基于机器视觉的航天器密封舱内结构装配精度检测系统设计

庞学丰，王瑞文，张玉美，赵超泽

(天津航天机电设备研究所，天津 300457)

0 引言

我国航天事业发展迅速，航天器密封舱内结构装配测量的难度也随之增加[1]。航天器密封舱内结构装配精度检测贯穿于航天器各个测试阶段，需要将位姿检测数据实时反馈给工作人员用于结构精密调试，尤其在力学检测阶段，需先分析力学环境对设备安装位姿影响，并在航天器结构实际运行测试阶段检测航天器结构变形后对安装具体位置的影响[2-3]。采用人工检测方法是一种人为接触检测方法，无法满足当代工业基础检测需求，基于此，提出了基于机器视觉的航天器密封舱内结构装配精度检测系统设计。机器视觉是一种非接触性检测方式，在不影响航天器运行基础上，被广泛用于航天器密封舱内结构非接触性检测之中。

1 系统总体结构设计

基于机器视觉的航天器密封舱内结构装配精度检测系统工作过程主要包括：首先由镜头、相机、图像采集卡构成的图像采集器采集被检测目标图像，通过模数转换后将图像转变为数字信号形式，再经过图像处理环节，提取像素分布、亮度与颜色特征信息[4]。之后再根据预先设定的输出判别结果，去控制驱动执行机构。

系统总体结构设计如图1所示。

图1 基于机器视觉检测系统结构设计

在图1所示的总体结构支持下，分别设计机器视觉光源单元、电源单元、图像采集器单元及密封性检测单元。

1.1 光源单元设计

在装配精度检测系统中，光源直接决定着成像质量，对最终检测结果具有较大的影响[5]。针对航天器密封舱内结构装配精度检测，应使用微电流高效率650 nm谐振腔发光二极管作为照明装置，该装置主要是由上、下分布布拉格反射镜、谐振腔组成，微腔效应改变了电磁场模式结构，增大了波长光模式密度，因此，微电流高效率650 nm谐振腔发光二极管比普通LED灯发光效率更高[6]，谐振腔发光二极管具有稳定波长[7]。光源实际安装位置如图2所示。

图2 光源的安装位置

为满足实际检测需求，共适配3个线性光源，其中1、2线性光源分别以一定角度照射侧边引脚，3光源垂直照射批号区域[8]。确定像素分布、亮度与颜色特征信息后，根据系统总体结构，使用微电流高效率650 nm谐振腔发光二极管作为照明装置，设计机器视觉光源单元；选择4NIC-UPS27型号二体化不间断供电模式为系统提供电源，设计电源单元；利用外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，缩短数据访问时间，并借助复杂可编程逻辑器件独立完成采集功能。

1.2 电源单元设计

电源单元是整个检测系统的电能来源，在该检测系统中，设计交直流两种型电源，既可以使用36 V直流供电形式，也可有使用220 V交流供电形式[9]。为了提高系统抗干扰能力，在下位机检测装置中，应选择4NIC-UPS27型号二体化不间断电源，该电源功率密度大、抗干扰性强，同时，该电源能够实现交直流电在0～0.5 s内快速切换，适用于不同设备供电需求。当使用电池供电模式时，就可以电池为主电源，也可将其作为后备电源[10-11]。

1.3 图像采集单元设计

图像采集单元是利用现代化技术实时采集图像信息，图像采集在数字处理、识别领域应用较为广泛。以往图像采集是利用采集卡将CCD摄像机模拟视频信号经过A/D转换后存储的，然后再传送到计算机内进行处理。虽然该设备简便，但存在转换数据不精准问题，造成数字化视频图像质量较差，且分辨率较低。因此，选择外置USB的T1001UHS HDMI/SDI采集器，带1路HDMI环出和音频输出，可接大屏、电视机等显示设备，1路3.5音频输出接口，可接耳机或音箱，使操作者能够实时监测图像画面[12]。外置USB3.0接口，传输速度快、延迟小，是USB2.0输出速度的10倍[13]。

在高速图像采集处理过程中，需要使用速记存储器缩短数据访问时间。控制采样图像传感器，可以使用FPGA，控制图像传感器采样，并控制SRAM，待图像采集完成后，需要借助复杂可编程逻辑器件独立完成采集功能[14]。

1.4 密封舱性能检测单元设计

在密封舱密封性能检测单元中，嵌入式计算机系统智能仪器包括V500PRO 键盘、显示页面、LOEASE计时模块、A/D转换模块、My Cloud EX2 Ultra 数据存储器、M02S微型打印机、看门狗及输入/输出控制接口，在密封性检测单元中，可用于各部分功能的进一步扩展。密封舱性能检测单元设计如图3所示。

图3 密封舱性能检测单元

在光源单元和电源单元支持下，根据嵌入式系统所要实现功能，以STC89C52RC-40I-PDIP40单片机中央控制单元为核心芯片，分析各个性能指标，以此检测密封舱密封性能。

2 基于机器视觉软件部分设计

在设计了系统总体结构及密封舱性能检测单元的基础上，依据机器视觉检测原理，对采集到的航天器密封舱体装配图像进行预处理，并设计仪器板装配检测流程及设备安装支架装调检测流程，由此完成航天器密封舱内结构装配精度检测系统软件设计。

2.1 机器视觉检测原理

机器视觉检测原理如图4所示。

图4 机器视觉检测原理

由图4可知：该检测过程所需设备包括光源、工件、镜头、相机、采集卡及图像处理软件等。机器视觉是使用机器人代替人眼测量与判断的，通过机器视觉将采集到的图像转换为信号形式，再传送给专用图像处理软件之中，根据像素亮度、颜色指标，将其转换为数字化信号形式。根据目标特征检测密封性，以此控制航天器现场动作。

2.2 图像预处理

在进行图像采集过程中，不可避免会受到外界噪声影响，因此，需对图像进行预处理，如图5所示。

图5 预处理效果图

以图5(a)所示的零件为基础，需要获取特征信息包括具体大小及位置坐标。在该零件上存在若干个白点，即为噪声，为了避免该噪声对图像采集结果造成影响，需使用非线性滤波算法增强图像，计算公式如下所示：

Zij=(Sij-Mean)*λ+Sij

(1)

式(1)中,Zij为图像经过增强处理后的序列；Sij为图像在未进行增强处理前图像序列；λ为比例系数；Mean为求数组平均值的函数；ij为图像序列。

在去除噪声的同时，使用非线性滤波算法还能保持图像边缘信息，使图像变得更加清晰，也从图中可看出，原始图像上若干白点被滤除。

2.3 仪器板装配检测流程

1)航天器密封舱体停放到指定工位；

2)使用激光跟踪仪构建激光雷达联合站；

3)航天器整舱基准是由激光跟踪仪转换到激光雷达上；

4)在舱体前端设置检测点，将整舱基准转移至舱体前端；

5)仪器板初步装配后，激光雷达通过测量前测点，恢复整舱基准；

6)精测仪器板，获取需要检测的装配数据；

7)检测装配数据，装配调整垫片；

8)测量前端测点，恢复整舱基准；

9)复测仪器板，检测装配精度，若不满足，则需重新调整。

通过检测流程，可以得到仪器板安装精度数据，并由此及时检测出仪器板装配精度。

2.4 设备安装支架装调检测流程

在仪器板装配检测完成后，进一步对设备安装支架进行装调检测，此时仪器板完全固定，具有良好承载力，不会因为支架安装影响自身精度。设备安装支架的装配检测流程，如下所示：

1)将设备安装支架安装到位，以此为基准，构建激光跟踪仪构建激光雷达联合站；

2)航天器整舱基准是由激光跟踪仪转换到激光雷达上，在舱体前端设置检测点，采用激光雷达扫描点将整舱基准转移到舱体前端，完成仪器板初步装配后，激光雷达通过测量前测点，恢复整舱基准(该步骤与仪器板的装配检测步骤一致)；

3)根据支架精测数据逆向建模，并编制数据加工程序；

4)拆除设备安装支架，离线加工设备安装接口；

5)复位设备安装支架，复测支架接口精度；

6)检测后需重新安装设备支架。

依据该流程，可实现设备安装支架装调检测。

3 实验结果与分析

为验证基于机器视觉的航天器密封舱内结构装配精度检测系统设计合理性，进行实验分析，采用MATLAB仿真软件作为实验平台，大型密封舱的结构如图6所示。

图6 航天器密封舱结构示意图

图6中密封舱开口主要位于密封舱左侧，整个舱内结构含有大量仪器板，并且个别仪器板安装接口精度要求较高，测量极其困难。因此，需先统计密封舱数据表，如表1所示。

表1 密封舱数据表

航天器密封舱内结构精密装调技术是为了解决舱内半开放环境下，内结构精密装调过程所遇到的难题而进行的装配工艺研究。因此，在对系统检测验证时，应从仪器板和支架两方面装调检测进行验证分析。

3.1 仪器板装配检测

针对仪器板精测数据分析，安装调整垫片使其满足仪器板精装需求，消除因板面变形而带来装配应力。

垫片示意图如图7所示。

图7 调整垫片安装示意图

根据图7所示的安装方式调整垫片后，仪器板装配精度数据如表2所示。

表2 仪器板装配精度实测值

在表2所示数据支持下，分别采用人工检测和机器视觉检测系统对仪器板装配精度检测，如图8所示。

图8 两种系统对仪器板装配精度检测

由图8可知：使用人工检测系统检测值与实测值相差较大，尤其在项目M4处相差最大，在M1处相差最小。产生这种现象的主要原因是人工检测系统采用接触式检测方式，使检测的结果添加了人为因素，导致检测结果不精准。而使用机器视觉系统采用非接触式检测方式，避免人为因素影响，具有良好检测结果，在项目M1、M5处与实测值大小一致，在其余三处与实测值相差较小，基本保持在0.001 mm检测误差。

3.2 设备安装支架装调检测

航天器密封舱平面上部为支座实际加工余量，其特征能够真实反映出航天器密封舱内结构状态，如图9所示。

图9 支座的实际平面与理论平面位置关系

确定加工位置后，开展数控编程，按照装调流程完成调试后，设备安装支架装调精度指标达到设计标准，如表3所示。

表3 设备安装支架装配精度实测值

在表3所示的数据支持下，分别采用人工检测和机器视觉检测系统对设备安装支架装配精度检测，如表4所示。

由表4可知，使用人工检测系统依然存在人工干预问题，导致检测结果与实测值存在较大误差。而使用机器视觉系统没有人工干预问题，检测结果与实测值相差较小。虽然人工检测系统受到人工干预影响，但检测值与实测值最大误差为0.05 mm，说明对于设备安装支架装配精度检测无论哪种系统都具有良好检测效果。

表4 两种系统对设备安装支架装配精度检测

3.3 结果分析

通过上述实验结果分析可知，航天器密封舱内结构装配精度检测系统主要用于检测仪器板装配及设备安装支架装调两方面。在仪器板装配检测中，所设计系统检测结果与实测值基本保持0.001 mm左右的检测误差；在设备安装支架装调检测中，所设计系统检测结果与实测值最大误差为0.05 mm。所设计系统的装配检测准确度高，能够应用于航天器密封舱内结构装配精度检测中，实现航天器密封舱内结构精准装配。

4 结束语

机器视觉技术是一种新兴技术，能够代替人眼检测，具有精准度高、实时检测的特点。就目前来说，大部分生产商采用机器视觉检测技术代替人工检测技术，避免误检、漏检现象发生。针对航天器密封舱内结构精准装配检测需先了解运行现场环境，设定具体检测标准。

航天器密封舱内结构精准装配检测依赖因素较多，但制造业需求元素是具有决定性的。结构精准装配对机器视觉需求提升决定了检测技术由以往单纯采集、分析逐渐朝着开放性方向发展，这一趋势也决定了机器视觉将与自动化技术完美融合。在未来，随着航天器对产品高质量需求越来越高，机器视觉将成为广泛用武之地。