張 帥， 金 永, 王召巴

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

采用文獻(xiàn)[1]所提及的一種包覆層厚度自動檢測裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)包覆層厚度的準(zhǔn)確測量。該方法是將激光測距傳感器安裝在懸臂梁的一端，在伺服電機(jī)的驅(qū)動下，懸臂梁伸入到發(fā)動機(jī)內(nèi)部，將粘貼包覆層前后的距離值相減，以實現(xiàn)不同截面上的包覆層厚度測量。在測量較短的發(fā)動機(jī)時，由于懸臂梁的撓度小，該方法的測量精度可以達(dá)到0.05 mm，但在測量較長的固體火箭發(fā)動機(jī)時，由于懸臂梁的撓度變大，再加上機(jī)械振動和其他因素的影響，導(dǎo)致粘貼前后的兩次測量時測距傳感器的基準(zhǔn)位置發(fā)生變化，使得測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。因此，需要測量懸臂梁在各個檢測截面上的撓度或位移值，以校正檢測截面上的測量誤差。

當(dāng)前撓度或位移的測量方法主要用于鋼架、橋梁等大型結(jié)構(gòu)，其檢測精度最高只能達(dá)到0.2 mm，難以滿足小于0.05 mm的檢測精度要求。本文研究一種基于機(jī)器視覺的懸臂梁撓度檢測方法，在懸臂梁支架上安裝一點激光器，另一端安裝一個反射板，利用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)采集反射板上的激光點，對光電圖像進(jìn)行處理，計算出光點中心坐標(biāo)，根據(jù)不同位置的光點坐標(biāo)值，修正兩次測量的撓度誤差。

1 測量原理

懸臂梁的撓度測量原理如圖1所示，將撓度值的改變量轉(zhuǎn)換為激光光斑中心點的偏移量。固定在懸臂梁支架上的點激光器發(fā)出準(zhǔn)直光束，在被測點的反射板上形成一個圓形光斑，當(dāng)懸臂梁被測點的撓度發(fā)生變化時，點激光器照射在反射板上的光斑中心的位置也會同步發(fā)生豎直方向上的變化。此時CCD相機(jī)采集光斑圖像，對圖像進(jìn)行處理，很容易得到懸臂梁的撓度值。

圖1 懸臂梁撓度測量原理

2 激光光斑中心定位

激光光斑中心定位技術(shù)是撓度校正中至關(guān)重要的一部分，光斑中心的定位運用數(shù)字圖像處理的知識，定位精度將直接影響撓度測量的精度，因此,如何對光斑圖像進(jìn)行處理是非常重要的。

2.1 圖像預(yù)處理

懸臂梁撓度校正時圖像中的有用信息是光斑圖像，但實際圖像會出現(xiàn)諸如圖像模糊、圖像偏斜、暈圈過大、對比度低等多種變形。這將導(dǎo)致在計算目標(biāo)點的中心時產(chǎn)生誤差，因此,在計算之前必須進(jìn)行圖像預(yù)處理。

2.1.1 小波軟閾值去噪

采用小波軟閾值去噪方法[2]，對光斑圖像進(jìn)行去噪，發(fā)現(xiàn)算法去噪效果[3]并不明顯，將其用Log算子進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換，放大灰度值較小的部分，再進(jìn)行去噪。結(jié)果如圖2所示。

圖2 圖像去噪

2.1.2 閾值分割

采用最大類間方差法[4]，對圖像進(jìn)行閾值分割。針對背景和目標(biāo)差異明顯的光斑圖像，最大類間方差法可以使光斑周圍的相關(guān)信息得以保存，減少了激光器射出的光斑不均、光暈較大對定位光斑精確度的影響，有益于后續(xù)分析降低誤差。分割后圖像如圖3所示。

圖3 閾值分割后的圖像

經(jīng)過Log變換、小波軟閾值去噪以及閾值分割處理后，光斑圖像已經(jīng)濾除大部分噪聲和光暈，光斑輪廓可以清楚地看到，但是仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，光斑邊緣有部分孤立點和毛刺，需要對邊緣進(jìn)行優(yōu)化，否則會對之后的中心點定位帶來一定的誤差。

2.1.3 形態(tài)學(xué)處理

通過計算各個連通域的面積，從中濾除面積小于某一特定的值，去除小的、孤立的區(qū)域[6]；通過判斷某非零灰度值點領(lǐng)域周圍像素灰度值是否為零來濾除孤立點等方法。經(jīng)過微處理后圖像邊緣變平滑，孤立點和毛刺部分大大減少，從而減小了中心點的誤差。如圖4所示。

圖4 邊緣優(yōu)化后的圖像

2.2 確定光斑中心點

為了提高撓度測量的精度，采用重心法，對光斑中心進(jìn)行更加精確的亞像素級定位。重心法實現(xiàn)簡單，運算速度快。圖5為重心法求得光斑中心點的坐標(biāo)。

圖5 重心法求光斑中心點坐標(biāo)圖像

3 實驗驗證

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

采用如圖6所示的標(biāo)定模板，通過計算采集的圖像的實心圓的像素距離，得到像素距離和實際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以便將測量得到的中心點的像素位移轉(zhuǎn)換為實際距離[5]。即轉(zhuǎn)換參數(shù)(mm/pixel)= 實際距離(mm)/ 像素距離(pixel)。

圖6 標(biāo)定摸板

3.2 實驗結(jié)果

將點激光器固定在機(jī)械運動平臺上，CCD相機(jī)和反射板放置在距離激光器10 m遠(yuǎn)處，通過上下移動點激光器的位置，來模擬懸臂梁撓度值的改變，從而驗證了懸臂梁撓度校正方法的精度。機(jī)械運動平臺每次步進(jìn)0.06 mm,共步進(jìn)5次，分別對應(yīng)位置：0.00,0.06,0.12,0.18,0.24,0.30 mm，通過在MATLAB數(shù)字圖像處理得到6幅圖像的數(shù)據(jù)：上述求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)為0.056 5 mm/pixel，設(shè)點激光位置Y1[i]，光斑中心點Y軸坐標(biāo)Y2[i]，光斑中心點X軸坐標(biāo)的偏移像素ΔY1[i]，光斑偏移的實際距離ΔY2[i]，誤差δ[i]，則有如下關(guān)系

ΔY1[i]=Y2[i+1]-Y2[i]

(1)

ΔY2[i]=ΔY1[i]×0.056 5

(2)

δ[i]=Y1[i]-ΔY2[i]

(3)

由表1數(shù)據(jù)可以看出，測得的光斑中心偏移的實際距離和點激光器的實際位移誤差最大不超過0.03 mm，而包覆層厚度的測量精度為0.05 mm，由此可以得出，該校正方法滿足檢測要求。

表1 實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

該懸臂梁撓度校正方法能夠準(zhǔn)確測量懸臂梁的撓度，從而對固體火箭發(fā)動機(jī)包覆層的厚度檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，使得包覆層的厚度檢測滿足0.05 mm的檢測精度要求。運用圖像處理的方法，提高了撓度測量的精度[7]，對發(fā)動機(jī)包覆層的厚度檢測具有突破性的意義。