一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法及装置

1.本发明属于弯管截面椭圆度自动检测技术领域，特别涉及一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法及装置。


背景技术：

2.当今快速发展的航空航天业，迫切需要精确化、轻量化以及可靠性的导管管件，使得飞机、火箭等航空航天载体的减重、机动性好、长寿等目的。管路系统作为航空航天设备的“血管”，尤其是导管管件的截面畸变决定了航空航天设备的整体性能，因此改善检测管路系统的技术水平对提高导管管件性能是非常重要的。基于机器视觉的对目标物件的测量技术近年来获得了快速发展，具有非接触、数据获取快、精度高、柔性好、自动化水平高等优点，广泛应用于零件尺寸测量、自由曲面测量等领域。而目前阶段，弯管的截面椭圆度大多依靠人工测量获得，存在测量精度不稳定、效率低、无法在线测量，不能很好地匹配当下弯管成形质量要求以及生产数量日益增长的需求，因此找出一种有效的、快速的且适合生产线在线测量的航空航天导管截面椭圆度自动测量方法迫在眉睫。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种检测精度高、检测效率高且通用性强的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法及装置。
4.本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.步骤s1：机械臂的末端夹爪抓取待测弯管并转换位姿，使待测弯管移动至工业相机的拍摄视角的中心区域，调整夹爪的角度或工业相机的角度，使工业相机的光轴垂直于弯管平面；
6.步骤s2：工业相机拍摄带有弯管弯曲角度和弯管横截面短轴数据的图片，并回传至算法程序端；
7.步骤s3：算法程序端读入工业相机拍摄的所设定的分辨率的图像数据阵列，并且将图像二值化处理，处理后的图像为f(x,y)；
8.步骤s4：对图像使用边缘检测算法，再对图片进行弯管内、外轮廓的边缘检测，令检测出边缘后的图像为e(x,y)，并选取轮廓采集中间点；
9.步骤s5：寻找待测弯管前、后、内、外各四段直线轮廓，根据直线轮廓的长度分别取前外轮廓、前内轮廓、后外轮廓、后内轮廓上的多个边缘像素点坐标，对像素坐标点通过最小二乘法进行直线拟合，拟合后得到前外拟合直线和后外拟合直线、前内拟合直线和后内拟合直线，将前外拟合直线和后外拟合直线、前内拟合直线和后内拟合直线分别延伸至相交，求出前外拟合直线和后外拟合直线的夹角α1、前内拟合直线和后内拟合直线的夹角α2，取这夹角α1和夹角α2的平均值，确定为待测弯管图像识别测得的弯曲角度α；
10.步骤s6：将拟合后的直线与图像e(x,y)的对应段作对比，计算前外拟合直线与前
外轮廓像素点在y轴坐标间的差值，如果差值大于约定值，则初步判定该点为弯管折弯的起始点s1；如果小于约定值，则该廓像素点属于直线范畴；
11.步骤s7：以s1为起点，在前外轮廓上查询接下来轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，并标记为c1点，c1点为管件外轮廓弯曲起点，在前段内轮廓上查询接下来轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，并标记为c2点，c2点为管件内轮廓弯曲起点，并对比c1、c2的x轴方向像素点坐标差值d1；
12.当d1小于指定值时，弯管弯曲轮廓搜寻成功，执行步骤s8；
13.当d1大于指定值时，弯管弯曲轮廓搜寻失败，执行步骤13；
14.步骤s8：计算弯管截面y轴坐标下c1与c2之间像素差值d2，并对比待测弯管对应段的外径d进行像素标定，用k来表示一个像素对应的距离数值，并根据弯管的理论弯曲半径r，从c2像素点垂直向下m个像素点确认弯曲半径中心点oa；
15.步骤s9：以c1像素点垂直向下至oa做一条起始线，作为开始；以与起始线顺时针夹角为α做一条终止线，作为结束；中间根据夹角α值平分出i个截面，并依次以oa为圆心做出直线且相交于弯管内外轮廓；每条线与内外轮廓交点的像素坐标点之间的距离，则为弯管横截面的每个角度截面上的短轴d
min,i
；
16.步骤s10：将夹角α值反馈给机械臂的末端夹爪，抓取待测弯管，使待测弯管的横截面长轴移至工业相机拍摄视角下，求出每个弯管横截面长轴垂直展示在相机光轴中心时机械臂位姿应移动的量，机械臂每将一个不同测量角度的弯管横截面长轴移至工业相机光轴上，工业相机拍摄图像并将图像传输到算法程序端；
17.步骤s11：工业相机光轴穿过每个弯管横截面，每个弯管横截面的长轴值d
max
，即为在图像纵向中心线上的左右两端轮廓距离，对该图像二值化后采集图像边缘像素数据，并选取y轴中间坐标且x轴左边像素值最小的坐标与同x轴右边最大的坐标做差，求出像素差值，并根据k求出该横截面长轴d
max
的实际长度，以此往复求出每个待测横截面的d
max，n
；
18.步骤s12：选取弯管弯曲段不同测量角度的n个截面，通过弯管同一横截面的d
max
与d
min
，求出第n个该截面的椭圆度
19.步骤s13：结束。
20.在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s3中，以图像的80灰度值为分界线，二值化处理后图像可通过公式(1.1)表示：
[0021][0022]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s4中，选取合适的轮廓采集中间点，轮廓采集中间点坐标值选取在内轮廓曲线上，判断轮廓采集中间点来源，于左半部分外轮廓、左半部分内轮廓、右半部分外轮廓、右半部分内轮廓：
[0023]
当轮廓采集中间点来源于左半部分外轮廓、左半部分内轮廓时，在0到x0值范围内对图像进行列扫描，从图像原点开始对y轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入左外轮廓边缘像素点集合a(x,y)或左内轮廓边缘像素点集合中，然后x轴方向的坐标加1，再次进行y轴方向的像素值遍历确认直至x0点；
[0024]
当轮廓采集中间点来源于右半部分外轮廓、右半部分内轮廓，在y
max
到y0值范围内
对图像进行列扫描，从图像原点开始对x轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入右外轮廓边缘像素点集合c(x,y)或右内轮廓边缘像素点集合d(x,y)中，然后y方向的坐标减1，再次进行y轴负方向的像素值遍历确认直至y0点。
[0025]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s5中，拟合直线方程公式如下：
[0026][0027]
式中：yi为图像像素y轴方向的坐标；xi为图像像素x轴方向的坐标；a0与a1为直线方程的系数；
[0028]
通过对轮廓边缘集e(x,y)中像素坐标的拟合，最终求出直线方程中的a0与a1。
[0029]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s5中，前外拟合直线与后外拟合直线所汇聚形成的夹角α1公式为：
[0030][0031]
式中：α1为外拟合直线夹角；k1为前外拟合直线斜率；k2为后外拟合直线斜率；
[0032]
前内拟合直线与后内拟合直线所汇聚形成的内拟合直线夹角α2公式同理同上。
[0033]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s5中，待测弯管图像识别测得的弯曲角度计算公式为：
[0034][0035]
式中：α为待测弯管图像识别测得的弯曲角度。
[0036]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s8中，k值的计算公式为：
[0037][0038]
式中：d为待测弯管的原始外径，d2为图像中弯管外径在y轴上的像素点之差；k为图片中一个像素点对应实际的距离值；
[0039]
m值的计算公式为：
[0040][0041]
式中：r为弯管的理论弯曲半径；m为图像弯曲半径点oa在y轴上距c2点的值。
[0042]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s10中，根据弯管模型，求出弯管的n个待测截面中心位置on，设弯管的弯曲中心oa坐标为(0,0)，则on的坐标计算公式为：
[0043][0044]
式中：on为弯管的n个待测截面中心位置；为弯管实际弯曲角度α的1/n。
[0045]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s10中，弯管中心各点在初始位置移动至工业相机拍摄视角下的移动位置公式dn为：
[0046][0047][0048][0049]
式中：p
jc
为预设的弯管截面中心在工业相机拍摄视角下的中心位置；n代表待测截面数；h为机械臂末端法兰中心o4至o1在z轴上的距离，根据实际情况配合on的坐标计算公式计算获得；r为弯管的理论弯曲半径；r
y,i
是转换弯管待测截面过程中需要转换的角度矩阵；是弯管待测截面转换过程中当前待测截面中心需要移动到工业相机拍摄视角中心所需移动的距离。
[0050]
在上述的航空弯管截面椭圆度自动测量方法中，步骤s12中，弯管截面椭圆度φ的计算公式为：
[0051][0052]
式中：d
max
为弯管某一截面的最大外径；d
min
为弯管同一截面的最小外径。截面编号为n的截面椭圆度为φn。
[0053]
本发明的第二个目的可通过下列技术方案来实现：一种航空弯管截面椭圆度自动测量装置，包括输入端、输出端、一个或多个处理器、存储器，以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法。
[0054]
与现有技术相比，本发明具有有效的、快速的自动测量航空航天导管截面椭圆度的优点。
附图说明
[0055]
图1为本发明一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法的流程图；
[0056]
图2为本发明实施例中弯管截面椭圆度短轴测量示意图；
[0057]
图3为本发明实施例中弯管截面椭圆度短轴示意图；
[0058]
图4为本发明实施例中弯管横截面短轴拍摄图像；
[0059]
图5为本发明实施例中图4使用二值化算法后的图像；
[0060]
图6为本发明实施例中图5使用边缘检测算法后的图像；
[0061]
图7为本发明实施例中前、后、内、外轮廓采集示意图；
[0062]
图8为本发明实施例中拟合直线及夹角示意图；
[0063]
图9为本发明实施例中弯管短轴成像中直线段轮廓选取示意图；
[0064]
图10为本发明实施例中变量d1的示意图；
[0065]
图11为本发明实施例中弯管短轴成像中轮廓弯曲起始点确认示意图；
[0066]
图12为本发明实施例中变量d2的示意图；
[0067]
图13为本发明实施例中弯管10个短轴截面确认示意图；
[0068]
图14为本发明实施例中弯管横截面长轴测量示意图；
[0069]
图15为本发明实施例中弯管横截面长轴成像示意图；
[0070]
图16为本发明实施例中弯管横截面长轴拍摄图像；
[0071]
图17为本发明实施例中图16使用二值化算法与边缘检测算法后的图像；
[0072]
图18为本发明实施例中弯管短轴成像中直线段轮廓选取示意图；
[0073]
图19为本发明实施例中弯管10个待测横截面的中心点示意图；
[0074]
图20为本发明实施例弯管10个长轴图像示意图；
[0075]
图21为本发明实施例中弯管椭圆度检测整体运行机构示意图；
[0076]
图22为本发明实施例中人工测量和算法测量的对比示意图。
[0077]
图中，1、机械臂；2、夹爪；3、待测弯管；4、工业相机；5、三脚架；6、传送带。
具体实施方式
[0078]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0079]
如图1-图22所示，本航空弯管截面椭圆度自动测量方法，包括以下步骤：
[0080]
步骤s1：机械臂1的末端夹爪2抓取待测弯管3，并转换位姿，使得待测弯管3如图2所示姿态移动至工业相机4拍摄视角中心；通过设置机械臂1的末端夹爪2与垂直方向的角度或调整三脚架5上工业相机4与垂直方向的角度，最终使工业相机4的光轴垂直于如图3所示的弯管平面；
[0081]
步骤s2：当机械臂1执行完步骤s1后，发出信号。工业相机4接收机械臂1发出的动作指令，拍摄带有弯管弯曲角度和弯管横截面短轴数据的图片，如图4所示，并回传至电脑的算法程序端；
[0082]
步骤s3：电脑端弯管截面椭圆度处理算法程序读入工业相机4拍摄的所设定的分辨率的图像数据阵列，并且将图像二值化处理，处理后的图像为f(x,y)，如图5所示；
[0083]
步骤s4：对图像使用canny边缘检测算法后，再对图片进行弯管内、外轮廓的边缘检测，令检测出边缘后的图像为e(x,y)，如图6所示，并选取合适的轮廓采集中间点；
[0084]
步骤s5：如图7、8所示，寻找待测弯管4前、后、内、外各四段直线轮廓部分，根据直线轮廓的长度取若干个内外轮廓边缘像素点坐标，对这前外轮廓、前内轮廓、后外轮廓、后内轮廓这四组像素坐标点通过最小二乘法进行直线拟合，拟合后得到前外拟合直线和后外拟合直线，前内拟合直线和后内拟合直线。将这两组拟合直线延伸至相交，通过两条直线的夹角公式(1.3)求出前外拟合直线和后外拟合直线的夹角α1，前内拟合直线和后内拟合直线的夹角α2。取这两个夹角的平均值，确定为待测弯管图像识别测得的弯曲角度α；
[0085]
步骤s6：如图9中以前外拟合直线为例，将拟合好的直线与步骤s4中图像e(x,y)的对应段作对比，计算前外拟合直线与前外轮廓像素点在y轴坐标间的差值。如果差值大于约定值，则初步判定该点为弯管折弯的起始点s1；如果小于约定值，则该廓像素点还是属于直
线范畴。通过此方法，用来初步筛除弯管的直线部分。
[0086]
步骤s7：如图12所示，以s1为起点，在前外轮廓段上查询接下来轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，如图11所示，找到之后并标记为c1点，即为管件外轮廓弯曲起点。同理，前段内轮廓按照同样的方法找到c2点，并对比c1、c2的x轴方向像素点坐标差值d1，如图11所示；实际验证若两者差值大于试验验证的指定值，则轮廓搜寻失败；
[0087]
若指定值为20个像素点，则：
[0088]
当d1《20时，弯管弯曲轮廓搜寻成功，执行步骤s8；
[0089]
当d1》20时，弯管弯曲轮廓搜寻失败，执行步骤13；
[0090]
步骤s8：如图11所示，计算弯管截面y轴坐标下c1与c2之间像素差值d2，并对比待测弯管对应段的外径d进行像素标定，用k来表示一个像素对应多少毫米，并根据弯管的理论弯曲半径r，从c2像素点垂直向下m个像素点来确认弯曲半径中心点oa。
[0091]
步骤s9：以c1像素点垂直向下至oa做一条起始线，作为开始；以与起始线顺时针夹角为α做一条终止线，作为结束；中间根据夹角α值平分出i个截面，并依次以oa为圆心做出直线且相交于弯管内外轮廓；每条线与内外轮廓交点的像素坐标点之间的距离，则为弯管横截面的每个角度截面上的短轴d
min,i
；
[0092]
步骤s10：将夹角α值反馈给机械臂1的末端夹爪2，抓取待测弯管3，使待测弯管的横截面长轴通过位姿转换公式(1.8)移至工业相机4拍摄视角下，如图14所示。公式(1.8)求出每个弯管横截面长轴垂直展示在相机光轴中心时机械臂位姿应移动的量。机械臂1每将一个不同测量角度的弯管横截面长轴移至工业相机4光轴上，机械臂1给出信号，命令工业相机4拍摄图像，并将图像传输到电脑端；
[0093]
步骤s11：因为工业相机4光轴穿过每个弯管横截面，如图15所示，每个弯管横截面的长轴值d
max
，即为在图像纵向中心线上的左右两端轮廓距离，如图17所示，经过算法对该图像二值化后采集图像边缘像素数据，并选取y轴中间坐标且x轴左边像素值最小的坐标与同x轴右边最大的坐标做差，求出像素差值，并根据k求出该横截面长轴d
max
的实际长度，以此往复求出每个待测横截面的d
max，n
；
[0094]
步骤s12：选取弯管弯曲段不同测量角度的n个截面，通过求出来的弯管同一横截面的d
max
与d
min
，求出该第n个截面的椭圆度，根据截面椭圆度计算公式(1.11)，即可求出该截面的椭圆度φ；同理，即可求出弯管弯曲段n个截面的截面椭圆度φn；
[0095]
步骤s13：结束。
[0096]
一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，具体操作步骤如下：
[0097]
以外径d＝60mm，壁厚t＝1mm，弯曲半径r＝120mm，弯曲角度θ＝90
°
的大口径薄壁铝合金lf2m航空导管为例，实施本发明提出的弯管截面椭圆度自动测量方法；
[0098]
如图21所示，当第一传送带运输待测弯管3至待检区域时，机械臂1收到开始信号，驱动末端夹爪2移至待测弯管3上方，并调整好末端夹爪2位姿，抓取待测弯管3至预调准备位置。之后机械臂1的末端夹爪2抓取待测弯管3，并转换位姿，使得待测弯管3如图2所示姿态移动至工业相机4拍摄视角中心。通过设置机械臂1的末端夹爪2与垂直方向成斜向下30
°
，同时调整三脚架5上工业相机4与垂直方向成斜向下60
°
，最终使工业相机4的光轴垂直于如图3所示的弯管平面。
[0099]
然后，机械臂1发出信号，工业相机4接收机械臂1发出的动作指令，拍摄带有弯管
弯曲角度和弯管横截面短轴数据的图片，如图4所示；并回传至电脑的算法程序端；
[0100]
电脑端弯管截面椭圆度处理算法程序读入工业相机4拍摄的分别率为2592
×
1944的图像数据阵列，之后电脑算法程序以图像的80灰度值为分界线，通过公式(1.1)将图片进行二值化处理，处理后的图像为f(x,y)，如图5所示；
[0101]
如图18所示，选取合适的轮廓采集中间点，该点坐标值选取在内轮廓曲线上，方便接下来区分左半部分外轮廓、左半部分内轮廓、右半部分外轮廓、右半部分内轮廓。
[0102]
以左半部分外轮廓点采集为例，首先在0到x0值范围内对图像进行列扫描，从图像原点开始对y轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入左外轮廓边缘像素点集合e(x,y)中，然后x方向的坐标加1，再次进行y方向的像素值遍历确认直至x0点。左半部分内轮廓以同样的方法通过扫描将其像素点坐标记录进左内轮廓边缘像素点集合。
[0103]
右半部分外轮廓，首先在y
max
到y0值范围内对图像进行列扫描，从图像原点开始对x轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入右外轮廓边缘像素点集合e(x,y)中，然后y方向的坐标减1，再次进行y轴负方向的像素值遍历确认直至y0点。右半部分内轮廓以同样的方法通过扫描将其像素点坐标记录进左内轮廓边缘像素点集合d(x,y)。；
[0104]
算法程序将以像素点坐标的形式来分析内外轮廓直线段部分的数据，如图7、8所示，在左外轮廓边缘像素点集合a(x,y)、左内轮廓边缘像素点集合b(x,y)、右外轮廓边缘像素点集合c(x,y)、右内轮廓边缘像素点集合d(x,y)中寻找待测弯管4前、后、内、外各四段直线轮廓部分，根据直线轮廓的长度取200个内外轮廓边缘像素点坐标，对这前外轮廓、前内轮廓、后外轮廓、后内轮廓这四组像素坐标点通过最小二乘法进行直线拟合，拟合后得到前外拟合直线：
[0105]
y1＝0.26x1+295.53
ꢀꢀꢀ
(2.1)
[0106]
后外拟合直线：
[0107]
y2＝32.89x
2-50935.71
ꢀꢀꢀ
(2.2)
[0108]
前内拟合直线：
[0109]
y3＝0.009x3+710.81
ꢀꢀꢀ
(2.3)
[0110]
后内拟合直线：
[0111]
y4＝39.85x
4-45376.34
ꢀꢀꢀ
(2.4)
[0112]
将公式(2.1)所示的前外拟合直线和公式(2.2)所示的后外拟合直线这组拟合直线延伸至相交，通过公式(1.3)，把公式(2.1)中k1＝0.26与公式(2.2)中k2＝32.89带入公式1.3求出前外拟合直线和后外拟合直线的夹角：
[0113][0114]
同理公式(2.3)中k3＝0.009与公式(2.2)中k4＝39.85把前内拟合直线和后内拟合直线的夹角：
[0115][0116]
再将α1与α2的值代入公式(1.4)，得到待测弯管的图像识别测得的弯曲角度：
[0117][0118]
如图9所示，以前外轮廓为例，将拟合好的前外拟合直线与前外轮廓段上像素点在y轴坐标上计算差值，如果距离大于定值如5个像素点，则初步判定该点为弯管折弯的起始点s1，通过此方法能够初步筛除掉确定的弯管直线部分；
[0119]
接下来排除疑似弯管弯曲段的部分。由于一个像素点代表的实际测量值在0.1mm左右，在拍摄且处理弯管截面图片时，不可避免地会出现一些微小误差，所以接下来在前外轮廓段上查询轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，找到之后标记为c1点，该点即为管件外轮廓弯曲起点；同理，在前端内轮廓按照同样的方法找到c2点，并对比c1、c2点在x轴方向像素点坐标差值d1，如图11所示。若试验验证的指定值为20个像素点，则：
[0120]
当d1《20时，弯管弯曲轮廓搜寻成功，执行下一步；
[0121]
当d1》20时，弯管弯曲轮廓搜寻失败，程序结束；
[0122]
如果d1》20个像素值，该弯管可能出现凹坑、细微褶皱、或是光源出现问题，需要人工再次测量进行确认；
[0123]
接下来，将弯管截面纵坐标下c1与c2之间像素差值d2＝413.5计算出来，并对比实际弯管那一段的外径值d＝60mm通过公式(1.5)进行像素标定，即一个像素对应多少毫米值，并根据弯管的弯曲半径r，使用公式(1.6)计算出从c2像素点垂直向下621个像素点确认弯曲半径中心点oa；
[0124][0125][0126]
接下来，连接c1与oa这两个点作为弯管弯曲的起始线，作为开始；并以与起始线；顺时针夹角为α终止线，作为结束；中间根据夹角α平分出n＝10个截面角度，并依次以oa为圆心做出直线且相交于弯管内外轮廓；如图13所示，每条线与内外轮廓交点的像素坐标点之间的距离则为每个角度横截面上的d
min，n
；如表1第2列所示。
[0127]
接下来，将图像识别测得的弯曲角度α值反馈给机械夹爪2，使之抓取待测弯管3，使待测弯管的横截面长轴通过位姿转换公式(1.8)移至工业相机4的拍摄视角下，如图14所示；公式(1.8)求出每个弯管横截面长轴垂直展示在相机光轴中心时机械臂位姿应移动的量。
[0128]
以o4截面转至o1截面为例，当以oa为原点时，o4的坐标如时如式(2.10)所示，因为o4截面与工业相机(4)光轴垂直的状态是夹爪(2)抓取待测弯管(3)展示长轴长度的初始姿态，故夹爪(2)抓取待测弯管(3)从o4截面运动至o1截面需要公式(1.8)来计算。
[0129]
当n取1时，ψ＝8.74，r
y,1
的值如式(2.11所示)，的值为式(2.12)所示，当p
jc
监测点空间距离确定后，将r
y,1
与带入式(1.8)即可求出夹爪抓取弯管在转动30度后使得o1截面呈现在工业相机视角下应移动的距离。
[0130]
o4＝(60,103.92)
ꢀꢀꢀ
(2.10)
[0131][0132][0133]
同时，对这10个横截面的长轴、短轴进行人工测量，并根据公式(1.11)计算出各个横截面的椭圆度，如表2所示。
[0134]
机械臂1每将一个弯管弯曲截面移至工业相机4光轴上，机械臂1给出信号，命令工业相机4拍摄图像。工业相机4拍摄弯管横截面如图16所示。图像通过二值化与边缘检测处理后如图17所示，然后求出弯管边缘在图像中心线上的像素点x方向坐标差值，并与前两步中的k值相乘，此值即为弯管该截面长轴实际长度d
max
。10张弯管长轴截面图片如图20所示，以此往复求出每个待测截面的d
max，n
，如表1第3列所示；
[0135]
接下来算法程序将上述所求弯管同一截面的d
max
与d
min
带入弯管截面椭圆度计算公式(1.11)，即可计算出弯管弯曲段10个截面的截面椭圆度如表1第4列所示。
[0136]
表1图像识别测得的弯管横截面尺寸及椭圆度
[0137][0138]
表2人工测量得到的弯管横截面及椭圆度
[0139][0140]
表1中，o1横截面为靠近弯管夹持段的横截面，o
10
横截面为靠近弯管起弯段的横截面。根据表1和表2，即可绘制出不同测量角度弯管横截面椭圆度的变化曲线，如图22所示。
[0141]
通过数据分析可以看出，使用基于六轴机械臂与工业相机的航空航天用超薄壁弯管截面椭圆度自动化测量方法所得出的管件数据与实际测量所得出的数据椭圆度误差不超过0.5％且椭圆度变化趋势一致。人工测量弯管横截面椭圆度的时间大概为5分钟，而使用本发明提出的方法测量的时间大概为1分钟，且测量位置稳定、数据更加精确。一种航空弯管截面椭圆度自动测量装置，包括输入端、输出端、一个或多个处理器、存储器，以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法。
[0142]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0143]
尽管本文较多地使用了大量术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

技术特征：
1.一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：机械臂的末端夹爪抓取待测弯管并转换位姿，使待测弯管移动至工业相机的拍摄视角的中心区域，调整夹爪的角度或工业相机的角度，使工业相机的光轴垂直于弯管平面；步骤s2：工业相机拍摄带有弯管弯曲角度和弯管横截面短轴数据的图片，并回传至算法程序端；步骤s3：算法程序端读入工业相机拍摄的所设定的分辨率的图像数据阵列，并且将图像二值化处理，处理后的图像为f(x,y)；步骤s4：对图像使用边缘检测算法，再对图片进行弯管内、外轮廓的边缘检测，令检测出边缘后的图像为e(x,y)，并选取轮廓采集中间点；步骤s5：寻找待测弯管前、后、内、外各四段直线轮廓，根据直线轮廓的长度分别取前外轮廓、前内轮廓、后外轮廓、后内轮廓上的多个边缘像素点坐标，对像素坐标点通过最小二乘法进行直线拟合，拟合后得到前外拟合直线和后外拟合直线、前内拟合直线和后内拟合直线，将前外拟合直线和后外拟合直线、前内拟合直线和后内拟合直线分别延伸至相交，求出前外拟合直线和后外拟合直线的夹角α1、前内拟合直线和后内拟合直线的夹角α2，取这夹角α1和夹角α2的平均值，确定为待测弯管图像识别测得的弯曲角度α；步骤s6：将拟合后的直线与图像e(x,y)的对应段作对比，计算前外拟合直线与前外轮廓像素点在y轴坐标间的差值，如果差值大于约定值，则初步判定该点为弯管折弯的起始点s1；如果小于约定值，则该廓像素点属于直线范畴；步骤s7：以s1为起点，在前外轮廓上查询接下来轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，并标记为c1点，c1点为管件外轮廓弯曲起点，在前段内轮廓上查询接下来轮廓像素点变化速率q大于拟合直线斜率的点，并标记为c2点，c2点为管件内轮廓弯曲起点，并对比c1、c2的x轴方向像素点坐标差值d1；当d1小于指定值时，弯管弯曲轮廓搜寻成功，执行步骤s8；当d1大于指定值时，弯管弯曲轮廓搜寻失败，执行步骤13；步骤s8：计算弯管截面y轴坐标下c1与c2之间像素差值d2，并对比待测弯管对应段的外径d进行像素标定，用k来表示一个像素对应的距离数值，并根据弯管的理论弯曲半径r，从c2像素点垂直向下m个像素点确认弯曲半径中心点o
a
；步骤s9：以c1像素点垂直向下至o
a
做一条起始线，作为开始；以与起始线顺时针夹角为α做一条终止线，作为结束；中间根据夹角α值平分出i个截面，并依次以o
a
为圆心做出直线且相交于弯管内外轮廓；每条线与内外轮廓交点的像素坐标点之间的距离，则为弯管横截面的每个角度截面上的短轴d
min,i
；步骤s10：将夹角α反馈给机械臂的末端夹爪，抓取待测弯管，使待测弯管的横截面长轴移至工业相机拍摄视角下，求出每个弯管横截面长轴垂直展示在相机光轴中心时机械臂位姿应移动的量，机械臂每将一个不同测量角度的弯管横截面长轴移至工业相机光轴上，工业相机拍摄图像并将图像传输到算法程序端；步骤s11：工业相机光轴穿过每个弯管横截面，每个弯管横截面的长轴值d
max
，即为在图像纵向中心线上的左右两端轮廓距离，对该图像二值化后采集图像边缘像素数据，并选取y轴中间坐标且x轴左边像素值最小的坐标与同x轴右边最大的坐标做差，求出像素差值，并
根据k求出该横截面长轴d
max
的实际长度，以此往复求出每个待测横截面的d
max，n
；步骤s12：选取弯管弯曲段不同测量角度的n个截面，通过弯管同一横截面的d
max
与d
min
，求出该第n个截面的椭圆度步骤s13：结束。2.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s3中，以图像的80灰度值为分界线，二值化处理后图像可通过公式(1.1)表示：3.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s4中，选取合适的轮廓采集中间点，轮廓采集中间点坐标值选取在内轮廓曲线上，判断轮廓采集中间点来源，于左半部分外轮廓、左半部分内轮廓、右半部分外轮廓、右半部分内轮廓：当轮廓采集中间点来源于左半部分外轮廓、左半部分内轮廓时，在0到x0值范围内对图像进行列扫描，从图像原点开始对y轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入左外轮廓边缘像素点集合a(x,y)或左内轮廓边缘像素点集合b(x,y)中，然后x轴方向的坐标加1，再次进行y轴方向的像素值遍历确认直至x0点；当轮廓采集中间点来源于右半部分外轮廓、右半部分内轮廓，在y
max
到y0值范围内对图像进行列扫描，从图像原点开始对x轴方向的像素值进行遍历确认e(x,y)中灰度值为255的像素点坐标，并存放入右外轮廓边缘像素点集合c(x,y)或右内轮廓边缘像素点集合d(x,y)中，然后y方向的坐标减1，再次进行y轴负方向的像素值遍历确认直至y0点。4.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s5中，拟合直线方程公式如下：式中：y
i
为图像像素y轴方向的坐标；x
i
为图像像素x轴方向的坐标；a0与a1为直线方程的系数；通过对轮廓边缘集e(x,y)中像素坐标的拟合，最终求出直线方程中的a0与a1。5.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s5中，前外拟合直线与后外拟合直线所汇聚形成的夹角α1公式为：式中：α1为外拟合直线夹角；k1为前外拟合直线斜率；k2为后外拟合直线斜率；前内拟合直线与后内拟合直线所汇聚形成的内拟合直线夹角α2公式同理同上；待测弯管图像识别测得的弯曲角度计算公式为：式中：α为待测弯管图像识别测得的弯曲角度。
6.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s8中，k值的计算公式为：式中：d为待测弯管的原始外径，d2为图像中弯管外径在y轴上的像素点之差；k为图片中一个像素点对应实际的距离值；m值的计算公式为：式中：r为弯管的理论弯曲半径；m为图像弯曲半径点o
a
在y轴上距c2点的值。7.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s10中，根据弯管模型，求出弯管的n个待测截面中心位置o
n
，设弯管的弯曲中心o
a
坐标为(0,0)，则o
n
的坐标计算公式为：式中：o
n
为弯管的n个待测截面中心位置；为弯管实际弯曲角度α的1/n。8.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s10中，弯管中心各点在初始位置移动至工业相机拍摄视角下的移动位置公式d
n
为：为：为：式中：p
jc
为预设的弯管截面中心在工业相机拍摄视角下的中心位置；n代表待测截面数；h为机械臂末端法兰中心o4至o1在z轴上的距离，根据实际情况配合o
n
的坐标计算公式计算获得；r为弯管的理论弯曲半径；r
y,i
是转换弯管待测截面过程中需要转换的角度矩阵；是弯管待测截面转换过程中当前待测截面中心需要移动到工业相机拍摄视角中心所需移动的距离。9.根据权利要求1所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，其特征在于，步骤s12中，弯管截面椭圆度φ的计算公式为：式中：d
max
为弯管某一截面的最大外径；d
min
为弯管同一截面的最小外径。截面编号为n的截面椭圆度为φn。
10.一种航空弯管截面椭圆度自动测量装置，包括输入端、输出端、一个或多个处理器、存储器，以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-9任意一项所述的一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法。

技术总结
本发明提供了一种航空弯管截面椭圆度自动测量方法，属于弯管截面椭圆度检测技术领域。它解决了现有人工测量椭圆度精度不稳定等问题。本发明包括以下步骤：步骤S1：夹爪抓取弯管至拍摄中心；步骤S2：工业相机拍摄目标截面图片；步骤S3：电脑算法处理拍摄图像；步骤S4：算法再次处理图像；步骤S5：计算弯管弯曲角度；步骤S6：初筛弯管弯曲起点；步骤S7：复筛弯管弯曲起点；步骤S8：确定弯管弯曲中心；步骤S9：确定弯管若干个待测弯管横截面短轴位置并测算出各个短轴长度；步骤S10：夹爪将弯管横截面长轴置于拍摄中心；步骤S11：求出弯管各横截面短轴数据；步骤S12：根据若干个弯管横截面长轴和短轴数据，计算出各横截面椭圆度；步骤S13：结束。本发明具有检测精度高等优点。本发明具有检测精度高等优点。本发明具有检测精度高等优点。


技术研发人员：蒋兰芳 高逸翔 杨铭 潘浩 李威 袁武杰
受保护的技术使用者：浙江工业大学之江学院
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/9/23