邵新發(fā)，程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

低壓斷路器是用于接通、分?jǐn)嚯娏€路負(fù)荷和各種短路故障的一種開(kāi)關(guān)器件，作為低壓配電系統(tǒng)的核心部件廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)中。如果其長(zhǎng)延時(shí)、可靠性等性能指標(biāo)未達(dá)標(biāo)，會(huì)影響配電系統(tǒng)正常工作，甚至?xí)＜跋到y(tǒng)及電力設(shè)備的安全，所以長(zhǎng)延時(shí)檢測(cè)是斷路器產(chǎn)品的重要指標(biāo)，而對(duì)螺釘?shù)目焖贉?zhǔn)確定位是完成長(zhǎng)延時(shí)檢測(cè)的關(guān)鍵一步，螺釘?shù)亩ㄎ痪葘?duì)斷路器長(zhǎng)延時(shí)測(cè)試起著至關(guān)重要的作用。

過(guò)去，斷路器螺釘調(diào)整環(huán)節(jié)多數(shù)采用人工手動(dòng)操作，具有隨機(jī)性大、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，后來(lái)采用激光點(diǎn)陣法對(duì)螺釘定位，雖然解決了隨機(jī)性大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，但依然存在以下缺點(diǎn):由于激光點(diǎn)陣掃描定位的規(guī)則限制，激光定位跟蹤螺釘具有較大的時(shí)滯性;由于螺釘尺寸較小、雙金屬片變形帶動(dòng)螺釘傾斜，從而影響激光定位精度。傳統(tǒng)的螺釘定位方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足自動(dòng)、快速、高精度的測(cè)試需求。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和CCD成像技術(shù)的發(fā)展，基于圖像處理的視覺(jué)定位得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］。本文針對(duì)斷路器長(zhǎng)延時(shí)測(cè)試螺釘無(wú)擾動(dòng)、高精度定位調(diào)節(jié)的難題，研究了一種用于斷路器脫扣螺釘快速跟蹤調(diào)整系統(tǒng)中的視覺(jué)圖像定位方法。此定位方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺釘實(shí)時(shí)、快速準(zhǔn)確的定位跟蹤，具有非接觸、柔性好、精度高和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［2］。

1 脫扣螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)原理與組成

脫扣螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括照明光源、圖像采集存儲(chǔ)單元、圖像處理單元、人機(jī)界面單元、PLC控制單元和螺釘調(diào)整控制單元。其中，照明單元提供系統(tǒng)采集圖像所需的特定光照條件;圖像采集存儲(chǔ)單元通過(guò)工業(yè)相機(jī)完成脫扣螺釘圖像實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，為上位機(jī)圖像定位算法處理做準(zhǔn)備;圖像處理單元通過(guò)基于VC++下OpenCV圖像處理軟件完成目標(biāo)鎖定，經(jīng)圖像預(yù)處理及定位算法完成定位目標(biāo)(脫扣螺釘)坐標(biāo)位置等特征提取;PLC控制單元接收上位機(jī)傳來(lái)的脫扣螺釘坐標(biāo)位置信息(即X，Y坐標(biāo)位置值)控制伺服電機(jī)動(dòng)作;螺釘調(diào)整控制單元最終執(zhí)行動(dòng)作將同心雙柔軸調(diào)整機(jī)構(gòu)配合X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)螺釘螺帽位置的準(zhǔn)確跟蹤調(diào)整［3］。

2 硬件選型

2.1 光源的選擇

機(jī)器視覺(jué)定位系統(tǒng)中，提供光源照明的目的是將被測(cè)物體與背景盡量明顯分別，以獲得高品質(zhì)、高對(duì)比度的圖像，光源的好壞直接影響輸入圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果［4］?？紤]到螺釘?shù)耐庑谓Y(jié)構(gòu)及實(shí)際的工況條件等因素，本系統(tǒng)選擇型號(hào)為L(zhǎng)DR－96LA－1－SW的CCS低角度LED環(huán)形光，采用白光LED直接照明方式。

圖1 脫扣螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)組成圖

2.2 CCD相機(jī)的選擇

近年來(lái)，視覺(jué)系統(tǒng)中常用的主要有基于CCD或CMOS兩種芯片的相機(jī)。CCD與CMOS相機(jī)相比在圖像傳感器上具有較優(yōu)的圖像質(zhì)量和靈活性;另外，CCD在靈敏度、信噪比及分辨率等方面均優(yōu)于CMOS圖像傳感器［5－6］。所以本系統(tǒng)選擇CCD相機(jī)。

螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)定位誤差要求≤0.2 mm，系統(tǒng)成像視場(chǎng)FOV為16 mm×12.5 mm，理論上計(jì)算相機(jī)分辨率應(yīng)不小于800×625，所以選擇分辨率為1 292H×964V(130萬(wàn)像素)的CCD相機(jī)。為減少M(fèi)3的外六角螺釘受背景色干擾的影響，提高圖像定位精度，本系統(tǒng)選擇了大恒圖像水星系列MER－125－30UC型號(hào)的彩色CCD工業(yè)數(shù)字相機(jī)。

2.3 相機(jī)鏡頭的選擇

成像視場(chǎng)FOV為16 mm×12.5 mm，鏡頭離螺釘工作距離為50 mm左右，所選CCD相機(jī)感光面尺寸為4.8 mm，由成像原理計(jì)算的焦距f=11.5 mm。在實(shí)際情況中，CCD的工作距離可稍作微調(diào)，所以本系統(tǒng)選擇焦距為12 mm，光闌系數(shù)F值為1.4的Computar M1214－MP2型號(hào)的百萬(wàn)像素系列光學(xué)鏡頭。

2.4 圖像采集卡的選擇

工業(yè)應(yīng)用上，考慮到圖像數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般均采用CCD攝像機(jī)與圖像采集卡組合的方式獲取圖像。圖像采集卡一般由圖像輸入、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、總線接口與控制、時(shí)序及采集控制、圖像處理和輸出及控制6個(gè)模塊組成。本系統(tǒng)采用的圖像采集卡是DH－VT140四路彩色圖像采集卡。

3 視覺(jué)定位系統(tǒng)軟件

脫扣螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)的監(jiān)控界面和圖像處理定位2部分以及下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)。監(jiān)控界面主要完成人機(jī)交互作用;圖像處理定位完成對(duì)采集的脫扣螺釘圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、中心點(diǎn)標(biāo)定，同時(shí)還進(jìn)行中心坐標(biāo)提取等工作;下位機(jī)PLC程序負(fù)責(zé)伺服運(yùn)動(dòng)控制功能。

3.1 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面系統(tǒng)以研華工業(yè)計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，采用西門(mén)子組態(tài)軟件WinCC編程環(huán)境，畫(huà)面組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，程序設(shè)計(jì)模塊化方法［7］;主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、過(guò)程監(jiān)控、信息記錄及處理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和通訊調(diào)試等功能。

3.2 圖像定位處理軟件

本視覺(jué)定位系統(tǒng)編譯環(huán)境是在Visual C++2010下，基于該平臺(tái)配置實(shí)用C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言完成軟件設(shè)計(jì)，調(diào)用OpenCV視覺(jué)函數(shù)庫(kù)完成圖像處理功能。首先，對(duì)原始圖片進(jìn)行感興趣區(qū)域(ROI)提取;然后，進(jìn)行預(yù)處理(如灰度轉(zhuǎn)換、濾波去噪等)、圖像分割和Canny邊緣檢測(cè);最后，根據(jù)Hough變換算法計(jì)算出六角螺釘?shù)淖鴺?biāo)中心點(diǎn)(CenterPoint.X，CenterPoint.Y)，并在圖像上標(biāo)識(shí)出來(lái)。

3.2.1 CCD 相機(jī)標(biāo)定

視覺(jué)定位系統(tǒng)首先要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，系統(tǒng)屬于二維視覺(jué)定標(biāo)，即通過(guò)一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，利用相機(jī)拍攝到的圖像像素平面還原空間中目標(biāo)平面的過(guò)程。本文采用了OpenCV中的張正友標(biāo)定法進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，通過(guò)角點(diǎn)搜尋函數(shù)cvFindChessboard()完成對(duì)標(biāo)定模板8×8棋盤(pán)格圖像自動(dòng)角點(diǎn)搜尋定圖像坐標(biāo)，為提高標(biāo)定精度，再利用cvFindCornerSubPix()函數(shù)通過(guò)迭代得到亞像素級(jí)角點(diǎn)位置。計(jì)算標(biāo)定板上任意兩個(gè)角點(diǎn)間圖像間距Δd(pixel)和該角點(diǎn)間實(shí)際間距Δdw(mm)，得物像間距比K=Δdw/Δd=0.078＜0.2，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)定位精度要求。

3.2.2 ROI區(qū)域提取

感興趣區(qū)域(regions of interest，ROI)即指最能表現(xiàn)圖像內(nèi)容的最有效區(qū)域，提取出這些區(qū)域?qū)?huì)大大降低圖像處理計(jì)算量，有效提高信息處理效率和準(zhǔn)確度［8］。本系統(tǒng)CCD相機(jī)拍攝距離為50 mm，成像視場(chǎng)面積為16 mm×12.5 mm。通過(guò)多次試驗(yàn)，斷路器六角螺釘螺母中心點(diǎn)偏移維持半徑為5 mm的圓內(nèi)，因此，可將相機(jī)拍攝六角螺釘?shù)闹行淖鳛镽OI區(qū)域基準(zhǔn)中心點(diǎn)，只需截取一個(gè)邊長(zhǎng)為10 mm(根據(jù)標(biāo)定后物像比值K，計(jì)算約為128 pixel)的正方形區(qū)域。提取螺釘ROI區(qū)域如圖2所示。

圖2 ROI區(qū)域提取

以下是提取螺釘ROI區(qū)域關(guān)鍵代碼語(yǔ)句:

3.2.3 圖像預(yù)處理與邊緣檢測(cè)

在源圖中提取ROI區(qū)域后，首先要對(duì)脫扣螺釘定位圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像采集中的噪聲干擾，提高信噪比改善圖像質(zhì)量以方便下一步的特征提取。圖像預(yù)處理包括圖像灰度變化和濾波去噪。為了更好地獲得圖像邊緣特征，針對(duì)圖像定位中的螺釘存在邊緣倒角的問(wèn)題，本文采用了環(huán)形雙峰閾值法，使邊緣環(huán)形目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域產(chǎn)生更好的對(duì)比度。高斯濾波既可以消除噪聲干擾又可以更好地保留圖像邊緣信息，本文采用了高斯濾波去噪的方法。

在圖像預(yù)處理后需要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣特征提取，即圖像邊緣檢測(cè)。常用的邊緣檢測(cè)算子有Canny算子、Robert算子、Prewitt算子和Sobel算子等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與其他算子相比Canny算子在本系統(tǒng)中采用去噪能力強(qiáng)，邊緣清晰，同時(shí)偽邊緣數(shù)明顯較少，采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)。圖像預(yù)處理及Canny邊緣檢測(cè)效果如圖3所示。

3.2.4 基于Hough變換中心提取

LED照明下CCD相機(jī)捕捉的微小六角螺釘邊緣已經(jīng)弱化，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理及Canny邊緣檢測(cè)后螺釘邊緣特征表現(xiàn)為一個(gè)小圓，如圖3(b)所示。這樣，定位六角螺釘中心轉(zhuǎn)化為尋找圓心的問(wèn)題。Hough算法是一類(lèi)針對(duì)尋找圖像中直線、圓或橢圓的方法，本文采用了投票機(jī)制Hough變化檢測(cè)圓心的方法，經(jīng)過(guò)投票策略獲得螺釘圓心CenterPoint.X，CenterPoint.Y)和螺釘半徑r等參數(shù)，該方法具有抗噪聲強(qiáng)、速度快和精度高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)Hough變化螺釘中心檢測(cè)定位結(jié)果如圖4所示。

圖4 螺釘中心檢測(cè)定位

3.3 下位機(jī)PLC程序

本系統(tǒng)PLC控制程序采用梯形圖模塊化編程，根據(jù)系統(tǒng)各、部分所需完成的動(dòng)作將主程序劃分為不同功能子模塊。程序模塊主要完成:系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)復(fù)位、斷路器壓緊合扣通電測(cè)試、圖像視覺(jué)定位、調(diào)整機(jī)構(gòu)跟蹤調(diào)整、測(cè)試計(jì)數(shù)及故障報(bào)警等。整個(gè)圖像視覺(jué)定位流程如圖5所示。

圖像視覺(jué)定位是整個(gè)程序模塊中重要一環(huán)，主要對(duì)CCD相機(jī)捕捉的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)處理與識(shí)別定位，完成雙金屬片上螺釘中心坐標(biāo)獲取，下位機(jī)PLC將上位機(jī)發(fā)送的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)控制X，Y兩方向電機(jī)動(dòng)作，調(diào)整機(jī)構(gòu)隨軸向移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)對(duì)螺釘完成跟蹤。

圖5 圖像視覺(jué)定位流程圖

4 伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

脫扣螺釘視覺(jué)定位系統(tǒng)最后的執(zhí)行者是伺服運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)送入的圖像定位的計(jì)算結(jié)果(螺釘中心坐標(biāo)(X，Y))，設(shè)定X、Y軸脈沖值送給PLC，由PLC控制調(diào)整機(jī)構(gòu)(由移動(dòng)平臺(tái)和柔性機(jī)械手組成)完成對(duì)脫扣螺釘?shù)淖詈蠖ㄎ?、調(diào)整動(dòng)作。整個(gè)動(dòng)作流程框圖如圖6所示。

圖6 視覺(jué)定位工作示意圖

伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PCI－8154運(yùn)動(dòng)控制卡及接近開(kāi)關(guān)等。運(yùn)動(dòng)控制部分共有4個(gè)自由度，移動(dòng)平臺(tái)的X軸左、右移動(dòng)及Y軸的前后移動(dòng)，柔性機(jī)械手的Z軸跟進(jìn)螺釘移動(dòng)，最后是柔性機(jī)械手調(diào)整螺釘時(shí)的繞Z軸正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。X、Y、Z軸上各裝有3個(gè)接近開(kāi)關(guān)作為正、負(fù)限位信號(hào)及零位信號(hào)。移動(dòng)平臺(tái)主要由X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、導(dǎo)軌、絲桿部件控制定位移動(dòng)功能，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 伺服控制結(jié)構(gòu)圖

伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要完成調(diào)整機(jī)構(gòu)復(fù)位、螺釘定位控制及調(diào)整動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)采用絲桿傳動(dòng)，絲桿每轉(zhuǎn)前進(jìn)5 mm行程，編碼器設(shè)置4 000個(gè)脈沖轉(zhuǎn)1周，則運(yùn)動(dòng)控制精度每脈沖達(dá)到1.25 μm，滿(mǎn)足系統(tǒng)定位指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的斷路器長(zhǎng)延時(shí)測(cè)試中，手工對(duì)脫扣螺釘和螺帽靜態(tài)調(diào)整的不穩(wěn)定性、效率低和調(diào)整精度難保證的問(wèn)題，提出了基于視覺(jué)圖像的螺釘定位跟蹤方法。系統(tǒng)采用工業(yè)CCD相機(jī)實(shí)時(shí)采集螺釘圖片，通過(guò)圖像處理技術(shù)完成對(duì)螺釘中心的定位跟蹤。伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)發(fā)脈沖控制伺服電機(jī)，并采用磁柵傳感檢測(cè)進(jìn)行位置反饋，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)螺釘X軸、Y軸、Z軸和θ角等方向上的精確定位。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫扣螺釘?shù)目焖佟⒕_定位，極大縮短了斷路器測(cè)試時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了斷路器測(cè)試自動(dòng)化。

［1］段紅旭，石永強(qiáng)，王寶光，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體視覺(jué)圖像定位方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2012(3):643－648.

［2］黃卉，李英暉，吳啟焱.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在螺釘多尺寸自動(dòng)化檢測(cè)中的應(yīng)用.國(guó)防制造技術(shù)，2011(4):39－41.

［3］程武山，許勇.低壓斷路器智能測(cè)試調(diào)整系統(tǒng)的基本原理.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010(2):115－117.

［4］耿璐，李睿.低壓斷路器智能測(cè)控系統(tǒng)中螺母的圖像識(shí)別.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011(10):3461－3464.

［5］傅霖來(lái).基于機(jī)器視覺(jué)的硬幣識(shí)別系統(tǒng)研究:［學(xué)位論文］.天津:天津大學(xué)，2009.

［6］熊平.CCD與CMOS圖像傳感器特點(diǎn)比較.半導(dǎo)體光電，2004(1):1－4.

［7］宋勇，郝群，王涌天，等.CMOS圖像傳感器與CCD的比較及發(fā)展現(xiàn)狀.儀器儀表學(xué)報(bào)，2001(S1):387－389.

［8］董林，程武山，司海立，等.低壓斷路器智能測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息，2009(28):53－55.