基于機器視覺的三維織造避障路徑規劃方法

李佳華，李建友，戰 麗，劉 陽,3，王 東

（1.機械科學研究總院先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100044；2.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 100083；3.清華大學 機械工程系，北京 100084）

0 引言

三維織造復合材料是通過三維立體織物的增強相與基體相（樹脂、金屬、陶瓷等）復合而成的新型復合材料[1]，不僅具備傳統復合材料比強度高和比模量高等優點，還具有抗分層、抗開裂高損傷容限以及耐高溫、耐疲勞等特點[2]。此外，由于制備工藝特點，三維織造復合材料具有可設計性強的優點，并且能夠實現復雜構件近凈成形，已在航空航天、交通運輸、民用熱工等領域得到了廣泛應用[3]。

近年來，隨著復合材料構件逐漸向著尺寸大型化、結構復雜化和內在致密化發展，對復合材料三維預制體成形制造裝備提出了自動化、數字化、智能化要求[4～6]。機械科學研究總院單忠德等人[7～10]提出基于數字化導向模板的柔性導向三維織造技術，通過三維CAD模型建模分層，數字化驅動層層織造出復合材料預制體，并且在厚度方向引入了導向結構，可以勾勒出預制體輪廓，方便引入Z向纖維，增強預制體層間結合力，最終實現復合材料預制體降維織造成形。

以數字化導向模板為基礎設計的織造路徑無法考慮導向陣列的不規則現象，實際生產過程中，導向陣列變形隨著織造層數的增加而增大，織造針容易與導向陣列發生碰撞，造成復合材料三維預制體結構錯誤，甚至導致織造針斷裂。為了能夠預測導向陣列變形狀態，實現三維織造路徑的動態調整，劉陽等人[11]以柔性導向三維織造技術為基礎建立了不同織造工藝單針織造路徑模型，并分析了織造過程中導向陣列形變問題。李平禮[12]通過有限元分析得到一定預緊力條件下導向棒變形情況，提出一種復合材料柔性導向三維分段織造和防變形方法。但仍無法在織造過程中實時檢測導向棒形變以及時調節織造路徑。針對實時檢測問題，學者們將機器視覺引入系統，潘如如等人[13]利用圖像處理技術實現了對機織物的經緯紗密度準確識別。張文昌等人[14]提出一種離線檢測與在線檢測相結合的數字化視覺定位方法，解決紡織印染行業大尺寸紗籠上密集紗桿數字化精確定位問題。華永明[15]將機器視覺應用于立體編織，針對鋼針變化調整鋪紗路徑。針對路徑規劃問題，Hartmut[16]提出一種能夠在存在不可預知的環境因素的情況下對機器人進行避障尋路行駛高級模糊導航方法。Kazuo[17]對柵格法進行改進，將改進的柵格法應用于解決障礙物長度確定、數目以及位置隨機的機器人最優路徑搜索。目前仍缺少針對柔性導向三維織造技術的避障路徑規劃研究。

為了降低柔性導向三維織造過程導向陣列初始位置偏差、導向陣列變形對織造機構的干擾，實現三維織造路徑動態調整，本文提出一種基于機器視覺的避障織造路徑規劃方法，首先采用機器視覺方法計算獲取導向陣列位置信息，利用固定于導向陣列正上方的CCD相機拍攝獲取導向陣列圖像信息，并通過圖像處理算法計算導向陣列實際位置，之后依據導向陣列位置信息設計避障織造路徑規劃算法，并通過試驗證明了基于機器視覺的路徑規劃方法可有效降低織造針碰撞率，提高三維織造效率和穩定性。

1 機器視覺系統

1.1 系統硬件結構

導向陣列位置視覺檢測系統與柔性導向三維織造設備配合，采用eye-to-hand方式，將相機固定于織造設備，位于導向陣列正上方，且不隨織造機構運動，以便于后續相機標定及導向陣列實際位置計算，如圖1所示?？椩爝^程中，根據視覺系統輸出數據得到導向陣列位置信息，由其實際位置進行后續織造路徑規劃，完成織造。

圖1 系統硬件結構圖

1.2 相機標定

在機器視覺中，計算機通過圖像信息和圖像處理算法推導出空間中物體的位置信息，并對目標物體實現識別和坐標重建，相機標定精度對控制系統至關重要。由于所檢測導向陣列端部大部分處于同一平面，且總體偏差不大，故三維織造機器視覺系統可簡化為二維測量系統。結合實際應用，相機標定以織造機構坐標系作為世界坐標系，忽略鏡頭畸變及安裝誤差的影響，采用九點標定法進行手眼標定。九點標定法原理是利用仿射變換，分別建立圖像像素坐標系O-UV和織造針末端坐標系O-XY，其成像模型如圖2所示。

圖2 成像模型圖

圖(2)中點P，Q為織造針末端工作平面與相機圖像對應兩點，坐標記為[x，y]T，[u，v]T，仿射變換公式為：

式(1)中Sx，Sy為兩坐標系縮放系數，Tx，Ty為兩坐標系平移尺寸，θ為兩坐標系之間旋轉角度。定義轉換矩陣H：

控制織造機構帶動織造針按順序移動到標定板上的九個點，九點順序如圖3所示。同時記錄九個點的織造針位置坐標，之后通過相機獲取標定板圖像，對這九個點進行定位，并計算出對應的像素坐標。即可得到不同P，Q對應坐標，由最小二乘法計算轉換矩陣H，即可由圖像坐標計算織造針實際位置坐標。

圖3 九點標定圖

2 避障織造路徑規劃

2.1 導向陣列檢測與定位

導向陣列端面為圓形，且與背景顏色區別較為明顯，首先進行圖像縮放、高斯濾波、二值化等圖像預處理。之后利用Canny算子檢測二值化圖像中導向棒邊緣，得到導向陣列位置的圖像信息，最后采用霍夫梯度圓檢測算法，通過限制檢測半徑、檢測距離等參數即可獲得導向陣列端面形心像素坐標系坐標及導向棒半徑像素值。檢測效果如圖4所示。

圖4 導向陣列檢測圖像

得到導向陣列圓心坐標后，為方便后續路徑規劃算法開發，對導向棒進行排序編號，圖像像素坐標系中，坐標軸方向及默認位置如圖5(a)所示?？梢钥闯?，此刻導向棒排列混亂，不利于后續避障路徑規劃中具體點位定位，因此按圖中左上到右下方向對坐標數據重新排序。首先判斷目標點是否為同一行，即先按Y坐標由小到大排序，此處值得注意的是，由于導向棒有一定形變，同一行導向棒Y坐標并不完全相同，而是存在上下浮動，因此加入誤差判斷，將同一行導向棒提取出來，再進行X坐標由小到大排序，實現最終排序效果，并為每一導向棒標記行列索引，便于后續查找定位操作，效果如圖5(b)所示。

圖5 排序效果圖

2.2 三向正交織造路徑分析

復合材料三維織造過程中，織造針攜帶纖維在導向陣列中間空隙行進，按導向陣列X，Y方向循環交叉鋪放纖維，默認織造路徑（單方向）如圖6(a)所示。在實際織造過程中，導向陣列有一定形變，且為了保證預制體成形質量，導向陣列間隙與織造針直徑相差不大，按照默認循環路徑進行織造，易出現導向棒阻擋織造針情況，如圖6(b)所示，導致織造效率降低，甚至損壞設備，因此在織造前根據導向陣列位置信息進行避障路徑規劃，保證織造運動順利進行。

圖6 三向正交路徑分析圖

2.3 避障路徑規劃算法

導向陣列位置信息已在之前檢測計算中得到排序后結果，每根導向棒位置坐標記為Ni，j(x，y)（i=0，1，2，….，m，j=0，1，2，…，n），m，n為導向陣列行數與列數，在確定預制體參數時同時計算得到。考慮織造針碰撞體積的避障路徑規劃步驟如下：

1）計算橫向，縱向相鄰導向棒中點坐標M(x，y)，計算公式如下：

2）添加初始路徑點P0(x，y)，P0(x，y)=M0，0(x，y)，

3）計算由當前路徑點下繼續添加默認路徑點，判斷是否發生碰撞，碰撞檢測計算如下：

式(6)中：xnext—下一點x坐標；

x1，x2—導向棒x坐標；

rbar—導向棒半徑；

rneedle—織造針半徑。

4）未發生碰撞情況下，繼續默認路徑，若檢測到Ni，j(x，y)與Ni，j+1(x，y)處碰撞，添加避障路徑，首先直線運動至Nj，i-1(x，y)y坐標高度處，之后沿該y坐標高度橫向運動至Ni，j(x，y)對應x坐標處，由中點直線通過空隙，最后回到下一間隙中點，按順序添加相應路徑點，繼續直線前進，標準避障算法流程圖如圖7所示。

圖7 避障路徑算法流程圖

應用避障路徑規劃算法進行18×18導向陣列織造路徑規劃，默認路徑與單循環路徑規劃結果如圖8所示，由圖可以看出，實際導向陣列產生形變，新規劃路徑能夠實現避障需求。

圖8 路徑對比圖

3 實驗與結果分析

3.1 實驗步驟

為了證明所規劃避障路徑可行性，首先驗證導向陣列位置信息檢測結果準確性。試驗所用導向陣列規模為18×18，導向棒直徑為1.5mm，導向陣列間距為3.0mm，織造針直徑為1.2mm，設備移動精度為0.01mm，試驗范圍如圖9所示，操控織造設備使得織造針移動至圖中紅色矩形框內5組導向棒正上方定位導向棒實際位置，以圖像檢測計算坐標與實際位置距離偏差作為誤差衡量依據，結果如表1所示。之后以三向正交工藝為基礎，結合導向陣列位置信息，分別生成默認X向路徑、默認Y向路徑、避障規劃X向路徑與避障規劃Y向路徑。設定設備基本織造速度為400mm/min，分別測試初始狀態、4層、8層、12層織造層數下不同織造路徑所需路徑點、織造時間、撞針率，以驗證避障路徑有效性。其中首層織造距離導向模板底端平面8mm，層間距設定為固定值2mm。

表1 選區45根導向棒位置誤差表

圖9 檢測結果準確性驗證選區圖

3.2 導向陣列位置檢測結果

實際檢測下，324根導向棒全部成功檢測，其中矩形框內45根導向棒檢測結果如表1所示，位置誤差最大為0.26mm，平均誤差0.13mm，滿足試驗要求。

3.3 三維織造路徑規劃實驗結果

表2 初始狀態織造結果記錄表

表3 織造4層后織造結果記錄表

表4 織造8層后織造結果記錄表

表5 織造12層后織造結果記錄表

由表中數據可知，避障規劃路徑由于添加更多路徑點，整體織造路徑增加，使得織造時間相對默認路徑有所延長，但所有織造層數下，撞針率整體降低60%左右。另外隨著織造層數的增加，默認路徑撞針率呈現逐漸下降趨勢，分析原因，是由于織造過程中，所鋪放纖維對導向陣列分布有一定約束作用，使得導向陣列內部更加規則，碰撞減少，但試驗過程中邊緣變形嚴重部分仍出現較多碰針現象，影響試驗進行。

4 結語

本文針對復合材料柔性導向三維織造工藝中，導向陣列不規則問題，提出一種基于機器視覺位置檢測的避障織造路徑規劃方法，得到結論如下：

1）機器視覺位置檢測系統在織造前對導向陣列進行定位檢測，檢測結果準確可靠，所輸出導向陣列位置信息能夠用于后續避障織造路徑規劃算法開發。

2）以三向正交工藝為基礎，分別采用默認路徑以及避障規劃算法設計織造路徑，引導設備進行織造。當采用避障路徑時，撞針率降低60%，且未出現導向棒嚴重阻擋織造針情況，成功補償導向陣列初始位置偏差，顯著提高了織造可控性水平，雖然相對于默認路徑織造，整體織造時間增加35%左右，但默認路徑下，由于路徑無法動態調整，容易出現導向棒嚴重阻擋織造針情況，影響設備安全性。因此基于機器視覺位置檢測的避障織造路徑規劃具有顯著的工程實用價值。