斷路器長延時調整機構視覺定位系統(tǒng)

邵新發(fā)，程武山

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

0 引言

低壓斷路器是用于接通、分斷電力線路負荷和各種短路故障的一種開關器件，作為低壓配電系統(tǒng)的核心部件廣泛應用于配電系統(tǒng)中。如果其長延時、可靠性等性能指標未達標，會影響配電系統(tǒng)正常工作，甚至會危及系統(tǒng)及電力設備的安全，所以長延時檢測是斷路器產(chǎn)品的重要指標，而對螺釘?shù)目焖贉蚀_定位是完成長延時檢測的關鍵一步，螺釘?shù)亩ㄎ痪葘嗦菲鏖L延時測試起著至關重要的作用。

過去，斷路器螺釘調整環(huán)節(jié)多數(shù)采用人工手動操作，具有隨機性大、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低等問題，后來采用激光點陣法對螺釘定位，雖然解決了隨機性大、穩(wěn)定性差等問題，但依然存在以下缺點:由于激光點陣掃描定位的規(guī)則限制，激光定位跟蹤螺釘具有較大的時滯性;由于螺釘尺寸較小、雙金屬片變形帶動螺釘傾斜，從而影響激光定位精度。傳統(tǒng)的螺釘定位方法已經(jīng)很難滿足自動、快速、高精度的測試需求。

隨著計算機應用技術和CCD成像技術的發(fā)展，基于圖像處理的視覺定位得到了越來越廣泛的應用［1］。本文針對斷路器長延時測試螺釘無擾動、高精度定位調節(jié)的難題，研究了一種用于斷路器脫扣螺釘快速跟蹤調整系統(tǒng)中的視覺圖像定位方法。此定位方法實現(xiàn)了對螺釘實時、快速準確的定位跟蹤，具有非接觸、柔性好、精度高和長時間穩(wěn)定等優(yōu)點［2］。

1 脫扣螺釘視覺定位系統(tǒng)原理與組成

脫扣螺釘視覺定位系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括照明光源、圖像采集存儲單元、圖像處理單元、人機界面單元、PLC控制單元和螺釘調整控制單元。其中，照明單元提供系統(tǒng)采集圖像所需的特定光照條件;圖像采集存儲單元通過工業(yè)相機完成脫扣螺釘圖像實時采集與存儲，為上位機圖像定位算法處理做準備;圖像處理單元通過基于VC++下OpenCV圖像處理軟件完成目標鎖定，經(jīng)圖像預處理及定位算法完成定位目標(脫扣螺釘)坐標位置等特征提取;PLC控制單元接收上位機傳來的脫扣螺釘坐標位置信息(即X，Y坐標位置值)控制伺服電機動作;螺釘調整控制單元最終執(zhí)行動作將同心雙柔軸調整機構配合X軸、Y軸步進電機運動，以達到對螺釘螺帽位置的準確跟蹤調整［3］。

2 硬件選型

2.1 光源的選擇

機器視覺定位系統(tǒng)中，提供光源照明的目的是將被測物體與背景盡量明顯分別，以獲得高品質、高對比度的圖像，光源的好壞直接影響輸入圖像數(shù)據(jù)質量和至少30%的應用效果［4］?？紤]到螺釘?shù)耐庑谓Y構及實際的工況條件等因素，本系統(tǒng)選擇型號為LDR－96LA－1－SW的CCS低角度LED環(huán)形光，采用白光LED直接照明方式。

圖1 脫扣螺釘視覺定位系統(tǒng)組成圖

2.2 CCD相機的選擇

近年來，視覺系統(tǒng)中常用的主要有基于CCD或CMOS兩種芯片的相機。CCD與CMOS相機相比在圖像傳感器上具有較優(yōu)的圖像質量和靈活性;另外，CCD在靈敏度、信噪比及分辨率等方面均優(yōu)于CMOS圖像傳感器［5－6］。所以本系統(tǒng)選擇CCD相機。

螺釘視覺定位系統(tǒng)定位誤差要求≤0.2 mm，系統(tǒng)成像視場FOV為16 mm×12.5 mm，理論上計算相機分辨率應不小于800×625，所以選擇分辨率為1 292H×964V(130萬像素)的CCD相機。為減少M3的外六角螺釘受背景色干擾的影響，提高圖像定位精度，本系統(tǒng)選擇了大恒圖像水星系列MER－125－30UC型號的彩色CCD工業(yè)數(shù)字相機。

2.3 相機鏡頭的選擇

成像視場FOV為16 mm×12.5 mm，鏡頭離螺釘工作距離為50 mm左右，所選CCD相機感光面尺寸為4.8 mm，由成像原理計算的焦距f=11.5 mm。在實際情況中，CCD的工作距離可稍作微調，所以本系統(tǒng)選擇焦距為12 mm，光闌系數(shù)F值為1.4的Computar M1214－MP2型號的百萬像素系列光學鏡頭。

2.4 圖像采集卡的選擇

工業(yè)應用上，考慮到圖像數(shù)據(jù)采集的質量，機器視覺系統(tǒng)一般均采用CCD攝像機與圖像采集卡組合的方式獲取圖像。圖像采集卡一般由圖像輸入、模數(shù)(A/D)轉換、總線接口與控制、時序及采集控制、圖像處理和輸出及控制6個模塊組成。本系統(tǒng)采用的圖像采集卡是DH－VT140四路彩色圖像采集卡。

3 視覺定位系統(tǒng)軟件

脫扣螺釘視覺定位系統(tǒng)軟件設計包括上位機的監(jiān)控界面和圖像處理定位2部分以及下位機PLC程序設計。監(jiān)控界面主要完成人機交互作用;圖像處理定位完成對采集的脫扣螺釘圖像預處理、邊緣檢測、中心點標定，同時還進行中心坐標提取等工作;下位機PLC程序負責伺服運動控制功能。

3.1 監(jiān)控界面設計

監(jiān)控界面系統(tǒng)以研華工業(yè)計算機為平臺，采用西門子組態(tài)軟件WinCC編程環(huán)境，畫面組態(tài)標準化，程序設計模塊化方法［7］;主要實現(xiàn)系統(tǒng)管理、過程監(jiān)控、信息記錄及處理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和通訊調試等功能。

3.2 圖像定位處理軟件

本視覺定位系統(tǒng)編譯環(huán)境是在Visual C++2010下，基于該平臺配置實用C++開發(fā)語言完成軟件設計，調用OpenCV視覺函數(shù)庫完成圖像處理功能。首先，對原始圖片進行感興趣區(qū)域(ROI)提取;然后，進行預處理(如灰度轉換、濾波去噪等)、圖像分割和Canny邊緣檢測;最后，根據(jù)Hough變換算法計算出六角螺釘?shù)淖鴺酥行狞c(CenterPoint.X，CenterPoint.Y)，并在圖像上標識出來。

3.2.1 CCD 相機標定

視覺定位系統(tǒng)首先要進行相機標定，系統(tǒng)屬于二維視覺定標，即通過一一對應的線性關系，利用相機拍攝到的圖像像素平面還原空間中目標平面的過程。本文采用了OpenCV中的張正友標定法進行攝像機標定，通過角點搜尋函數(shù)cvFindChessboard()完成對標定模板8×8棋盤格圖像自動角點搜尋定圖像坐標，為提高標定精度，再利用cvFindCornerSubPix()函數(shù)通過迭代得到亞像素級角點位置。計算標定板上任意兩個角點間圖像間距Δd(pixel)和該角點間實際間距Δdw(mm)，得物像間距比K=Δdw/Δd=0.078＜0.2，完全滿足系統(tǒng)定位精度要求。

3.2.2 ROI區(qū)域提取

感興趣區(qū)域(regions of interest，ROI)即指最能表現(xiàn)圖像內容的最有效區(qū)域，提取出這些區(qū)域將會大大降低圖像處理計算量，有效提高信息處理效率和準確度［8］。本系統(tǒng)CCD相機拍攝距離為50 mm，成像視場面積為16 mm×12.5 mm。通過多次試驗，斷路器六角螺釘螺母中心點偏移維持半徑為5 mm的圓內，因此，可將相機拍攝六角螺釘?shù)闹行淖鳛镽OI區(qū)域基準中心點，只需截取一個邊長為10 mm(根據(jù)標定后物像比值K，計算約為128 pixel)的正方形區(qū)域。提取螺釘ROI區(qū)域如圖2所示。

圖2 ROI區(qū)域提取

以下是提取螺釘ROI區(qū)域關鍵代碼語句:

3.2.3 圖像預處理與邊緣檢測

在源圖中提取ROI區(qū)域后，首先要對脫扣螺釘定位圖像進行預處理，消除圖像采集中的噪聲干擾，提高信噪比改善圖像質量以方便下一步的特征提取。圖像預處理包括圖像灰度變化和濾波去噪。為了更好地獲得圖像邊緣特征，針對圖像定位中的螺釘存在邊緣倒角的問題，本文采用了環(huán)形雙峰閾值法，使邊緣環(huán)形目標區(qū)域和背景區(qū)域產(chǎn)生更好的對比度。高斯濾波既可以消除噪聲干擾又可以更好地保留圖像邊緣信息，本文采用了高斯濾波去噪的方法。

在圖像預處理后需要對圖像進行邊緣特征提取，即圖像邊緣檢測。常用的邊緣檢測算子有Canny算子、Robert算子、Prewitt算子和Sobel算子等。通過實驗對比，發(fā)現(xiàn)與其他算子相比Canny算子在本系統(tǒng)中采用去噪能力強，邊緣清晰，同時偽邊緣數(shù)明顯較少，采用Canny算子進行邊緣檢測。圖像預處理及Canny邊緣檢測效果如圖3所示。

3.2.4 基于Hough變換中心提取

LED照明下CCD相機捕捉的微小六角螺釘邊緣已經(jīng)弱化，經(jīng)過圖像預處理及Canny邊緣檢測后螺釘邊緣特征表現(xiàn)為一個小圓，如圖3(b)所示。這樣，定位六角螺釘中心轉化為尋找圓心的問題。Hough算法是一類針對尋找圖像中直線、圓或橢圓的方法，本文采用了投票機制Hough變化檢測圓心的方法，經(jīng)過投票策略獲得螺釘圓心CenterPoint.X，CenterPoint.Y)和螺釘半徑r等參數(shù)，該方法具有抗噪聲強、速度快和精度高等優(yōu)點。經(jīng)Hough變化螺釘中心檢測定位結果如圖4所示。

圖4 螺釘中心檢測定位

3.3 下位機PLC程序

本系統(tǒng)PLC控制程序采用梯形圖模塊化編程，根據(jù)系統(tǒng)各、部分所需完成的動作將主程序劃分為不同功能子模塊。程序模塊主要完成:系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)復位、斷路器壓緊合扣通電測試、圖像視覺定位、調整機構跟蹤調整、測試計數(shù)及故障報警等。整個圖像視覺定位流程如圖5所示。

圖像視覺定位是整個程序模塊中重要一環(huán)，主要對CCD相機捕捉的圖像進行實時預處理與識別定位，完成雙金屬片上螺釘中心坐標獲取，下位機PLC將上位機發(fā)送的坐標數(shù)據(jù)轉換成脈沖信號控制X，Y兩方向電機動作，調整機構隨軸向移動平臺移動對螺釘完成跟蹤。

圖5 圖像視覺定位流程圖

4 伺服運動控制系統(tǒng)

脫扣螺釘視覺定位系統(tǒng)最后的執(zhí)行者是伺服運動控制，根據(jù)送入的圖像定位的計算結果(螺釘中心坐標(X，Y))，設定X、Y軸脈沖值送給PLC，由PLC控制調整機構(由移動平臺和柔性機械手組成)完成對脫扣螺釘?shù)淖詈蠖ㄎ?、調整動作。整個動作流程框圖如圖6所示。

圖6 視覺定位工作示意圖

伺服運動控制系統(tǒng)包括伺服電機、伺服電機驅動器、PCI－8154運動控制卡及接近開關等。運動控制部分共有4個自由度，移動平臺的X軸左、右移動及Y軸的前后移動，柔性機械手的Z軸跟進螺釘移動，最后是柔性機械手調整螺釘時的繞Z軸正反轉運動。X、Y、Z軸上各裝有3個接近開關作為正、負限位信號及零位信號。移動平臺主要由X軸電機、Y軸電機、導軌、絲桿部件控制定位移動功能，其控制結構圖如圖7所示。

圖7 伺服控制結構圖

伺服運動控制系統(tǒng)主要完成調整機構復位、螺釘定位控制及調整動作時的運動控制。系統(tǒng)采用絲桿傳動，絲桿每轉前進5 mm行程，編碼器設置4 000個脈沖轉1周，則運動控制精度每脈沖達到1.25 μm，滿足系統(tǒng)定位指標要求。

5 結束語

本文針對傳統(tǒng)的斷路器長延時測試中，手工對脫扣螺釘和螺帽靜態(tài)調整的不穩(wěn)定性、效率低和調整精度難保證的問題，提出了基于視覺圖像的螺釘定位跟蹤方法。系統(tǒng)采用工業(yè)CCD相機實時采集螺釘圖片，通過圖像處理技術完成對螺釘中心的定位跟蹤。伺服運動控制系統(tǒng)通過發(fā)脈沖控制伺服電機，并采用磁柵傳感檢測進行位置反饋，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對螺釘X軸、Y軸、Z軸和θ角等方向上的精確定位。經(jīng)試驗測試，系統(tǒng)運行安全可靠，實現(xiàn)了對脫扣螺釘?shù)目焖佟⒕_定位，極大縮短了斷路器測試時間，實現(xiàn)了斷路器測試自動化。

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