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枪弹弹头无接触自动检测系统设计_张亚军教案pdf

归档日期:07-02       文本归类:弹头检测      文章编辑:爱尚语录

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  33 5 20 12 5 第 卷 第 期 四 川 兵 工 学 报 年 月  【 】 武器装备理论与技术 枪弹弹头无接触自动检测系统设计 , 张亚军 齐杏林 ( , 050003) 军械工程学院弹药工程系 石家庄 : , , 摘要 针对枪弹弹头人工检测效率低精度差的问题 采用机器视觉技术实现了枪弹弹头的无接触自动检测 详述了 、 、 , 。 自动检测系统的机械传输驱动设备 照射及图像摄像装置 尺寸测量和重量检测算法的设计 并进行了实验验证 , , 。 证明该系统相比人工检测 耗费时间大幅减少 检测效率和检测精度有较大提高 : ; ; ; 关键词 弹头 自动检测 尺寸测量 重量检测 中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1006 - 0707 (2012)05 - 0006 - 05 , , 1. 1 枪弹作为轻武器常规弹药之一 结构看似简单 但是属 机器视觉的发展 , , 20 50 , 于批量性流水线加工 为保证枪弹的质量 提高零部件加工 机器视觉是在 世纪 年代从统计模式识别开始的 。 , , 过程的一致性和装配过程的一致性显得尤为重要 所以 枪 当时的工作主要集中在二维图像分析和识别上 如光学字符 、 、 , 、 。20 弹生产过程中必须对弹头 弹壳 弹头等零部件进行严格的 识别 工件表面 显微图片和航空图片的分析和解释等 。 , 2 : , 60 ,Roberts 检测 总体上来讲 检测主要包括 个方面 一是制造精度 世纪 年代 通过计算机程序从数字图像中提取出 、 ; , 、 、 、 诸如立方体、 、 , 如尺寸 重量等 二是表面缺陷 如表面压痕 擦伤 锈斑 裂 楔形体 棱柱体等多面体的三维结构 并对物体 。 , 、 , 。Roberts 缝等 目前 我国枪弹检测手段 方法和设备还相当落后 几 形状及物体的空间关系进行描述 的研究工作开始 , “ + 。Roberts 十年来产品在更新换代 但检测方式却长期处于 量具 人 了以理解三维场景为目的的三维机器视觉的研究 ” , 。 , 工 的传统阶段 停留在长检台上及肉眼检验质量 这种方 对积木世界的创造性研究给人们以极大的启发 许多人相 、 , , , 式不但劳动强度高 费工时 而且由于人工检测的主观性造 信 一旦由白色积木玩具组成的三维世界可以被理解 则可 、 , 。 。 , 成检测精度低 可靠性差 给枪弹的质量带来了潜在的隐患 以推广到理解更复杂的三维场景 于是 人们对积木世界进 , , 、 , 因此 使用自动检测技术提高枪弹检测精度和效率是一项急 行了深入研究 研究的范围从边缘 角点等特征提取 到线 。 、 、 , 、 、 待解决的问题 条 平面 曲面等几何要素分析 一直到图像明暗 纹理 运动 [1] , , 以及成像几何等, 。 当然 国内对枪弹的检测也有相关研究 如张旭等 采 并建立了各种数据结构和推理规则 到了 12 , 20 70 , [Guzman 用 工位高速检测转自模型设计测试系统 并使用位移传 世纪 年代 已经出现了一些视觉应用系统 ; [2] 1969 ,Mackworth 1973 ,]。20 70 , 感器测量相对位移差的方法来测量枪弹的尺寸 吴海江等 世纪 年代中期 麻省理工学 。 (MIT) (AI) “ ”(Ma- 用计算机图像处理技术检测弹痕 但他们的研究对枪弹的 院 人工智能 实验室正式开设 机器视觉 , 。 chine Vision) , B. K. P. Horn 。 检测不全面 而且自动化程度不高 近年发展起来的机器视 课程 由国际著名学者 教授讲授 [3] 、 。 ,MIT AI 觉用机器代替人眼进行目标对象的识别 判断和测量 通 同时 实验室吸引了国际上许多知名学者参与机器视 、 。 、 、 ,David Marr 过对图像信息的获取 处理实现对目标对象的测量和识别 觉的理论 算法 系统设计的研究 教授就是其中 , 。 1973 MIT AI 相对于传统测量检验方法 机器视觉技术的最大优点是快 的一位 他于 年应邀在 实验室领导一个以博 、 、 , 、 ,1977 “ ” 速 准确 可靠与智能化 对提高产品检验的一致性 降低工 士生为主体的研究小组 年提出了不同于 积木世界 。 (computational vision), 人劳动强度以及实现检测自动化 本文应用机器视觉技术 分析方法的计算视觉理论 该理论在 , , 20 80 设计了枪弹弹头自动检测系统 在不接触弹头的情况下 实 世纪 年代成为机器视觉研究领域中的一个十分重要的 。 。 , 20 现了对枪弹弹头尺寸的自动测量和重量的自动检测 理论框架 可以说 对机器视觉的全球性研究热潮是从 80 , 20 80 , 世纪 年代开始的 到了 世纪 年代中期 机器视觉获 , 、 、 , , 1 无接触自动检测的理论基础 得了蓬勃发展 新概念 新方法 新理论不断涌现 比如 基于 , , 感知特征群的物体识别理论框架 主动视觉理论框架 视觉 [4] , , 集成理论框架等 。 , 无接触自动检测的理论基础是机器视觉技术 因此 下 到目前为止 机器视觉仍然是一个非常 , , 。2008 面主要介绍一下机器视觉技术的发展和原理 以便为枪弹弹 活跃的研究领域 是目前国际上一种先进的检测技术 头的无接触自动检测系统设计提供参考。 年河南科技大学的程转伟等提出把图像处理技术与缺陷专 收稿日期:2012 - 03 - 27 : (1978—),, , , 。 作者简介 张亚军 男 硕士研究生 工程师 主要从事机电系统检测技术研究 , : 7 张亚军 等 枪弹弹头无接触自动检测系统设计  。 。 : , , 家诊断系统相结合的零件表面缺陷检测方法 根据表面缺 计不同的打光方案 例如 检测尺寸时 一般选择背光源 保 , , 、 。 陷的特点设计缺陷检测系统 综合运用了图像处理技术 采 证被测物在相机中的投影边界清晰 锋利 而相机是机器视 , , , 用改进的中值滤波技术消除噪声 运用差影法进行缺陷分 觉系统中的核心部件 只有拿到相对清晰的图像 好质量的 , , 。 , 割 最后使用专家系统进行缺陷分析 并进行了可靠性验证 图像才能做出精确的判断 在实际现场环境中还需要在机器 2005 , 年天津大学的张晓波等开发了一种基于图像处理技术 视觉系统上加遮光板 这样防止外部环境对相机成像的影 。 。 (6) (7 ) , 的制动阀表面缺陷自动检测系统 综合运用了图像处理技 响 相机拍摄图像送入计算机 内的采集卡 上 采集 , , (8) 。 术 使用了改进的中值滤波技术消除噪声 运用矩量不变法 卡将图像数据保存在内存 中 通过一系列复杂的图像算 , , , 、 、 自动阈值分割 采用霍夫变换提取功能面 可准确判定工件 法 图像算法就是对内存中的图像数据经过滤波 锐化 均 。 , 、 、 、 、 。 的质量等级 因此 视觉检测在产品外观质量 尺寸等检测 值 动态分析 寻边 小波变换等 通过对图像数据的算法分 , (9), (7 ), 上有着无与伦比的优势 是替代传统的人工检测和机械检测 析得出结果 根据结果控制计算机上的控制卡 通过 , (10) , 设备的最佳选择 其发展不仅极大地推动了智能系统的发 控制卡控制排除机构 做出反应 排除机构则有一系列的 , , 、 。 展 也拓宽了计算机与各种智能机器的研究范围和应用 电气器件组成 例如气缸 电磁阀等 领域。 1. 2 机器视觉的原理 2 弹头自动检测系统的工作原理及结构 , , 所谓机器视觉 是指用计算机来实现人的视觉功能 即 组成 , 用计算机来实现对客观的三维世界的识别 是一个整套的系 , 、 、 、 、 、 2 . 1 统 包括相机 镜头 光源 视频采集卡 图像算法库 应用程 检测系统工作原理 。 2 , 序等一系列的功能部分 人类视觉系统的感受部分是视网 基于机器视觉的枪弹弹头检测原理如图 所示 首先需 , , , 膜 它是一个三维采样系统 三维物体的可见部分投影在视 要由机械传输定位设备将弹头送至检测平台并进行定位 利 , 用特殊光源以一定方向照射被测弹头,CCD 相机在弹头上扫 网膜上 人们按照投影到视网膜上的二维的像来对物体进行 。 、 、 , , 三维理解 所谓三维理解是指对被观察对象的形状 尺寸 描成像 扫描所得的图像信号经过图像采集卡输入计算机 、 ( ) 、 、 离开观察点的距离 质地和运动特征 方向和速度 等的理 通过图像预处理 二值化 确定检测区域等处理方法后得弹 。 、 , , , 解 机器视觉的输入装置可以是摄像机 转鼓等 它们都把 头的二值图像 提取二值图像中的几何特征参数 就可以得 , , 。 三维的影像作为输入源 即输入计算机的就是三维客观世界 到弹头的长度等尺寸 再进行对比和分选 最后将检测结果 。 , 。 的二维投影 如果把三维客观世界到二维投影图像看作是 显示出来 并存入数据库中 , 一种正变换 则机器视觉系统所要做的就是从这种二维投影 , 图像到三维客观世界的逆变换 即根据这种二维投影图像去 , 。 1 重建三维客观世界 从而实现对目标作出识别的目的 图 是机器视觉系统在线 图 枪弹弹头检测原理 , 根据上述检测检测原理 枪弹弹头自动检测系统设计的 、 、 、 关键内容包括弹头传输 定位 对弹头最佳照射 选择图像采 、 。 集设备和图像处理和识别 称重设备 2 . 2 机构组成 2 , 3 , 根据图 的检测原理设计总体结构 如图 所示 枪弹 1. ;2 . ;3 . ;4 . ;5 . + ;6 . ; 传送带 被测物体 传感器 光源 相机 镜头 计算机 、 弹头检测系统总体结构主要包括机械传输驱动设备 系统控 7 . ;8. ;9 . ;10 . 采集卡和控制卡 计算机内存 检测结果 排除机构 制显示设备和检测软件。 1 图 机器视觉系统在线 机械传输驱动设备主要构成 1 , (2) (1) , , 在图 中 被检测物体 在传送带 上运动 机器视 机械传输驱动设备的作用是将弹头传送至检测台 方便 。 、 , 觉系统在相对固定的位置采集被检测物体的图像 这就要 摄像机对枪弹弹头尺寸扫描成像 称重设备进行重量检测 , 。 求要有相应的机械结构保障 同时需要有给出外触发信号的 并按照检测结果将弹头传送至不同的分料箱 枪弹弹头传 (3), , 、 、 、 、 。 传感器 传感器是一种电器元件 有光电式 电磁感应式 送系统包括料斗 料道 取料轮和拨料装置 料斗将弹头按 , 预期设计频率进行排序并送入波浪板料道。 开关式等不同种类 在实际项目中需要根据被测物的不同来 料道起连接料 。 (3) (4 )。 , 。 选择 触发信号去触发光源 和相机 光源在机器视 斗和取料轮的作用 双通道的设计提高了输料效率 弹头从 , , 。 3 觉中占据着很重要的位置 根据不同的检测种类需要选择不 料斗输出后 通过料道输出到取料轮 弹头取料轮上有 个 , 、 V , 、CCD 同的光源 根据被检测物不同的颜色 需要检测的项目要设 型槽取料位 取料轮与长度检测装置 相机协作完成 8 四川兵工学报 http :/ / scbg. jourserv. com /  。 检测的弹头在CCD , 对弹头长度的图像采集 像面上所成像的像质 在很大程度上依 [5] 赖于其照明情况 。光学照明按照射方式可分为背向照明、 、 。 前向照明 结构光和频闪光照明等 背向照明是被测物放在 , ; 光源和摄像机之间 其优点是能获得高对比度的图像 前向 , 照明是光源和摄像机位于被测物的同侧 这种方式便于安 ; , 装 结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上 根据 , ; 它们所产生的畸变 解调出被测物的三维信息 频闪光照明 , 是将高频率的光脉冲照射到物体上 照相机拍摄要求与光源 , 。 同步 这样能有效地拍摄高速运动物体的图像 本系统需要 , 获得高对比度的图像来准确地找到弹头尖部 所以选用背向 照明。 3 图 弹头自动检测系统结构 长度检测装置由一个背部照射光源和一个曲面定位环 , 4 。 V 组成 如图 所示 弹头从波浪板料道传输道取料轮 型槽 , 中后 取料轮在向最高点转动的过程中靠曲面定位环实现弹 , , , 头底部定位 当到达最高点时 触发传感器 通过工控系统发 ,CCD , , 出检测信号 相机进行图像读取 与此同时 取料轮下方 的LED 光学照明装置对被测弹尖部位进行亮度增强照明; , LED 摄像机在接收到拍摄信号后 对有 光学照明的弹尖部 、 , , , 位进行图像拍摄 读取 之后 经过一系列的图像处理 传给 , 。 计算机工控系统 以实现对弹头尖部的图像采集 CCD CMOS 。 2 摄像机目前主要有 和 两种 对比 种相机 , 、 、 的优缺点和性能与价格比 综合考虑功能需求 尺寸大小 图 4 图 长度检测装置 、 、 、 像清晰度 工作环境光照度 数据处理方便性 经济性等多个 , , , SONY XC - 75 CCD , 弹头在取料轮完成长度检测后 被取料轮带动继续转 因素 本系统中 选用的 公司 工业 相机 , , 5 。 768 × 494 ; 7 . 95 × 6. 45 ; 8. 4 m × 动 被输送到重量检测装置 如图 所示 重量检测装置由 分辨率 扫描范围 感光面 μ 、 , 9. 8 m ; / 15 . 734 kHz / 59 . 94 Hz ; 一个拨料设备和电子天平 大理石板组成 大理石板附加在 μ 水平 垂直扫描频率 水平清 。 570 ; 400l × F4 。 电子天平上以增加抗冲击能力和可靠性 弹头从取料轮滚 晰度 线 垂直清晰度 , , 下后 拨料设备上的拨片已经到位并使滚动的弹头减速 直 到静止, , 下一拨片使弹头缓慢进入天平称量位置 并触发传 3 尺寸和重量检测实现 , , , 感器 通过工控系统发出检测信号 电子天平进行称量 以实 现对弹头重量的测量。 2 : 枪弹弹头检测软件实现模块的设计主要包括 部分 一 2 . 2 . 2 ; 。 照射及图像摄像装置设计 是弹头尺寸的检测 二是弹头重量的检测 弹头自动检测系统中长度检测光学照明及摄像装置设 3. 1 长度测量功能 6 。 、 3. 1. 1 计结构如图 所示 检测中需要机械传输 照明和摄像协同 测量算法 。 , 配合才能实现良好的图像采集 图像分析和识别是机器视觉系统的关键部分 主要完成 [6] , 、 。 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素 这是由于被 图像的预处理 尺寸检测和缺陷识别 对弹头图像进行分 , : 9 张亚军 等 枪弹弹头无接触自动检测系统设计  , if (lCnt < 2)return FALSE ; 析和识别是整个测试系统的关键所在 分析和识别的结果是 。 hY1 = (HTuple (hRowEdge [0 ])+ HTuple (hRowEdge 判定弹头是否合格以及对弹头进行长短分类的依据 具体 实现步骤: [lCnt - 1]))/ 2 ; 1)产品校准 / / 获取纵坐标 , : gen_ measure _ rectangle2 (hRow ,(hCol - hLn1)+ 100 , 用标定弹头获取系统测量弹头全长的基准 即 投影长 P P 。 hPhi ,150 ,5 ,656 ,494 , nearest_neighbor ,&hMsHdl); 度 和顶点列坐标 J 0 2)实际测量 measure _ pos (hImage ,hMsHdl ,1,10 , all , all , P , L = [P + &hRowEdge ,&hColEdge ,&hAmp ,&hDist); 测得实际弹头的顶点列坐标 通过公式 1 J (P - P )* scale]/ cos , L close_measure (hMsHdl); 0 1 α 获取被测弹头的实际全长 其中 、P 、P tuple_length (hRowEdge ,&lCnt); 为弹头的实际全长 为投影长度 为标定弹头的顶点列 J 0 、P 、scale 、 if (lCnt < 2)return FALSE ; 坐标 为被测弹头的顶点列坐标 为像素比 α 为被 1 测弹头中心轴线与水平面的夹角。 hY2 = (HTuple (hRowEdge [0 ])+ HTuple (hRowEdge 3. 1. 2 测量模块实现 [lCnt - 1]))/ 2 ; , , tuple_atan2 (hY2 - hY1,75 ,&dDeg); 弹头的尺寸要求检测全长 在判定合格与否的同时 还 、 。 dDeg = abs (dDeg); 要对合格的进行过长 过短分类 对于弹头长度的检测经过 , ( 7 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 底部准确定位后 只需要检测弹头弹尖部位的位置 图 中 ) 。 / / 获取顶点列坐标 竖线所示 就可以准确的测出全长 gen_measure_rectangle2 (hRow ,hCol - hLn1,dDeg ,100 ,10 ,656 ,494 , nearest_neighbor ,&hMsHdl); measure _ pos (hImage ,hMsHdl ,1,10 , all , all , &hRowEdge ,&hColEdge ,&hAmp ,&hDist); close_measure (hMsHdl); tuple_length (hColEdge ,&lCnt); if (lCnt < 1)return FALSE ; tuple_min (hColEdge ,&dCurPeakCol); / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 7 图 检测到的弹头尖部 弹头尺寸测量功能实现的部分代码如下: dCurProjectLen = dStdProjectLen + (dStdPeakCol - dCur- / / 获取子弹中心轴线与水平面的夹角 PeakCol)* dPixPitch ; rectangle1_ domain (hImage ,&hImgRdc ,nTop ,nLeft ,nBot- dCurLen = dCurProjectLen / cos (dDeg)+ dLnOffset ; tom ,nRight); 3. 2 重量测量功能 bin_threshold (hImgRdc ,&hRgn); 枪弹弹头重量的测量是通过安放在取料轮之后的高灵 connection (hRgn ,&hTmp); , , 敏度电子天平测得的 天平上附加大理石以增加其稳定性 select_shape_std (hTmp ,&hRgn , max_area ,70); 5 , 如图 所示在拨料机构下面即为有附加大理石的电子天平 其最终称重功能实现部分代码如下: smallest_rectangle2 (hRgn ,&hRow ,&hCol ,&hPhi ,&hLn1, float fWgt = 0 . 0 ; &hLn2); CString strSend = S \ n ; tuple_abs (hPhi ,&dPhiAbs); CString strRecv = ; if (dPhiAbs < 0 . 5)hPhi = 1. 5708 - dPhiAbs ; int nWriteCount = 0 ; else hLn1 = hLn2 ; int nReadCount = 0 ; DWORD dwWriteBytes = 0 ; / / 获取纵坐标 DWORD dwReadBytes = 0 ; gen_measure_rectangle2 (hRow ,(hCol - hLn1)+ 25 ,hPhi , 150 ,5 ,656 ,494 , nearest_neighbor ,&hMsHdl); char szRecvBuff [32 ]; measure _ pos (hImage ,hMsHdl ,1,10 , all , all , memset (szRecvBuff ,0 ,32 * sizeof (char)); &hRowEdge ,&hColEdge ,&hAmp ,&hDist); close_measure (hMsHdl); do tuple_length (hRowEdge ,&lCnt); { 10 四川兵工学报 http :/ / scbg. jourserv. com /  dwWriteBytes = Write (strSend ,strSend. GetLength ,1 , 118 通过该弹头检测系统 万枚弹头检测完毕 共耗时 ()); min , 65 , 102 , 其中长度不合格弹头数 枚 长合格弹头 枚 短合 nWriteCount ++ ; 97 ; 49 , 56 , 格弹头 枚 重量不合格弹头 枚 合格弹头过重 枚 78 , , 83 , 过轻 枚 去掉重叠情况 其总计不合格弹头数 枚 不合 if (nWriteCount > 5) 0 . 83% 。 , 格率为 对检测结果不合格弹头人工全部复检 未发 { ; , 现检测错误的弹头 对检测结果合格的弹头进行人工复检 return fWgt ; 。 , , 未发现漏检钢芯 因此 相比人工肉眼检测 应用该系统检 } , 测弹头所耗费时间大幅度缩减 检测效率和检测精度都大幅 , 。 提升 较传统的人工检测有较大优越性和先进性 }while (3 != dwWriteBytes); 参考文献: do { [1] , , . 彭旭 孔淼 林虎成 转子式高速高精度弹体尺寸动态测 dwReadBytes = Read (szRecvBuff ,32); 量系统 [J]. 兵工自动化,2010 ,29 (8):74. nReadCount ++ ; [2] , , , . 吴海江 李一民 吴伟 等 基于枪弹头痕迹自动比对方 法的研究[J]. if (nReadCount > 5) [3] . [M]. : 韩九强 机器视觉技术及应用 北京 高等教育出版 { 社,2009. break ; [4] . [M]. : ,2000. 贾云得 机器视觉 北京 科学出版社 } [5] , . 刘伟 齐晓慧 基于视觉的机械手臂自主抓物的实现 [J]. 兵工自动化,2008,27 (12):79 - 80. }while (18 != dwReadBytes); [6] Langley F J. A machine vision board test system [C]/ / AU- TOTESTCON ’88. IEEE International Automatic Testing strRecv = szRecvBuff ; Conference ,Future test. Symposium Proceedings,1988 :65 fWgt = float (atof (strRecv. Mid (3))); - 68. [7] . 马涛 双圆弧拟合法在数控内孔曲线 测试结果分析 [J]. 现代电子技术,2011,34 (21):160 - 162. [8] , , . 马鑫 魏鹏旭 岳康 裂缝图像识别与特征参数算法的研 , ( [J]. ,2011 (11):47 - 48. 根据前面设计 开发了配套的软件 枪弹弹头检测系统 究 科技资讯 、 、 、 、 [9] [ ]Rafael C. Gonzalez ,Richard E Woods. 主界面由系统菜单 图像显示 检测结果 统计结果 运行状 美 数字图像处理 、 、 、 、 9 [M]. 3 . , , : 态 系统状态 产品种类 选择相机 任务面板等 部分组 版 阮秋琦 阮宇智 译北京 电子工业出版 ), 。 ,2010. 成 并开展了测试实验 枪弹弹头尺寸和重量检测以及相 社 8 。 [10]Junji ,He li ,Shi Jianli et al. Size Detection of Firebricks 关检测情况如图 所示 Based on Machine Vision Technology [C]. 2010 ,2010 In- ternational Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. ( ) 责任编辑 周江川 8 图 检测弹头长度参数的设定及读取

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