基于機器視覺的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)設(shè)計

龐學(xué)豐，王瑞文，張玉美，趙超澤

(天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300457)

0 引言

我國航天事業(yè)發(fā)展迅速，航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配測量的難度也隨之增加[1]。航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測貫穿于航天器各個測試階段，需要將位姿檢測數(shù)據(jù)實時反饋給工作人員用于結(jié)構(gòu)精密調(diào)試，尤其在力學(xué)檢測階段，需先分析力學(xué)環(huán)境對設(shè)備安裝位姿影響，并在航天器結(jié)構(gòu)實際運行測試階段檢測航天器結(jié)構(gòu)變形后對安裝具體位置的影響[2-3]。采用人工檢測方法是一種人為接觸檢測方法，無法滿足當(dāng)代工業(yè)基礎(chǔ)檢測需求，基于此，提出了基于機器視覺的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)設(shè)計。機器視覺是一種非接觸性檢測方式，在不影響航天器運行基礎(chǔ)上，被廣泛用于航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)非接觸性檢測之中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于機器視覺的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)工作過程主要包括：首先由鏡頭、相機、圖像采集卡構(gòu)成的圖像采集器采集被檢測目標(biāo)圖像，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號形式，再經(jīng)過圖像處理環(huán)節(jié)，提取像素分布、亮度與顏色特征信息[4]。之后再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輸出判別結(jié)果，去控制驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于機器視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在圖1所示的總體結(jié)構(gòu)支持下，分別設(shè)計機器視覺光源單元、電源單元、圖像采集器單元及密封性檢測單元。

1.1 光源單元設(shè)計

在裝配精度檢測系統(tǒng)中，光源直接決定著成像質(zhì)量，對最終檢測結(jié)果具有較大的影響[5]。針對航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測，應(yīng)使用微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管作為照明裝置，該裝置主要是由上、下分布布拉格反射鏡、諧振腔組成，微腔效應(yīng)改變了電磁場模式結(jié)構(gòu)，增大了波長光模式密度，因此，微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管比普通LED燈發(fā)光效率更高[6]，諧振腔發(fā)光二極管具有穩(wěn)定波長[7]。光源實際安裝位置如圖2所示。

圖2 光源的安裝位置

為滿足實際檢測需求，共適配3個線性光源，其中1、2線性光源分別以一定角度照射側(cè)邊引腳，3光源垂直照射批號區(qū)域[8]。確定像素分布、亮度與顏色特征信息后，根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，使用微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管作為照明裝置，設(shè)計機器視覺光源單元；選擇4NIC-UPS27型號二體化不間斷供電模式為系統(tǒng)提供電源，設(shè)計電源單元；利用外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，縮短數(shù)據(jù)訪問時間，并借助復(fù)雜可編程邏輯器件獨立完成采集功能。

1.2 電源單元設(shè)計

電源單元是整個檢測系統(tǒng)的電能來源，在該檢測系統(tǒng)中，設(shè)計交直流兩種型電源，既可以使用36 V直流供電形式，也可有使用220 V交流供電形式[9]。為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，在下位機檢測裝置中，應(yīng)選擇4NIC-UPS27型號二體化不間斷電源，該電源功率密度大、抗干擾性強，同時，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)交直流電在0～0.5 s內(nèi)快速切換，適用于不同設(shè)備供電需求。當(dāng)使用電池供電模式時，就可以電池為主電源，也可將其作為后備電源[10-11]。

1.3 圖像采集單元設(shè)計

圖像采集單元是利用現(xiàn)代化技術(shù)實時采集圖像信息，圖像采集在數(shù)字處理、識別領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。以往圖像采集是利用采集卡將CCD攝像機模擬視頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后存儲的，然后再傳送到計算機內(nèi)進(jìn)行處理。雖然該設(shè)備簡便，但存在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)問題，造成數(shù)字化視頻圖像質(zhì)量較差，且分辨率較低。因此，選擇外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，帶1路HDMI環(huán)出和音頻輸出，可接大屏、電視機等顯示設(shè)備，1路3.5音頻輸出接口，可接耳機或音箱，使操作者能夠?qū)崟r監(jiān)測圖像畫面[12]。外置USB3.0接口，傳輸速度快、延遲小，是USB2.0輸出速度的10倍[13]。

在高速圖像采集處理過程中，需要使用速記存儲器縮短數(shù)據(jù)訪問時間。控制采樣圖像傳感器，可以使用FPGA，控制圖像傳感器采樣，并控制SRAM，待圖像采集完成后，需要借助復(fù)雜可編程邏輯器件獨立完成采集功能[14]。

1.4 密封艙性能檢測單元設(shè)計

在密封艙密封性能檢測單元中，嵌入式計算機系統(tǒng)智能儀器包括V500PRO 鍵盤、顯示頁面、LOEASE計時模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、My Cloud EX2 Ultra 數(shù)據(jù)存儲器、M02S微型打印機、看門狗及輸入/輸出控制接口，在密封性檢測單元中，可用于各部分功能的進(jìn)一步擴展。密封艙性能檢測單元設(shè)計如圖3所示。

圖3 密封艙性能檢測單元

在光源單元和電源單元支持下，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)所要實現(xiàn)功能，以STC89C52RC-40I-PDIP40單片機中央控制單元為核心芯片，分析各個性能指標(biāo)，以此檢測密封艙密封性能。

2 基于機器視覺軟件部分設(shè)計

在設(shè)計了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及密封艙性能檢測單元的基礎(chǔ)上，依據(jù)機器視覺檢測原理，對采集到的航天器密封艙體裝配圖像進(jìn)行預(yù)處理，并設(shè)計儀器板裝配檢測流程及設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測流程，由此完成航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計。

2.1 機器視覺檢測原理

機器視覺檢測原理如圖4所示。

圖4 機器視覺檢測原理

由圖4可知：該檢測過程所需設(shè)備包括光源、工件、鏡頭、相機、采集卡及圖像處理軟件等。機器視覺是使用機器人代替人眼測量與判斷的，通過機器視覺將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為信號形式，再傳送給專用圖像處理軟件之中，根據(jù)像素亮度、顏色指標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號形式。根據(jù)目標(biāo)特征檢測密封性，以此控制航天器現(xiàn)場動作。

2.2 圖像預(yù)處理

在進(jìn)行圖像采集過程中，不可避免會受到外界噪聲影響，因此，需對圖像進(jìn)行預(yù)處理，如圖5所示。

圖5 預(yù)處理效果圖

以圖5(a)所示的零件為基礎(chǔ)，需要獲取特征信息包括具體大小及位置坐標(biāo)。在該零件上存在若干個白點，即為噪聲，為了避免該噪聲對圖像采集結(jié)果造成影響，需使用非線性濾波算法增強圖像，計算公式如下所示：

Zij=(Sij-Mean)*λ+Sij

(1)

式(1)中,Zij為圖像經(jīng)過增強處理后的序列；Sij為圖像在未進(jìn)行增強處理前圖像序列；λ為比例系數(shù)；Mean為求數(shù)組平均值的函數(shù)；ij為圖像序列。

在去除噪聲的同時，使用非線性濾波算法還能保持圖像邊緣信息，使圖像變得更加清晰，也從圖中可看出，原始圖像上若干白點被濾除。

2.3 儀器板裝配檢測流程

1)航天器密封艙體停放到指定工位；

2)使用激光跟蹤儀構(gòu)建激光雷達(dá)聯(lián)合站；

3)航天器整艙基準(zhǔn)是由激光跟蹤儀轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)上；

4)在艙體前端設(shè)置檢測點，將整艙基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至艙體前端；

5)儀器板初步裝配后，激光雷達(dá)通過測量前測點，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)；

6)精測儀器板，獲取需要檢測的裝配數(shù)據(jù)；

7)檢測裝配數(shù)據(jù)，裝配調(diào)整墊片；

8)測量前端測點，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)；

9)復(fù)測儀器板，檢測裝配精度，若不滿足，則需重新調(diào)整。

通過檢測流程，可以得到儀器板安裝精度數(shù)據(jù)，并由此及時檢測出儀器板裝配精度。

2.4 設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測流程

在儀器板裝配檢測完成后，進(jìn)一步對設(shè)備安裝支架進(jìn)行裝調(diào)檢測，此時儀器板完全固定，具有良好承載力，不會因為支架安裝影響自身精度。設(shè)備安裝支架的裝配檢測流程，如下所示：

1)將設(shè)備安裝支架安裝到位，以此為基準(zhǔn)，構(gòu)建激光跟蹤儀構(gòu)建激光雷達(dá)聯(lián)合站；

2)航天器整艙基準(zhǔn)是由激光跟蹤儀轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)上，在艙體前端設(shè)置檢測點，采用激光雷達(dá)掃描點將整艙基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到艙體前端，完成儀器板初步裝配后，激光雷達(dá)通過測量前測點，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)(該步驟與儀器板的裝配檢測步驟一致)；

3)根據(jù)支架精測數(shù)據(jù)逆向建模，并編制數(shù)據(jù)加工程序；

4)拆除設(shè)備安裝支架，離線加工設(shè)備安裝接口；

5)復(fù)位設(shè)備安裝支架，復(fù)測支架接口精度；

6)檢測后需重新安裝設(shè)備支架。

依據(jù)該流程，可實現(xiàn)設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證基于機器視覺的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗分析，采用MATLAB仿真軟件作為實驗平臺，大型密封艙的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 航天器密封艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖6中密封艙開口主要位于密封艙左側(cè)，整個艙內(nèi)結(jié)構(gòu)含有大量儀器板，并且個別儀器板安裝接口精度要求較高，測量極其困難。因此，需先統(tǒng)計密封艙數(shù)據(jù)表，如表1所示。

表1 密封艙數(shù)據(jù)表

航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精密裝調(diào)技術(shù)是為了解決艙內(nèi)半開放環(huán)境下，內(nèi)結(jié)構(gòu)精密裝調(diào)過程所遇到的難題而進(jìn)行的裝配工藝研究。因此，在對系統(tǒng)檢測驗證時，應(yīng)從儀器板和支架兩方面裝調(diào)檢測進(jìn)行驗證分析。

3.1 儀器板裝配檢測

針對儀器板精測數(shù)據(jù)分析，安裝調(diào)整墊片使其滿足儀器板精裝需求，消除因板面變形而帶來裝配應(yīng)力。

墊片示意圖如圖7所示。

圖7 調(diào)整墊片安裝示意圖

根據(jù)圖7所示的安裝方式調(diào)整墊片后，儀器板裝配精度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 儀器板裝配精度實測值

在表2所示數(shù)據(jù)支持下，分別采用人工檢測和機器視覺檢測系統(tǒng)對儀器板裝配精度檢測，如圖8所示。

圖8 兩種系統(tǒng)對儀器板裝配精度檢測

由圖8可知：使用人工檢測系統(tǒng)檢測值與實測值相差較大，尤其在項目M4處相差最大，在M1處相差最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是人工檢測系統(tǒng)采用接觸式檢測方式，使檢測的結(jié)果添加了人為因素，導(dǎo)致檢測結(jié)果不精準(zhǔn)。而使用機器視覺系統(tǒng)采用非接觸式檢測方式，避免人為因素影響，具有良好檢測結(jié)果，在項目M1、M5處與實測值大小一致，在其余三處與實測值相差較小，基本保持在0.001 mm檢測誤差。

3.2 設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測

航天器密封艙平面上部為支座實際加工余量，其特征能夠真實反映出航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 支座的實際平面與理論平面位置關(guān)系

確定加工位置后，開展數(shù)控編程，按照裝調(diào)流程完成調(diào)試后，設(shè)備安裝支架裝調(diào)精度指標(biāo)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 設(shè)備安裝支架裝配精度實測值

在表3所示的數(shù)據(jù)支持下，分別采用人工檢測和機器視覺檢測系統(tǒng)對設(shè)備安裝支架裝配精度檢測，如表4所示。

由表4可知，使用人工檢測系統(tǒng)依然存在人工干預(yù)問題，導(dǎo)致檢測結(jié)果與實測值存在較大誤差。而使用機器視覺系統(tǒng)沒有人工干預(yù)問題，檢測結(jié)果與實測值相差較小。雖然人工檢測系統(tǒng)受到人工干預(yù)影響，但檢測值與實測值最大誤差為0.05 mm，說明對于設(shè)備安裝支架裝配精度檢測無論哪種系統(tǒng)都具有良好檢測效果。

表4 兩種系統(tǒng)對設(shè)備安裝支架裝配精度檢測

3.3 結(jié)果分析

通過上述實驗結(jié)果分析可知，航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測系統(tǒng)主要用于檢測儀器板裝配及設(shè)備安裝支架裝調(diào)兩方面。在儀器板裝配檢測中，所設(shè)計系統(tǒng)檢測結(jié)果與實測值基本保持0.001 mm左右的檢測誤差；在設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測中，所設(shè)計系統(tǒng)檢測結(jié)果與實測值最大誤差為0.05 mm。所設(shè)計系統(tǒng)的裝配檢測準(zhǔn)確度高，能夠應(yīng)用于航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測中，實現(xiàn)航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配。

4 結(jié)束語

機器視覺技術(shù)是一種新興技術(shù)，能夠代替人眼檢測，具有精準(zhǔn)度高、實時檢測的特點。就目前來說，大部分生產(chǎn)商采用機器視覺檢測技術(shù)代替人工檢測技術(shù)，避免誤檢、漏檢現(xiàn)象發(fā)生。針對航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配檢測需先了解運行現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)定具體檢測標(biāo)準(zhǔn)。

航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配檢測依賴因素較多，但制造業(yè)需求元素是具有決定性的。結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配對機器視覺需求提升決定了檢測技術(shù)由以往單純采集、分析逐漸朝著開放性方向發(fā)展，這一趨勢也決定了機器視覺將與自動化技術(shù)完美融合。在未來，隨著航天器對產(chǎn)品高質(zhì)量需求越來越高，機器視覺將成為廣泛用武之地。