一種基于視覺檢測的導(dǎo)彈空氣舵裝配精度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宿文玲

(黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院財(cái)經(jīng)信息工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000)

導(dǎo)彈主體結(jié)構(gòu)中包括尾翼、彈翼等翼面結(jié)構(gòu)，翼面結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是固定在導(dǎo)彈艙體上的空氣舵，它是控制導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和飛行軌跡的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，因此需要對空氣舵與導(dǎo)彈艙體的裝配精度進(jìn)行檢驗(yàn)。導(dǎo)彈生產(chǎn)過程中，空氣舵的裝配精度是用空氣舵刻線與艙體上的刻線是否對正，作為測量基準(zhǔn)進(jìn)行判定的，其裝配精度主要體現(xiàn)在零位偏差和擺動(dòng)量兩個(gè)參數(shù)。

零位偏差：導(dǎo)彈空氣舵與艙體對接裝配后，通過內(nèi)部伺服作動(dòng)器機(jī)械鎖緊，此時(shí)空氣舵刻線與艙體刻線之間的偏移距離為零位偏差，以此判斷空氣艙裝配精度；擺動(dòng)量：導(dǎo)彈空氣舵與艙體對接裝配時(shí)，以艙體刻線為基準(zhǔn)線，將空氣舵沿順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向左右擺動(dòng)，空氣舵刻線左右偏移的范圍之和即為擺動(dòng)量誤差。

一、測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文所述的空氣舵裝配精度測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：測量系統(tǒng)機(jī)械部件、視覺檢測部件和計(jì)算機(jī)測量軟件。測量系統(tǒng)機(jī)械部件用來裝夾固定視覺檢測部件；視覺檢測部分作為測量數(shù)據(jù)采集單元，由視覺光源、鏡頭部件、工業(yè)相機(jī)和圖像采集卡組成，負(fù)責(zé)對空氣舵刻線與艙體刻線位置進(jìn)行影像抓?。挥?jì)算機(jī)測量軟件部分主要用于視覺檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)，對采集到的影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)空氣舵刻線與艙體刻線間裝配誤差的檢測功能。

圖1 測量系統(tǒng)構(gòu)成圖

（一）測量系統(tǒng)機(jī)械部件設(shè)計(jì)。測量系統(tǒng)機(jī)械部件的主要作用是裝夾固定視覺檢測部件，并且能夠調(diào)整視覺檢測部件與被測空氣舵刻線間的相對位置關(guān)系，以此保證工業(yè)相機(jī)得到最優(yōu)質(zhì)的檢測圖像畫面。在本設(shè)計(jì)中機(jī)械部件如圖2所示主要由三部分組成：由三組直線模組構(gòu)建成的懸臂式三軸坐標(biāo)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，視覺檢測部件裝夾機(jī)構(gòu)，和用于調(diào)整高度及水平姿態(tài)的三腳支撐云臺(tái)。測量系統(tǒng)工作時(shí)，首先使用三腳云臺(tái)調(diào)整高度，然后通過三軸直線模組的移動(dòng)，將視覺檢測部件移動(dòng)到空氣舵刻線上方，使工業(yè)相機(jī)視場調(diào)整至合適的位置，然后使用計(jì)算機(jī)測量軟件進(jìn)行測量。該套機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡潔、操作方便，可適應(yīng)大部分的測量場景需求。

圖2 機(jī)械部件示意圖

（二）視覺檢測部件設(shè)計(jì)。視覺檢測部件由視覺光源、鏡頭部件、工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡和圖像處理系統(tǒng)組成，在測量系統(tǒng)工作工程中，視覺光源、鏡頭部件和工業(yè)相機(jī)組合構(gòu)成視覺傳感器單元，與圖像采集及處理單元將被測刻線的光線信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像模擬電信號(hào)，再根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)測量軟件進(jìn)行運(yùn)算處理。[2]在整個(gè)圖像采集過程中，計(jì)算機(jī)測量軟件控制視覺傳感器單元、圖像采集及處理系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)傳輸，視覺系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖3所示。

圖3 視覺系統(tǒng)基本構(gòu)成

在視覺檢測部件的設(shè)計(jì)中，為了得到高質(zhì)量的測量圖像，對于光源、鏡頭部件和工業(yè)相機(jī)的線性至關(guān)重要。在本文中我們通過實(shí)際工況情況的打光測試定制專用光用；在對比常用的CCD 和CMOS 工業(yè)相機(jī)特性后，選擇復(fù)位噪聲和暗流噪聲較小，成像信噪比較高的CCD工業(yè)相機(jī)，CCD相機(jī)能夠很好地反映被測物體的細(xì)節(jié)信息，更符合本設(shè)計(jì)精密測量要求，同時(shí)配合CCD相機(jī)，根據(jù)圖像分辨率、畸變系數(shù)等參數(shù)選擇相適應(yīng)的鏡頭部件。圖像采集卡是視覺檢測部件的核心單元，負(fù)責(zé)將CCD相機(jī)輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也控制著CCD相機(jī)的工作，在數(shù)據(jù)采集卡選型方面，考慮到精密測量對于數(shù)據(jù)帶寬的高要求，決定不再考慮傳統(tǒng)的PCI接口采集卡，而是選用基于Ethernet 的圖像采集卡，這種采集卡最大帶寬可達(dá)1000MB/s，傳輸速度快，完全能滿足測量需求，也為后續(xù)功能的進(jìn)一步豐富留有空間[3]。

（三）計(jì)算機(jī)測量軟件設(shè)計(jì)。

1.軟件框架。測量系統(tǒng)的操控及最終測量數(shù)據(jù)的處理分析等核心操作，都由專用計(jì)算機(jī)測量軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)測量軟件通過對視覺檢測部件傳輸來的圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算，以抽取目標(biāo)特征，進(jìn)而獲得相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)測量功能。在本設(shè)計(jì)中檢測軟件采用Visual Studio作為開發(fā)環(huán)境，編程語言選用基于Net 平臺(tái)的面向?qū)ο缶幊陶Z言C#進(jìn)行編寫。依據(jù)測量系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)測量功能，設(shè)計(jì)軟件操作流程如圖4所示：

總而言之，通過對青少年自我價(jià)值觀、道德判斷能力與價(jià)值觀的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，道德判讀能力與學(xué)生價(jià)值觀之間不存在明顯的關(guān)系，道德判斷能力屬于學(xué)生認(rèn)知范疇，而價(jià)值觀則整體傾向于意識(shí)及信念范圍，并經(jīng)過長期的發(fā)展形成完善的人格傾向。因此，這就需要相關(guān)教育工作者能夠結(jié)合學(xué)生價(jià)值教育的實(shí)際情況，構(gòu)建一系列更為完善的價(jià)值觀教育管理機(jī)制。

圖4 軟件主要功能流程圖

2.刻線自動(dòng)瞄準(zhǔn)算法。在測量過程中為了實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)空氣舵與艙體間的刻線位置，最終實(shí)現(xiàn)裝配誤差快速測量，設(shè)計(jì)了空氣舵刻線自動(dòng)瞄準(zhǔn)算法，能夠從圖像中自動(dòng)瞄準(zhǔn)刻線，求出刻線位置。算法是整套測量軟件系統(tǒng)的核心，主要由直方圖拉伸處理、水平均值濾波、邊緣提取、自適應(yīng)二值化、刻線識(shí)別和定位等部分組成。

為了減少光照強(qiáng)度不同對圖像造成的影響，增強(qiáng)圖像對比度，對刻線圖像進(jìn)行直方圖拉伸處理，處理效果如圖5（a）所示，直方圖拉伸的公式為：

圖5 自動(dòng)瞄準(zhǔn)算法中間過程圖

其中Pmax為圖像中最大灰度值，Pmin為最小灰度值，Pij為圖像中第j行、第i列的像素灰度值，P′ij為處理后對應(yīng)像素值。

為了減少圖像噪聲對圖像質(zhì)量的影響，需要對圖像進(jìn)行濾波處理。實(shí)際檢測時(shí)，圖像中刻線為水平方向，為了保證圖像中刻線的精度，防止刻線單元被破壞，這里對刻線圖像進(jìn)行水平均值濾波，處理效果如圖5（b）所示。

圖像經(jīng)過均值濾波之后，選用了常用的一階微分算子的邊緣檢測方法，即Prewitt算子進(jìn)行邊緣提取，利用像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)的灰度差，在邊緣處達(dá)到極值檢測邊緣，去掉部分偽邊緣，對噪聲具有平滑作用。[4]這里為了便于后續(xù)計(jì)算，防止邊緣信息混疊，采用上下對稱的兩個(gè)卷積核dy0和dy1，分別對上下邊緣進(jìn)行提取，如式2和式3所示。提取效果如圖5（c）（d）所示。

為了后續(xù)對刻線位置進(jìn)行計(jì)算，對邊緣提取后的圖片進(jìn)行二值化處理，結(jié)果如圖5（e）和5（f）所示。二值化的閾值采用最大類間方差法進(jìn)行計(jì)算，即使用大津算法確定圖像二值化的閾值[5]。

在圖像進(jìn)行二值化后，除了刻線的邊緣以外，還有很多零散分布的連通域，這些連通域會(huì)對刻線邊緣的定位產(chǎn)生干擾，因此需要進(jìn)行排除?？叹€邊緣具有長寬比很大，水平方向長的特征，可以利用該項(xiàng)幾何形態(tài)特征對圖像連通域進(jìn)行篩選，符合條件的連通域即為刻線邊緣。圖5（g）和（h）為篩選后的結(jié)果。

對篩選后的刻線邊緣二值化圖像采用最小二乘法對刻線邊緣進(jìn)行定位[6]。設(shè)邊緣像素點(diǎn)坐標(biāo)為Pi(xi,yi)(i= 1,2,3...n)，因?yàn)橹本€都是水平或接近水平狀態(tài)，因此可設(shè)刻線l方程為

那么，其最小二乘的結(jié)果為

擬合的直線為

分別對上下邊緣進(jìn)行定位，得到上下兩邊緣l1、l2的位置方程為

圖5（i）（j）為用最小二乘法確定的上下邊緣位置。

當(dāng)l1、l2平行即k1=k2時(shí)，刻線位置l為

當(dāng)l1、l2不平行即k1≠k2時(shí)，設(shè)l1與x軸夾角為α1，l2與x軸夾角為α2，l與x軸夾角為α，因?yàn)閘是l1與l2的角分線，所以有

而

則

由于刻線位置基本接近水平方向，與x軸的夾角很小，而刻線上下兩邊緣線近似平行，因此可近似認(rèn)為點(diǎn)在刻線上，所以刻線方程l為

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)檢測精度驗(yàn)證是對整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度及穩(wěn)定性的綜合驗(yàn)證，其主要測試流程如下：

（1）利用標(biāo)定參照物完成對視覺測量系統(tǒng)的標(biāo)定及補(bǔ)償；

（2）以標(biāo)準(zhǔn)尺作為標(biāo)準(zhǔn)檢具，對標(biāo)準(zhǔn)尺的四檔標(biāo)準(zhǔn)間距刻度線分別進(jìn)行10次測量，檢測測量系統(tǒng)測量誤差；

（3）利用測量系統(tǒng)對空氣舵進(jìn)行擺動(dòng)量和零位偏差的實(shí)際測量，檢驗(yàn)測量系統(tǒng)的測量重復(fù)性；

（4）根據(jù)測量誤差和測量重復(fù)性測試結(jié)果評定檢測系統(tǒng)的測量精度。

依據(jù)以上步驟，對標(biāo)準(zhǔn)尺的1mm、3mm、5mm、10mm四檔標(biāo)準(zhǔn)檢具刻度值進(jìn)行測量。由表1可知，測量系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)尺刻度值的檢測不存在系統(tǒng)誤差，只有個(gè)別隨機(jī)誤差，系統(tǒng)的測量精度可由測量重復(fù)性來完全表達(dá)。

表1 測量誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：mm）

在實(shí)際測量工況下，重復(fù)測量3組空氣舵刻線零位偏差和擺動(dòng)量進(jìn)行測量重復(fù)性測試，測試結(jié)果如表2所示，由測試結(jié)果可知，測量系統(tǒng)對擺動(dòng)量和零位偏差的測量重復(fù)性優(yōu)于0.04mm。

表2 測量重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：mm）

三、結(jié)語

本文針對導(dǎo)彈翼面空氣舵裝配過程中對于裝配精度檢測的實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)了基于視覺檢測的空氣舵裝配精度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有的經(jīng)緯儀檢測方法相比，具有準(zhǔn)確、快速、高效、使用方便等特點(diǎn)，極大地提高了檢測效率，減輕了工人檢測工作的負(fù)擔(dān)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)重復(fù)性優(yōu)于0.04mm，能夠滿足部件裝配精度的要求。