汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)設(shè)備的研制

張 煒，袁立明，王曉東，孫 銳

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

汽車安全氣囊是現(xiàn)代汽車必備的輔助安全防護(hù)配件之一[1]。汽車安全氣囊及其承載裝置的安裝過(guò)程中，其裝配輪廓的制造精度對(duì)氣囊應(yīng)急使用性能有著重大影響[2]。因此，對(duì)汽車安全氣囊裝配輪廓的精度檢測(cè)已成為裝車前不可缺少的工序。此外，由于很多廠家生產(chǎn)的安全氣囊外圍裝配輪廓并不是規(guī)則圖形，導(dǎo)致檢測(cè)成本高、檢測(cè)難度大[3]。以往的檢測(cè)方法主要有檢具檢測(cè)法[4]和三坐標(biāo)檢測(cè)法[5]，其檢測(cè)過(guò)程受人為因素影響較大、檢測(cè)效率低（檢具法超過(guò)10分鐘，三坐標(biāo)法超過(guò)1個(gè)小時(shí)）、檢測(cè)成本高且精度較低，只可進(jìn)行抽檢，不適合工業(yè)生產(chǎn)流水線在線檢測(cè)。

基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)設(shè)備，并采用該設(shè)備對(duì)奧迪安全氣囊進(jìn)行裝配尺寸檢測(cè)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸的快速、精準(zhǔn)、高效檢測(cè)。

1 檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)

汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示檢測(cè)設(shè)備包括：主框架、用于支撐整個(gè)設(shè)備的地腳、安裝在主框架上端面的氣囊定位固定機(jī)構(gòu)和安全氣囊、固定在主框架上的相機(jī)支架、安裝在相機(jī)支架且位于氣囊上方的CCD相機(jī)和光源。此外，主框架內(nèi)配有圖像處理模塊、運(yùn)算模塊及工作電源。

圖1 檢測(cè)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

由于安全氣囊底面并不平整，為保證檢測(cè)精度及檢測(cè)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種氣囊定位固定機(jī)構(gòu)（如圖2所示），分為豎直方向定位機(jī)構(gòu)和水平方向定位機(jī)構(gòu)。

圖2 氣囊定位固定機(jī)構(gòu)

1）氣囊豎直方向定位機(jī)構(gòu)

氣囊豎直方向定位機(jī)構(gòu)包括5個(gè)氣囊豎直位置定位柱（頂端在同一水平面）和2個(gè)氣囊豎直方向鎖定機(jī)構(gòu)（如圖3所示）。

圖3 氣囊豎直方向鎖定機(jī)構(gòu)

2）氣囊水平方向定位機(jī)構(gòu)

氣囊水平方向定位機(jī)構(gòu)由4個(gè)結(jié)構(gòu)相同、兩兩相對(duì)的限位裝置（如圖4所示）組成。

圖4 限位裝置

其工作過(guò)程是：推動(dòng)操控手柄，滑塊推桿推移滑塊，滑塊側(cè)面放松對(duì)杠桿推桿的頂持，再經(jīng)杠桿放松對(duì)頂桿的頂持，在頂桿回位彈簧的作用下，頂桿后退，帶動(dòng)擋塊退到放松氣囊位置，此時(shí)可取下或放置氣囊。氣囊放上后，扳回操控手柄，解除滑塊推桿對(duì)滑塊的擠壓，滑塊在滑塊回位彈簧推動(dòng)下，向滑塊推桿方向移動(dòng)，滑塊側(cè)面擠壓杠桿推桿，壓力最終傳遞到擋塊，重到定位、擠壓氣囊位置，將氣囊固定。

2 檢測(cè)方法

汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)流程圖

2.1 安全氣囊模板制作

首先將一合格汽車駕駛員安全氣囊安裝在氣囊定位固定機(jī)構(gòu)上；然后開啟光源，通過(guò)CCD相機(jī)獲取安全氣囊裝配輪廓照片；最后對(duì)安全氣囊照片進(jìn)行圖像規(guī)格化、圖像二值化、圖像輪廓提取，并將處理后的氣囊圖片作為氣囊模板。

2.1.1 圖像規(guī)格化

圖像規(guī)格化的目的是將不同氣囊圖像的平均灰度、方差、對(duì)比度等統(tǒng)計(jì)特性指標(biāo)調(diào)整到統(tǒng)一的范圍。

設(shè)安全氣囊照片具有M行N列個(gè)像素點(diǎn)，I(i,j)為某一點(diǎn)(i,j)的初始灰度值，U和V分別代表源氣囊圖像的灰度均值和灰度方差，R(i,j)是規(guī)格化后點(diǎn)(i,j)的灰度。圖像規(guī)格化的計(jì)算方法如下：

其中，

M為原始圖像的協(xié)方差矩陣；

U0，V0為預(yù)先設(shè)定的規(guī)格化后的圖像灰度均值和方差，兩者均取100。

對(duì)安全氣囊照片中的每一個(gè)像素點(diǎn)均進(jìn)行上述計(jì)算，則可得到規(guī)格化的氣囊圖片矩陣M×N。

2.1.2 圖像二值化

為了便于后續(xù)的圖像匹配，需要對(duì)氣囊圖像進(jìn)行二值化處理，將氣囊圖像轉(zhuǎn)換成僅有黑白兩色的二值圖像[6]。

設(shè)S(i,j)為該點(diǎn)經(jīng)過(guò)二值化后的灰度值，二值化閥值為T，則：

式(2)中閥值的確定采用迭代法：

首先令T0=U0=100，再按式(3)進(jìn)行迭代：

式中：k為灰度值；

hk為灰度為k值的像素個(gè)數(shù)；

L為不同灰度的數(shù)量。

取Ti+1=Ti時(shí)的Ti為閥值T。

2.1.3 圖像輪廓提取

輪廓提取的實(shí)質(zhì)是采用某種算法來(lái)提取出圖像中對(duì)象與背景間的交界線。

在以S(i,j)為中心的3×3領(lǐng)域上，計(jì)算x方向和y方向的偏導(dǎo)數(shù)，具體過(guò)程如下：

式(4)中的Sx和Sy可由式(5)、式(6)得出：

因此Sx和Sy可分別表示為：

選擇閥值TH=150，提取圖像邊緣點(diǎn)：

2.2 氣囊圖像的模板匹配

氣囊圖像的模板匹配即事先給定一幅標(biāo)準(zhǔn)的氣囊圖像，然后到待檢測(cè)圖像中尋找待匹配的圖像，如兩個(gè)圖像完全一致，則匹配成功。

將氣囊圖像模板T(M×N)疊放在待檢測(cè)圖像S(W×H)上平移，設(shè)待測(cè)圖為子圖Si,j，(i,j)為這塊子圖的左上角像素點(diǎn)在待檢測(cè)圖像中的坐標(biāo)，比較T和Si,j的內(nèi)容，若兩者一致，則T和Si,j之差D(i,j)為零，因此可用下式來(lái)衡量T和Si,j的相似度[7]。取標(biāo)準(zhǔn)圖像與待檢測(cè)子圖交疊的部分中的一點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)為(m,m)，則：

將式(8)展開，可得：

其中，第三項(xiàng)是一個(gè)與(i,j)無(wú)關(guān)的常數(shù)。因此，可用式(10)來(lái)進(jìn)行相似性測(cè)定：

歸一化式(10)表示模板匹配結(jié)果：

由于圖像噪聲等造成的誤差，二者不可能完全重合（即R(i,j)不可能為1），因此閥值選為0.99。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照給定的相似度判定安全氣囊輪廓是否合格。判定結(jié)果界面如圖6所示。

圖6 判定結(jié)果界面

本文采用奧迪安全氣囊進(jìn)行試驗(yàn)。將差分極限設(shè)為0，相關(guān)值判定值設(shè)為0.99。如檢測(cè)結(jié)果中的差分個(gè)數(shù)不超過(guò)差分極限，相關(guān)值不低于0.99，則可判定檢測(cè)的安全氣囊合格。檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測(cè)結(jié)果

隨機(jī)抽取二十組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)各數(shù)據(jù)的平均值，相關(guān)值和差分個(gè)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示。

表2 結(jié)果分析

相關(guān)值的平均系統(tǒng)誤差為：

通過(guò)上面的試驗(yàn)可知，該檢測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)誤差僅為0.00505，相關(guān)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.14%，平均執(zhí)行時(shí)間僅為291.37ms。因此采用該設(shè)備進(jìn)行汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)可以極大地提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。

4 結(jié)論

本文介紹了一種汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，提高了檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)難度和人為因素影響，可取代原有的檢具檢測(cè)法和三坐標(biāo)檢測(cè)法，變抽檢為全檢，適合工業(yè)生產(chǎn)流水線在線檢測(cè)，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 薛振光.汽車安全氣囊發(fā)展趨勢(shì)分析[J].黑龍江科技信息,2008,(28)：55.

[2] 王淼,穆榮生,朱冬蘭.汽車主安全氣囊裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國(guó)制造業(yè)信息,2012,41(21)：106-108.

[3] 李媛.安全氣囊綜合裝配設(shè)備的研發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2013,29(4)：40-41.

[4] 張立紅,賴思琦.發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋板孔位檢具設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,(5)：31-32.

[5] 王孝坤.利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x拼接檢測(cè)大口徑非球面面形[J].紅外與激光工程,2014,43(10)：3410-3415.

[6] 李旭鵬,錢波,李強(qiáng).一種基于機(jī)器視覺柔性冷彎成型在線檢測(cè)方法研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(15)：31-42.

[7] 葛旋,鐘佩思,呂曉東,吝偉偉,梁中源.基于機(jī)器視覺的螺栓智能裝配系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(18)：150-153.