航空電連接器插針位置偏差檢測方法與流程
2023-08-06 11:23:26 2
本發明涉及一種航空電連接器插針位置偏差檢測方法。
背景技術：
航天電連接器擔負著控制系統的電能傳輸和信號的控制與傳遞的功能。在各種軍機和武器裝備中，電連接器的用量較大，特別是飛機製造和航天工程上使用電連接器的用量特別大。從系統、分系統、機櫃、組合、印製板到每個可更換的各獨立單元插座，其中任何一個電連接器失效都將導致航天系統工程的失敗。因此，航天電連接器的可靠性對確保整個系統工程的可靠性具有十分重要的有意義。
電連接器由固定端電連接器(以下簡稱插座)，自由端電連接器(以下簡稱插頭)組成，如圖1-1所示。殼體是指插頭插座的外殼、連接螺帽、尾部附件，材料為高強度鋁合金和不鏽鋼，其作用是保護絕緣體和接觸體(插針插孔的統稱)等內部零件不被損傷。絕緣體由裝插針絕緣體、裝插孔絕緣體、界面封嚴體、封線體等組成，使用耐熱熱塑性材料製成。接觸體是包括插針插孔，是電連接器的關鍵元件。其大多採用導電性能良好的彈性銅合金材料機加而成，表面採用鍍銀鍍金達到接觸電阻小及防腐蝕的目的。
為保證航天電連接器的可靠性，使用前必須對航天電連接器的插針進行檢測。如果插針不垂直，出現偏斜，彎曲、損傷等情況，會導致不可靠連接，不應繼續使用。目前方法為人工檢測，存在效率低，易漏檢等問題，本方案提出一種基於機器視覺的非接觸式自動檢測方法。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有的人工檢測電連接器插針存在效率低、易漏檢的問題，而提出一種航空電連接器插針位置偏差檢測方法。
一種航空電連接器插針位置偏差檢測方法，所述方法通過以下步驟實現：
步驟一、根據航空電連接器插針直徑不同，製作不同規格的單個插針圖像，作為插針模板圖像；
步驟二、通過圖像採集系統獲得電連接器插針圖像；
步驟三、進行電連接器插針圖像預處理，保留具有插針圖像的感興趣區域，同時濾除背景幹擾；使用步驟一自定義的插針模板圖像對電連接器插針圖像進行模板匹配，獲取最佳匹配點，將獲取的最佳匹配點坐標作為插針的近似位置；
步驟四、以步驟三確定的插針的近似位置為中心進行搜索，尋找插針的亮斑，並計算插針質心，將計算得到的質心位置作為插針中心在圖像坐標系下的位置信息；
步驟五、將步驟四確定的插針中心在圖像坐標系下的位置信息轉換為實際物理坐標系下的位置信息；
步驟六、將得到的實際物理坐標系下的位置信息與國標中的電連接器接觸件孔位排列標準進行比較，計算位置偏差，並判斷插針的位置偏差是否在允許範圍內。
本發明的有益效果為：
本發明是通過視覺測量系統首先獲得電連接器插頭插針圖像，再通過圖像預處理，圖像分割，圖像特徵提取等圖像處理技術把圖像中的插針位置坐標提取出來，得到圖像坐標系下插針的數學模型，根據相機標定得到檢測圖像像素坐標系與實際物理坐標系的轉換關係(也即得到像素數)，計算插針在實際物理坐標系下的位置關係，並與電連接器接觸件孔位排列標準進行比對，計算插針的位置偏差，進而判斷插針是否合格。具有精度高、自動化程度高、效率高和漏檢率低的優點，具體地，
(1)高精度：人眼的最小分辨視角為1′，而人眼的明視距離為25cm，由此人眼的最大分辨力約為0.1mm。實際上，環境因素、參照物、個體差異都會影響人眼的分辨能力，因此人工檢測能達到精度遠不足0.1mm。採用視覺測量技術，系統的像素當量為0.027mm/格，具有較高的測量精度。
(2)自動化：整個測量過程從圖像數據的採集、處理、插針位置偏差的計算以及電子報表的生成基本實現了自動化。同時可以保存測量數據，方便以後數據的查閱，使得航天連接器插頭插針檢測結果具有可追溯性。
(3)效率高，漏檢率低：傳統人工檢測方法受人為因素影響較大，容易出現漏檢誤檢的現象，使用圖像採集系統可以降低檢測難度以及勞動強度，同時降低漏檢率。
附圖說明
圖1為本發明方法的流程圖；
圖2為本發明涉及的圖像採集系統獲得電連接器插針圖像示意圖；
圖3為本發明涉及的對電連接器圖像進行預處理，去除電連接器以外其他結構的圖像示意圖；
圖4為本發明涉及的濾除電連接器圓形邊緣以外的圖像後，保留的包括插針的中間圓形部分的示意圖；
圖5為本發明涉及的從自定義插針模板圖像中提取合適的模板圖像示意圖；
圖6為本發明涉及的本發明涉及的對電連接器圖像進行模版匹配後的圖像示意圖；
圖7為本發明涉及的插針屏蔽後獲得的圖像示意圖；
圖8為本發明涉及的在圖中以交叉線標記處插針中心位置，獲取插針在圖像坐標下的位置坐標示意圖；
圖9為本發明涉及的提取到的插針坐標示意圖；
圖10為本發明涉及的標記後的插針位置示意圖；
圖11為本發明實施例1涉及的搭設的圖像採集系統具有的實驗臺架和相機，並安放待測插頭的示意圖；
圖12為本發明實施例1涉及的獲取的遊標卡尺主尺圖像；
圖13為本發明實施例1涉及的採集到的航空插頭的高質量圖像；
圖14為本發明實施例1涉及的圖4處理後的圖像；
圖15為本發明實施例1涉及的在國家標準中對此型號電連接器接觸件孔位排列提出的要求；
具體實施方式
具體實施方式一：
本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，所述方法通過以下步驟實現：
步驟一、根據航空電連接器插針直徑不同，製作不同規格的單個插針圖像，作為插針模板圖像；
步驟二、通過圖像採集系統獲得電連接器插針圖像；
步驟三、進行電連接器插針圖像預處理，保留具有插針圖像的感興趣區域，同時濾除背景幹擾，防止背景圖像對插針的提取造成幹擾；使用步驟一自定義的插針模板圖像對電連接器插針圖像進行模板匹配，獲取最佳匹配點，將獲取的最佳匹配點坐標作為插針的近似位置；
步驟四、以步驟三確定的插針的近似位置為中心進行搜索，尋找插針的亮斑，並計算插針質心，將計算得到的質心位置作為插針中心在圖像坐標系下的位置信息；
步驟五、將步驟四確定的插針中心在圖像坐標系下的位置信息轉換為實際物理坐標系下的位置信息；
步驟六、將得到的實際物理坐標系下的位置信息與國標中的電連接器接觸件孔位排列標準進行比較，計算位置偏差，並判斷插針的位置偏差是否在允許範圍內。
具體實施方式二：
與具體實施方式一不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟二所述通過圖像採集系統獲得電連接器插針圖像的過程為，所述圖像採集系統採用環形光源進行高角度的前向照明方式，環形光源發射出的照射至待檢測插針上的光線與水平面呈60°角，500w像素的工業相機鏡頭設置在待檢測的連接器的正上方採集其圖像，再進行工業相機在橫、縱方向上解析度的計算，以滿足圖像採集系統獲得電連接器插針圖像的最小解析度需要：
橫向解析度＝橫向視野大小÷最小精度 (3-1)
縱向解析度＝縱向視野大小÷最小精度 (3-2)
根據測量需求確定檢測視場大小為50mm×50mm。插頭插針直徑有φ0.8mm，φ1.0mm，φ1.5mm等規格，為獲得高質量圖像，選擇500w像素的相機鏡頭，相機解析度為2592×1944，像素當量計算值為0.026mm/像素；
選擇500w像素的相機鏡頭的原理為，鏡頭的作用是集聚光線，使成像單元能清晰成像。同時選取合適的鏡頭減小物象的畸變，以獲得準確的插針影像。鏡頭的主要參數有：焦距、光圈係數、相對孔徑、最小物距等。必須結合所拍攝的視場的大小、相機感光面大小並考慮攝像模塊外形尺寸等因素來選取鏡頭，基本步驟如下：
(1)根據目標尺寸和測量精度，確定傳感器尺寸和像素尺寸、放大倍率和鏡頭的傳遞函數；
(2)根據圖像採集系統尺寸和工作距離，結合放大倍率，估算鏡頭的焦距；
物方和像方介質相同時，鏡頭成像的高斯公式為：
其中，l為物距，l'為相機感光面到鏡頭間的像距，f為鏡頭的焦距
圖像採集系統的放大倍率β由視場邊長和感光元件短邊長度通過以下公式計算，即：
鏡頭的焦距f由以下公式計算得到：
(3)根據現場的照明條件確定光圈大小和工作波長；
(4)確定畸變、景深、相機接口要求；
獲得如圖2所示的航空電連接器插針圖像。
具體實施方式三：
與具體實施方式一或二不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟三所述的進行電連接器插針圖像預處理，保留具有插針圖像的感興趣區域，同時濾除背景幹擾的過程為，通過圖像分割和圖像特徵提取的圖像處理技術提取圖像中的插針位置坐標，並得到圖像坐標系下的插針坐標：
首先，對電連接器圖像進行預處理，去除電連接器以外其他結構的圖像，處理結果如圖3所示；
然後，但電連接器的邊緣很亮，容易造成插針誤匹配的情況，繼續濾除電連接器圓形邊緣以外的圖像，保留包括插針的中間圓形部分，處理結果如圖4所示。
具體實施方式四：
與具體實施方式三不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟三所述的使用步驟一自定義的插針模板圖像對步驟二獲取的圖像進行模板匹配，獲取最佳匹配點，將獲取的最佳匹配點坐標作為插針的近似位置的過程為，
模板匹配是在整幅圖像中尋找與模板圖像最相似的區域，該方法原理簡單，計算速度快，能夠應用於目標識別，目標跟蹤等多個領域，在航空點電連接器插頭的圖像中，插針特徵明顯，為圓形亮斑，十分適合使用模板匹配的方法進行識別。常見的模版匹配函數有：平方差匹配法、歸一化平方差匹配法、相關匹配法、歸一化相關匹配法、相關係數匹配法和歸一化相關係數匹配法，如圖2所示的圖像為匹配用到的待匹配圖像，如圖5所示的從圖中提取的單個插針的圖像為模板圖像，
步驟三一、將圖2所示的通過相機採集的電連接器插針圖像作為待匹配圖像，從自定義插針模板圖像中提取合適的模板圖像，如圖5所示的；
步驟三二、選擇模版匹配方法中的相關係數匹配法(CCOEFF)對電連接器插針圖像進行模板匹配，輸入待匹配圖像和模板圖像，返回匹配後的圖像，其中灰度值最大的點為最佳匹配點，完成獲取最佳匹配點的過程，得到如圖6所示的處理後的圖像；其中，相關係數匹配法進行模板匹配的數學原理為通過下列數學關係式計算被匹配區域與模板圖像的相似程度為：
其中，
R表示匹配相似程度；T表示模板圖像矩陣；I表示輸入圖像矩陣；w為模板圖像的寬，h為模板圖像的高，匹配程度最好的記為1，匹配程度最差的記為-1；
步驟三三、按照步驟三二的方法遍歷整個待匹配圖像，為防止重複提取，每找到一個最佳匹配點都使用模板圖像大小的黑色矩形填充插針所在的點，進行插針屏蔽，屏蔽後的圖像如圖7所示，並將獲取的最佳匹配點作為插針的近似位置。
具體實施方式五：
與具體實施方式一、二或四不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟四所述的以步驟三確定的插針的近似位置為中心進行搜索，尋找插針的亮斑，並計算插針質心，將計算得到的質心位置作為插針中心在圖像坐標系下的位置信息的過程為，最佳匹配點是插針中心位置的近似坐標，為了獲得插針中心的準確位置，需要以最佳匹配點為中心，使用掃描線種子填充算法尋找插針亮斑，根據圖片亮度直方圖進行綜合調整尋找出閾值，在原圖中以交叉線標記處插針中心位置，如圖8所示，此時即獲取插針在圖像坐標下的位置坐標；其中，
掃描線種子填充算法尋找插針亮斑的過程為，當給定種子點(x,y)時，首先分別向左和向右兩個方向填充種子點所在掃描線上的位於給定區域的一個區段，同時記下這個區段的範圍[xLeft，xRight]，然後確定與這一區段相連通的上、下兩條掃描線上位於給定區域內的區段，並依次保存下來。反覆這個過程，直到填充結束。
掃描線種子填充算法的步驟為：
(1)初始化一個用於存放種子點的空棧，將給定種子點(x,y)入棧；
(2)判斷棧是否為空，如果棧為空則結束算法，否則取出棧頂元素作為當前掃描線的種子點(x,y)，y是當前的掃描線；
(3)從種子點(x,y)出發，沿當前掃描線向左、右兩個方向填充，直到邊界。分別標記區段的左、右端點坐標為xLeft和xRight；
(4)分別檢查與當前掃描線相鄰的y-1和y+1兩條掃描線在區間[xLeft,xRight]中的像素，從xLeft開始向xRight方向搜索，若存在非邊界且未填充的像素點，則找出這些相鄰的像素點中最右邊的一個，並將其作為種子點壓入棧中，然後返回第(2)步；提取到的插針在圖像坐標系下的位置如圖9所示。
具體實施方式六：
與具體實施方式五不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟五所述的將步驟四確定的插針中心在圖像坐標系下的位置信息轉換為實際物理坐標系下的位置信息的過程為，設圖像採集系統獲得的電連接器插針圖像的大小為a*b，單位為像素*像素，已知長度為l的線段在圖片中的像素為l'，得到航空電連接器圖像的像素當量表示關係，即單位像素代表的實際距離：
(1)首先，將圖像坐標系的原點移動到圓形電連接器的中心，相應的，插針的位置坐標會發生變化；其中，圓形電連接器的中心坐標是通過最小二乘法擬合圓變換得到的；
(2)標定時已經得到像素當量，將經過(1)變換的插針坐標與像素當量k相乘，得到與國家標準中僅相差一個旋轉的角度的坐標；
(3)將經過(2)變換的插針坐標系進行旋轉角θ的旋轉操作：
設旋轉前的點坐標為(x1,y1)，繞原點旋轉後的坐標為(x2,y2)，變換的公式為：
其中，旋轉角通過對應點距離方差最小的算法獲得；
此時檢測圖像像素坐標系下的插針坐標經歷平移、量化和旋轉過程轉換到實際物理坐標系下，再與國標中插針標準位置進行比對。
具體實施方式七：
與具體實施方式一、二、四或六不同的是，本實施方式的航空電連接器插針位置偏差檢測方法，步驟六所述的將得到的實際物理坐標系下的位置信息與國標中的電連接器接觸件孔位排列標準進行比較，計算位置偏差，並判斷插針的位置偏差是否在允許範圍內的過程為，
將得到的實際物理坐標系下的位置信息與國標中的電連接器接觸件孔位排列標準進行比較分別得到每個插針的位置偏差，按照國家標準規定的插針接觸件頂端中心的位置度為φ0.61mm的要求，在圖9中，
將位置偏差超過上述國家標準規定0.305mm的插針確定為不合格插針，並將其標記為圓形；
將位置偏差未超過上述國家標準規定0.305mm的插針確定為合格的插針(即與國家標準規定的插針接觸件頂端中心的位置度為φ0.61mm的要求相比的差小於等於0.305mm的插針)，並將其標記為方形。
實施例1：
搭設如圖11所示的實驗臺架與相機，並安放待測插頭：
1、標定過程：
獲取如圖12所示的遊標卡尺主尺圖像並對像素當量進行標定，標定後相機的像素當量為0.0270mm/格；
2、採集如圖13所示的航空插頭的高質量圖像；
處理後的圖像如圖14所示，之後提取插針中心坐標；
在國家標準中，對此型號電連接器接觸件孔位排列提出如圖15要求。
經檢測後，被測電連接器插針位置偏差如下表所示：
被測電連接器插針位置及其偏差
本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。