凝土堆的图像，最后将采集到的图像传输到工控主机；

S2、三维立体重构：

工控主机对两张不同视角下的混凝土堆图像进行极线矫正、对应点匹配和深度计算，得到被测混凝土堆的三维坐标信息；

S3、塌落度测量：

对混凝土堆的三维坐标进行旋转平移，使混凝土堆的底面落在XoY平面上；然后找到混凝土堆的高度值，用300mm减去最高值即可得到混凝土的塌落度；

S4、扩展度测量：

提取出混凝土堆底部的轮廓数据，找到轮廓的中心点坐标；然后以中心点作为圆心，找到一个与边缘轮廓数据偏差最小的圆，此时圆的直径即为混凝土的扩展度；

S5、结果显示：

通过显示器将测量计算得到的塌落度和扩展度显示出来。

所述步骤S3中，旋转平移量的计算方法如下：

S3.1、测量平台不摆放任何物品，然后利用光源将光信息投射到测量平台表面，并通过两台相机从不用的视角同时采集测试平台的图像；

S3.2、通过双目立体视觉三维重构技术得到测试平台的三维坐标数据；

S3.3、通过最小二乘法对测试平台的三维坐标数据进行平面拟合，得到拟合平面的方程：Ax+By+Cz＝0

式中参数A、B、C拟合过程参数；

S3.4、计算平面法向量法向量

S3.5、对测试平台的三维坐标数据进行旋转，旋转量为步骤S3.4的计算值，然后计算出旋转后平台三维坐标数据中Z轴分量的平均值Zave，此时-Zave为数据的平移量。

所述步骤S3中，混凝土堆高度值的获取是先对测量得到的混凝土堆三维坐标数据先旋转后平移，然后数据中的最大值即为混凝土堆的高度值Hmax。

所述步骤S4中，混凝土堆底部轮廓数据的提取方法如下：

S4.1、对混凝土堆的三维坐标数据进行预处理，剔除Z值小于3mm的数据点；

S4.2、将预处理后的数据投影到XoY平面上，生成一张2D图片，图片上用黑色表示有数据投影到该位置，用白色表示该位置没有投影数据；

S4.3、利用边缘检测算子提取出混凝土堆底部轮廓的X、Y坐标数据；

所述步骤S4中，轮廓中心点坐标的计算方法如下：

S4.5、计算出轮廓坐标数据的平均值X

S4.6、将区间[X

S4.7、计算每一个正方形小块中心点到轮廓各点的距离，并记录距离的最大值D

S4.8、将D

所述步骤S4中，扩展度计算方法如下：

S4.9、计算轮廓各点到中心点坐标(x

S4.10、根据最小二乘原则，计算出一个R

在测量塌落度和扩展度之前，先计算出测量系统的旋转平移量。具体流程如下：首先测量平台不摆放任何物品，然后利用光源将光信息投射到测量平台表面，并通过两台相机从不用的视角同时采集测试平台的图像。

然后通过双目立体视觉三维重构技术得到测试平台的三维坐标数据。

接着通过最小二乘法对测试平台的三维坐标数据进行平面拟合，得到拟合平面的方程：Ax+By+Cz＝0。计算平面法向量法向量

最后计算出旋转后平台三维坐标数据中Z轴分量的平均值Z

对混泥土塌落度和扩展度的测量过程如下：首先在测量平台上按照国标的操作流程对混凝土进行下料、插捣、刮平和提桶操作。然后开启光源将光信息投射到混凝土堆表面，并通过两台相机从不用的视角同时采集混凝土堆的图像。

接着工控机对采集到的图像进行处理，根据双目立体视觉三维重构原理，得到被测混凝土堆的三维坐标信息。根据测量前得到的旋转平移量对对混凝土堆的三维坐标进行旋转平移，并找到混凝土堆的高度值H

接着提取出混凝土堆底部的轮廓数据，找到轮廓的中心点坐标；然后以中心点作为圆心，找到一个与边缘轮廓数据偏差最小的圆，此时圆的直径即为混凝土的扩展度。最后将塌落度和扩展度的测量结果通过显示屏显示。

综上所述，与现有技术相比，本发明全自动测量，减少人为测量过程中的误差；数据测量全面，能同时测量塌落度和扩展度；测量速度快，能在10s内完成塌落度和扩展度的测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。