CN101865752B - 螺旋桨动平衡的自动检测方法 - Google Patents

Abstract

一种螺旋桨动平衡的自动检测新方法，该方法以图像为基础进行螺旋桨动平衡的非接触式自动检测。它首先利用计算机、投影仪、摄像机等设备采集螺旋桨的图像，然后以数字图像处理技术为基础获取桨叶所有投影点的二维图像坐标系坐标，之后应用摄像机标定模型计算桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标，最后通过计算机实现螺旋桨动平衡的检测。

Description

螺旋桨动平衡的自动检测方法

技术领域：

本发明属于螺旋桨检测相关领域，特别涉及一种基于图像的螺旋桨动平衡的非接触式自动检测新方法。 

技术背景：

作为船舶的重要推进装置，螺旋桨是的平衡问题在很大程度上影响着船舶运行的安全可靠程度。为了确保螺旋桨的制造质量，国家技术监督局发布了有关金属螺旋桨技术要求的国家标准，对包括螺旋桨动平衡等许多技术指标进行了规范。我国以往对船用螺旋桨大多只作静平衡试验，但是随着高速艇的不断发展，螺旋桨转速越来越高，对转速接近2000r/min的螺旋桨，若不作动平衡试验，则很有可能发生振动。因此，螺旋桨生产制造过程中静平衡试验非常重要。 

目前，螺旋桨动平衡测试主要应用动平衡测量机进行。动平衡机必须有一根固定螺旋桨的工艺轴，进行动平衡测试时此工艺轴与螺旋桨进行组合，测量过程既要消除由悬臂安装的螺旋桨质量所产生的力矩，又要克服由螺旋桨叶转动而产生的轴向推力，同时工艺轴要具有一定的刚度。平衡测量机所配置的检测仪器是具有两个光点矢量瓦特表的显示仪，利用在极坐标上显示的光点位置，同时指示左右两个校正面的不平衡量大小和位置，其光点离圆心的距离表示不平衡量的大小，而所对应的相位即为不平衡的轻点或重点位置。国内一些学者对螺旋桨动平衡的检测方法进行了研究：李风春和王树青介绍了现场动平衡技术并研究应用VB1000b现场动平衡仪对螺旋桨进行现场动平衡的实施；吴鸿舟对动平衡过程中的频谱进行了研究；高冰等通过传感器选用、测量参量转换、振动信号提取、转子重心方位提取等方面的技术分析，提出了用数字计算方法实现测量参数转换，用离散Fourier变换算法提取被测信号的现场动平衡的高精度测量方法。这些螺旋桨动平衡检测方法效率低下、检测困难、费时费力不能适应目前的螺旋桨制造的要求，特别是对大型快速螺旋桨，因此，提出一种快速有效的、新的动平衡自动检测方法是必须的，对螺旋桨的生产制造有着重要的意义。 

本发明是有关螺旋桨动平衡的自动检测。本发明提出的螺旋桨动平衡检测新方法是利用图像的方法进行螺旋桨的非接触式和数字化检测。利用本发明提出的检测方法可以方便、快捷地进行螺旋桨动平衡的自动检测。由于本发明提出的是非接触数字化测量方法，与现有螺旋桨动平衡检测的原理不同，因此可以解决现有螺旋桨动平衡检测的不足。以本发明提出的螺旋桨动平衡检测新方法为基础，可以进行螺旋桨动平衡的自动检测。 

发明内容：

本发明的目的是以图像为基础进行螺旋桨动平衡的非接触式自动检测。利用该方法进行螺旋桨动平衡检测时，采用非接触式的方法进行，方法简单可靠，易于实施。 

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：利用数字投影仪将计算机自动生成的投影点阵投射在待测螺旋桨表面，利用CCD摄像机获得螺旋桨的图像，对螺旋桨图像进行数字化处理，得到所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，利用经过标定的摄像机模型进行螺旋桨表面所有投影点二维像素坐标向三维现实世界坐标系的映射，根据双目视觉理论计算得到所有投影点在三维现实世界坐标系的三维坐标，构建螺旋桨的三维坐标模型，计算每个桨叶的质量力矩，并利用计算机进行螺旋桨动平衡的检测。 

本发明包括投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集、所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取、所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算、螺旋桨三维坐标模型的构建以及螺旋桨动平衡的检测 等几个步骤。本发明包括的步骤如下： 

1)投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集 

根据螺旋桨形状通过计算机编程生成点阵，利用投影仪将点阵投射在待测螺旋桨表面，利用2个CCD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当照明，分别采集包含投影点的螺旋桨表面和背面图像各2幅。 

2)投影点二维图像坐标系像素坐标获取 

针对采集到的螺旋桨表面和背面的图像，进行图像的数字化处理，以此获取所有投影点的二维图像坐标系像素坐标。 

3)投影点三维现实世界坐标系坐标计算 

根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现实世界坐标系之间的变换关系，建立反映螺旋桨表面和背面所有投影点像素坐标与三维现实世界坐标关系的投影矩阵，通过投影矩阵的标定建立以像素坐标为基础的所有投影点三维现实世界坐标系坐标的计算模型。利用双目视觉原理计算得到所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。 

4)螺旋桨三维坐标模型的构建 

以螺旋桨表面投影点的三维现实世界坐标系坐标为基础，对螺旋桨背面投影点的三维坐标进行变换，使其与螺旋桨表面投影点的三维现实世界坐标系坐标形成一一对应的相对位置关系，构建螺旋桨的三维坐标模型。 

5)螺旋桨动平衡的检测 

以构建的螺旋桨三维坐标模型为基础，分别计算每个桨叶上单位正方体的质量力矩，并累加得到每个桨叶的质量力矩，据此利用计算机进行螺旋桨动平衡的检测。 

本发明的优点：本发明是以图像为基础进行螺旋桨动平衡的自动检测，因此本发明具有非接触式和数字化测量方法的优点。本发明不需要直接接触螺旋桨的金属表面，不需要借助动平衡分析仪等进行操作。利用该方法可以方便地实现螺旋桨动平衡的自动检测，因此本发明可以为缩短螺旋桨加工周期、降低生产成本提供有效检测手段。 

附图说明：

附图1是螺旋桨动平衡自动检测新方法的步骤； 

附图2是螺旋桨动平衡自动检测系统结构示意图； 

附图3是摄像机成像模型示意图； 

附图4是螺旋桨动平衡的自动检测示意图。 

具体实施方式：

以下结合附图，说明本发明提出的基于图像的螺旋桨动平衡自动检测的方法，其技术原理及具体实施方法如下： 

图1是螺旋桨动平衡自动检测的主要步骤，该方法以图像的方法进行检测，首先通过计算机编程生成投影点阵投射在螺旋桨表面并采集图像，然后获取螺旋桨表面和背面所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，并根据双目视觉理论计算所有投影点三维现实世界坐标系坐标，以此为基础构建螺旋桨桨叶的三维坐标模型并进行螺旋桨静平衡的检测。本发明按照该步骤就可以实现螺旋桨动平衡的自动检测。 

图2是螺旋桨动平衡自动检测的系统结构示意图。通过数字投影仪将计算机自动生成的点阵投射在螺旋桨表面，利用两台摄像机L和R采集图像。在摄像机坐标系统中，摄像机L和R的X轴重合， Y轴和Z轴分别相互平行，Z轴方向为摄像机光轴方向，L和R坐标系中坐标轴方向一致，并且XOY面平行于图像平面，同时将摄像机L和R的原点(光心)偏移量固定。这就保证了两个摄像机坐标系统中螺旋桨叶片投影点的Z轴方向坐标的一致性以及测量系统的确定性。 

图3为摄像机成像模型示意图，该模型中包含三维现实世界坐标系O_wX_wY_xZ_x、摄像机坐标系O_cX_cY_cZ_c、图像坐标系O₀UV(单位为像素)、图像物理坐标系O₁XY(单位为毫米)。桨叶的成像过程就是以上四个坐标系之间的转换过程。本发明中，依据双目成像理论计算所有投影点的深度信息，实现二维图像坐标系坐标到三维现实世界坐标系坐标的计算。 

记(U，V)为二维图像坐标系像素坐标；(X，Y)为图像物理坐标系坐标；(X_c，Y_c，Z_c)为二维图像坐标系像素坐标；(X_w，Y_w，Z_w)为现实世界坐标系三维坐标，各坐标系之间的计算关系如下： 

1)二维图像坐标系像素坐标与图像物理坐标系坐标计算关系 

$\left[\begin{array}{c}U\\ V\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/d_x& 0& U_0\\ 0& 1/d_y& V_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，(U₀，V₀)为图像物理坐标系XO₁Y的坐标圆点，dx、dy分别为像面上每个像素沿X轴和Y轴方向的物理尺寸。 

2)记投影点在左右图像中的物理坐标系坐标分别为(X_L，Y_L)和(X_R，Y_R)，根据双目摄像机成像理论，摄像机坐标系坐标与图像物理坐标系坐标的关系如下： 

                    f/Z_c＝X_L/X_c

                    f/Z_c＝X_R/(X_c-b) 

                    f/Z_c＝Y_L/Y_c＝Y_R/Y_c

由此，可以计算得到该投影点的深度信息： 

                    Z_c＝fb/|X_L-X_R|                            (2) 

其中，f为本发明测量系统中所用摄像机的焦距，b为左右摄像机光心的距离。 

3)三维现实世界坐标系坐标与摄像机坐标系坐标计算关系 

$\left[\begin{array}{c}{X}_c\\ Y_c\\ Z_c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$

其中，R是3*3的旋转矩阵，T是3*1的平移矩阵，0＝(0，0，0)^T。 

因此，图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系如下：

$Z_c\left[\begin{array}{c}U\\ V\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}f/d_x& 0& U_0& 0\\ 0& f/d_y& V_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

本发明中，首先设定摄像机标定模板，以摄像机的成像模型为基础，根据标定点的像素坐标和三维现实世界坐标系坐标的对应关系，求解摄像机的内外参数(即旋转矩阵R和平移矩阵T)并计算镜头的畸变系数。然后应用图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系，计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。 

图4螺旋桨动平衡自动检测的原理，本发明的方法中，螺旋桨动平衡自动检测的方法描述如下：首先以数字图像处理得到的螺旋桨表面和背面所有投影点二维图像坐标系像素坐标，根据式(1)计算得到所有投影点的图像物理坐标系坐标；然后根据式(2)计算所有投影点的深度信息，并以此为基础根据式(3)计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标；最后以投影点的三维坐标为基础，对当前检测螺旋桨的每个叶片依次编号，在此基础上计算每个单位正方体(如图中所示正方体T)的重量m_T，在该过程中，单位正方体的质量力矩计算公式如下： 

                        M＝m_T×|OP| 

其中，M为质量力矩；m_T为单位正方体的重量，其计算过程是：依次选取紧邻投影点构成正方体(如4图中所示正方体T)通过计算机计算正方体T的体积并根据螺旋桨材质的密度计算单位正方体的质量；|OP|为该正方体距离螺旋桨轴线的距离。 

然后，以每个单位正方体的质量力矩M为基础，累加计算得到每个螺旋桨叶片的质量力矩；然后判断每个桨叶的质量力矩差是否在规定范围内，如果在允许误差范围内，那么认为螺旋桨动平衡，否则针对超出误差范围的桨叶，输出桨叶编号和误差数值，为螺旋桨的进一步加工提供有效依据。 

Claims (4)

1.螺旋桨动平衡的自动检测方法，其特征是以图像为基础进行螺旋桨动平衡的非接触式检测，包括以下步骤：

投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集；

所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取；

所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算；

螺旋桨桨叶数字化模型的构建；

计算桨叶的质量力矩差检测螺旋桨的动平衡。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨动平衡的自动检测方法，其特征在于：所述的所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取，是通过计算机生成投影点阵投射在螺旋桨桨叶表面，利用CCD摄像机采集待测螺旋桨桨叶的图像，应用计算机数字图像处理算法提取螺旋桨所有投影点的二维图像坐标系像素坐标。

3.根据权利要求1所述的螺旋桨动平衡的自动检测方法，其特征在于：所述的螺旋桨所有投影点的三维现实世界坐标系坐标计算的过程中，包括采集螺旋桨桨叶图像的CCD摄像机的标定、摄像机畸变模型的矫正、三维现实世界坐标系坐标的计算。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨动平衡的自动检测方法，其特征在于：所述的计算桨叶的质量力矩差检测螺旋桨的动平衡以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点坐标为基础，通过计算机实现螺旋桨动平衡的检测。

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