基于圖像處理的改進(jìn)電纜角度識別算法

段傳輝，田大慶，宋洪睿，程冬

基于圖像處理的改進(jìn)電纜角度識別算法

段傳輝，田大慶*，宋洪睿，程冬

（四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

成纜機是一種專門制造電纜的專用設(shè)備，并線工藝是保證成纜品質(zhì)的關(guān)鍵工序。但現(xiàn)有并線工序均為人工目視糾偏線纜，糾偏精度難以精確保證，存在嚴(yán)重安全隱患與產(chǎn)品質(zhì)量問題，生產(chǎn)效率低。為提高成纜機并線工藝中線芯偏轉(zhuǎn)角度識別與糾正的智能化，提出了改進(jìn)的電纜角度識別算法。其中，根據(jù)線芯截面形狀特性，在線芯0到90°的偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，分三個階段推導(dǎo)了線芯輪廓俯視寬度和當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度的計算公式；結(jié)合圖像處理技術(shù)，經(jīng)過圖像灰度化、對比度處理、形態(tài)學(xué)操作等圖像預(yù)處理過程，提取出線芯俯視圖中外輪廓線特征。依據(jù)線芯在并線工藝中沿軸線運動的運動特點，使用兩條線芯軸線方向的直線擬合其兩邊的輪廓，從而獲取線芯輪廓寬度數(shù)據(jù)，可以代入公式進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角的解算；同時，為了解決線芯偏轉(zhuǎn)方向識別的問題，提出了兩種方案，其一是利用線芯表面反光特性結(jié)合圖像處理技術(shù)識別偏轉(zhuǎn)方向，其二則在線芯支架兩端追加了兩個力傳感器用以采集受力數(shù)據(jù)進(jìn)行比對得出偏轉(zhuǎn)方向，經(jīng)實驗比較，力傳感器判斷的方案具有更高的可靠性。

成纜機并線工藝；偏轉(zhuǎn)角度；圖像處理；力傳感器

多芯并線是指將多根線芯按規(guī)定的螺旋距離絞合成束狀的工藝，是確保多芯電纜質(zhì)量的關(guān)鍵工藝[1]，電纜加工制造廠商通常采用大型成纜機來實現(xiàn)這一工藝過程[2]，如圖1所示。GB/T 5023.1－2008標(biāo)準(zhǔn)要求指出：圓形護(hù)套多芯電纜并纜后在同一橫截面上測任意兩點外徑之差（橢圓度）應(yīng)不超過平均外徑規(guī)定上限的15%。為了達(dá)到這個要求，圓形護(hù)套多芯電纜的實際截面大多如圖2所示，位于中心的零線呈圓形，周圍的四根或多根火線滾壓成瓦片狀，多根火線內(nèi)側(cè)的凹槽對準(zhǔn)中心零線合圍成一個大的圓形截面，在最外層覆蓋圓形護(hù)套。

圖1 成纜機

圖2 圓形護(hù)套多芯電纜截面示意圖

在實際的多芯并線工藝中，往往會有電纜成品鋼帶卷邊、橢圓度不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)等等質(zhì)量問題。目前國內(nèi)主要的電纜生產(chǎn)廠家多使用的是人工來解決這些問題，就是由人工目測火線線芯凹槽是否沒有對準(zhǔn)中心零線存在角度偏差，再由手動糾偏。該人工值守均存在偏差精度難以準(zhǔn)確識別和難以實現(xiàn)穩(wěn)定糾偏的質(zhì)量保證問題，現(xiàn)有成纜設(shè)備在多芯并線工藝中存在的上述問題為國內(nèi)行業(yè)的共性問題。

為了解決線芯角度偏差的識別和糾偏等問題，張東紅等[3]提出扇形輪調(diào)整法、法國Pourtier公司制造的UVK型通用成纜機采用精密器具調(diào)整、日本成纜機生產(chǎn)企業(yè)采用正位傳感器和觸覺器進(jìn)行凹槽角度檢測[4]，這些方案均存在自動化程度不高或模具調(diào)整復(fù)雜的問題，韓皓杰等[5]也曾提出過一種基于圖像處理的線芯凹槽角度識別算法，主要通過改進(jìn)的特征點識別算法來識別線芯的凹槽高光特征，通過該高光特征的位移來計算得到線芯偏轉(zhuǎn)角，但凹槽高光特征受環(huán)境光、線芯表面實際形狀影響較大，實際識別穩(wěn)定性較差。

本文針對上述問題，提出改進(jìn)電纜角度識別算法，通過識別穩(wěn)定性更好的線芯輪廓特征，獲得輪廓寬度并推導(dǎo)相應(yīng)計算公式來計算線芯偏轉(zhuǎn)角，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 基于電纜俯視輪廓寬度變化的線纜偏轉(zhuǎn)角度計算方法

1.1 線芯截面幾何模型的建立

通過建立線芯截面幾何模型從而找到兩條外輪廓線的位置，推導(dǎo)線芯投影輪廓寬度與偏差角的計算公式。線芯截面簡化的幾何模型如圖3所示。其輪廓由兩側(cè)的圓弧段1、圓弧段2、直線段4和底部的圓弧段3組成，且互相相切，頂部凹槽的輪廓凹在圖形內(nèi)部不會影響投影外輪廓的位置，由任意弧線表示。根據(jù)統(tǒng)計，各角之間關(guān)系為：＞2＞2＞2，＜90°－。俯視圖中兩側(cè)輪廓線的位置分別表現(xiàn)為截面圖中線芯兩側(cè)極點的位置。

1.2 電纜轉(zhuǎn)動角度數(shù)學(xué)模型的建立

因為線芯截面幾何模型具有對稱性，可以認(rèn)為線芯朝兩個方向旋轉(zhuǎn)的過程是一樣的。而在實際生產(chǎn)過程中，線芯朝一個方向最多能偏轉(zhuǎn)90°。所以僅需要推導(dǎo)線芯逆時針轉(zhuǎn)動90°的計算公式，具體推導(dǎo)過程如下：

用代表偏轉(zhuǎn)角，rad；X代表轉(zhuǎn)動過程中截面輪廓左邊極點的投影位移，mm；X代表截面輪廓右邊極點的投影位移，mm；為投影平面。線芯投影寬度的變化值則為X與X的代數(shù)和，mm。

O為線芯旋轉(zhuǎn)中心；O1為圓弧段1圓心；O2為圓弧段2圓心；O3為圓弧段3圓心；R1為O和O1之間的距離，mm；R2為O和O2之間的距離，mm；R3為O和O3之間的距離，mm；β為兩側(cè)OO1連線的夾角，rad；γ為兩側(cè)OO2連線夾角的二分之一，rad；φ為兩側(cè)O3O1夾角的二分之一，rad，因為各段輪廓相切，故O3O1與圓弧段1和圓弧段3垂直；ψ為兩側(cè)直線段4延長線夾角的二分之一，rad。

在線芯逆時針旋轉(zhuǎn)的第一個區(qū)域，即從線芯剛開始偏轉(zhuǎn)到線芯投影的左邊極點剛好落在線段4上的這個區(qū)域，整個過程兩邊的極點始終在兩側(cè)圓弧段1上，如圖4（a）所示。由幾何關(guān)系可以推導(dǎo)得：

在旋轉(zhuǎn)的第二個區(qū)域，線芯在第一個區(qū)域最終狀態(tài)的基礎(chǔ)上繼續(xù)轉(zhuǎn)動，該區(qū)域線芯投影的左邊極點始在左側(cè)圓弧段2上，右邊極點則仍在右側(cè)圓弧段1上直到落在圓弧段3上為止，如圖4（b）所示。此時可推得＝＋（≥），左側(cè)極點在第一個區(qū)域的基礎(chǔ)上又移動了X'，右側(cè)極點位移跟第一個區(qū)域用相同的公式表示。由幾何關(guān)系推導(dǎo)得：

在旋轉(zhuǎn)的第三個區(qū)域，線芯在第二個區(qū)域最終狀態(tài)的基礎(chǔ)上繼續(xù)轉(zhuǎn)動，該區(qū)域線芯投影的左邊極點始終在左側(cè)圓弧段2上，右邊極點始終在圓弧段3上，直至線芯偏轉(zhuǎn)角＝90°如圖4（c）所示。此時可以推得＝＋90°－（≥90°－），右側(cè)極點在第二個區(qū)域基礎(chǔ)上又移動了X'，左側(cè)極點位移仍可以用第二個區(qū)域的公式表示。由幾何關(guān)系可以推導(dǎo)得到式（7）～（9）。

最終旋轉(zhuǎn)到＝90°，如圖4（d）所示狀態(tài)，推導(dǎo)過程結(jié)束。綜合整個旋轉(zhuǎn)過程與的關(guān)系式，可得式（10）。

（8）

式中：為線芯的初始寬度，mm；為線芯俯視投影寬度，mm

在后續(xù)識別過的圖像中，用識別到的右輪廓線的坐標(biāo)減去左輪廓線的坐標(biāo)就能得到當(dāng)前檢測到的電纜俯視投影寬度。把這個寬度代入到與偏轉(zhuǎn)角關(guān)系公式中進(jìn)行迭代解算就可以得到偏轉(zhuǎn)角的度數(shù)。

1.3 電纜輪廓特征提取

電纜輪廓特征提取主要提取的是電纜圖像邊緣特征。文章采用了黑色砂紙背景，設(shè)置與攝像機同方向垂直于電纜平面的光源。按上述布置后，顏色對輪廓提取影響可以忽略。以下以一個90°偏轉(zhuǎn)的情況為例子說明處理過程。

圖4 線芯逆時針旋轉(zhuǎn)過程圖

首先獲得原始線纜圖如圖5。對獲得的上述電纜圖片依次經(jīng)過灰度化、增強對比度、二值化、形態(tài)學(xué)開操作降噪處理[6]、二階微分[7]等多個圖像處理步驟，得到如圖6的線纜輪廓圖。

圖5 電纜與背景對比圖

圖6 二階微分后獲得的電纜輪廓圖

可以采用RANSAC算法[8]來擬合兩個高光區(qū)域的點成直線，相比最小二乘算法，RANSAC可以踢出錯誤點并得到精確的模型[9]。但用RANSAC法擬合的兩側(cè)輪廓線往往不平行，為了獲取輪廓寬度仍然需要對兩條直線之間的寬度取平均值，且RANSAC算法較為復(fù)雜，基于上述問題本文提出了簡化的直線擬合方案：因為線芯相對于觀測平面的運動為豎直方向的運動，可以直接使用兩條豎直線擬合，通過直線坐標(biāo)相減得到輪廓寬度，同時擬合過程相對簡單能夠減少程序計算量。擬合的辦法就是取兩側(cè)輪廓點的橫坐標(biāo)平均值作為豎直線方程。不過單純?nèi)∑骄鶖M合的直線還不能和線芯輪廓緊密的貼合。因為線芯本身由多股銅絲絞織而成，致使其表面凹凸不平，個別局部則更加明顯，對取平均結(jié)果的影響較大無法忽略。本文也提出了相應(yīng)的解決辦法：算出所有輪廓點橫坐標(biāo)與初輪平均值差的絕對值，并取這些絕對值的平均作為均差，然后將這些絕對值與均差一一進(jìn)行比較，保留該絕對值小于均差的輪廓點，用保留下來的輪廓點再求下一輪的橫坐標(biāo)平均值，依前述過程循環(huán)直到剩余輪廓點僅占初始輪廓點數(shù)目的50%以下時，跳出循環(huán)返回結(jié)果作為擬合的直線方程。效果示意圖如圖7。

圖7 直線擬合效果示意圖

將最終擬合的輪廓直線疊加回原圖如圖8所示。

圖8 直線擬合輪廓特征圖

1.4 轉(zhuǎn)向判斷

1.4.1 初始的轉(zhuǎn)向判斷

通過直線輪廓提取，得到了能夠代表兩條輪廓線的直線方程，計算二者距離即可得到輪廓投影寬度從而計算得到線芯當(dāng)前的偏轉(zhuǎn)角度。但至此僅能獲得角度的大小，還需要判斷線芯偏轉(zhuǎn)的方向。

根據(jù)線芯截面的特征和實際試驗得到結(jié)論：有穩(wěn)定均勻的垂直光源的情況下，在偏轉(zhuǎn)較大角度時，線芯俯視投影圖中最亮的那塊光斑與左輪廓線接近時線芯順時針偏轉(zhuǎn)，反之則逆時針偏轉(zhuǎn)。檢測光斑位置，比較其與兩個輪廓線的距離，最終獲得線芯偏轉(zhuǎn)方向。利用圖像灰度直方圖[10]獲取所有亮度排在整個圖片前3%的像素點，并用橢圓區(qū)域擬合表示光斑區(qū)域，效果如圖9所示。圖10（a）和（b）則分別表示線芯順時針偏轉(zhuǎn)和逆時針偏轉(zhuǎn)時的情況。

圖9 光斑區(qū)域擬合

圖10 線芯偏轉(zhuǎn)方向識別圖

但這種方式來判斷線芯轉(zhuǎn)向具有較大的局限性。前面已經(jīng)說明這是一種在較大偏轉(zhuǎn)角度時觀察到的規(guī)律。在較小角度時，實驗觀察到因為光斑分布在凹槽區(qū)域，由于凹槽復(fù)雜形狀特征，會可能導(dǎo)致此時光斑會以相反的趨勢移動，比如靠近左輪廓線時卻是逆時針旋轉(zhuǎn)。所以這種轉(zhuǎn)向判斷的方式不可靠，需要改進(jìn)。

1.4.2 改進(jìn)的轉(zhuǎn)向判斷

由于線芯表面的復(fù)雜性，而又不能改動整體生產(chǎn)線去給線芯表面添加標(biāo)記物，直接利用視覺本身去判斷線芯轉(zhuǎn)向是困難的。文章采用了外加力傳感器配合視覺聯(lián)合糾偏的改進(jìn)方案。圖像處理環(huán)節(jié)只計算獲得偏轉(zhuǎn)角度的大小，由分別安裝在支架兩腳端的兩個力傳感器獲得兩個支架的受力情況相互比較，判斷出線芯的偏轉(zhuǎn)方向：力傳感器能區(qū)分拉力和壓力，如果獲知一邊支架受壓，一邊支架受拉，便能判斷得出線芯向受壓的方向偏轉(zhuǎn)。而且，力傳感器還能幫忙修正視覺計算的結(jié)果：電機首先接收到視覺計算的旋轉(zhuǎn)角度結(jié)合力傳感器的比較得到的方向結(jié)果進(jìn)行糾偏，這一步動作完畢后，繼續(xù)比較力傳感器的數(shù)值，如果兩邊受力差仍然大于一個合理閾值，電機將再次根據(jù)力傳感器比較的方向旋轉(zhuǎn)，直至受力差值在合理閾值以內(nèi)停止，再次等待下一次視覺計算的結(jié)果輸入。這樣對于視覺糾正還不到位的可以糾正，對于視覺糾正過大的，還能將線芯反向糾回到0偏位置。整個過程的基本運行流程示意圖如圖11所示。

圖11 力傳感器輔助后的基本運行流程

改進(jìn)后，測試證明糾偏方向完全符合實際需要糾偏方向。

1.5 運行效果與結(jié)論

對一條線芯的不同段，從不同距離和在不同環(huán)境光條件下進(jìn)行輪廓提取的效果如圖12所示?？梢钥闯雒恳粡?zhí)崛〕鰜淼妮喞€都與線芯的實際輪廓貼合緊密，這說明本文方案對環(huán)境光沒有很嚴(yán)苛的要求。且輪廓特征識別效果穩(wěn)定，通過輪廓寬度計算角度可以忽略左右方向的抖動。精度方面，圖像分辨率是影響精度的主要因素，但分辨率過高又會減慢程序運算速度，需要平衡程序精度與運行速度來獲得一個合理的分辨率。

圖12 不同環(huán)境與不同角度下的線芯輪廓提取效果

表1是一組在項目研制的樣機上測試時的480×640分辨率下對同一線芯偏轉(zhuǎn)不同角度的測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，本方案具有較好的精度與穩(wěn)定性。

表1 程序計算準(zhǔn)確率

依據(jù)上述線芯偏轉(zhuǎn)角度識別算法和力傳感器輔助糾偏方案，應(yīng)用于項目實施單位的線纜自動糾偏樣機上，對改造后試驗生產(chǎn)的3種規(guī)格的200 m長圓形護(hù)套線纜樣品橫截面進(jìn)行采樣，獲得的任一橫截面上的橢圓度誤差均不超過平均外徑規(guī)定上限的8.5%，顯著低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)論

本文針對成纜機并線工藝中線芯糾偏問題，提出了一種改進(jìn)的基于圖像處理的線芯偏轉(zhuǎn)角度識別算法，可以高效的識別線芯的輪廓特征，通過投影輪廓寬度來計算偏轉(zhuǎn)的角度值。論證推導(dǎo)了相應(yīng)的計算公式。通過試驗證明了方案的可行性，說明了本方案具有較好的精度與穩(wěn)定性。

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Improved Recognition Algorithm for the Cable Angle Based on Image Processing

DUAN Chuanhui，TIAN Daqing，SONG Hongrui，CHENG Dong

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Cable forming machine is a special equipment for manufacturing cable, The parallel process is the key process to ensure the quality of cable forming. However, the existing parallel processes are rectification with manual visual inspection. Therefore it is difficult to guarantee the rectification accuracy, which causes serious security risks, product quality problems, and low production efficiency. An improved recognition algorithm for cable angle is proposed to improve the intelligence of cable core deflection angle recognition and correction in the parallel process. According to the section shape characteristics of the cable core, the calculation formulas of the cable core width from top view and the current deflection Angle are derived in three stages in the deflection range from 0° to 90°. Combined with image processing technology, after image graying, contrast processing, morphological operation and other image pretreatment process, contour features from top view of cable core are extracted. According to the motion characteristics of the cable core moving along the axis in the parallel process, two lines along the axis of the cable core are used to fit the contour, so as to obtain contour width data of cable core which can be substituted into the formula to solve the deflection angle, At the same time, in order to recognize cable core deflection direction, two solutions are proposed. One is to identify the deflection direction by using the reflective characteristics of the cable core surface with image processing technology. The other is to collect force data for comparison to obtain deflection direction by adding two force sensors at both ends of the on-line core bracket. Experimental comparison shows that the scheme judged by force sensor has higher reliability.

cable；parallel process of cable forming machine；deflection angle；picture processing；force sensor

TH16

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.005

1006-0316 (2022) 11-0036-07

2022-01-04

四川省科技廳重點研發(fā)項目：智能監(jiān)控技術(shù)在大型成纜機并線關(guān)鍵工藝中的應(yīng)用開發(fā)（2020YFG0118）；瀘州市科技廳（川大－瀘州）合作項目（2019）：大型成纜機并線關(guān)鍵工藝智能監(jiān)控技術(shù)研究（2019CDLZ-08）

段傳輝（1998－），男，湖南張家界人，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造，E-mail：993218231@qq.com。*通訊作者：田大慶（1971－），男，四川南充人，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向為數(shù)控技術(shù)、設(shè)備故障診斷、缺陷安全評價，E-mail：dqtian@163.com。