張 煒，袁立明，王曉東，孫 銳

（1.長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012；2.長春工業(yè)大學 工程訓練中心，長春 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配件之一[1]。汽車安全氣囊及其承載裝置的安裝過程中，其裝配輪廓的制造精度對氣囊應急使用性能有著重大影響[2]。因此，對汽車安全氣囊裝配輪廓的精度檢測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，導致檢測成本高、檢測難度大[3]。以往的檢測方法主要有檢具檢測法[4]和三坐標檢測法[5]，其檢測過程受人為因素影響較大、檢測效率低（檢具法超過10分鐘，三坐標法超過1個小時）、檢測成本高且精度較低，只可進行抽檢，不適合工業(yè)生產(chǎn)流水線在線檢測。

基于機器視覺技術(shù)設(shè)計了一種汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測設(shè)備，并采用該設(shè)備對奧迪安全氣囊進行裝配尺寸檢測，同時對檢測結(jié)果進行誤差分析，實現(xiàn)了對汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸的快速、精準、高效檢測。

1 檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

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

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

圖1 檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖2 氣囊定位固定機構(gòu)

1）氣囊豎直方向定位機構(gòu)

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

圖3 氣囊豎直方向鎖定機構(gòu)

2）氣囊水平方向定位機構(gòu)

氣囊水平方向定位機構(gòu)由4個結(jié)構(gòu)相同、兩兩相對的限位裝置（如圖4所示）組成。

圖4 限位裝置

其工作過程是：推動操控手柄，滑塊推桿推移滑塊，滑塊側(cè)面放松對杠桿推桿的頂持，再經(jīng)杠桿放松對頂桿的頂持，在頂桿回位彈簧的作用下，頂桿后退，帶動擋塊退到放松氣囊位置，此時可取下或放置氣囊。氣囊放上后，扳回操控手柄，解除滑塊推桿對滑塊的擠壓，滑塊在滑塊回位彈簧推動下，向滑塊推桿方向移動，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 檢測方法

汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測流程如圖5所示。

圖5 檢測流程圖

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構(gòu)上；然后開啟光源，通過CCD相機獲取安全氣囊裝配輪廓照片；最后對安全氣囊照片進行圖像規(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、對比度等統(tǒng)計特性指標調(diào)整到統(tǒng)一的范圍。

設(shè)安全氣囊照片具有M行N列個像素點，I(i,j)為某一點(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(i,j)的灰度。圖像規(guī)格化的計算方法如下：

其中，

M為原始圖像的協(xié)方差矩陣；

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

對安全氣囊照片中的每一個像素點均進行上述計算，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，需要對氣囊圖像進行二值化處理，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)為該點經(jīng)過二值化后的灰度值，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)進行迭代：

式中：k為灰度值；

hk為灰度為k值的像素個數(shù)；

L為不同灰度的數(shù)量。

取Ti+1=Ti時的Ti為閥值T。

2.1.3 圖像輪廓提取

輪廓提取的實質(zhì)是采用某種算法來提取出圖像中對象與背景間的交界線。

在以S(i,j)為中心的3×3領(lǐng)域上，計算x方向和y方向的偏導數(shù)，具體過程如下：

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：

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準的氣囊圖像，然后到待檢測圖像中尋找待匹配的圖像，如兩個圖像完全一致，則匹配成功。

將氣囊圖像模板T(M×N)疊放在待檢測圖像S(W×H)上平移，設(shè)待測圖為子圖Si,j，(i,j)為這塊子圖的左上角像素點在待檢測圖像中的坐標，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，因此可用下式來衡量T和Si,j的相似度[7]。取標準圖像與待檢測子圖交疊的部分中的一點的坐標，設(shè)為(m,m)，則：

將式(8)展開，可得：

其中，第三項是一個與(i,j)無關(guān)的常數(shù)。因此，可用式(10)來進行相似性測定：

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行試驗。將差分極限設(shè)為0，相關(guān)值判定值設(shè)為0.99。如檢測結(jié)果中的差分個數(shù)不超過差分極限，相關(guān)值不低于0.99，則可判定檢測的安全氣囊合格。檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測結(jié)果

隨機抽取二十組試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

試驗各數(shù)據(jù)的平均值，相關(guān)值和差分個數(shù)的標準偏差和相對標準偏差如表2所示。

表2 結(jié)果分析

相關(guān)值的平均系統(tǒng)誤差為：

通過上面的試驗可知，該檢測設(shè)備的系統(tǒng)誤差僅為0.00505，相關(guān)值的相對標準偏差僅為0.14%，平均執(zhí)行時間僅為291.37ms。因此采用該設(shè)備進行汽車駕駛員安全氣囊裝配尺寸檢測可以極大地提高檢測精度和檢測效率。

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設(shè)備，該設(shè)備解決了傳統(tǒng)檢測方法的缺點，提高了檢測精度和檢測效率，降低了檢測難度和人為因素影響，可取代原有的檢具檢測法和三坐標檢測法，變抽檢為全檢，適合工業(yè)生產(chǎn)流水線在線檢測，具有很大的實際應用價值。

[1] 薛振光.汽車安全氣囊發(fā)展趨勢分析[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)計及應用[J].中國制造業(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].機械設(shè)計與研究,2013,29(4)：40-41.

[4] 張立紅,賴思琦.發(fā)動機后蓋板孔位檢具設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2010,(5)：31-32.

[5] 王孝坤.利用三坐標測量儀拼接檢測大口徑非球面面形[J].紅外與激光工程,2014,43(10)：3410-3415.

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

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