高立鵬,徐振佳,劉寶華,張穆勇

(1.河北省送變電有限公司電力保障分公司,河北 石家莊 051130;2.北華航天工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著電網(wǎng)快速發(fā)展,特高壓、超高壓輸電技術(shù)被廣泛應(yīng)用,對輸電設(shè)備的安全性和可靠性要求越來越高。鐵塔作為輸變電系統(tǒng)重要的組成部分之一,主要起支撐導(dǎo)線、地線和保障電氣絕緣的作用。為了充分發(fā)揮鐵塔的支撐作用,必須消除其加工制造過程中各種質(zhì)量缺陷,以保證電網(wǎng)運行的安全性和可靠性[1-4]。因此需對鐵塔構(gòu)件加工過程中的幾何尺寸進行嚴格的過程檢測,防止不合格品的發(fā)生,減少對塔身建造工序的影響。聯(lián)結(jié)板是輸電角鋼塔的基本構(gòu)件,屬于平面形狀不規(guī)則多孔板類零件,在實際生產(chǎn)檢驗過程中,采用游標卡尺、盒尺、卡板等測量工具進行人工抽檢,工作量大、效率低,無法進行全面檢測,且檢測結(jié)果受人的主觀因素影響,易出現(xiàn)不合格品漏檢等。近年來,由于機器視覺具有非接觸、響應(yīng)快、精度高等特點,逐漸應(yīng)用于汽車白車身檢測、機械零部件形位尺寸測量方面,視覺測量技術(shù)得到了快速的發(fā)展[5-7]。本文以輸電鐵塔的聯(lián)結(jié)板為對象,研究了聯(lián)結(jié)板加工特征的機器視覺測量方法,以促進鐵塔制造行業(yè)自動化水平的提高和行業(yè)的快速發(fā)展。

1 聯(lián)結(jié)板視覺測量的數(shù)學(xué)建模

視覺成像就是將三維空間的物體,通過光學(xué)變換,投射到二維的像平面內(nèi)。基于視覺的測量就是用像平面內(nèi)的元素來反映物理空間中的形狀和位置等信息,其實質(zhì)就是通過坐標系變換,完成世界坐標系物體的空間特征信息在像素坐標系的表征和解算[8]。各坐標系的變換關(guān)系如圖1所示。

圖1 坐標系之間的關(guān)系

根據(jù)成像的原理分別建立像素坐標系(Ofuv)、圖像坐標系(Oxy)、攝像機坐標系(OcXcYcZc)和世界坐標系(OwXwYwZw)。其中,像素坐標系和圖像坐標系為平面坐標系,攝像機坐標系和世界坐標系為空間坐標系,攝像機坐標系中的軸Zc為攝像機的光軸,視覺測量坐標系及其原理如圖2所示。

圖2 視覺測量坐標系及其原理

空間中的物點P,映射在圖像平面內(nèi)為p,用(u,v)、(x p,y p)、(Xcp,Ycp,Zcp)、(Xwp,Ywp,Zwp)分別表示物點P在像素坐標系、圖像坐標系、攝像機坐標系和世界坐標系的坐標。

1.1 像素坐標系和圖像坐標系的變換

由圖2可知,物點P在像素坐標系和圖像坐標系的變換為仿射變換,即將圖像坐標通過縮放和平移,變換成方便計算機處理的像素坐標,則有

式中:(u0,v0)為圖像坐標系中原點在像素坐標系中的坐標;dx、dy分別為圖像坐標系中單位像素的物理尺寸。

方程式組(1)的齊次矩陣方程可表示為

1.2 攝像機坐標系和圖像坐標系的轉(zhuǎn)換

由圖2可知,點P在攝像機坐標系下的空間坐標為(Xcp,Ycp,Zcp),通過透射變換將空間的三維坐標變換為圖像坐標系下的二維坐標(x p,y p),在理想透視變換的情況下,其投射關(guān)系的齊次矩陣方程為

式中:f為攝像機的焦距;ρ為齊次方程求解系數(shù)。

1.3 世界坐標系和攝像機坐標系的變換

世界坐標系與攝像機坐標系之間的映射為同一物點在不同的空間坐標系的剛體變換,其變換關(guān)系為剛體的旋轉(zhuǎn)和平移,則其齊次矩陣方程可表示為

式中:R為3×3階旋轉(zhuǎn)矩陣;T為3×1階平移矩陣。

1.4 世界坐標系與像素坐標系之間的關(guān)系

根據(jù)物點P的投影過程,將式(3)和式(4)代入式(2),則有以下運算過程

式中:a x=f/dx為u軸的尺度因子;a y=f/dy為v軸尺度因子;M1為內(nèi)參矩陣,只與攝像機的內(nèi)部參數(shù)有關(guān);M2為外參矩陣,由攝像機坐標系和世界坐標系決定;M為3×4階投影矩陣。

通過上述變換,每一個空間的物點都可以映射到像素坐標系進行表示。但在變換中,由于從三維空間變換到二維空間,即從空間域投射到面域,物體的深度信息出現(xiàn)多義性。例如空間中垂直于像素平面的多個點,對應(yīng)于像素平面中的一個點。因此需要增加約束,才能正確表達空間的位置。

在輸電鐵塔聯(lián)結(jié)板的測量方案中,待測構(gòu)件的加工特征在一個平面內(nèi),因此可以通過增加構(gòu)件的測量放置位置約束來實現(xiàn),即將世界坐標系中的Zw軸與攝像機的光軸(Zc軸)平行或重合,將待測構(gòu)件布置在世界坐標系的OwXwYw平面內(nèi),在測量過程中,Zw和Zc為常量,進而實現(xiàn)了式(5)中從(Xw,Yw)?(u,v)的單映射,即像素坐標系中點和構(gòu)件中點一一對應(yīng),消除了測量過程中的多義性,從而實現(xiàn)輸電鐵塔聯(lián)結(jié)板的測量。

2 聯(lián)結(jié)板加工特征測量方法

2.1 攝像機的標定

攝像機標定采用張正友法,即利用標準的棋盤格標定板進行攝像機內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)的標定,其核心思想是采用小孔成像的基本原理,利用標準標定板和圖像中的角點,計算出圖像和模板中的單映性矩陣,進而求得攝像機的內(nèi)參矩陣、外參矩陣和畸變系數(shù)矩陣,其標定原理詳見文獻[9]。內(nèi)參矩陣M1和外參矩陣M2構(gòu)成投影矩陣M,用于還原聯(lián)結(jié)板中的物理尺寸,畸變系數(shù)矩陣用于圖像的畸變矯正。

2.2 圖像的處理

在視覺測量中,數(shù)字圖像的處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié),其流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程圖

1)圖像的初級處理,即圖像預(yù)處理,為圖像處理做準備工作,其輸入的是圖像,輸出的也是圖像。主要包括圖像濾波和圖像增強等技術(shù)[10]。

圖像濾波用來消除或者削弱圖像的噪聲,常見的濾波方法由均值濾波、中值濾波和高斯濾波,可以根據(jù)不同的特性進行相應(yīng)的濾波。

圖像增強是在工程檢測中,進行灰度化處理,雖然丟失了色彩信息,但使圖像運算變得簡單高效。通過直方圖均衡化增強處理后,圖像的細節(jié)更加明顯,以便于特征的提取。

2)圖像的中級處理,即圖像分割,輸入為圖像,輸出為符號集,是圖像中目標區(qū)域的邊緣集合,而不是整個圖像。包括圖像的閾值處理、連通域提取等。

閾值處理是指在原始圖像中,像素在給定的數(shù)值以上或以下,賦予確定的值。例如,在一幅8位的灰度圖像中,把超過100的像素點被設(shè)定為255,把低于100以下的設(shè)定為0,這就是一種閾值處理方法,形成了一個二進制的影像。常見的閾值處理方法有二值化閾值處理、反二值化處理、截斷閾值處理、超閾值處理以及低閾值處理。3)圖像的高級處理,也叫做圖像理解或模式識別。其輸入為圖像分割后的符號集合,輸出為可以理解的物體、特征等。在輸電鐵塔聯(lián)結(jié)板加工特征測量中,主要包括:邊緣提取、直線的檢測與測量、圓特征的檢測與測量、角度的測量等。

邊緣提取是指包括聯(lián)結(jié)板的輪廓線和加工特征的邊緣的提取,利用Canny算子進行邊緣檢測,即計算圖像灰度變化的梯度和方向,求解出梯度值變化最大的點,并記錄其位置和方向[10]。

直線的檢測與測量是利用Hough 變換進行直線的檢測,把所有直線的兩個端點保存成一個數(shù)組,計算兩個點的坐標并計算向量,然后求出的向量長度就是直線長度。

圓特征的檢測與測量是圖像分割后,進行漫水填充,去除構(gòu)件外輪廓。利用霍夫變換進行圓特征檢測,把所有的圓心坐標和半徑保存成一個數(shù)組,以圓特征面積為準則,進行去重和消除錯誤的識別。

角度的測量是針對兩條直線,計算其交點和其向量夾角,實現(xiàn)角度的測量。

3 聯(lián)結(jié)板測量實驗與結(jié)果分析

利用本文提出的方法對實驗構(gòu)件的機械加工特征進行測量,將加工的孔特征分布在4個區(qū)域,并將測量結(jié)果與游標卡尺的測量記過進行對比,以驗證本文提出方法的有效性。

3.1 測量實驗條件

在實驗室的環(huán)境中搭建了測量平臺。視覺測量系統(tǒng)硬件如圖4所示,其主要參數(shù)見表1。在Python3.8+Opencv4.6的環(huán)境下,開發(fā)了測量軟件。被測構(gòu)件如圖5所示,在實驗構(gòu)件上加工了4組10個孔,分成3類,分別是?14.5 mm、?19.5 mm、?29 mm,其編號如圖5所示,孔徑以游標卡尺的測量結(jié)果為基準,其尺寸見表2中的基準尺寸。

表1 __系統(tǒng)硬件及其主要參數(shù)

表2 孔徑特征測量值及其誤差

圖4 測量實驗系統(tǒng)

圖5 待測構(gòu)件

3.2 系統(tǒng)標定

按照張正友法對系統(tǒng)進行了標定,采用12×9的棋盤格,角點間真實的物理距離為20±0.01 mm。通過采集不同角度12張標定板圖像,進行內(nèi)外參矩陣和畸變系數(shù)矩陣的求解。采集的圖像如圖6所示。

圖6 攝像機標定圖像

計算出的相機內(nèi)參矩陣M1和畸變系數(shù)dist分別為

dist=[-0.109 0 0.155 1]單位像素代表的真實物理距離dpi=0.235 8 mm。

3.3 測量結(jié)果

采用本文提出的方法,對實驗樣件進行了測量,測量結(jié)果見表2。

3.4 誤差分析

將實驗樣件聯(lián)結(jié)板的孔徑基準尺寸和系統(tǒng)的測量值進行對比,如表2所示。5號孔徑相對誤差最大1.03%,其絕對誤差為0.15 mm。7號孔徑的絕對誤差最大,其值為0.26 mm,其相對誤差為0.90%,均滿足國標GB/T 2694-2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》的要求。

綜合考慮10 個孔徑的平均相對誤差為0.67%,3 類孔徑的相對誤差分別為0.77%、0.76%和0.56%,均在一倍的標準差內(nèi),說明對于不同大小的孔徑,系統(tǒng)的測量精度無明顯差別。

考查最左邊的1號孔徑和7號孔徑的平均相對誤差為0.91%,最右邊的4號、6號和10號孔徑的平均誤差為0.39%。發(fā)現(xiàn)左邊孔徑的測量誤差明顯大于右邊孔徑,導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是待測工件成像時其形心與攝像機的光軸不重合,以及光軸與待測物體表面不垂直造成的。

綜合測量實驗過程和實驗樣件孔徑特征的測量結(jié)果,本文提出方法的測量結(jié)果有效、可靠,能夠滿足GB/T 2694-2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》的要求。

4 結(jié)論

聯(lián)結(jié)板是輸電鐵塔的重要構(gòu)件之一,在對聯(lián)結(jié)板的結(jié)構(gòu)特征進行分析基礎(chǔ)上,建立了基于機器視覺的聯(lián)結(jié)板機械加工特征的視覺測量系統(tǒng)和算法。

1)采用實驗環(huán)境中配置的視覺測量系統(tǒng)和50分度的游標卡尺相比,孔徑大小的偏差在0.3 mm以內(nèi)。提高攝像機的分辨率,孔徑的精度可進一步提高。

2)本文提出的測量方法可以取得較高的測量精度,能夠滿足國家標準要求,具有較高的工程價值。