本發(fā)明屬于視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于檢驗力矩器的方法。

背景技術(shù)：

撓性陀螺力矩器正交性決定了兩個敏感軸的正交性，是撓性陀螺性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。我國航天領(lǐng)域撓性陀螺力矩器檢驗是人工在顯微鏡下尋找u形口與4個線圈上的參考點，手工檢測u形口中心與4個分別以0°、90°、180°、270°為基準的線圈中心的角度偏差值，然后計算任意兩角度偏差的差值。

目前該檢測均采用人工檢測的方式，人工檢測150個/月/人，操作過程中邊檢測邊記錄、并計算數(shù)據(jù)，存在工作效率較低，檢測精度不高的情況，目前很多研究所撓性陀螺生產(chǎn)量較大，這一檢測工序成為制約生產(chǎn)的瓶頸之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種基于視覺圖像處理技術(shù)的自動化程度高、檢測精度高的用于檢驗力矩器的方法。

本發(fā)明的原理：

該用于檢驗力矩器的方法在力矩器檢測工藝要求基礎(chǔ)上，深入研究人工檢測具體操作流程及撓性陀螺力矩器工作原理，以視覺實時測量系統(tǒng)為核心，通過視覺系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備的有效配合，實時采集力矩器圖像，完成力矩器4個線圈與u形口中心角度偏差的自動測量、合格品判定過程。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種用于檢驗力矩器的方法，包括以下步驟：

步驟1)獲取力矩器圖像；

通過控制力矩器旋轉(zhuǎn)，配合線掃相機線速率，采集兩幀圖像。第一幀圖像包含u形口、第1線圈以及第2線圈完整圖像；為確保不丟幀，第二幀圖像包含2線圈的下邊緣，3、4線圈完整圖像以及1線圈的上邊緣。

步驟2)圖像處理；

步驟2.1)求取u形口的中心坐標點；

具體方法如下：

步驟2.1.1)提取力矩器u形口的邊緣；

對第一幀圖像進行圖像處理，提取u形口的上、下邊緣點集合；

步驟2.1.2)計算力矩器上u形口中心點坐標(x0u,y0u)；

步驟2.1.2.1)分別建立第一幀圖像坐標系(xt,yt)和第二幀圖像的圖像坐標系(xs,ys),其中xt與xs平行且方向相同，yt與ys在一條直線上且方向相同；

步驟2.1.2.2)提取u形口上邊緣上的所有坐標點(xu,yu)；再從上邊緣的第i個坐標點作為起點引出一條垂直于xt軸的直線l，該直線l與下邊緣有一個交點，計算起點與交點的中心坐標點(xiu,yiu)；

步驟2.1.2.3)遍歷上邊緣所有坐標點(xu,yu)，即i取1到n，n為邊緣點數(shù)目，重復步驟2.1.2.2)獲取一組中心坐標點序列，求均值，即為u形口的中心坐標點(x0u,y0u)；具體計算公式是：

步驟2.2)求取力矩器4個線圈的形心坐標；

步驟2.2.1)提取力矩器各線圈的邊緣；

對兩幀圖像進行圖像處理，分別提取第一幀圖像上第1線圈和第2線圈的上、下邊緣點集合；第二幀圖像上第2線圈的下邊緣點集合、第3線圈和第4線圈的上、下邊緣點集合以及第1線圈的上邊緣點集合；

步驟2.2.2)提取力矩器各線圈形心坐標；

對第一幀圖像和第二幀圖像中4個完整的線圈進行圖像處理，提取各線圈輪廓，分別計算形心坐標(xq,yq)；具體的計算方法如下：

式中：

xq，yq——線圈內(nèi)部形心坐標；

sy，sx——分別為線圈內(nèi)部截面對y軸與x軸的靜矩；

a——線圈內(nèi)部面積；

x，y——當前計算點在圖像坐標系下的坐標；

dx，dy——當前計算點在x方向與y方向形成的線段微分，相乘即為面積微分；

步驟3)力矩器的角度計算；

步驟3.1)確定4個線圈形心區(qū)間；線圈形心區(qū)間參見圖5；

確定4個線圈的形心坐標中的最大像素值列坐標yqmax以及最小像素列坐標yqmin，獲取形心列坐標區(qū)間w；

w＝[yqmin-k,yqmax+k]

k為正整數(shù)；

步驟3.2)求邊緣交點；

遍歷列坐標屬于形心區(qū)間所有直線，獲取直線與步驟2.2.1)所有邊緣的交點；

步驟3.3)計算角度和像素的比例系數(shù)；

選中步驟3.2)中屬于形心區(qū)間所有直線中的任意一條直線t，提取直線t與第一幀圖像上第1線圈的上邊緣的交點a，直線t與第一幀圖像上第2線圈的下邊緣的交點b，直線t與第二幀圖像上第2線圈的下邊緣的交點c，直線t與第二幀圖像上第1線圈的上邊緣的交點d。a、b、c、d四個點的行坐標分別為xa、xb、xc、xd，比例系數(shù)的具體計算公式為：

l1＝xb-xa；

l2＝xd-xc；

p為角度和像素的比例系數(shù)，單位為：°/pixel；

步驟3.4)計算四個線圈的中心點坐標值q，并將第二幀圖像中的第3、4線圈中心點坐標轉(zhuǎn)換到第一幀圖像坐標系下，單位為：pixel；

步驟3.4.1)通過第一幀圖像計算第1線圈和第2線圈的上下邊緣點行坐標計算第1、2線圈的中心點坐標值，其計算公式為：

式中：

x1up為第1個線圈的上邊緣交點行坐標；

x1down為第1個線圈的下邊緣交點行坐標；

x2up為第2個線圈的上邊緣交點行坐標；

x2down為第2個線圈的下邊緣交點行坐標；

3.4.2)通過第二幀圖像中第2線圈的下邊緣點行坐標與第3線圈和第4線圈的上下邊緣點行坐標計算第3、4線圈的中心點坐標值，其計算公式為；

式中：

x3up為第3個線圈的上邊緣交點行坐標；

x3down為第3個線圈的下邊緣交點行坐標；

x4up為第4個線圈的上邊緣交點行坐標；

x4down為第4個線圈的下邊緣交點行坐標；

x2down為第2個線圈在第一幀圖像中的下邊緣交點行坐標；

x2down-2為第2個線圈在第二幀圖像中的下邊緣交點行坐標；

步驟3.5)通過第一幀圖像中u形口的中心點坐標值分別計算四個線圈與u形口的中心點坐標之間的夾角，計算公式是：

式中：

q1、q2、q3、q4——分別代表四個線圈的中心點在圖像中的坐標值；

θ1、θ2、θ3、θ4——分別代表四個線圈中心與u形口中心的之間的夾角；

u——u形口中心坐標點在圖像中的像素值，單位為：pixel；

步驟3.6)分別計算四個線圈與u形口的中心點坐標之間的夾角與標準值的角度偏差；所述標準值為滿足力矩器正交性的四個角度值，分別為0°，90°，180°，270°；

式中：

δθ1、δθ2、δθ3、δθ4——四個線圈中心與u形口中心角度差與標準差的差值，即四個線圈的角度偏差，單位為°；

步驟3.7)遍歷列坐標屬于形心區(qū)間所有直線，重復步驟3.3)至3.6)，求取每條直線與4個線圈的角度偏差，取n組角度偏差絕對值最小的值，求其平均值，作為4個線圈的角度偏差值；

步驟4)極差計算；

對步驟3.7)中4個線圈角度偏差中最大值和最小值求差，計算公式如下：

式中：

——極差，判斷力矩器合格與否的依據(jù)之一，單位為°；

δθmax——四個線圈角度偏差的最大值，單位為°；

δθmax——四個線圈角度偏差的最小值，單位為°；

步驟5)合格品判定

對角度偏差和極差是否滿足要求進行判定，如果都滿足設(shè)定的要求，即為合格，否則，為不合格。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明利用視覺圖像處理技術(shù)，完成力矩器正交性檢驗過程，提高了檢驗效率，節(jié)約人力成本；

2、本發(fā)明所采用的力矩器測量方法利用兩幅圖像計算單位像素角度值，消除了圖像畸變，提高了測量方法的精度；

3、本發(fā)明采取在形心附近選取邊緣點計算角度值的方法，更貼近力矩器正交性檢測原理，提高了檢驗方法的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖。

圖2為計算角度和像素的比例系數(shù)時提取的第一幀圖像的截圖。

圖3為計算角度和像素的比例系數(shù)時提取的第二幀圖像的截圖。

圖4為計算u形口中點時提取的圖像示意圖。

圖5為線圈形心區(qū)間的圖像示意圖。

圖6為計算第1線圈和第2線圈的中心點坐標值時提取的圖像示意圖。

圖7為計算第3線圈和第4線圈的中心點坐標值時提取的圖像示意圖。

具體實施方式

針對力矩器環(huán)形結(jié)構(gòu)特性及高精度測量指標要求，測量方法的研制思路為：

a)使用高精度線掃相機及鏡頭，輔以合適補光，作為圖像采集裝置；

b)設(shè)計高穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)平臺，固定位置精確安裝線掃相機及力矩器目標；

c)控制旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)，線掃相機采集力矩器完整一周圖像；

d)對圖像進行處理；

e)計算力矩器放置位置，必須滿足放置要求；

f)對u型口和4個線圈進行數(shù)據(jù)計算，自動輸出4個線圈的角度偏差、極差及合格品判定結(jié)果；

g)具備手動選點測量功能，即人工在軟件顯示的4個線圈上下邊緣窗口，選取一條直線，人眼判斷與4個線圈上下邊緣形成的交點均最好。系統(tǒng)自動提取該直線與線圈的上下邊緣交點，并計算輸出手動選點4個線圈的角度偏差結(jié)果及判定結(jié)果。

h)計算數(shù)據(jù)自動存儲，便于產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。

參見圖1，本發(fā)明具體的檢測方法如下：

步驟1)通過時視覺系統(tǒng)獲取力矩器圖像；

如圖2、3所示，為了滿足力矩器精度計算要求，我們通過控制力矩器旋轉(zhuǎn)，配合線掃相機線速率，采集兩幀圖像。第一幀圖像包含u形口、第1線圈以及第2線圈完整圖像，為確保不丟幀，第二幀圖像包含2線圈的下邊緣，3、4線圈完整圖像以及1線圈的上邊緣。

步驟2)通過工控機進行圖像處理；

步驟2.1)求取u形口的中心坐標點；

具體方法如下：

步驟2.1.1)提取力矩器u形口的邊緣；

對第一幀圖像進行圖像處理，提取u形口的上、下邊緣點集合；

步驟2.1.2)計算力矩器上u形口中心點坐標(x0u,y0u)；

步驟2.1.2.1)分別建立第一幀圖像坐標系(xt,yt)和第二幀圖像的圖像坐標系(xs,ys),其中xt與xs平行且方向相同，yt與ys在一條直線上且方向相同；

步驟2.1.2.2)參見圖4由于u形口為機床加工，上下邊緣整齊，提取u形口上邊緣上的所有坐標點(xu,yu)；再從上邊緣的第i個坐標點作為起點引出一條垂直于xt軸的直線l，該直線l與下邊緣有一個交點，計算起點與交點的中心坐標點(xiu,yiu)；

步驟2.1.2.3)遍歷上邊緣所有坐標點(xu,yu)，即i取1到n，n為邊緣點數(shù)目，重復步驟2.1.2.2)獲取一組中心坐標點序列，求均值，即為u形口的中心坐標點(x0u,y0u)；

具體的計算公式是：

步驟2.2)求取力矩器4個線圈的形心坐標；

步驟2.2.1)提取力矩器各線圈的邊緣；

結(jié)合力矩器工作原理，實際產(chǎn)生作用的是線圈形心區(qū)域的點。四個線圈由人工繞制，個體差異較大，涂膠較厚，邊緣提取和中心點計算存在一定難度。為了使角度偏差計算更加精確，計算速度更快，我們設(shè)計了基于線圈形心的中心點坐標計算方法。

對兩幀圖像進行圖像處理，分別提取第一幀圖像上第1線圈和第2線圈的上、下邊緣點集合；第二幀圖像上第2線圈的下邊緣點集合、第3線圈和第4線圈的上、下邊緣點集合以及第1線圈的上邊緣點集合；

步驟2.2.2)提取力矩器各線圈形心坐標；

對第一幀圖像和第二幀圖像中4個完整的線圈進行圖像處理，提取各線圈輪廓，分別計算形心坐標(xq,yq)；具體的計算方法如下：

式中：

xq，yq——線圈內(nèi)部形心坐標；

sy，sx——分別為線圈內(nèi)部截面對y軸與x軸的靜矩；

a——線圈內(nèi)部面積；

x，y——當前計算點在圖像坐標系下的坐標；

dx，dy——當前計算點在x方向與y方向形成的線段微分，相乘即為面積微分；

步驟3)力矩器的角度計算；

步驟3.1)確定4個線圈形心區(qū)間；線圈形心區(qū)間參見圖5；

確定4個線圈的形心坐標中的最大像素值列坐標yqmax以及最小像素列坐標yqmin，獲取形心列坐標區(qū)間w；

w＝[yqmin-k,yqmax+k]

k為正整數(shù)；

由于手工繞線存在個體差異，四個線圈的形心通常不在一條直線上，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)形心差一般在k個像素左右，為了使測量結(jié)果更為準確，我們在四個形心的最小值減k與最大值加k的范圍內(nèi)遍歷直線，k為正整數(shù)；且10≤k≤30；實際檢測是我們選取20作為k值；

步驟3.2)求邊緣交點；

遍歷列坐標屬于形心區(qū)間所有直線，獲取直線與步驟2.2.1)所有邊緣的交點；

步驟3.3)計算角度和像素的比例系數(shù)；

參見圖2和圖3，選中步驟3.2)中屬于形心區(qū)間所有直線中的任意一條直線t，提取直線t與第一幀圖像上第1線圈的上邊緣的交點a，直線t與第一幀圖像上第2線圈的下邊緣的交點b，直線t與第二幀圖像上第2線圈的下邊緣的交點c，直線t與第二幀圖像上第1線圈的上邊緣的交點d。a、b、c、d四個點的行坐標分別為xa、xb、xc、xd，比例系數(shù)的具體計算公式為：

l1＝xb-xa；

l2＝xd-xc；

p為角度和像素的比例系數(shù)，單位為：°/pixel；

參見圖6和圖7，步驟3.4)計算四個線圈的中心點坐標值q，并將第二幀圖像中的第3、4線圈中心點坐標轉(zhuǎn)換到第一幀圖像坐標系下，單位為：pixel；

步驟3.4.1)通過第一幀圖像計算第1線圈和第2線圈的上下邊緣點行坐標計算第1、2線圈的中心點坐標值，其計算公式為：

式中：

x1up為第1個線圈的上邊緣交點行坐標；

x1down為第1個線圈的下邊緣交點行坐標；

x2up為第2個線圈的上邊緣交點行坐標；

x2down為第2個線圈的下邊緣交點行坐標；

3.4.2)通過第二幀圖像中第2線圈的下邊緣點行坐標與第3線圈和第4線圈的上下邊緣點行坐標計算第3、4線圈的中心點坐標值，其計算公式為；

式中：

x3up為第3個線圈的上邊緣交點行坐標；

x3down為第3個線圈的下邊緣交點行坐標；

x4up為第4個線圈的上邊緣交點行坐標；

x4down為第4個線圈的下邊緣交點行坐標；

x2down為第2個線圈在第一幀圖像中的下邊緣交點行坐標；

x2down-2為第2個線圈在第二幀圖像中的下邊緣交點行坐標；

步驟3.5)通過第一幀圖像中u形口的中心點坐標值分別計算四個線圈與u形口的中心點坐標之間的夾角，計算公式是：

式中：

q1、q2、q3、q4——分別代表四個線圈的中心點在圖像中的坐標值；

θ1、θ2、θ3、θ4——分別代表四個線圈中心與u形口中心的之間的夾角；

u——u形口中心坐標點在圖像中的像素值，單位為：pixel；

步驟3.6)分別計算四個線圈與u形口的中心點坐標之間的夾角與標準值的角度偏差；所述標準值為滿足力矩器正交性的四個角度值，分別為0°，90°，180°，270°；

式中：

δθ1、δθ2、δθ3、δθ4——四個線圈中心與u形口中心角度差與標準差的差值，即四個線圈的角度偏差，單位為°；

步驟3.7)遍歷列坐標屬于形心區(qū)間所有直線，重復步驟3.3)至3.6)，求取每條直線與4個線圈的角度偏差，取n組角度偏差絕對值最小的值，求其平均值，作為4個線圈的角度偏差值；

步驟4)極差計算；

對步驟3.7)中4個線圈角度偏差中最大值和最小值求差，計算公式如下：

式中：

——極差，判斷力矩器合格與否的依據(jù)之一，單位為°；

δθmax——四個線圈角度偏差的最大值，單位為°；

δθmax——四個線圈角度偏差的最小值，單位為°；

步驟5)合格品判定

對角度偏差和極差是否滿足要求進行判定，如果都滿足設(shè)定的要求，即為合格，否則，為不合格。