藥型輪廓影像測量裝置的設計及誤差分析

董 偉，張春元，賈艷楠

DONG Wei, ZHANG Chun-yuan, JIA Yan-nan

（中北大學 機電工程學院，太原 030051）

0 引言

藥型是火炮的核心部件，其技術狀態(tài)的好壞，關系到火炮發(fā)射的精度以及火炮壽命狀態(tài)、火炮剩余壽命發(fā)數(shù)等關鍵技術指標[1]。在加工藥型的過程中，切割時會發(fā)生變形，以及受到環(huán)境溫度、擠壓等外部因素影響，使其外型尺寸容易發(fā)生變形，從而影響彈藥性能[2]。為了確?；鸺l(fā)動機的安全性和準確性，需要對推進劑在不損壞其產品的前提下進行缺陷檢測，傳統(tǒng)的檢測方法都是工人通過千分尺檢測，其結果受人為因素影響比較大，安全性差并且工作效率也比較低。

近年來，針對于非接觸式測量的研究已經取得了一定的成果，圖像測量技術的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向，使外形尺寸檢測技術更加便捷、精確。該方法主要是運用光學技術與圖像處理技術，用CCD攝像機對被測物體影像進行攝取，經過計算機對圖像進行處理后，最終得到精確的檢測結果。

CCD的像素間距小，幾何精度高，配置適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)，可以獲得很高的分辮率，特別適用于各種精密圖像傳感和非接觸式檢測[3]。但國內對圖像測量技術在火工品尺寸測量方面的研究尚且不多，而且多為保密研究，特殊的生產環(huán)境和易燃易爆的產品特性限制了圖像測量技術在軍品上的應用。

本設計是基于藥型生產單位不能進行有效的非接觸測量而設計，將圖像測量技術應用于火工品的檢測過程中，由于藥型及生產環(huán)境的不確定因素，因此防火防爆是基本前提，在此基礎上才對藥型進行輪廓測量，在檢測效率和操作安全性方面較以往都有很大的提高。

1 測量原理與組成

整個檢測系統(tǒng)由被測藥型、光學系統(tǒng)、工業(yè)CCD攝像機、計算機處理系統(tǒng)和數(shù)碼顯示及報警系統(tǒng)組成。儀器結構如圖1所示。該裝置使用了大量電器元件，當電器開關合閘、斷開時會產生火花電弧，而且電氣設備短路、過載等都會引起電火花的產生。因此，測量平臺要做防漏電處理，采用不銹鋼材料做支撐平臺，V型架則采用了防靜電的電木板，所有的電線都用防火膠帶進行包裹，此外，對金屬部件做接地處理。

圖1 儀器結構圖

圖像測量裝置的設計原理是：碗狀光源發(fā)出均勻的光束，照射在被測藥型的端面，被測藥型端面通過鏡頭成像在CCD上的光敏物質上，這時由于被測工件的擋，CCD輸出低電平，從而形成一個脈沖寬度與被測物體直徑成正比的方波信號[4]。在圖像采集過程中，放大電路可以對信號進行放大處理，再將模擬信號進行模數(shù)轉換轉變成為數(shù)字信號，然后將處理后的信號送到計算機進行計數(shù)，最后將把測得的計數(shù)脈沖值與系統(tǒng)標定的值乘積（藥型端面尺寸大?。╋@示在LED顯示器上。

在測量之前，我們可以預設數(shù)據(jù)合格范圍，當測量結果超出預設范圍，輸出結果的字體顯示底色將變成紅色，并且發(fā)出報警聲音，工作人員能立刻知道這批產品不合格。

2 圖像采集

2.1 系統(tǒng)標定

計算機圖像處理程序得出的尺寸信息是以像素為單位表示的，要得到實際尺寸，就必須建立起數(shù)字圖像像素單位與實際尺寸之間的對應關系，即系統(tǒng)標定[5]。根據(jù)測量原理，如果知道被測藥型的像尺寸大?。ū徽趽醯墓饷魡卧膮^(qū)間大小）和放大率β值就可以計算出藥型的直徑[6]。即：藥型的實際尺寸=圖像所占得像素數(shù)×實際尺寸和像素值的比例系數(shù)。

在測量過程中，把制作的標準標定板放在測量系統(tǒng)的同一位置上，與像機鏡頭保持固定的距離，點擊圖像測量軟件左上角的系統(tǒng)標定按鈕，獲得標定板圖像，分別選取標定板上水平方向上的兩個圓以及垂直方向上的兩個圓，然后彈出比例尺實際距離設定對話框，設置兩圓之間的真實長度，這樣就算出標定板某一長度的像素值，點擊OK后就會得到當前比例尺，點擊保存之后即完成系統(tǒng)標定。標定板如圖2所示。

圖2 標定板

2.2 圖像采集與處理

2.2.1 圖像采集

圖像采集即將視頻信號轉換成計算機識別的數(shù)字格式。我們采用圖像采集卡將視頻信號經過A/D轉換后，經過PCI總線實時傳到內存和顯存。

在圖像采集過程中，要確保藥型端面的幾何中心與攝像機鏡頭的中心處于同一位置。由于藥型安裝在V型塊上，不方便進行調整，我們便通過控制攝像機鏡頭的移動，使得藥型端面的幾何中心與控制軟件的十字線交點重合。

2.2.2 圖像預處理

光學系統(tǒng)進行成像后需要進行合適的圖像處理及軟件算法設計，圖像處理主要體現(xiàn)在抗噪聲、抗干擾上，軟件算法則主要體現(xiàn)在測量系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性上[7]。

圖像在傳輸過程中常受到成像設備與外部環(huán)境噪聲的干擾，所以需要對噪聲進行濾除。圖像中的噪聲大多是不規(guī)則分布的一小點一小點，中值濾波屬于非線性濾波，采用中值濾波不能消除大噪聲的影響，但它能很好的保持原灰度圖像的分布特性[8]。因而在圖像降噪處理中得到了比較廣泛的應用。

圖3 原始光強分布

圖4 中值濾波后的光強分布

由圖4可知，經中值濾波處理后，噪聲信號的部分光斑信號強度已經大大減弱，其他部分則基本沒有變化，達到了去噪聲的目的。

2.2.3 圖像特征提取算法設計

根據(jù)CCD光敏面上激光光強的實際分布，我們采用二次多項式的算法來提取圖像特征。

將信號f(xj,yj)的激光光斑定位到象素xj，在x方向上，設f(x)為插值函數(shù)，xj-1，xj+1為插值節(jié)點，yj-1，yj和yj+1為函數(shù)值，則有：

其中：

對f(x)微分，并另f'(x)=0可得：

這樣可得激光光斑的定位為：

3 實驗數(shù)據(jù)與誤差分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

為了比較圖像測量與人工測量的準確性，我們多次測量了同一個藥型，記錄了每次測量的結果，比較相同情況下人工檢測的數(shù)值，表1為測量結果。

表1 直徑測量結果

由表1可知，人工測量的波動范圍明顯高于CCD測量，原因就是藥型端面并不規(guī)則，用游標卡尺在同一個藥型的不同位置測量就會產生一定的誤差。相反，圖像測量結果的穩(wěn)定性更好，藥型標準外徑為102.55mm，通過計算CCD測量值和標準值的偏差發(fā)現(xiàn)，測量平均值低于標準值0.006mm，可以考慮將其作為系統(tǒng)誤差進行修正。

3.2 誤差分析

在實際測量過程中影響測量結果的主要誤差是投影誤差。如果對這些誤差不進行分析與處理，系統(tǒng)將會給出不準確的結果。

在測量過程中，當出現(xiàn)V型塊的尺寸不同或者兩個V型塊的裝配位置出現(xiàn)誤差，被測藥型就會發(fā)生傾斜,這樣藥型端面與CCD攝像機光軸方向就不能保證垂直，從而引起投影誤差的產生。投影誤差示意圖如圖5所示。

圖5 投影誤差示意圖

設投影誤差為Δ，Δ為Δ1與Δ2之和，由圖5中相似三角形關系可得，投影誤差公式為：

式中：M為藥型的垂直度；

D為被測藥型的外徑；

L2為藥型端面與鏡頭中心點的距離。

當被測藥型垂直度為0.1mm時，將表2參數(shù)帶入到公式（3）中，可得藥型傾斜所造成的投影誤差Δ=0.017mm。

表2 位置參數(shù)

由于傾斜角度和方向都不固定，因此針對由被測藥型傾斜引起的誤差，我們進行了多組試驗，整理測量數(shù)據(jù)后就得到了誤差值與藥型傾角角度的關系圖，如圖6所示。所得曲線是在傾斜角α為±8°范圍內依次間隔1°所測。數(shù)據(jù)表明，傾斜角越大，誤差越大，而且誤差大體上以傾斜角0°為中心，對稱分布。

圖6 傾斜角與測量誤差關系圖

4 結論

藥型無損檢測系統(tǒng)總體效果良好，實現(xiàn)了無損檢測的目的，且易于工人操作。長時間實驗表明，該系統(tǒng)的測量效率高，擺脫了人為因素的干擾，通過對誤差源進行分析校正，達到了設計要求，因為是非接觸測量，因此滿足了在危險環(huán)境下的使用需要。

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