基于機(jī)器視覺的航空導(dǎo)管檢測(cè)方法*

白雪山，席劍輝，徐 悅，傅 莉，張修瑞

（1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110850；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136；4.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，成都 610091）

0 引言

航空導(dǎo)管是一種廣泛應(yīng)用于油、水、氣等非腐蝕性或腐蝕性介質(zhì)傳輸?shù)墓艿溃绻祟^接口型面不均勻或精度不高，而檢測(cè)又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)造成管道滲漏，威脅到擴(kuò)口航空導(dǎo)管傳輸介質(zhì)的安全性和傳輸可靠性。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)上的航空導(dǎo)管因工作壓力與工作環(huán)境不同，對(duì)接頭連接的強(qiáng)度、密封性有著不同的需求，因此，航空導(dǎo)管端頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式多樣，有擴(kuò)口接頭、無(wú)擴(kuò)口接頭、波紋接頭等，對(duì)這些端頭加工質(zhì)量的檢測(cè)十分困難［1］。加工誤差造成的質(zhì)量問(wèn)題如滲漏等不僅對(duì)飛機(jī)的正常裝配造成了嚴(yán)重的影響，也直接關(guān)系到飛行使用和安全，同時(shí)對(duì)飛機(jī)的維護(hù)也造成極大的不便。

目前，航空導(dǎo)管型面尺寸檢測(cè)多采用人工測(cè)量，效率低，誤差大。近年來(lái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)［2］的應(yīng)用日益增強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的三維測(cè)試，但必須逐點(diǎn)測(cè)量，速度慢，而且價(jià)格昂貴。視覺測(cè)量技術(shù)是一種快速、高精度、多信息的全貌測(cè)量技術(shù)，把圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為檢測(cè)和傳遞信息的載體，從中提取出有用的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算處理獲取所需的各種參數(shù)及對(duì)象的三維表面數(shù)據(jù)［3-5］。機(jī)器視覺在航空復(fù)雜型面檢測(cè)，蒙皮外型面測(cè)量等方面已有較好的應(yīng)用。本文采用激光視覺三維掃描技術(shù)［6-8］，研究航空導(dǎo)管端頭型面三維建模檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試加工精度并做誤差分析，最終實(shí)現(xiàn)航空導(dǎo)管端頭型面的精確檢測(cè)。

1 航空導(dǎo)管端頭成型檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 為航空導(dǎo)管端頭激光視覺測(cè)量示意圖，當(dāng)航空導(dǎo)管進(jìn)入測(cè)量視野范圍，激光投射器發(fā)射出激光平面，光平面與被測(cè)物體表面相交，在空間中形成一條被物體表面高低調(diào)制的曲線，同時(shí)由攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步拍攝圖像。拍攝的圖像交由上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，提取出激光線在圖像上的投影像素坐標(biāo)，并結(jié)合相機(jī)和光平面的數(shù)學(xué)模型即可求取物體表面相應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖1 航空導(dǎo)管擴(kuò)口激光視覺測(cè)量示意圖

為實(shí)現(xiàn)以上測(cè)量過(guò)程，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括視覺測(cè)量和伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分：

1）伺服驅(qū)動(dòng)部分固定在底座上，主要包括直線模組、電動(dòng)機(jī)及光路微調(diào)機(jī)構(gòu)。采用精密級(jí)直線模組作為線結(jié)構(gòu)光的滑動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)行平穩(wěn)、定位精準(zhǔn)。采用高精度電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)滑動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行拖動(dòng)及控制，可靠性高。采用光學(xué)微調(diào)轉(zhuǎn)臺(tái)承載線結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)裝置，使光平面的空間相對(duì)位置具有可調(diào)性，保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和一致性；

2）視覺測(cè)量系統(tǒng)是測(cè)試平臺(tái)的核心部分，負(fù)責(zé)待測(cè)航空導(dǎo)管端頭的測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)計(jì)算等功能，含激光器、相機(jī)、圖像采集卡等，完成圖像獲取和視覺處理功能。

2 航空導(dǎo)管端頭成型檢測(cè)系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1 航空導(dǎo)管擴(kuò)口視覺測(cè)試平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型建立

按照數(shù)據(jù)操作、高級(jí)算法和初級(jí)算法3 個(gè)層次設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)操作層：打造美觀、友好、易操作的人機(jī)界面，直觀顯示航空導(dǎo)管端頭型面三維成型結(jié)果、三維尺寸測(cè)量結(jié)果和誤差分析，不依賴于第三方數(shù)據(jù)處理軟件。

高級(jí)算法層：包括系統(tǒng)標(biāo)定、三維建模數(shù)據(jù)測(cè)量和處理，提供給操作層并接受來(lái)自操作層的輸入?yún)?shù)和命令。

初級(jí)算法層：測(cè)量系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確、快速運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要包括：1）多視拼接。受攝像機(jī)視場(chǎng)范圍的限制以及被測(cè)物體自身相互遮擋的影響，有時(shí)需要移動(dòng)測(cè)量設(shè)備或被測(cè)對(duì)象來(lái)進(jìn)行多視測(cè)量。數(shù)據(jù)拼接即把不同視角拍攝的航空導(dǎo)管端頭型面進(jìn)行正確連接，從而得到航空導(dǎo)管端頭不同面的完整的三維數(shù)據(jù)；2）圖像處理。視覺測(cè)量技術(shù)容易被測(cè)量過(guò)程中的環(huán)境光照、物體不同材質(zhì)等因素影響。需要采用有效的噪音濾除方法，提高測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的魯棒性。最終獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)將提供給高級(jí)算法層。

圖3 激光視覺檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)學(xué)模型

其中，R 和t 分別為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，E 為3×3 的單位矩陣，K 為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，形式如下：

式中，fu和fv分別為CCD 像平面上u 和v 的尺度因子，γ 是u 和v 不垂直因子，u0和v0是像平面的中心點(diǎn)坐標(biāo)。

通常相機(jī)鏡頭存在光學(xué)畸變，使用針孔模型不能準(zhǔn)確地描述基于激光技術(shù)的大直徑擴(kuò)口航空導(dǎo)管視覺測(cè)試平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，因此，需要考慮畸變模型。一般采用一階徑向畸變即可滿足系統(tǒng)測(cè)量精度的要求。一階徑向畸變模型如下：

設(shè)線結(jié)構(gòu)光在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程為：

綜上所述，更昔洛韋聯(lián)合利巴韋林霧化吸入治療可明顯提高小兒皰疹性咽峽炎治療效果，改善患兒臨床癥狀體征，提高血清IgG、IgA、IgM水平。但本研究納入病例數(shù)目有限，觀察指標(biāo)較少，未能全面評(píng)價(jià)其效果，有待作進(jìn)一步研究探討。

其中，a 為平面方程系數(shù)向量。測(cè)量前將擴(kuò)口航空導(dǎo)管加持在V 型塊上即可。測(cè)量過(guò)程中伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)非接觸視覺檢測(cè)單元運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擴(kuò)口進(jìn)入測(cè)量視野內(nèi)時(shí)，激光發(fā)射器投射出的光源會(huì)在擴(kuò)口內(nèi)壁表面產(chǎn)生反射，反射的光線被相機(jī)接收。通過(guò)圖像處理技術(shù)可以獲取P 點(diǎn)的計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)p~'，通過(guò)標(biāo)定可知相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣K 和激光系統(tǒng)方程系數(shù)，則聯(lián)立式（2）～式（5），可以確定P 點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，為下一步錐體建模和錐度計(jì)算提供點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 基于點(diǎn)云噪聲分類濾波的錐體建模

基于非接觸視覺檢測(cè)技術(shù)的擴(kuò)口測(cè)量過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到環(huán)境光、被測(cè)物表面強(qiáng)反射光等因素的干擾，造成測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲點(diǎn)，嚴(yán)重影響到點(diǎn)云分割、特征提取、曲面重建、誤差分析等一系列的后續(xù)處理過(guò)程。因此，必須首先對(duì)點(diǎn)云噪聲進(jìn)行濾除。因?yàn)閿U(kuò)口錐面為連續(xù)曲面，投射到其上的激光曲線也應(yīng)為連續(xù)的亮線，通常噪聲的作用會(huì)產(chǎn)生兩種效果：1）使激光邊緣產(chǎn)生毛刺；2）在主體點(diǎn)云外產(chǎn)生小的局部亮點(diǎn)。兩種情況都會(huì)導(dǎo)致激光條紋像素識(shí)別錯(cuò)誤。基于錯(cuò)誤識(shí)別的像素建立擴(kuò)口椎體模型必然存在較大的誤差，因此，必需對(duì)掃描的激光圖像進(jìn)行點(diǎn)云噪聲濾波。

考慮不同干擾的作用效果不同，同一種濾波方法很難同時(shí)濾除兩種干擾。為此，改進(jìn)鄰域聚類法對(duì)激光像素點(diǎn)進(jìn)行分類，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾波。

令Si為第i 個(gè)點(diǎn)云集合，在未被標(biāo)記的點(diǎn)云中任選一點(diǎn)為p，令p∈Si，設(shè)置鄰域半徑r，找到離p點(diǎn)最近的k 個(gè)點(diǎn)為

所有點(diǎn)都被標(biāo)記后，得到n 個(gè)點(diǎn)云子集S1，S2，…，Sn。如果一個(gè)子集中點(diǎn)數(shù)過(guò)少，則該子集為孤立的局部亮點(diǎn)；如果一個(gè)子集的體積過(guò)小，則該子集為匯聚在一起的局部亮點(diǎn)。這些子集是前述第2）種噪聲引起，都可以作為噪聲從點(diǎn)云中去除。

針對(duì)第1）種噪聲，在式（8）的基礎(chǔ)上，將p 點(diǎn)也看成本身鄰域中的點(diǎn)，得到點(diǎn)p 的第2）種鄰域集合為

為反映鄰域內(nèi)點(diǎn)的變化特征，可計(jì)算協(xié)方差矩陣為

將擴(kuò)口錐體看成一種二次空間曲面，其模型方程可一般化為

（x，y，z）為擴(kuò)口錐體S 上某點(diǎn)p 的三維坐標(biāo)，上式寫成矩陣形式

根據(jù)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合系數(shù)向量［c20c11c02c10c01c00］，使得

取最小。此時(shí)對(duì)應(yīng)的式（14）即為建立的錐體模型。

3 測(cè)量結(jié)果及誤差分析

采用本文方法測(cè)量一種擴(kuò)口航空導(dǎo)管錐角，如圖4 所示。航空導(dǎo)管制造模具角度在72°～74°之間。經(jīng)過(guò)線激光掃描，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用最小二乘擬合，得到典型的端頭錐面模型如圖5 所示，能夠反映擴(kuò)口錐體特征。該界面主要分為參數(shù)設(shè)置、三維建模和測(cè)量結(jié)果及其誤差分析3 個(gè)模塊。參數(shù)設(shè)置可以插入、修改和刪除檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，作為誤差分析的參考值；三維建模直觀顯示所測(cè)型面的三維模型，如果航空導(dǎo)管滿足精度要求，顯示“OK”，否則顯示“NO”。測(cè)量結(jié)果及其誤差分析則給出定量的計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均誤差、最大誤差等，方便用戶掌握航空導(dǎo)管端頭的加工信息。

圖4 為對(duì)應(yīng)錐角角度符合要求的航空導(dǎo)管，即錐角滿足72°要求。為驗(yàn)證計(jì)算精度指標(biāo)，采用三坐標(biāo)機(jī)接觸式測(cè)量的結(jié)果作為參考值，與本文方法比較，部分結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯霰疚姆墙佑|激光視覺方法與三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量結(jié)果的誤差小于0.2°，精度符合要求，但一次性測(cè)量的時(shí)間小于30 s，與三坐標(biāo)機(jī)小時(shí)級(jí)的測(cè)量時(shí)間相比極大地提高了工作效率。

圖4 航空導(dǎo)管擴(kuò)口測(cè)量界面

表1 擴(kuò)口航空導(dǎo)管擴(kuò)口角度測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于激光視覺技術(shù)的航空導(dǎo)管端頭三維型面測(cè)量及建模系統(tǒng)。硬件主要包括伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和視覺測(cè)量單元。視覺測(cè)量是功能核心，伺服驅(qū)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)載體，二者結(jié)合保證視覺測(cè)量單元可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整最佳視角，實(shí)現(xiàn)一定直徑范圍內(nèi)的航空導(dǎo)管端頭三維建模，完成精確、快速的測(cè)量提高航空導(dǎo)管端頭加工質(zhì)量的檢測(cè)精度和效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所建系統(tǒng)測(cè)量精度與三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量結(jié)果相近，但一次測(cè)量結(jié)果小于30 s，工作效率可得到極大提高。