李偉剛，徐利明，李建林

（海軍潛艇學(xué)院，青島，266199）

0 引 言

發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)是潛艇上將導(dǎo)彈從發(fā)射筒內(nèi)彈射出海面的重要系統(tǒng)，主要由動(dòng)力彎管、冷卻器和燃?xì)獍l(fā)生器等部件組成。平常各部件存放在技術(shù)陣地，需要時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)到艇上進(jìn)行吊裝，是核潛艇導(dǎo)彈武器系統(tǒng)技術(shù)準(zhǔn)備的主要工作之一。由于核潛艇和導(dǎo)彈涉密程度高，國外該系統(tǒng)的吊裝技術(shù)和方法未見文獻(xiàn)和公開報(bào)告。當(dāng)前，艇隊(duì)主要人工完成吊裝，首先使用手拉葫蘆和吊帶把動(dòng)力彎管、冷卻器和燃?xì)獍l(fā)生器依次垂直吊起，反復(fù)調(diào)整相對(duì)位置，直至把各部件連接法蘭面上的所有法蘭孔對(duì)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，很大程度上決定了吊裝速度，影響著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的保障效率和戰(zhàn)斗力再生成。由于艇內(nèi)安裝空間受限，各部件的體積和重量較大，移動(dòng)困難，造成快速對(duì)準(zhǔn)的難度很大。目前，裝配對(duì)準(zhǔn)主要靠艇員目視觀察來判斷偏差量，憑經(jīng)驗(yàn)判斷是否對(duì)準(zhǔn)[1]。這種方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)艇員的要求較高。

數(shù)字圖像處理技術(shù)至今已發(fā)展得較為成熟，利用簡單的成像設(shè)備進(jìn)行圖像采集，經(jīng)由計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力進(jìn)行分析運(yùn)算，可以快速得到圖像中所需的目標(biāo)[2]。所以，若采用圖像處理技術(shù)來代替人眼，則可以解決傳統(tǒng)對(duì)中方式中的一些難題，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)裝配?；诖?，本文提出一種基于圖像處理技術(shù)的潛艇導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)裝配對(duì)準(zhǔn)方法。

1 對(duì)準(zhǔn)原理

發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)各部件連接法蘭孔的數(shù)量和直徑相同。本文以冷卻器和動(dòng)力彎管裝配對(duì)準(zhǔn)為例，動(dòng)力彎管安裝在發(fā)射筒動(dòng)力凸臺(tái)上，冷卻器用吊帶下放至動(dòng)力彎管連接法蘭面上方。動(dòng)力彎管與冷卻器連接法蘭面上對(duì)應(yīng)分布著一定數(shù)量（恰好是3的倍數(shù)）直徑相等的圓孔。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)硬件部分主要由 3臺(tái)電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)等組成。3臺(tái)CCD攝像機(jī)以120°間隔安裝在冷卻器連接法蘭面的3個(gè)圓孔內(nèi)（見圖1），圓孔的中心與攝像機(jī)視場中心即圖像中心一致，成像方向?qū)?zhǔn)且垂直于動(dòng)力彎管連接法蘭面，在攝像機(jī)視場中心固定一十字刻線，3臺(tái)攝像機(jī)視場中心十字刻線交點(diǎn)的連線組成一個(gè)等邊三角形，該等邊三角形的中心即在冷卻器圓柱形殼體的軸線上。對(duì)采集到的目標(biāo)圖像進(jìn)行處理，求出圓心坐標(biāo)，將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上，由此可以看到冷卻器連接法蘭孔圓心與動(dòng)力彎管連接法蘭孔圓心的偏差量，艇員據(jù)此調(diào)整冷卻器的位置，使兩圓心的偏差量處于規(guī)定的范圍內(nèi)。根據(jù)三位定心原理，這3對(duì)圓孔對(duì)準(zhǔn)了就能保證冷卻器與動(dòng)力彎管的對(duì)準(zhǔn)。

圖1 吊裝對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition Diagram of Hoisting Alignment System

2 圖像處理

2.1 圖像濾波

在吊裝過程中，動(dòng)力彎管連接法蘭面和CCD攝像機(jī)鏡頭上有可能沾染上灰塵，又受到CCD成像原理、CCD元器件自身質(zhì)量、環(huán)境光線以及法蘭面表面對(duì)光線的影響等因素的制約，CCD攝像機(jī)采集到的圖像不可避免會(huì)存在多種噪聲。噪聲在圖像中大多表現(xiàn)為高頻信號(hào)，因此需要濾除圖像中的高頻分量，但在濾除噪聲時(shí)要考慮最大限度地保留圖像中的結(jié)構(gòu)[3]。

SUSAN濾波算法是 1997年由英國牛津大學(xué)的Smith等人提出的，濾波性能全面優(yōu)于其它常用的濾波法，可以在濾除圖像噪聲的同時(shí)較好地保持圖像的細(xì)小特征結(jié)構(gòu)，并且能夠改善圖像的質(zhì)量并銳化目標(biāo)特征結(jié)構(gòu)，較好地保留圖像邊緣細(xì)節(jié)[4,5]。該算法的實(shí)質(zhì)是利用相似比較函數(shù)和高斯函數(shù)乘積作為權(quán)重的加權(quán)均值濾波。算法的表達(dá)式如下：

2.2 圖像分割

要求出法蘭孔圖像的圓心位置，首先要用圖像分割的方法從去除噪聲后的圖像中提取出圓孔圖像邊緣信息。圖像分割的算法可分為兩大類：基于閾值的圖像分割和基于邊緣的圖像分割[6]。濾波降噪后的圖像包括圓孔和背景，從實(shí)際圖像來看，圓孔與背景之間的對(duì)比度較大，并具有比較均勻、單一的灰度，故采用閾值法比較合適。

為提高分割速度，首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為信息量相對(duì)較少的二值圖像，為盡可能多保留圓孔信息，閾值的選取可根據(jù)灰度直方圖來選擇，圓孔和背景的灰度直方圖具有雙峰分布的特點(diǎn)，閾值選在兩峰之間，采用迭代法確定閾值T[7,8]。

設(shè)圖像J的灰度值范圍為[t1，t2]，先選取圖像灰度范圍的中值作為初始值T0，按式（2）進(jìn)行迭代計(jì)算。

式中kh為灰度為k值的像素個(gè)數(shù)，共有L個(gè)灰度級(jí)，迭代進(jìn)行到結(jié)束，取結(jié)束時(shí)的為閾值T。

二值化處理可用式（3）表示。

式中TJ為二值圖像。如果像素在圓孔上，則如果像素在背景上，則

2.3 邊緣提取

邊緣提取首先檢測出的是不連續(xù)的圖像邊緣，然后再將這些不連續(xù)的邊緣像素連成完整的邊界。這種不連續(xù)性通常是對(duì)鄰域內(nèi)的像素灰度值求一階或者二階導(dǎo)數(shù)和梯度來實(shí)現(xiàn)，也就是邊緣檢測局部算子法，邊緣提取算子主要有 Robert、Prewitt、Canny、Sobel算子等[9]。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Sobel算子具有較好的抗噪性，能有效地檢測目標(biāo)圖像的邊緣信息，得到動(dòng)力彎管法蘭孔的邊界圖像。

2.4 采取圖像掃描方式計(jì)算圓心坐標(biāo)

對(duì)法蘭孔的二值圖像，從理論上講只要能找到圓上任意兩條弦分別作其中垂線即可求得圓心坐標(biāo)。但二值化后的圖像邊緣并不十分平滑，并非標(biāo)準(zhǔn)圓形，若僅用少數(shù)幾根弦判別圓心將有很大誤差[10]。為了提高計(jì)算速度、確保精度，采取如圖2所示的方法，分別作平行于X軸的m條水平線及平行于Y軸的n條垂直線與圓相交得到兩個(gè)交點(diǎn)，在交點(diǎn)處灰度值f（x,y）跳變，從左到右記錄交點(diǎn)橫坐標(biāo)分別為同理，與圓相交得到兩個(gè)交點(diǎn)，從上到下記錄交點(diǎn)縱坐標(biāo)分別為經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，m，n取值約為500時(shí)，計(jì)算量適中且精度較好。圓孔圓心坐標(biāo)(a，b)的計(jì)算公式如下：

圖2 圖像掃描示意Fig.2 Schematic Diagram of Image Scan

3 對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

3臺(tái)CCD攝像機(jī)中心十字刻線成像于顯示器上，它們的交點(diǎn)即為冷卻器連接法蘭面上 3個(gè)裝有攝像頭的圓孔的圓心；相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力彎管連接法蘭面3個(gè)圓孔的圓心也可在顯示器上標(biāo)示出來。由此可看到十字刻線與目標(biāo)圓心之間的偏差量，艇員根據(jù)顯示的偏差方向和偏差量，調(diào)整冷卻器與動(dòng)力彎管之間的相對(duì)位置，即可保證冷卻器法蘭孔與動(dòng)力彎管法蘭孔的同軸度，實(shí)現(xiàn)兩者快速精確對(duì)準(zhǔn)，使裝配時(shí)螺栓能順利穿過兩個(gè)法蘭面上對(duì)應(yīng)的法蘭孔，提高了吊裝速度和效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果及誤差原因分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所用的CCD攝像機(jī)采用600線的高分辨率面陣CCD，冷卻器和動(dòng)力彎管連接法蘭孔的實(shí)際直徑為16 mm。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)軟件采用Visual C++6.0編程實(shí)現(xiàn)，完成圖像的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算處理、顯示位置偏差等。對(duì)采集到的圖像的處理結(jié)果如圖3所示。圖3a為動(dòng)力彎管法蘭孔的原始圖像；圖3b為經(jīng)過二值化處理后的圖像；圖3c為提取的單像素寬的圓周。

圖3 試驗(yàn)處理結(jié)果Fig.3 Experimental Results

試驗(yàn)時(shí)，讓冷卻器和動(dòng)力彎管兩者的法蘭面處于100～250 mm距離范圍內(nèi)，冷卻器每次下降50 mm靠近動(dòng)力彎管。當(dāng)在計(jì)算機(jī)顯示器上觀察到兩者對(duì)應(yīng)的法蘭孔已對(duì)準(zhǔn)時(shí)，記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)。整個(gè)試驗(yàn)過程得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental Data

從表1中可以看出，CCD攝像機(jī)距離動(dòng)力彎管法蘭面在100～250 mm范圍內(nèi)，法蘭孔的對(duì)準(zhǔn)精度能控制在0.15 mm以內(nèi)。

4.2 誤差原因分析

基于圖像處理技術(shù)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，在多個(gè)方面因?yàn)槎喾N原因產(chǎn)生影響對(duì)準(zhǔn)精度的誤差來源有：a）在圖像采集過程中，由于吊裝部件的不穩(wěn)定性、鏡頭視場光線的不均勻和光學(xué)系統(tǒng)的誤差等因素，會(huì)引起圖像失真和產(chǎn)生噪聲；b）CCD陣面自身軸線與法蘭孔的軸線不同軸，造成CCD視場中心與圓心不重合；c）圖像分割時(shí)閾值的選取誤差以及差分近似導(dǎo)數(shù)時(shí)的算子誤差。

上述誤差中，CCD陣面安裝誤差和光學(xué)系統(tǒng)誤差可以通過系統(tǒng)標(biāo)定有效降低；圖像中的噪聲誤差可以通過濾波降噪處理，絕大部分可以消除；閾值的選取誤差和算子誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度有限，當(dāng)要求的對(duì)準(zhǔn)精度不是特別高時(shí)，該誤差可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前潛艇上導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)各部件吊裝時(shí)需要艇員目視對(duì)準(zhǔn)連接法蘭孔的問題，研究了一種基于CCD圖像處理技術(shù)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，可以解決人眼觀察對(duì)準(zhǔn)所帶來的一系列問題。求得目標(biāo)圓孔的圓心位置，根據(jù)與 CCD攝像頭視場中心的偏差量來調(diào)整吊裝部件的位置，實(shí)現(xiàn)法蘭孔圓心的對(duì)準(zhǔn)偏差滿足精度要求。該方法經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能有效提高動(dòng)力系統(tǒng)吊裝的效率和準(zhǔn)確性，提升導(dǎo)彈裝備技術(shù)保障水平。由于采用了攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)吊裝過程的可視化，提升了態(tài)勢感知能力，確保了吊裝工作的安全性。