一種基于視覺檢測的導彈空氣舵裝配精度測量系統設計

宿文玲

(黑龍江財經學院財經信息工程學院 黑龍江哈爾濱 150000)

導彈主體結構中包括尾翼、彈翼等翼面結構，翼面結構實際上就是固定在導彈艙體上的空氣舵，它是控制導彈飛行姿態和飛行軌跡的關鍵機構，因此需要對空氣舵與導彈艙體的裝配精度進行檢驗。導彈生產過程中，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，作為測量基準進行判定的，其裝配精度主要體現在零位偏差和擺動量兩個參數。

零位偏差：導彈空氣舵與艙體對接裝配后，通過內部伺服作動器機械鎖緊，此時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；擺動量：導彈空氣舵與艙體對接裝配時，以艙體刻線為基準線，將空氣舵沿順時針方向和逆時針方向左右擺動，空氣舵刻線左右偏移的范圍之和即為擺動量誤差。

一、測量系統設計方案

本文所述的空氣舵裝配精度測量系統構成如圖1所示，系統主要分為三個部分：測量系統機械部件、視覺檢測部件和計算機測量軟件。測量系統機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據采集單元，由視覺光源、鏡頭部件、工業相機和圖像采集卡組成，負責對空氣舵刻線與艙體刻線位置進行影像抓??；計算機測量軟件部分主要用于視覺檢測系統的校準，對采集到的影像進行數據處理，實現空氣舵刻線與艙體刻線間裝配誤差的檢測功能。

圖1 測量系統構成圖

（一）測量系統機械部件設計。測量系統機械部件的主要作用是裝夾固定視覺檢測部件，并且能夠調整視覺檢測部件與被測空氣舵刻線間的相對位置關系，以此保證工業相機得到最優質的檢測圖像畫面。在本設計中機械部件如圖2所示主要由三部分組成：由三組直線模組構建成的懸臂式三軸坐標位置調整機構，視覺檢測部件裝夾機構，和用于調整高度及水平姿態的三腳支撐云臺。測量系統工作時，首先使用三腳云臺調整高度，然后通過三軸直線模組的移動，將視覺檢測部件移動到空氣舵刻線上方，使工業相機視場調整至合適的位置，然后使用計算機測量軟件進行測量。該套機構結構簡潔、操作方便，可適應大部分的測量場景需求。

圖2 機械部件示意圖

（二）視覺檢測部件設計。視覺檢測部件由視覺光源、鏡頭部件、工業相機、圖像采集卡和圖像處理系統組成，在測量系統工作工程中，視覺光源、鏡頭部件和工業相機組合構成視覺傳感器單元，與圖像采集及處理單元將被測刻線的光線信號轉換為圖像模擬電信號，再根據像素分布、亮度和顏色等信息，最終轉變為數字信號傳輸給計算機測量軟件進行運算處理。[2]在整個圖像采集過程中，計算機測量軟件控制視覺傳感器單元、圖像采集及處理系統的控制及數據傳輸，視覺系統基本構成如圖3所示。

圖3 視覺系統基本構成

在視覺檢測部件的設計中，為了得到高質量的測量圖像，對于光源、鏡頭部件和工業相機的線性至關重要。在本文中我們通過實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 工業相機特性后，選擇復位噪聲和暗流噪聲較小，成像信噪比較高的CCD工業相機，CCD相機能夠很好地反映被測物體的細節信息，更符合本設計精密測量要求，同時配合CCD相機，根據圖像分辨率、畸變系數等參數選擇相適應的鏡頭部件。圖像采集卡是視覺檢測部件的核心單元，負責將CCD相機輸入的模擬信號轉化為數字信號，同時也控制著CCD相機的工作，在數據采集卡選型方面，考慮到精密測量對于數據帶寬的高要求，決定不再考慮傳統的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1000MB/s，傳輸速度快，完全能滿足測量需求，也為后續功能的進一步豐富留有空間[3]。

（三）計算機測量軟件設計。

1.軟件框架。測量系統的操控及最終測量數據的處理分析等核心操作，都由專用計算機測量軟件實現，計算機測量軟件通過對視覺檢測部件傳輸來的圖像數字信號進行各種運算，以抽取目標特征，進而獲得相應的測量數據信息，實現測量功能。在本設計中檢測軟件采用Visual Studio作為開發環境，編程語言選用基于Net 平臺的面向對象編程語言C#進行編寫。依據測量系統所需實現的各項測量功能，設計軟件操作流程如圖4所示：

總而言之，通過對青少年自我價值觀、道德判斷能力與價值觀的關系進行相關研究，我們不難發現，道德判讀能力與學生價值觀之間不存在明顯的關系，道德判斷能力屬于學生認知范疇，而價值觀則整體傾向于意識及信念范圍，并經過長期的發展形成完善的人格傾向。因此，這就需要相關教育工作者能夠結合學生價值教育的實際情況，構建一系列更為完善的價值觀教育管理機制。

圖4 軟件主要功能流程圖

2.刻線自動瞄準算法。在測量過程中為了實現快速準確地瞄準空氣舵與艙體間的刻線位置，最終實現裝配誤差快速測量，設計了空氣舵刻線自動瞄準算法，能夠從圖像中自動瞄準刻線，求出刻線位置。算法是整套測量軟件系統的核心，主要由直方圖拉伸處理、水平均值濾波、邊緣提取、自適應二值化、刻線識別和定位等部分組成。

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

圖5 自動瞄準算法中間過程圖

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為處理后對應像素值。

為了減少圖像噪聲對圖像質量的影響，需要對圖像進行濾波處理。實際檢測時，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，這里對刻線圖像進行水平均值濾波，處理效果如圖5（b）所示。

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

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

在圖像進行二值化后，除了刻線的邊緣以外，還有很多零散分布的連通域，這些連通域會對刻線邊緣的定位產生干擾，因此需要進行排除?？叹€邊緣具有長寬比很大，水平方向長的特征，可以利用該項幾何形態特征對圖像連通域進行篩選，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行定位[6]。設邊緣像素點坐標為Pi(xi,yi)(i= 1,2,3...n)，因為直線都是水平或接近水平狀態，因此可設刻線l方程為

那么，其最小二乘的結果為

擬合的直線為

分別對上下邊緣進行定位，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l1、l2平行即k1=k2時，刻線位置l為

當l1、l2不平行即k1≠k2時，設l1與x軸夾角為α1，l2與x軸夾角為α2，l與x軸夾角為α，因為l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，因此可近似認為點在刻線上，所以刻線方程l為

二、實驗驗證

系統檢測精度驗證是對整個測量系統測量精度及穩定性的綜合驗證，其主要測試流程如下：

（1）利用標定參照物完成對視覺測量系統的標定及補償；

（2）以標準尺作為標準檢具，對標準尺的四檔標準間距刻度線分別進行10次測量，檢測測量系統測量誤差；

（3）利用測量系統對空氣舵進行擺動量和零位偏差的實際測量，檢驗測量系統的測量重復性；

（4）根據測量誤差和測量重復性測試結果評定檢測系統的測量精度。

依據以上步驟，對標準尺的1mm、3mm、5mm、10mm四檔標準檢具刻度值進行測量。由表1可知，測量系統對標準尺刻度值的檢測不存在系統誤差，只有個別隨機誤差，系統的測量精度可由測量重復性來完全表達。

表1 測量誤差驗證實驗數據（單位：mm）

在實際測量工況下，重復測量3組空氣舵刻線零位偏差和擺動量進行測量重復性測試，測試結果如表2所示，由測試結果可知，測量系統對擺動量和零位偏差的測量重復性優于0.04mm。

表2 測量重復性驗證實驗數據（單位：mm）

三、結語

本文針對導彈翼面空氣舵裝配過程中對于裝配精度檢測的實際工程需求，設計了基于視覺檢測的空氣舵裝配精度測量系統。該系統與現有的經緯儀檢測方法相比，具有準確、快速、高效、使用方便等特點，極大地提高了檢測效率，減輕了工人檢測工作的負擔。經過試驗驗證，系統重復性優于0.04mm，能夠滿足部件裝配精度的要求。