航天電連接器自動接收檢查關鍵技術分析

王大歡，閆建剛，焦廣銳，張廣豐，張海懋

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

電連接器作為連接火箭上各類電氣產品的媒介，廣泛存在于各類航天產品中。受產品空間尺寸的限制和電氣產品的多樣化影響，電連接器的型號和規格日益增多。為了在裝配前確認電連接器無多余物、歪針、縮針等質量問題，在所有電氣產品交付總裝時，需要對電連接器進行裝配前的接收檢查[1]。

目前，受檢查手段、產品型號、規格變化等影響因素的限制，接收檢查的工作由人工進行，工人需要對電連接器內部是否有多余物、插針是否有歪針和縮針現象進行判斷[2]，如果有多余物，則進行清理，如果有歪針和縮針現象，則需要聯系廠家進行處理，確認無問題的電連接器，則拍照進行多媒體留存和備查。如圖1 和圖2 所示，為航天產品所使用的典型電連接器。其中，圖1 為可動電連接器（插頭），一般情況下內部為插針；圖2 為固定電連接器（插座），一般情況下內部為插孔。

圖1 可動電連接器

圖2 固定電連接器

從以上操作流程可以看出，電連接器的關鍵部位一般由眾多插針或插孔組成，電連接器的接收檢查過程受操作人員和檢驗人員的情緒和視覺疲勞程度、個人檢查水平和經驗、工作環境的明暗變化等主客觀影響極大，并且，檢查效率相對較低，且其合格判定標準難以保持高水平和一致性。

為了提高接收檢查效率，并將其逐步標準化，引入機器視覺系統，對電連接器進行檢查。根據機器視覺檢查的流程，對其分為以下幾步[3]，如圖3 所示。

在以上幾個流程節點中，標準匹配、區域劃分、質量檢查是關鍵問題，關系到自動接收檢查系統的精度、效率、可信度，下面針對3 個關鍵問題進行分析。

1 標準匹配

在建立電連接器產品標準庫后，即可通過匹配標準，對同一型號的標準件和被檢件進行匹配。匹配的原則是將2 幅圖像中相同的場景或特征點進行匹配，并通過坐標變換，將2 幅圖進行匹配。

1.1 基于圖像區域的標準匹配方法

互相關法是最早的用于圖像配準的方法之一，其原理簡單，且性能穩定，因此使用非常廣泛。基于互相關法，Barnea 等[4]提出了一種序貫相似檢測算法，通過引入相似閾值的辦法減少了計算量，但是該算法降低了對亮度、對比度變化的穩定性。Anuta 等提出基于快速傅里葉變換的圖像配準，該方法不在空間域進行圖像配準，而是通過傅里葉變換，在頻率域內對比2 幅圖像的相似性，然后在頻率域和空域之間互相轉換，最終得到圖像配準結果。Shannon 等提出考慮2 幅圖像之間的交互信息衡量其相似程度。互信息法最早應用于醫學領域，主要用于醫學影像多模態圖像的對比和查看[5]。

互相關法的原理，即為采用圖像區域進行對比然后匹配，主要考慮整個圖像的相似性，圖像標準配準易于實現，但是其結果受圖像質量影響大，其對光照變化、圖像遮擋、視角變換等較為敏感，計算較為復雜。為了彌補該方法的不足，有學者提出基于特征的標準匹配方法。

1.2 基于圖像特征的標準匹配方法

基于圖像特征的標準匹配方法，采用圖片中有明顯特征的點、線或區域作為判別特征，考慮特征之間的相似性。特征點相對于區域，更能適應較復雜的幾何變換，因此處理復雜圖像的能力更強。同時，圖像中特征的數量遠少于像素點數量，使用該方法有更高的計算效率。

由于基于特征的算法主要使用的是圖像中的顯著特征進行標準匹配，因此對于圖像中相關特征的處理極為重要。特征的處理主要分為2 個部分，特征提取和特征匹配[4]。

在特征提取過程中，合格的特征點或位置應當具有以下特點：①易于計算其位置；②圖像的變形不影響其計算；③特征與特征之間差異明顯；④數量上要有保證；⑤提取速度快。

一般情況下，圖像中的點、邊緣、區域都可以作為圖像提取特征[6-7]。其中，點作為特征，可以直接使用其坐標作為特征位置，其計算較為準確，且對于各類對圖像本身影響較大的因素如亮度、尺寸等不敏感，因此應用最為廣泛。

特征的匹配是要從圖像特征集合中找出相互匹配的特征，并進行坐標變換，使圖像特征之間進行匹配。在對2 個特征集中的特征進行匹配的時候，對于特征維度低、特征數量少的問題，一般使用窮舉法，將特征逐一比較，得到最優匹配。

1.3 電連接器圖像標準匹配方法

航天產品電連接器由于結構形式上相對單一，采用區域配準和特征配準的方法均可以實現圖像匹配，但是由于部分連接器上有較深的凹槽和下陷特征，導致光線和明暗變化較大，且電連接器為了保證防差錯，不同的電連接器普遍有不同的特征，因此，采用基于特征的標準匹配方法相對有優勢。

在電連接器的結構中，由于人工對電連接器操作時，也需要區分其上的各種特征，主要分為以下幾類：①插針和插孔的點位特征；②電連接器的卡槽特征；③電連接器的邊線特征。

插針和插孔在目前的接收檢查過程中，對插針的主要檢查項目為其是否存在縮針和歪針的現象，對插孔的主要檢查項目，為插孔內是否有多余物。同一類型和型號的電連接器，其插針和插孔的位置是相對固定的，每個針和孔都具有唯一性，可以對部分特征直接進行標準匹配。

電連接器的卡槽特征，一方面是為了在電連接器的插接過程中起導向作用；另一方面，電連接器的卡槽基本為不對稱的設置，且有一個獨立特征或組合特征具有唯一性，可以使用該特征進行標準匹配。

目前在航天型號中使用的電連接器，其邊線特征主要有2 種，一種是圓形，使用外套螺母形式進行鎖緊；一種為方形，使用卡扣方式進行鎖緊[8]。不同針數的電連接器，其大小一般不同，且電連接器上的針、孔的位置排列一般也不同，可以使用其外形邊線、孔位、獨有特征進行提取和標準匹配。

2 區域劃分

圖像區域劃分就是通過對圖像中具有高度相似性的部分劃分到一起，而不同的區域之間圖像上的特征相差往往較大。對于電連接器而言，由于其內部的結構一般較為規整，在設計和制造上都有其相應的標準，因此，一般不存在對比較為強烈的部分，但是一張電連接器檢查的圖像上，一般不可能只有電連接器，還可能有其他相對于電連接器檢查并不重要的特征和像素點。因此，電連接器的區域劃分，主要是劃分電連接器本體的區域和無用的區域。

關于圖像區域劃分和分割，目前主要使用的方法為閾值法、邊緣分割法、區域分割法。3 種方法可以適用于不同場合，并沒有一種通用的框架可以解決所有的圖像分割問題。

閾值法具有很快的圖像區域劃分速度，適合對目標的單一特征差異較大的圖像進行分割。但是其對復雜圖像的分割效果較差，易受噪聲干擾。

邊緣分割法通過區分圖像中相關特征出現急劇變化的區域來實現圖像區域劃分，但是邊緣分割法易受到其他類別的特征影響，同時，由于圖像本身一般都存在模糊和噪聲區域，因此采用邊緣分割法進行圖像分割后，還需要對邊緣進行二次處理。

區域分割法目前主流的方法有種子點生長法、分水嶺算法、分裂合并法等。區域分割法相對于閾值法和邊緣分割法而言，分解復雜圖像的能力更強，但是由于其運算復雜且運算量大，因此對于分解簡單圖像而言，并不適用。

綜合以上3 種方法，在電連接器接收檢查的圖像中，由于一般電連接器的邊緣較為整齊且規則，因此采用邊緣分割法，可以實現較好的圖像分割，但是由于邊緣分割法易受到其他類別的特征影響，因此在接收檢查的圖像中，應當盡量減少其他特征。

3 質量檢查

在人工對電連接器進行檢查時，由于存在許多溝槽、深孔等特征，檢查時，需要對連接器進行多方位的對光檢查，同時，由于一般的存在于電連接器內部的多余物都非常細小，直徑往往只有0.1 mm 量級左右，因此在拍照記錄后，還需要將照片放大，分區域進行檢查。

圖像的自動檢查過程，主要為模擬人眼發現電連接器質量缺陷的過程。人在瀏覽和觀察復雜場景時，能夠將焦點快速定位到自己感興趣或突出的目標上，而且能自動忽略和過濾背景信息，稱為視覺選擇性注意機制。因此在電連接器檢查時，其中出現的多余物等質量缺陷，就是需要尋找和甄別出來的突出目標，也可以稱為視覺顯著性的點或區域。

基于人類視覺發現的原理，國內外研究人員提出了多種視覺模型，最初的模型針對圖像使用的顏色、亮度、方向的3 種基礎特征進行描述，提取圖像中的對比度較高的目標。經過研究發現，使用生物視覺模型，往往在圖像邊緣處的對比度最大，因此后續的研究者從純數學角度出發，對視覺顯著性進行研究。目前，主要的視覺顯著性檢測方法，可以按照基于生物原理和基于純數學計算的模型，也可以根據對比度的覆蓋范圍，分為局部對比度模型和全局對比度模型[4]。

基于生物視覺原理的檢測方法最符合人類視覺原理，但是存在計算量大、分辨率低的問題。采用純數學的方式，根據不同數學工具，對圖像視覺注意的核心——對比度進行處理，得到顯著性圖像。研究人員分別從頻域和空域采用不同數學模型進行圖像處理，得到最終結果。在以對比度為主要指標的檢測方法中，早期主要以局部對比度模型為主流，最著名的ITTI 模型考慮某個像素點與其8 個方向鄰域像素的對比度，并且，為了解決此方法導致的考慮范圍太小的問題，在多尺度上提取圖像特性以兼顧大目標的局部和整體顯著性。全局對比度方法關注參考點與整幅圖像的對比度，有利于突出顯著目標。

根據以上對現有的圖像視覺顯著性檢測方法的分析和對比，考慮航天電連接器檢查過程中的相關特征和流程，采用局部對比度檢測方法。在典型電連接器中，其內部的特征趨于一致，相互之間差別很小，并且，其多余物或者插針的縮針、歪針現象一般都較為細小且為極少數目標，用局部對比度檢測方法更符合人眼觀察習慣，且能減少計算量，能更快地檢測出質量缺陷。

4 電連接器檢查系統

根據前文的描述，設計一種針對航天電連接器產品的檢查系統。

檢查系統由條碼槍、攝像機、照明系統和圖像處理計算機組成[9]，其中攝像機主要對需要檢查的電連接器進行拍照；照明系統主要為拍照過程中進行補光，防止拍照過程中出現大面積陰影，影響圖像識別；圖像處理計算機主要包括電連接器標準數據庫和圖像處理相關軟硬件；條碼槍主要為產品的建檔使用，方便后續相關多媒體記錄的歸檔和查閱。

首先，需要制定電連接器檢查過程標準。根據前文分析，電連接器在檢查過程中，使用圖像特征進行配準，然后使用邊緣分割法進行圖像區域劃分，最后使用局部對比度方法與標準比較卡進行比較，確認電連接器是否有多余物、縮針、歪針等質量問題。在進行圖像配準過程中，雖然基于特征的配準方法對于圖像亮度、大小等的變化敏感度不高，但是為了減少計算量，提高圖像配準速率，需要對圖像形成過程中的相關參數進行規定，并在建立標準庫和檢查過程中嚴格執行。另外，標準中也需要規定相關質量缺陷的范圍，方便進行界定。

其次，需要建立標準庫，針對不同的電連接器，按照型號分類，并對同種電連接器進行檢查，確認其合格后，按照標準規定的光照、距離、角度和相機像素等條件進行拍照記錄，作為標準比較卡，并給標準比較卡賦碼，方便后續的查詢和訪問。每一發次航天產品上的電氣元件交付時，都附帶本型號所使用的所有電連接器的數據庫。

最后，設計一款電連接器產品接收檢查系統，系統上有不同的工裝卡扣，用來安裝固定各種電連接器的插頭和插座，并能根據標準要求，對位置進行適當調整。另有符合標準的照明系統和工業攝像機，可以在工作臺上進行移動調節，保證位置、角度等符合標準要求。在完成拍照后，照片實時導入圖像處理計算機并進行分析，作出有無質量缺陷的判斷。如果沒有質量缺陷，則顯示“合格”；如果存在質量缺陷，則顯示質量缺陷的位置和類型，如果缺陷為多余物，則由人員進行清理；如果顯示為歪針、縮針等，則需操作人員進行判斷，并返廠維修。最終，將所有的檢查數據進行匯總，按型號產品賦碼，并進行存儲，如果需要，可進行打印[10]。

根據以上功能需求，電連接器的接收檢查系統的組成如圖4 所示。

圖4 接收檢查系統組成圖

5 結束語

根據以上研究，對基于機器視覺的航天電連接器產品的接收檢查過程進行了分析，對其中的標準匹配、區域劃分、質量檢查等關鍵技術進行了相關的分析，對這幾項關鍵技術中較為符合航天電連接器接收檢查過程的技術進行了選擇，并基于關鍵技術，設計了一款電連接器產品接收檢查系統，用于對電連接器產品進行檢查并能夠存儲、處理、傳遞和查詢相關質量信息。通過該系統，可以有效減少電連接器接收檢查過程中的人工操作，提高工作效率，降低工作失誤，為航天產品的自動化生產中的接收檢查工作提供依據。