基于機器視覺的航空導管檢測方法*

白雪山，席劍輝，徐 悅，傅 莉，張修瑞

（1.沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 110850；2.沈陽航空航天大學自動化學院，沈陽 110136；3.沈陽航空航天大學航空航天工程學部，沈陽 110136；4.成都飛機工業（集團）有限公司，成都 610091）

0 引言

航空導管是一種廣泛應用于油、水、氣等非腐蝕性或腐蝕性介質傳輸的管道，如果端頭接口型面不均勻或精度不高，而檢測又未能及時發現問題，就會造成管道滲漏，威脅到擴口航空導管傳輸介質的安全性和傳輸可靠性。在航空領域，飛機上的航空導管因工作壓力與工作環境不同，對接頭連接的強度、密封性有著不同的需求，因此，航空導管端頭結構設計形式多樣，有擴口接頭、無擴口接頭、波紋接頭等，對這些端頭加工質量的檢測十分困難［1］。加工誤差造成的質量問題如滲漏等不僅對飛機的正常裝配造成了嚴重的影響，也直接關系到飛行使用和安全，同時對飛機的維護也造成極大的不便。

目前，航空導管型面尺寸檢測多采用人工測量，效率低，誤差大。近年來三坐標測量機［2］的應用日益增強，可以實現高精度的三維測試，但必須逐點測量，速度慢，而且價格昂貴。視覺測量技術是一種快速、高精度、多信息的全貌測量技術，把圖像點云數據作為檢測和傳遞信息的載體，從中提取出有用的信號，通過計算處理獲取所需的各種參數及對象的三維表面數據［3-5］。機器視覺在航空復雜型面檢測，蒙皮外型面測量等方面已有較好的應用。本文采用激光視覺三維掃描技術［6-8］，研究航空導管端頭型面三維建模檢測系統，測試加工精度并做誤差分析，最終實現航空導管端頭型面的精確檢測。

1 航空導管端頭成型檢測系統設計

圖1 為航空導管端頭激光視覺測量示意圖，當航空導管進入測量視野范圍，激光投射器發射出激光平面，光平面與被測物體表面相交，在空間中形成一條被物體表面高低調制的曲線，同時由攝像機進行實時同步拍攝圖像。拍攝的圖像交由上位機軟件系統進行處理，提取出激光線在圖像上的投影像素坐標，并結合相機和光平面的數學模型即可求取物體表面相應點的三維坐標。

圖1 航空導管擴口激光視覺測量示意圖

為實現以上測量過程，設計系統主要包括視覺測量和伺服驅動機構兩部分：

1）伺服驅動部分固定在底座上，主要包括直線模組、電動機及光路微調機構。采用精密級直線模組作為線結構光的滑動平臺，運行平穩、定位精準。采用高精度電機、驅動器及運動控制卡對滑動平臺進行拖動及控制，可靠性高。采用光學微調轉臺承載線結構光視覺檢測裝置，使光平面的空間相對位置具有可調性，保證了檢測數據的可靠性和一致性；

2）視覺測量系統是測試平臺的核心部分，負責待測航空導管端頭的測量、數據傳輸和參數計算等功能，含激光器、相機、圖像采集卡等，完成圖像獲取和視覺處理功能。

2 航空導管端頭成型檢測系統算法設計

2.1 航空導管擴口視覺測試平臺的數學模型建立

按照數據操作、高級算法和初級算法3 個層次設計軟件架構如圖2 所示。

圖2 系統軟件架構圖

數據操作層：打造美觀、友好、易操作的人機界面，直觀顯示航空導管端頭型面三維成型結果、三維尺寸測量結果和誤差分析，不依賴于第三方數據處理軟件。

高級算法層：包括系統標定、三維建模數據測量和處理，提供給操作層并接受來自操作層的輸入參數和命令。

初級算法層：測量系統高效、準確、快速運行的基礎，主要包括：1）多視拼接。受攝像機視場范圍的限制以及被測物體自身相互遮擋的影響，有時需要移動測量設備或被測對象來進行多視測量。數據拼接即把不同視角拍攝的航空導管端頭型面進行正確連接，從而得到航空導管端頭不同面的完整的三維數據；2）圖像處理。視覺測量技術容易被測量過程中的環境光照、物體不同材質等因素影響。需要采用有效的噪音濾除方法，提高測量系統應用環境的魯棒性。最終獲取的三維點云數據將提供給高級算法層。

圖3 激光視覺檢測試驗平臺數學模型

其中，R 和t 分別為世界坐標系到攝像機坐標系的旋轉矩陣和平移向量，E 為3×3 的單位矩陣，K 為攝像機內參數矩陣，形式如下：

式中，fu和fv分別為CCD 像平面上u 和v 的尺度因子，γ 是u 和v 不垂直因子，u0和v0是像平面的中心點坐標。

通常相機鏡頭存在光學畸變，使用針孔模型不能準確地描述基于激光技術的大直徑擴口航空導管視覺測試平臺的數學模型，因此，需要考慮畸變模型。一般采用一階徑向畸變即可滿足系統測量精度的要求。一階徑向畸變模型如下：

設線結構光在攝像機坐標系下的方程為：

綜上所述，更昔洛韋聯合利巴韋林霧化吸入治療可明顯提高小兒皰疹性咽峽炎治療效果，改善患兒臨床癥狀體征，提高血清IgG、IgA、IgM水平。但本研究納入病例數目有限，觀察指標較少，未能全面評價其效果，有待作進一步研究探討。

其中，a 為平面方程系數向量。測量前將擴口航空導管加持在V 型塊上即可。測量過程中伺服機構帶動非接觸視覺檢測單元運動，當擴口進入測量視野內時，激光發射器投射出的光源會在擴口內壁表面產生反射，反射的光線被相機接收。通過圖像處理技術可以獲取P 點的計算機圖像坐標p~'，通過標定可知相機內參數矩陣K 和激光系統方程系數，則聯立式（2）～式（5），可以確定P 點在相機坐標系下的三維坐標，為下一步錐體建模和錐度計算提供點云數據。

2.2 基于點云噪聲分類濾波的錐體建模

基于非接觸視覺檢測技術的擴口測量過程中，不可避免地會受到環境光、被測物表面強反射光等因素的干擾，造成測量數據出現噪聲點，嚴重影響到點云分割、特征提取、曲面重建、誤差分析等一系列的后續處理過程。因此，必須首先對點云噪聲進行濾除。因為擴口錐面為連續曲面，投射到其上的激光曲線也應為連續的亮線，通常噪聲的作用會產生兩種效果：1）使激光邊緣產生毛刺；2）在主體點云外產生小的局部亮點。兩種情況都會導致激光條紋像素識別錯誤。基于錯誤識別的像素建立擴口椎體模型必然存在較大的誤差，因此，必需對掃描的激光圖像進行點云噪聲濾波。

考慮不同干擾的作用效果不同，同一種濾波方法很難同時濾除兩種干擾。為此，改進鄰域聚類法對激光像素點進行分類，進而實現濾波。

令Si為第i 個點云集合，在未被標記的點云中任選一點為p，令p∈Si，設置鄰域半徑r，找到離p點最近的k 個點為

所有點都被標記后，得到n 個點云子集S1，S2，…，Sn。如果一個子集中點數過少，則該子集為孤立的局部亮點；如果一個子集的體積過小，則該子集為匯聚在一起的局部亮點。這些子集是前述第2）種噪聲引起，都可以作為噪聲從點云中去除。

針對第1）種噪聲，在式（8）的基礎上，將p 點也看成本身鄰域中的點，得到點p 的第2）種鄰域集合為

為反映鄰域內點的變化特征，可計算協方差矩陣為

將擴口錐體看成一種二次空間曲面，其模型方程可一般化為

（x，y，z）為擴口錐體S 上某點p 的三維坐標，上式寫成矩陣形式

根據濾波后的點云數據，采用最小二乘法擬合系數向量［c20c11c02c10c01c00］，使得

取最小。此時對應的式（14）即為建立的錐體模型。

3 測量結果及誤差分析

采用本文方法測量一種擴口航空導管錐角，如圖4 所示。航空導管制造模具角度在72°～74°之間。經過線激光掃描，對點云數據采用最小二乘擬合，得到典型的端頭錐面模型如圖5 所示，能夠反映擴口錐體特征。該界面主要分為參數設置、三維建模和測量結果及其誤差分析3 個模塊。參數設置可以插入、修改和刪除檢測標準，作為誤差分析的參考值；三維建模直觀顯示所測型面的三維模型，如果航空導管滿足精度要求，顯示“OK”，否則顯示“NO”。測量結果及其誤差分析則給出定量的計算結果，點云數據的平均誤差、最大誤差等，方便用戶掌握航空導管端頭的加工信息。

圖4 為對應錐角角度符合要求的航空導管，即錐角滿足72°要求。為驗證計算精度指標，采用三坐標機接觸式測量的結果作為參考值，與本文方法比較，部分結果如表1 所示。可以看出本文非接觸激光視覺方法與三坐標機測量結果的誤差小于0.2°，精度符合要求，但一次性測量的時間小于30 s，與三坐標機小時級的測量時間相比極大地提高了工作效率。

圖4 航空導管擴口測量界面

表1 擴口航空導管擴口角度測量結果

4 結論

本文設計了一個基于激光視覺技術的航空導管端頭三維型面測量及建模系統。硬件主要包括伺服驅動機構和視覺測量單元。視覺測量是功能核心，伺服驅動是運動載體，二者結合保證視覺測量單元可以在一定范圍內調整最佳視角，實現一定直徑范圍內的航空導管端頭三維建模，完成精確、快速的測量提高航空導管端頭加工質量的檢測精度和效率。實驗結果表明所建系統測量精度與三坐標機測量結果相近，但一次測量結果小于30 s，工作效率可得到極大提高。