劉明明, 劉雙喜, 朱增偉, 王　盼, 王金星

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018；2.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院, 江蘇 南京210016 )

基于雙目立體視覺的玻璃微珠運動軌跡觀測裝置

劉明明1, 劉雙喜1, 朱增偉2, 王盼1, 王金星1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018；2.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院, 江蘇 南京210016 )

摘要：針對摩擦輔助電鑄技術(shù)中工件在玻璃微珠的摩擦和擾動下，電鑄質(zhì)量明顯提高這一特性,研制出一種基于雙目立體視覺測量技術(shù)的玻璃微珠運動軌跡觀測裝置.該裝置的硬件系統(tǒng)主要由平動量可調(diào)機構(gòu)和圖像采集系統(tǒng)組成，軟件程序采用VC6.0與opencv機器視覺函數(shù)庫編寫.通過對靜態(tài)物體形態(tài)尺寸進行測量，驗證了系統(tǒng)的可靠性和可行性，為進一步探尋及優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)提供支持.

關(guān)鍵詞：雙目立體視覺； 玻璃微珠； 摩擦輔助電鑄技術(shù)； 運動軌跡

計算機雙目視覺測量技術(shù)是測量領(lǐng)域的重要分支,其基本原理是：從兩個視點觀察同一場景獲得一組圖像，然后通過三角測量原理和視差理論獲得不同圖像中對應(yīng)象素間的視差，來測量兩攝像機公共視場內(nèi)被測物體的三維形狀尺寸及空間物點坐標(biāo)，它是計算機視覺、機器人、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[1].

針對傳統(tǒng)電鑄工藝中陰極表面產(chǎn)生的麻點、針孔等缺陷，南京航空航天大學(xué)特種加工實驗室提出一種基于陰極平動的游離粒子摩擦輔助電鑄技術(shù)，即在電鑄過程中，將陰極工件放入浸滿電鑄液的玻璃微珠中，以平動運動方式帶動玻璃微珠摩擦、沖擊陰極表面，可以迅速、有效徹底地去除吸附氣泡和沉積表面的積瘤，減薄擴散層，有效地提高電鑄速度，明顯改善電鑄質(zhì)量[2-4].

為進一步探尋及優(yōu)化相關(guān)摩擦輔助電鑄技術(shù)的工藝參數(shù)，本文采用雙目立體視覺測量技術(shù)研制一種玻璃微珠運動軌跡觀測裝置，獲得在不同平動量撞擊下的玻璃微珠三維運動軌跡模型，以期為優(yōu)化摩擦輔助電鑄技術(shù)提供研究基礎(chǔ).

1系統(tǒng)總體設(shè)計與原理

試驗裝置總體結(jié)構(gòu)主要由機架、平動量可調(diào)機構(gòu)、圖像采集及處理系統(tǒng)、電鑄槽、電鑄直流電源等部分組成，裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.計算機； 2.調(diào)速電機； 3.機架； 4.平動量可調(diào)機構(gòu)； 5.CCD相機； 6.輸出軸； 7.電鑄槽圖1　裝置總體結(jié)構(gòu)

電鑄工藝前期工作準(zhǔn)備完畢后，開啟觀測裝置電源開關(guān)，調(diào)速電機的動力經(jīng)平動量可調(diào)機構(gòu)將平動運動由輸出軸輸出，輸出軸帶動陰極工件在充滿電鑄液的玻璃微珠中攪動，實現(xiàn)玻璃微珠對陰極工件表面的沖擊及摩擦；然后用搭建的空間正交雙目視覺測量系統(tǒng)采集圖像，最后經(jīng)相機標(biāo)定參數(shù)及視覺測量數(shù)學(xué)模型計算得到玻璃微珠的三維運動坐標(biāo)軌跡.裝置工作原理示意圖如圖2所示.

圖2　裝置工作原理示意圖

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1平動量可調(diào)機構(gòu)

平動量可調(diào)機構(gòu)可觀測在不同的平動量下電鑄工件質(zhì)量的優(yōu)劣，裝置采用整體對稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示.平動運動由輸入軸與偏心軸的偏心距來實現(xiàn)，偏心距離的大小決定平動量的大小.輸入軸上的偏心柱與從動軸上的偏心柱為左右對稱式，平衡攪動過程產(chǎn)生的附加彎矩，使裝置運動平穩(wěn).偏心柱內(nèi)開有T形槽，與其配合的偏心軸頭部也為T型，調(diào)節(jié)平動量時，松開偏心柱上的緊定螺釘，使偏心軸在T槽內(nèi)滑動，通過改變偏心軸與輸入軸的偏心距離來實現(xiàn)平動量的調(diào)節(jié).圖4為偏心柱和偏心軸的三維建模圖.

1.輸入軸; 2、8.偏心柱; 3、9.偏心軸; 4.平動連桿; 5.輸出軸; 6.箱體; 7.從動軸圖3　平動量可調(diào)裝置示意圖

1.緊定螺釘; 2.偏心柱; 3.偏心軸圖4　偏心柱與偏心軸三維建模圖

2.2圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要由工業(yè)CCD相機、PCI-E數(shù)據(jù)采集卡、光源及計算機等部分組成.選用Pointgery FL2-03SM-C型CCD相機，PB-088EAM型鏡頭(焦距8 mm)，PCI-E數(shù)據(jù)采集卡，829B889型條形光源.計算機的主要配置為：1G 內(nèi)存，Pentium(R)4，CPU(2.1GHz 主頻)，系統(tǒng)所進行的圖像采集處理及相關(guān)標(biāo)定算法均在本計算機上進行.

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件程序采用VC6.0與Opencv機器視覺函數(shù)庫編寫.首先對采集的圖像進行灰度化處理，將采集的8 位 BMP圖像轉(zhuǎn)化為256級BMP灰度圖像.然后對目標(biāo)圖像進行邊緣檢測，提取目標(biāo)的圓心作為匹配特征點，并對兩個相機參數(shù)進行標(biāo)定[5].通過雙目視覺測量系統(tǒng)[6]求解示蹤玻璃微珠的三維坐標(biāo)數(shù)值.軟件設(shè)計流程如圖5所示.

圖5　軟件設(shè)計流程圖

4結(jié)果與分析

4.1試驗條件及結(jié)果

試驗中玻璃微珠為透明玻璃微珠，直徑為0.8～1 mm，圓度為90 %以上，密度3.4 g/cm3.電鑄工藝參數(shù)：電流密度4 A/dm2，陰極旋轉(zhuǎn)速度200 r/min，電鑄液溫度40℃.電鑄液成分：氨基磺酸鎳(Ni(SO3NH2)2·nH2O)400 g/L，硼酸(H3BO3)30 g/L，氯化鎳(NiCl2)15 g/L.試驗時，將透明玻璃微珠放入電鑄槽體中，同時將單粒同參數(shù)黑色玻璃微珠作為示蹤微珠，使其初始位置在相機的視場范圍內(nèi)，設(shè)置初始平動量值為10 mm；開啟試驗裝置，兩相機同時各采集150張640×480的8 Bits位圖圖像作為研究對象.圖6為相機兩個方向采集的各6幀原始圖像，表1為該測量系統(tǒng)獲取的示蹤微珠的三維坐標(biāo)數(shù)值.

4.2精度分析

通過對靜態(tài)物體測量來驗證搭建系統(tǒng)的可靠性和可行性.測試試驗裝置：雙目視覺測量系統(tǒng)，外形尺寸為70 mm×50 mm×50 mm的長方體.圖7為采集的長方體模型圖像，圖中標(biāo)記出的4個棱角點位為模型在兩個相機視場中共有點. 本實驗采用交互式區(qū)域匹配方法[7-9]，計算還原4個棱角點的空間坐標(biāo)，并求出4條邊的長度.表2為長方體各條邊線的長度，圖8為還原模型.通過靜態(tài)系統(tǒng)試驗得出相對誤差為7.06 %，可以基本滿足實際應(yīng)用的要求.同時由于系統(tǒng)標(biāo)定誤差、測量系統(tǒng)相機正交約束安裝誤差影響了系統(tǒng)的測量精度.

(a)垂直方向CCD1相機采集的原始圖像　(b)水平方向CCD2相機采集的原始圖像圖6　相機兩個方向采集的原始圖像

幀頻數(shù)坐標(biāo)值/mmXYZ11.673.42152.0221.583.47152.0631.344.58152.8541.314.66152.7251.424.66152.8061.583.98152.3971.743.16151.9181.673.45151.4391.504.00151.62101.244.82151.94111.366.40151.28121.196.81151.32130.898.29151.58141.148.28151.58151.367.10151.21161.336.83151.18170.549.66151.52180.477.41151.18190.235.66150.87200.218.55151.31

圖7　長方體模型圖像

表2各邊線的長

線段L1L2L3L4實際邊長/mm50505050邊長/mm44.2644.645.6451.38誤差/mm-5.74-5.4-4.361.38平均誤差/mm -3.53標(biāo)準(zhǔn)差 3.325相對誤差/% 7.06

圖8　還原模型圖

5結(jié)束語

研制了一種基于雙目立體視覺測量技術(shù)的玻璃微珠三維運動軌跡觀測裝置，通過提取示蹤微珠的圓心作為匹配特征點，同時標(biāo)定相機參數(shù)，獲得玻璃微珠的三維坐標(biāo)軌跡.通過靜態(tài)試驗得到系統(tǒng)相對

誤差為7.06 %，驗證了該系統(tǒng)的可靠性和可行性，為進一步探究陰極平動摩擦輔助電鑄技術(shù)、優(yōu)化改善相關(guān)工藝參數(shù)提供了技術(shù)支持

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(編輯：郝秀清)

The research of the observation device of glass beads trajectory based on binocular stereo vision

LIU Ming-ming1， LIU Shuang-xi1, ZHU Zeng-wei2， WANG Pan1， WANG Jin-xing1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University, Tai′an 271018, China；2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:If the work piece is rubbed and disturbed by the glass beads in friction auxiliary electroforming technology, the quality of the electrodepositing will be obviously improved. Based on this feature, this paper developed an observation device of glass beads trajectory based on the binocular stereo vision measurement method. The hardware system of the device is mainly composed of a translational quantity adjustable mechanism and an image acquisition system, and the software program was written by VC6.0 and opencv machine vision function.Through the measuring, the shape size of the static object, it verified the reliability and feasibility of the system, which provides supports for further exploring and the optimization of the related technology parameters.

Key words:binocular stereo vision; glass beads; friction auxiliary electroforming technology; trajectory

收稿日期：2015-08-13

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(50975143)

作者簡介：劉明明,男, lmmjx@126.com; 通信作者： 王金星，男，jinxingw@163.com

文章編號：1672-6197(2016)05-0032-04

中圖分類號：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A