龐學(xué)豐，王瑞文，張玉美，趙超澤

(天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300457)

0 引言

我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展迅速，航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配測(cè)量的難度也隨之增加[1]。航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)貫穿于航天器各個(gè)測(cè)試階段，需要將位姿檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給工作人員用于結(jié)構(gòu)精密調(diào)試，尤其在力學(xué)檢測(cè)階段，需先分析力學(xué)環(huán)境對(duì)設(shè)備安裝位姿影響，并在航天器結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試階段檢測(cè)航天器結(jié)構(gòu)變形后對(duì)安裝具體位置的影響[2-3]。采用人工檢測(cè)方法是一種人為接觸檢測(cè)方法，無(wú)法滿足當(dāng)代工業(yè)基礎(chǔ)檢測(cè)需求，基于此，提出了基于機(jī)器視覺(jué)的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)器視覺(jué)是一種非接觸性檢測(cè)方式，在不影響航天器運(yùn)行基礎(chǔ)上，被廣泛用于航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)非接觸性檢測(cè)之中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺(jué)的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程主要包括：首先由鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡構(gòu)成的圖像采集器采集被檢測(cè)目標(biāo)圖像，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)形式，再經(jīng)過(guò)圖像處理環(huán)節(jié)，提取像素分布、亮度與顏色特征信息[4]。之后再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輸出判別結(jié)果，去控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在圖1所示的總體結(jié)構(gòu)支持下，分別設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)光源單元、電源單元、圖像采集器單元及密封性檢測(cè)單元。

1.1 光源單元設(shè)計(jì)

在裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)中，光源直接決定著成像質(zhì)量，對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果具有較大的影響[5]。針對(duì)航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)，應(yīng)使用微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管作為照明裝置，該裝置主要是由上、下分布布拉格反射鏡、諧振腔組成，微腔效應(yīng)改變了電磁場(chǎng)模式結(jié)構(gòu)，增大了波長(zhǎng)光模式密度，因此，微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管比普通LED燈發(fā)光效率更高[6]，諧振腔發(fā)光二極管具有穩(wěn)定波長(zhǎng)[7]。光源實(shí)際安裝位置如圖2所示。

圖2 光源的安裝位置

為滿足實(shí)際檢測(cè)需求，共適配3個(gè)線性光源，其中1、2線性光源分別以一定角度照射側(cè)邊引腳，3光源垂直照射批號(hào)區(qū)域[8]。確定像素分布、亮度與顏色特征信息后，根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，使用微電流高效率650 nm諧振腔發(fā)光二極管作為照明裝置，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)光源單元；選擇4NIC-UPS27型號(hào)二體化不間斷供電模式為系統(tǒng)提供電源，設(shè)計(jì)電源單元；利用外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，縮短數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間，并借助復(fù)雜可編程邏輯器件獨(dú)立完成采集功能。

1.2 電源單元設(shè)計(jì)

電源單元是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的電能來(lái)源，在該檢測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)交直流兩種型電源，既可以使用36 V直流供電形式，也可有使用220 V交流供電形式[9]。為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，在下位機(jī)檢測(cè)裝置中，應(yīng)選擇4NIC-UPS27型號(hào)二體化不間斷電源，該電源功率密度大、抗干擾性強(qiáng)，同時(shí)，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)交直流電在0～0.5 s內(nèi)快速切換，適用于不同設(shè)備供電需求。當(dāng)使用電池供電模式時(shí)，就可以電池為主電源，也可將其作為后備電源[10-11]。

1.3 圖像采集單元設(shè)計(jì)

圖像采集單元是利用現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)時(shí)采集圖像信息，圖像采集在數(shù)字處理、識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。以往圖像采集是利用采集卡將CCD攝像機(jī)模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)的，然后再傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。雖然該設(shè)備簡(jiǎn)便，但存在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)問(wèn)題，造成數(shù)字化視頻圖像質(zhì)量較差，且分辨率較低。因此，選擇外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，帶1路HDMI環(huán)出和音頻輸出，可接大屏、電視機(jī)等顯示設(shè)備，1路3.5音頻輸出接口，可接耳機(jī)或音箱，使操作者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)圖像畫面[12]。外置USB3.0接口，傳輸速度快、延遲小，是USB2.0輸出速度的10倍[13]。

在高速圖像采集處理過(guò)程中，需要使用速記存儲(chǔ)器縮短數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間。控制采樣圖像傳感器，可以使用FPGA，控制圖像傳感器采樣，并控制SRAM，待圖像采集完成后，需要借助復(fù)雜可編程邏輯器件獨(dú)立完成采集功能[14]。

1.4 密封艙性能檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

在密封艙密封性能檢測(cè)單元中，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能儀器包括V500PRO 鍵盤、顯示頁(yè)面、LOEASE計(jì)時(shí)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、My Cloud EX2 Ultra 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、M02S微型打印機(jī)、看門狗及輸入/輸出控制接口，在密封性檢測(cè)單元中，可用于各部分功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。密封艙性能檢測(cè)單元設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 密封艙性能檢測(cè)單元

在光源單元和電源單元支持下，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)功能，以STC89C52RC-40I-PDIP40單片機(jī)中央控制單元為核心芯片，分析各個(gè)性能指標(biāo)，以此檢測(cè)密封艙密封性能。

2 基于機(jī)器視覺(jué)軟件部分設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及密封艙性能檢測(cè)單元的基礎(chǔ)上，依據(jù)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理，對(duì)采集到的航天器密封艙體裝配圖像進(jìn)行預(yù)處理，并設(shè)計(jì)儀器板裝配檢測(cè)流程及設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測(cè)流程，由此完成航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理

由圖4可知：該檢測(cè)過(guò)程所需設(shè)備包括光源、工件、鏡頭、相機(jī)、采集卡及圖像處理軟件等。機(jī)器視覺(jué)是使用機(jī)器人代替人眼測(cè)量與判斷的，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為信號(hào)形式，再傳送給專用圖像處理軟件之中，根據(jù)像素亮度、顏色指標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號(hào)形式。根據(jù)目標(biāo)特征檢測(cè)密封性，以此控制航天器現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作。

2.2 圖像預(yù)處理

在進(jìn)行圖像采集過(guò)程中，不可避免會(huì)受到外界噪聲影響，因此，需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，如圖5所示。

圖5 預(yù)處理效果圖

以圖5(a)所示的零件為基礎(chǔ)，需要獲取特征信息包括具體大小及位置坐標(biāo)。在該零件上存在若干個(gè)白點(diǎn)，即為噪聲，為了避免該噪聲對(duì)圖像采集結(jié)果造成影響，需使用非線性濾波算法增強(qiáng)圖像，計(jì)算公式如下所示：

Zij=(Sij-Mean)*λ+Sij

(1)

式(1)中,Zij為圖像經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的序列；Sij為圖像在未進(jìn)行增強(qiáng)處理前圖像序列；λ為比例系數(shù)；Mean為求數(shù)組平均值的函數(shù)；ij為圖像序列。

在去除噪聲的同時(shí)，使用非線性濾波算法還能保持圖像邊緣信息，使圖像變得更加清晰，也從圖中可看出，原始圖像上若干白點(diǎn)被濾除。

2.3 儀器板裝配檢測(cè)流程

1)航天器密封艙體停放到指定工位；

2)使用激光跟蹤儀構(gòu)建激光雷達(dá)聯(lián)合站；

3)航天器整艙基準(zhǔn)是由激光跟蹤儀轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)上；

4)在艙體前端設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，將整艙基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至艙體前端；

5)儀器板初步裝配后，激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量前測(cè)點(diǎn)，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)；

6)精測(cè)儀器板，獲取需要檢測(cè)的裝配數(shù)據(jù)；

7)檢測(cè)裝配數(shù)據(jù)，裝配調(diào)整墊片；

8)測(cè)量前端測(cè)點(diǎn)，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)；

9)復(fù)測(cè)儀器板，檢測(cè)裝配精度，若不滿足，則需重新調(diào)整。

通過(guò)檢測(cè)流程，可以得到儀器板安裝精度數(shù)據(jù)，并由此及時(shí)檢測(cè)出儀器板裝配精度。

2.4 設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測(cè)流程

在儀器板裝配檢測(cè)完成后，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備安裝支架進(jìn)行裝調(diào)檢測(cè)，此時(shí)儀器板完全固定，具有良好承載力，不會(huì)因?yàn)橹Ъ馨惭b影響自身精度。設(shè)備安裝支架的裝配檢測(cè)流程，如下所示：

1)將設(shè)備安裝支架安裝到位，以此為基準(zhǔn)，構(gòu)建激光跟蹤儀構(gòu)建激光雷達(dá)聯(lián)合站；

2)航天器整艙基準(zhǔn)是由激光跟蹤儀轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)上，在艙體前端設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，采用激光雷達(dá)掃描點(diǎn)將整艙基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到艙體前端，完成儀器板初步裝配后，激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量前測(cè)點(diǎn)，恢復(fù)整艙基準(zhǔn)(該步驟與儀器板的裝配檢測(cè)步驟一致)；

3)根據(jù)支架精測(cè)數(shù)據(jù)逆向建模，并編制數(shù)據(jù)加工程序；

4)拆除設(shè)備安裝支架，離線加工設(shè)備安裝接口；

5)復(fù)位設(shè)備安裝支架，復(fù)測(cè)支架接口精度；

6)檢測(cè)后需重新安裝設(shè)備支架。

依據(jù)該流程，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于機(jī)器視覺(jué)的航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，采用MATLAB仿真軟件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大型密封艙的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 航天器密封艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖6中密封艙開(kāi)口主要位于密封艙左側(cè)，整個(gè)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)含有大量?jī)x器板，并且個(gè)別儀器板安裝接口精度要求較高，測(cè)量極其困難。因此，需先統(tǒng)計(jì)密封艙數(shù)據(jù)表，如表1所示。

表1 密封艙數(shù)據(jù)表

航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精密裝調(diào)技術(shù)是為了解決艙內(nèi)半開(kāi)放環(huán)境下，內(nèi)結(jié)構(gòu)精密裝調(diào)過(guò)程所遇到的難題而進(jìn)行的裝配工藝研究。因此，在對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)從儀器板和支架兩方面裝調(diào)檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.1 儀器板裝配檢測(cè)

針對(duì)儀器板精測(cè)數(shù)據(jù)分析，安裝調(diào)整墊片使其滿足儀器板精裝需求，消除因板面變形而帶來(lái)裝配應(yīng)力。

墊片示意圖如圖7所示。

圖7 調(diào)整墊片安裝示意圖

根據(jù)圖7所示的安裝方式調(diào)整墊片后，儀器板裝配精度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 儀器板裝配精度實(shí)測(cè)值

在表2所示數(shù)據(jù)支持下，分別采用人工檢測(cè)和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)儀器板裝配精度檢測(cè)，如圖8所示。

圖8 兩種系統(tǒng)對(duì)儀器板裝配精度檢測(cè)

由圖8可知：使用人工檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差較大，尤其在項(xiàng)目M4處相差最大，在M1處相差最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是人工檢測(cè)系統(tǒng)采用接觸式檢測(cè)方式，使檢測(cè)的結(jié)果添加了人為因素，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不精準(zhǔn)。而使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用非接觸式檢測(cè)方式，避免人為因素影響，具有良好檢測(cè)結(jié)果，在項(xiàng)目M1、M5處與實(shí)測(cè)值大小一致，在其余三處與實(shí)測(cè)值相差較小，基本保持在0.001 mm檢測(cè)誤差。

3.2 設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測(cè)

航天器密封艙平面上部為支座實(shí)際加工余量，其特征能夠真實(shí)反映出航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 支座的實(shí)際平面與理論平面位置關(guān)系

確定加工位置后，開(kāi)展數(shù)控編程，按照裝調(diào)流程完成調(diào)試后，設(shè)備安裝支架裝調(diào)精度指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 設(shè)備安裝支架裝配精度實(shí)測(cè)值

在表3所示的數(shù)據(jù)支持下，分別采用人工檢測(cè)和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備安裝支架裝配精度檢測(cè)，如表4所示。

由表4可知，使用人工檢測(cè)系統(tǒng)依然存在人工干預(yù)問(wèn)題，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在較大誤差。而使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)沒(méi)有人工干預(yù)問(wèn)題，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較小。雖然人工檢測(cè)系統(tǒng)受到人工干預(yù)影響，但檢測(cè)值與實(shí)測(cè)值最大誤差為0.05 mm，說(shuō)明對(duì)于設(shè)備安裝支架裝配精度檢測(cè)無(wú)論哪種系統(tǒng)都具有良好檢測(cè)效果。

表4 兩種系統(tǒng)對(duì)設(shè)備安裝支架裝配精度檢測(cè)

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)主要用于檢測(cè)儀器板裝配及設(shè)備安裝支架裝調(diào)兩方面。在儀器板裝配檢測(cè)中，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本保持0.001 mm左右的檢測(cè)誤差；在設(shè)備安裝支架裝調(diào)檢測(cè)中，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值最大誤差為0.05 mm。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的裝配檢測(cè)準(zhǔn)確度高，能夠應(yīng)用于航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一種新興技術(shù)，能夠代替人眼檢測(cè)，具有精準(zhǔn)度高、實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)。就目前來(lái)說(shuō)，大部分生產(chǎn)商采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)代替人工檢測(cè)技術(shù)，避免誤檢、漏檢現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配檢測(cè)需先了解運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)定具體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

航天器密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配檢測(cè)依賴因素較多，但制造業(yè)需求元素是具有決定性的。結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)裝配對(duì)機(jī)器視覺(jué)需求提升決定了檢測(cè)技術(shù)由以往單純采集、分析逐漸朝著開(kāi)放性方向發(fā)展，這一趨勢(shì)也決定了機(jī)器視覺(jué)將與自動(dòng)化技術(shù)完美融合。在未來(lái)，隨著航天器對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量需求越來(lái)越高，機(jī)器視覺(jué)將成為廣泛用武之地。