張紫澳 宋世杰 翟欣怡 張喬 李孟銘 高丹莉

摘要：光纖纏繞技術(shù)是制光纖陀螺儀的一項關(guān)鍵技術(shù)。在光纖纏繞過程中會出現(xiàn)“間隙”“爬絲”等問題，然而人工肉眼觀察工作量極大，細微的被測物對于肉眼的分辨率來說更是一種挑戰(zhàn)，因此文章設計了一個利用機器視覺非接觸方式實時監(jiān)測系統(tǒng)，為繞線設備的動作控制提供相關(guān)依據(jù)，解決了人工檢測費時、低效的問題，提高了光纖纏繞機自動化水平、穩(wěn)定性和控制精度，對實際生產(chǎn)生活具有重要意義。

關(guān)鍵詞：機器視覺;光纖纏繞;缺陷監(jiān)測系統(tǒng);圖像處理

中圖法分類號：TP277文獻標識碼：A

Design and implementation of visual monitoring system foroptical fiber ring winding machine

ZHANG Ziao，SONGShijie，ZHAIXinyi，ZHANGQiao，LIMengming，GAODanli

（Hubei University of Technology，Wuhan 430000，China）

Abstract：Optical fiber winding technology is a key technology of making fiber optic gyroscope. During the optical fiber winding process， such as “gap” “climbing" problems， will appear， however， subtle measurement is a challenge for the resolution of the naked eye， so this paper puts forward a machine vision contact real-time monitoring system， which provides relevant basis for winding device action control， solves the manual detection of time-consuming and inefficient， improves the fiber winding machine automation level， stability and control accuracy， is of great significance to the actual production and life.

Key words： machine vision， optical fiber winding， defect monitoring system， image processing

現(xiàn)代光纖陀螺儀在航海、航天和國防工業(yè)中精確確定運動物體方位的過程中起到了至關(guān)重要的作用，由于其在角速度以及加速度測量方面的優(yōu)越性和在動態(tài)范圍、靈敏度和可靠性等方面的顯著優(yōu)勢，使其在軍事方面有著廣泛的應用[1]。它對一個國家的工業(yè)、國防和其他高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。然而，光纖陀螺儀的性能參數(shù)直接受光纖環(huán)纏繞質(zhì)量和精度的影響，因此有必要對光纖環(huán)繞制表面的繞制情況進行實時檢測與控制，以保證制品的質(zhì)量。

1系統(tǒng)技術(shù)方案

本文在現(xiàn)有光纖環(huán)纏繞機的基礎(chǔ)上，加入視覺檢測功能，利用計算機自動采集并外理圖像數(shù)據(jù)，將該視覺檢測模塊與原有的纏繞控制功能融合在一起，實現(xiàn)對陀螺儀光纖環(huán)纏繞機的控制以及環(huán)繞質(zhì)量的可視化檢測，由監(jiān)控系統(tǒng)驅(qū)動底層 PLC 控制相應電機實現(xiàn)陀螺儀光纖環(huán)的自動纏繞，同時由工業(yè)相機監(jiān)測光纖環(huán)纏繞過程，自動檢測關(guān)鍵纏繞缺陷，輔助操作人員盡早發(fā)現(xiàn)缺陷并處理，從而達到產(chǎn)品質(zhì)量控制的目的。

該系統(tǒng)包括自動纏繞控制系統(tǒng)和纏繞質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)兩個部分，分別顯示在同一個主機所連的兩個顯示屏上，同時纏繞質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)將相關(guān)缺陷信息和數(shù)據(jù)共享給自動纏繞控制系統(tǒng)，以驅(qū)動自動纏繞控制系統(tǒng)根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)實施控制參數(shù)調(diào)整和反饋控制。

2系統(tǒng)硬件組成

2.1照明系統(tǒng)

使用顯色性好的 LED 光源，以增強目標的邊緣清晰度，同時消除了陰影和噪點所帶來的影響，清晰地分離了檢測區(qū)域與背景區(qū)域。根據(jù)光纖纏繞視覺監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求和光纖在其表面反射的特殊性質(zhì)，選擇如圖1所示的攝像機坐標位置方案，即背光照明。在光纖下方的是矩形陣列 LED 光源，并且平行于主軸，當攝像頭拍攝時，物體阻擋光源的直射光，不會在圖像區(qū)域產(chǎn)生亮點[2]。將黑色照相布作為背景圖像，保證了拍攝圖像亮度的均勻度，被測對象的邊緣可以產(chǎn)生強烈的對比度輪廓，以供圖像處理系統(tǒng)進一步分析。

2.2圖像識別主機 IPC—CMOS 千兆以太網(wǎng)工業(yè)面陣相機

工業(yè)相機采用的是?？?MV?CE050?31GC 彩色工業(yè)相機，該相機為500萬像素，1/2.5”CMOS 千兆以太網(wǎng)工業(yè)面陣相機，支持自動或手動調(diào)節(jié)增益、曝光時間、LUT 和 Gamma 校正等;采用千兆網(wǎng)接口，在無中繼的狀態(tài)下，圖像的傳輸距離能夠達到100m;此相機具有高達128MB 的板上緩存，能夠有效處理突發(fā)情況，并識別后進行圖像重傳;兼容 GigE Vision 1.2協(xié)議及GenlCam標準，無縫接入第三方軟件平臺。

2.3圖像采集卡

圖像采集卡捕獲圖像信號后，將其采集到計算機中，并以數(shù)據(jù)文件的形式保存在固態(tài)硬盤上。當高速運動相機實時拍攝高分辨率圖像時，它將產(chǎn)生非常高的輸出速率，圖像采集卡作為支持多通道輸入的設備，能夠很好的滿足圖像處理的需求。

2.4自動纏繞控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由 PLC（可編程邏輯控制器）實現(xiàn)。 PLC 主要由卷繞運動軸、開關(guān)控制量和模擬控制量組成。根據(jù)圖像采集系統(tǒng)反饋的各種狀態(tài)信息，采用測試軟件匹配的算法對控制系統(tǒng)進行處理，控制系統(tǒng)根據(jù)圖像處理結(jié)果向光纖纏繞設備發(fā)出控制命令，做出相應的調(diào)整動作，極大地提高光纖纏繞機自動化水平、穩(wěn)定性和控制精度。保證了系統(tǒng)無沖擊、無震蕩穩(wěn)定運行。

2.5單點檢測模塊

待監(jiān)測的光纖環(huán)放置在光纖環(huán)纏繞設備的主軸上，并通過工控機以操作員指定的速度運行。在纏繞過程中，照明系統(tǒng)中的控制器以適當?shù)膹姸茸鳛楸尘皝碚{(diào)整 LED 光源。光纖纏繞狀態(tài)需要通過固定在可調(diào)支架上的攝像頭進行實時監(jiān)控，并以圖像的形式顯示在工控機上[3]。反饋狀態(tài)信息由測試軟件匹配的算法進行處理。

2.6云計算檢測模塊

以單點檢測模塊為基礎(chǔ)，將各個檢測模塊的計算能力集中在云計算平臺上，由云平臺提供視覺檢測服務，便形成了視聯(lián)網(wǎng)云平臺。云計算檢測模塊包括：視覺終端采集、預處理、云計算服務器、數(shù)據(jù)儲存分析以及應用端訪問等[4]。通過多組單點檢測模塊并行連接，將視頻終端或者移動終端采集到的視頻信號以無線或有線等傳輸方式發(fā)送給云計算服務器進行智能識別，并分析識別數(shù)據(jù)生成評價等級報告。同時，云平臺進一步對這些檢測數(shù)據(jù)進行挖掘再利用，根據(jù)不同的產(chǎn)品型號、廠商以及工藝方式等屬性數(shù)據(jù)建立相關(guān)的等級評價體系，以供客戶在 PC 端和 APP 上進行訪問。

3軟件系統(tǒng)

根據(jù)光纖纏繞周期結(jié)構(gòu)的特點，分別進行了圖像預處理機制的研究以及圖像濾波去噪算法、亞像素精度閾值分割算法和基于輪廓區(qū)域的實時缺陷監(jiān)測算法的研究。根據(jù)所捕獲圖像的大致頻域特性，設計了一種特定的頻域濾波器。經(jīng)過專業(yè)的頻域濾波處理之后，有效抑制了光纖上散斑的干擾，使得光纖纏繞結(jié)構(gòu)的特性更加明顯。其中，算法識別準確率高達99.98%。

3.1圖像預處理機制

由于用于測量的圖像通常情況下數(shù)據(jù)量大、冗余度高。圖像預處理是以局部、細節(jié)等形式準確定位各種特征信息。在確定圖像清晰度和測量尺寸之前，要消除背景噪點的影響，壓縮圖像的數(shù)據(jù)量，突出圖像有用的信息特征，同時減少了處理時間，從而提高了圖像質(zhì)量和信噪比。

3.2亞像素精度閾值分割算法

當圖像的前景和背景灰度差異較大時，可以采用適當?shù)拈撝颠M行背景分離。在一般的閾值分割算法分割的過程中，每個像素只進行一次比較，所以算法的處理速度非?？?。但當邊緣輪廓模糊時，閾值的選取對定位精度影響較大。亞像素精確閾值分割算法是在一般閾值分割算法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。將亞像素精度閾值分割算法應用于圓形陣列目標的亞像素邊緣提取，可以大大提高橢圓中心的精度，這也證明了亞像素精度閾值分割算法提取輪廓邊緣的準確性。

3.3基于輪廓區(qū)域的實時缺陷監(jiān)測算法

亞像素精度閾值分割算法比普通亞像素邊緣檢測算法具有更高的精度，這為后續(xù)的擬合和監(jiān)測算法奠定了基礎(chǔ)。為了消除溫度瞬態(tài)對光纖陀螺的影響，采用四極對稱繞制光纖環(huán)。為了監(jiān)控纏繞過程中的各種狀態(tài)，提出了一種基于輪廓區(qū)域的缺陷實時監(jiān)控算法，如圖2所示。

3.4缺陷檢測庫自學習與開放式軟件體系

設計了開放式軟件體系，以滿足客戶千差萬別光纖繞制方法的檢測需求;提出了智能檢測系統(tǒng)缺陷庫自學習機制，不斷擴展識別智能算法的樣本空間，以提高檢測的準確性。

4系統(tǒng)界面

系統(tǒng)設計界面如圖2所示。檢測系統(tǒng)主要提供實時顯示檢測界面，用于監(jiān)控光纖繞線過程。同時，相關(guān)人員可以清晰地看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)、檢測結(jié)果和生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，便于控制系統(tǒng)的運行。

5總結(jié)

本文介紹了對制造光纖陀螺儀進行實時監(jiān)測時利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，為光纖纏繞技術(shù)的改進提供了參考依據(jù)，并從硬件和軟件兩方面設計了光纖纏繞機缺陷檢測系統(tǒng)，經(jīng)過上述操作，纏繞光纖的質(zhì)量得到有效改善。

5.1光纖線包纏繞結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)的設計

根據(jù)成像原理搭建了圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用明場漫射照明方式，采用 CMOS 千兆以太網(wǎng)工業(yè)區(qū)陣列攝像機和數(shù)據(jù)采集卡。該圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可以獲得清晰的光纖纏繞結(jié)構(gòu)的圖像。

5.2光纖纏繞圖像處理算法的研究

根據(jù)光纖具備的纏繞周期性結(jié)構(gòu)特征，分別進行了圖像預處理機制、圖像濾波去噪算法、亞像素精度閾值分割算法和基于輪廓區(qū)域的實時缺陷監(jiān)測算法的研究。根據(jù)圖像的頻域特征，設計了特定的頻域濾波器，經(jīng)過頻域濾波處理有力抑制了光纖上的斑點干擾，使光纖纏繞結(jié)構(gòu)特征更顯著。此外，算法準確率高，識別準確率高達99.98%。

5.3光纖纏繞自動纏繞控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)根據(jù)圖像采集系統(tǒng)反饋的各種狀態(tài)信息經(jīng)過測試軟件所匹配的算法處理，控制系統(tǒng)則根據(jù)圖像處理的結(jié)果發(fā)送控制命令給光纖繞制設備，以做出相應的調(diào)整動作，極大地提高了光纖纏繞機自動化水平、穩(wěn)定性和控制精度。保證了系統(tǒng)無沖擊、無震蕩穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]劉歡歡.光纖纏繞缺陷監(jiān)測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].能源與環(huán)保，2018，40（1）：140?144.

[2]印愛麗.基于圖像處理的光纖纏繞均勻度評價方法的研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[3]劉雪峰，劉秋月.圖像陰影檢測與增強算法研究[ J].現(xiàn)代電子技術(shù).2022，45（10）：105?110.

[4]李沐青.基于仿生優(yōu)化的圖像分割方法研究[ D].西安：西安電子科技大學.2021.

作者簡介：

張紫澳（2001—），本科，研究方向：計算機科學與技術(shù)。宋世杰（2001—），本科，研究方向：工業(yè)工程。

翟欣怡（2002—），本科，研究方向：工程造價管理。張喬（2002—），本科，研究方向：工程項目管理。

李孟銘（2002—），本科，研究方向：工程項目管理。高丹莉（2001—），本科，研究方向：大數(shù)據(jù)管理與應用。