基于機器視覺的航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統設計

龐學豐，王瑞文，張玉美，趙超澤

(天津航天機電設備研究所，天津 300457)

0 引言

我國航天事業發展迅速，航天器密封艙內結構裝配測量的難度也隨之增加[1]。航天器密封艙內結構裝配精度檢測貫穿于航天器各個測試階段，需要將位姿檢測數據實時反饋給工作人員用于結構精密調試，尤其在力學檢測階段，需先分析力學環境對設備安裝位姿影響，并在航天器結構實際運行測試階段檢測航天器結構變形后對安裝具體位置的影響[2-3]。采用人工檢測方法是一種人為接觸檢測方法，無法滿足當代工業基礎檢測需求，基于此，提出了基于機器視覺的航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統設計。機器視覺是一種非接觸性檢測方式，在不影響航天器運行基礎上，被廣泛用于航天器密封艙內結構非接觸性檢測之中。

1 系統總體結構設計

基于機器視覺的航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統工作過程主要包括：首先由鏡頭、相機、圖像采集卡構成的圖像采集器采集被檢測目標圖像，通過模數轉換后將圖像轉變為數字信號形式，再經過圖像處理環節，提取像素分布、亮度與顏色特征信息[4]。之后再根據預先設定的輸出判別結果，去控制驅動執行機構。

系統總體結構設計如圖1所示。

圖1 基于機器視覺檢測系統結構設計

在圖1所示的總體結構支持下，分別設計機器視覺光源單元、電源單元、圖像采集器單元及密封性檢測單元。

1.1 光源單元設計

在裝配精度檢測系統中，光源直接決定著成像質量，對最終檢測結果具有較大的影響[5]。針對航天器密封艙內結構裝配精度檢測，應使用微電流高效率650 nm諧振腔發光二極管作為照明裝置，該裝置主要是由上、下分布布拉格反射鏡、諧振腔組成，微腔效應改變了電磁場模式結構，增大了波長光模式密度，因此，微電流高效率650 nm諧振腔發光二極管比普通LED燈發光效率更高[6]，諧振腔發光二極管具有穩定波長[7]。光源實際安裝位置如圖2所示。

圖2 光源的安裝位置

為滿足實際檢測需求，共適配3個線性光源，其中1、2線性光源分別以一定角度照射側邊引腳，3光源垂直照射批號區域[8]。確定像素分布、亮度與顏色特征信息后，根據系統總體結構，使用微電流高效率650 nm諧振腔發光二極管作為照明裝置，設計機器視覺光源單元；選擇4NIC-UPS27型號二體化不間斷供電模式為系統提供電源，設計電源單元；利用外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，縮短數據訪問時間，并借助復雜可編程邏輯器件獨立完成采集功能。

1.2 電源單元設計

電源單元是整個檢測系統的電能來源，在該檢測系統中，設計交直流兩種型電源，既可以使用36 V直流供電形式，也可有使用220 V交流供電形式[9]。為了提高系統抗干擾能力，在下位機檢測裝置中，應選擇4NIC-UPS27型號二體化不間斷電源，該電源功率密度大、抗干擾性強，同時，該電源能夠實現交直流電在0～0.5 s內快速切換，適用于不同設備供電需求。當使用電池供電模式時，就可以電池為主電源，也可將其作為后備電源[10-11]。

1.3 圖像采集單元設計

圖像采集單元是利用現代化技術實時采集圖像信息，圖像采集在數字處理、識別領域應用較為廣泛。以往圖像采集是利用采集卡將CCD攝像機模擬視頻信號經過A/D轉換后存儲的，然后再傳送到計算機內進行處理。雖然該設備簡便，但存在轉換數據不精準問題，造成數字化視頻圖像質量較差，且分辨率較低。因此，選擇外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，帶1路HDMI環出和音頻輸出，可接大屏、電視機等顯示設備，1路3.5音頻輸出接口，可接耳機或音箱，使操作者能夠實時監測圖像畫面[12]。外置USB3.0接口，傳輸速度快、延遲小，是USB2.0輸出速度的10倍[13]。

在高速圖像采集處理過程中，需要使用速記存儲器縮短數據訪問時間。控制采樣圖像傳感器，可以使用FPGA，控制圖像傳感器采樣，并控制SRAM，待圖像采集完成后，需要借助復雜可編程邏輯器件獨立完成采集功能[14]。

1.4 密封艙性能檢測單元設計

在密封艙密封性能檢測單元中，嵌入式計算機系統智能儀器包括V500PRO 鍵盤、顯示頁面、LOEASE計時模塊、A/D轉換模塊、My Cloud EX2 Ultra 數據存儲器、M02S微型打印機、看門狗及輸入/輸出控制接口，在密封性檢測單元中，可用于各部分功能的進一步擴展。密封艙性能檢測單元設計如圖3所示。

圖3 密封艙性能檢測單元

在光源單元和電源單元支持下，根據嵌入式系統所要實現功能，以STC89C52RC-40I-PDIP40單片機中央控制單元為核心芯片，分析各個性能指標，以此檢測密封艙密封性能。

2 基于機器視覺軟件部分設計

在設計了系統總體結構及密封艙性能檢測單元的基礎上，依據機器視覺檢測原理，對采集到的航天器密封艙體裝配圖像進行預處理，并設計儀器板裝配檢測流程及設備安裝支架裝調檢測流程，由此完成航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統軟件設計。

2.1 機器視覺檢測原理

機器視覺檢測原理如圖4所示。

圖4 機器視覺檢測原理

由圖4可知：該檢測過程所需設備包括光源、工件、鏡頭、相機、采集卡及圖像處理軟件等。機器視覺是使用機器人代替人眼測量與判斷的，通過機器視覺將采集到的圖像轉換為信號形式，再傳送給專用圖像處理軟件之中，根據像素亮度、顏色指標，將其轉換為數字化信號形式。根據目標特征檢測密封性，以此控制航天器現場動作。

2.2 圖像預處理

在進行圖像采集過程中，不可避免會受到外界噪聲影響，因此，需對圖像進行預處理，如圖5所示。

圖5 預處理效果圖

以圖5(a)所示的零件為基礎，需要獲取特征信息包括具體大小及位置坐標。在該零件上存在若干個白點，即為噪聲，為了避免該噪聲對圖像采集結果造成影響，需使用非線性濾波算法增強圖像，計算公式如下所示：

Zij=(Sij-Mean)*λ+Sij

(1)

式(1)中,Zij為圖像經過增強處理后的序列；Sij為圖像在未進行增強處理前圖像序列；λ為比例系數；Mean為求數組平均值的函數；ij為圖像序列。

在去除噪聲的同時，使用非線性濾波算法還能保持圖像邊緣信息，使圖像變得更加清晰，也從圖中可看出，原始圖像上若干白點被濾除。

2.3 儀器板裝配檢測流程

1)航天器密封艙體停放到指定工位；

2)使用激光跟蹤儀構建激光雷達聯合站；

3)航天器整艙基準是由激光跟蹤儀轉換到激光雷達上；

4)在艙體前端設置檢測點，將整艙基準轉移至艙體前端；

5)儀器板初步裝配后，激光雷達通過測量前測點，恢復整艙基準；

6)精測儀器板，獲取需要檢測的裝配數據；

7)檢測裝配數據，裝配調整墊片；

8)測量前端測點，恢復整艙基準；

9)復測儀器板，檢測裝配精度，若不滿足，則需重新調整。

通過檢測流程，可以得到儀器板安裝精度數據，并由此及時檢測出儀器板裝配精度。

2.4 設備安裝支架裝調檢測流程

在儀器板裝配檢測完成后，進一步對設備安裝支架進行裝調檢測，此時儀器板完全固定，具有良好承載力，不會因為支架安裝影響自身精度。設備安裝支架的裝配檢測流程，如下所示：

1)將設備安裝支架安裝到位，以此為基準，構建激光跟蹤儀構建激光雷達聯合站；

2)航天器整艙基準是由激光跟蹤儀轉換到激光雷達上，在艙體前端設置檢測點，采用激光雷達掃描點將整艙基準轉移到艙體前端，完成儀器板初步裝配后，激光雷達通過測量前測點，恢復整艙基準(該步驟與儀器板的裝配檢測步驟一致)；

3)根據支架精測數據逆向建模，并編制數據加工程序；

4)拆除設備安裝支架，離線加工設備安裝接口；

5)復位設備安裝支架，復測支架接口精度；

6)檢測后需重新安裝設備支架。

依據該流程，可實現設備安裝支架裝調檢測。

3 實驗結果與分析

為驗證基于機器視覺的航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統設計合理性，進行實驗分析，采用MATLAB仿真軟件作為實驗平臺，大型密封艙的結構如圖6所示。

圖6 航天器密封艙結構示意圖

圖6中密封艙開口主要位于密封艙左側，整個艙內結構含有大量儀器板，并且個別儀器板安裝接口精度要求較高，測量極其困難。因此，需先統計密封艙數據表，如表1所示。

表1 密封艙數據表

航天器密封艙內結構精密裝調技術是為了解決艙內半開放環境下，內結構精密裝調過程所遇到的難題而進行的裝配工藝研究。因此，在對系統檢測驗證時，應從儀器板和支架兩方面裝調檢測進行驗證分析。

3.1 儀器板裝配檢測

針對儀器板精測數據分析，安裝調整墊片使其滿足儀器板精裝需求，消除因板面變形而帶來裝配應力。

墊片示意圖如圖7所示。

圖7 調整墊片安裝示意圖

根據圖7所示的安裝方式調整墊片后，儀器板裝配精度數據如表2所示。

表2 儀器板裝配精度實測值

在表2所示數據支持下，分別采用人工檢測和機器視覺檢測系統對儀器板裝配精度檢測，如圖8所示。

圖8 兩種系統對儀器板裝配精度檢測

由圖8可知：使用人工檢測系統檢測值與實測值相差較大，尤其在項目M4處相差最大，在M1處相差最小。產生這種現象的主要原因是人工檢測系統采用接觸式檢測方式，使檢測的結果添加了人為因素，導致檢測結果不精準。而使用機器視覺系統采用非接觸式檢測方式，避免人為因素影響，具有良好檢測結果，在項目M1、M5處與實測值大小一致，在其余三處與實測值相差較小，基本保持在0.001 mm檢測誤差。

3.2 設備安裝支架裝調檢測

航天器密封艙平面上部為支座實際加工余量，其特征能夠真實反映出航天器密封艙內結構狀態，如圖9所示。

圖9 支座的實際平面與理論平面位置關系

確定加工位置后，開展數控編程，按照裝調流程完成調試后，設備安裝支架裝調精度指標達到設計標準，如表3所示。

表3 設備安裝支架裝配精度實測值

在表3所示的數據支持下，分別采用人工檢測和機器視覺檢測系統對設備安裝支架裝配精度檢測，如表4所示。

由表4可知，使用人工檢測系統依然存在人工干預問題，導致檢測結果與實測值存在較大誤差。而使用機器視覺系統沒有人工干預問題，檢測結果與實測值相差較小。雖然人工檢測系統受到人工干預影響，但檢測值與實測值最大誤差為0.05 mm，說明對于設備安裝支架裝配精度檢測無論哪種系統都具有良好檢測效果。

表4 兩種系統對設備安裝支架裝配精度檢測

3.3 結果分析

通過上述實驗結果分析可知，航天器密封艙內結構裝配精度檢測系統主要用于檢測儀器板裝配及設備安裝支架裝調兩方面。在儀器板裝配檢測中，所設計系統檢測結果與實測值基本保持0.001 mm左右的檢測誤差；在設備安裝支架裝調檢測中，所設計系統檢測結果與實測值最大誤差為0.05 mm。所設計系統的裝配檢測準確度高，能夠應用于航天器密封艙內結構裝配精度檢測中，實現航天器密封艙內結構精準裝配。

4 結束語

機器視覺技術是一種新興技術，能夠代替人眼檢測，具有精準度高、實時檢測的特點。就目前來說，大部分生產商采用機器視覺檢測技術代替人工檢測技術，避免誤檢、漏檢現象發生。針對航天器密封艙內結構精準裝配檢測需先了解運行現場環境，設定具體檢測標準。

航天器密封艙內結構精準裝配檢測依賴因素較多，但制造業需求元素是具有決定性的。結構精準裝配對機器視覺需求提升決定了檢測技術由以往單純采集、分析逐漸朝著開放性方向發展，這一趨勢也決定了機器視覺將與自動化技術完美融合。在未來，隨著航天器對產品高質量需求越來越高，機器視覺將成為廣泛用武之地。