CN117989980A - 一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于风电叶片制造技术领域，具体涉及一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其方法包括如下步骤，模具标定；进行定位指引；进行偏差检测；质量评估展示；模具为固定于地面的钢结构，叶片生产过程中，梁帽安装于模具弧面中的固定位置，通过激光定位指引设备和机器视觉偏差检测设备指引梁帽的安装过程和检测梁帽放置位置的偏差量；由于梁帽相对于模具的位置固定，所以在模具桁架上固定焊接多个刚性底座，作为梁帽定位指引与偏差检测设备的安装基准。本申请减少人力依赖及提效，以一次标定+多次定位和检测的方式，避免背景技术中现有专利中的每次定位都需要的移动水平尺、铅垂线或安装定位工装的繁琐、低效重复劳动，提高效率。

Description

一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法

技术领域

本申请属于风电叶片制造技术领域，具体涉及一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法。

背景技术

在进行风电叶片制造工艺流程中的梁帽吊装定位工序时，其中风电叶片长数十至上百米，由两半弧形面壳体、梁帽等部件组装和粘接而成，梁帽通过行车吊装到两个弧面壳体的设计位置固定。梁帽是一条接近叶片总长度的玻纤制板或碳纤制板，梁帽安装在弧面中的位置需要精确。

现有技术中的相关专利如专利号为CN201922445018.3，名称为《一种风力发电机叶片生产用梁帽多级定位工装》的中国实用新型专利，其公开了：本实用新型涉及风力发电叶片生产制造设备技术领域，特别涉及一种风力发电机叶片生产用梁帽多级定位工装，包括有定位工装本体，所述定位工装本体包括有一弧形面、一竖直面和一水平放置面，所述弧形面贴合在外部叶片壳体的表面，在所述定位工装本体上开设有一用于限定定位工装自身位置的缺口，所述水平放置面位于缺口的右侧，在所述水平放置面上远离缺口的一端设有一支撑片体，所述支撑片体垂直于水平放置面设置。再如专利申请号为CN202122857981.X，名称为《C一种用于风电叶片梁帽定位及水平检验的装置》的中国实用新型专利，其公开了：本实用新型提供了一种用于风电叶片梁帽定位及水平检验的装置，包括设置有标尺的安装壳、与安装壳滑动连接的滑块，固设于滑块上的激光灯，所述滑块对应安装壳设置有固定锁紧组件，所述安装壳两端均设置有水平检验装置。

上述专利虽然能够对梁帽起到定位的效果，但是对于专利中水平尺定位的方法，存在以下不足之处：手工操作效率低、多人操作、精度较低。无法记录或者手工抄录数据，数据追溯困难。数据无法便捷呈现，不能整体地评估工序质量。叶片型号更换变长后，存在适应不佳不便捷的问题。定位工装尺寸较大、重量较重，安装需要人力或吊装，费时费力。定位工装的成本较高，风电叶片模具长达上百米，需要数十个定位工装。叶片型号更换变长后，工装适应性差。

发明内容

本发明针对风电叶片梁帽吊装定位工序操作繁琐和质量不稳定、精度不高、难以评估和追溯的问题，提出一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，达到提高工序质量、提升工作效率、降低人工成本、方便质量评估和追溯的作用。

一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，包括

步骤S01：模具标定；

模具为固定于地面的钢结构，叶片生产过程中，梁帽安装于模具弧面中的固定位置，通过激光定位指引设备和机器视觉偏差检测设备指引梁帽的安装过程和检测梁帽放置位置的偏差量；由于梁帽相对于模具的位置固定，所以本方法使用在模具桁架上固定焊接多个刚性底座，作为梁帽定位指引与偏差检测设备的安装基准。

进一步地，所述步骤S01的具体步骤为：

步骤S02：在模具的边缘焊接底座；

进一步地，底座使用金属构件，稳固安装于模具的模具桁架上。

步骤S03：激光定位指引仪器标准位置设置及记录到数据库；

进一步地，激光定位指引仪器包括处理器模块、激光模块和供电模块，所述处理器模块与显示屏数据相连，供电模块对处理器模块和伺服电机进行供电，激光模块与处理器模块数据相连；

激光模块包括激光器，激光器发生一束十字形激光线，十字形激光线中心与模具相交的位置即为设备定位指引的位置；

激光器与电机转子部分刚性连接，伺服电机转动带动激光线移动，伺服电机为微型高精度伺服电机，电机具有位置控制接口和一个绝对式编码器；

处理器模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台，处理器模块通过CAN协议发送电机位置指令给伺服电机，控制伺服电机旋转到设定位置并固定，设定位置是否到达由编码器确定；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，操作人员输入底座的标号、当前底座所处的车间、模具、面、轴向、周向信息，通过 “下移”、“上移”按钮，处理器的CAN接口发送位置减小和位置增加指令给电机，电机旋转相应的角度，同时激光线也移动到相应的角度。

再进一步地，步骤S03中的激光定位指引仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将激光定位指引仪器安装到各个底座上，控制激光线旋转直至十字形激光线的中心与放置在标准位置的梁帽边缘重合，此时激光线与梁帽边缘、模具三者重合的点就是此处的标准位置；

然后，处理器通过CAN指令获取电机绝对式编码器的读数，并将此读数与 “点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

步骤S04. 视觉位置偏差检测仪器标准位置设置及记录到数据库；

进一步地，视觉偏差检测仪器包括视觉处理模块、摄像模块和供电模块，所述视觉处理模块与摄像模块数据相连，所述供电模块对摄像模块和视觉处理模块供电，所述视觉处理模块分别于数码管、显示屏和报警灯相连；

摄像模块是矩形相机，使用旋转螺钉调节摄像模块的俯仰角度；

视觉处理模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台，视觉处理模块通过USB总线获取摄像模块的图像数据；视觉处理模块内部运行数据采集与偏差计算算法，算法为特征定位工具偏差检测算法。

特征定位工具偏差检测算法输出当前位置的梁帽定位偏差量，并通过数码管或显示屏显示出来；

数码管或显示屏是用于显示梁帽定位偏差量的显示端，视觉处理模块通过485总线发送偏差数值给数据管或显示屏，自动显示偏差量；

报警灯为红绿双色LED指示灯，通过两路高低电平驱动LED红绿色的亮灭；视觉处理模块内部运行偏差量阈值比较，如果梁帽偏差超过设定阈值，则发送红色亮指令；如果梁帽偏差未超过设定阈值，则发送绿色亮指令；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，操作人员输入底座的标号、当前底座所处的车间、模具、面、轴向、周向信息，拍摄到放置于梁帽边缘的定位工具后，自动计算此处定位工具的位置偏差值，并自动更新到“位置偏差”格中。

在进一步地，所述定位工具偏差检测算法的具体流程如下：

1）摄像头标定：

视觉处理模块通过USB总线连接三个高分辨率的摄像头，用于适应整个模具不同轴向位置的定位工具聚焦距离；

摄像头标定是获取摄像头的内参和畸变系数，其中内参包括焦距（f_x,f_y）和光心（c_x,c_y），畸变系数包括径向畸变（k1,k2,[k3]）和切向畸变（p1,p2）；

通过拍摄定位工具并使用cv2.calibrateCamera()函数，计算出这些参数，得到参数后，利用cv2.undistort()函数根据畸变系数对捕获的图像进行校正，消除畸变的影响；

2）实时图像捕获：

连接三个高分辨率摄像头到嵌入式平台，并实时获取风电叶片主梁帽上的定位工具图像；

3）角点检测：

使用OpenCV的`cv2.findChessboardCorners()`函数检测定位工具的角点；

对于实时检测，用`cv2.cornerSubPix()`来增加角点检测的精度，通过迭代最小二乘法最小化角点周围的重投影误差；

使用SIFT或SURF减少光照不稳定情况下系统的鲁棒性；

4）姿态计算：

通过cv2.solvePnP()函数来估计定位工具相对于摄像头的三维旋转和平移；计算其角点在世界坐标系中的位置和在图像中的位置。

世界坐标系中的点通过相机的内参矩阵K和外参转换到图像坐标系中，公式如下：

[\begin{bmatrix}u\v\1\end{bmatrix}=K[R|T]\begin{bmatrix}X\Y\Z\1\end{bmatrix}]

其中(X,Y,Z)是世界坐标系中的点，(u,v)是图像坐标系中的点，K是内参矩阵，[R|T]是将点从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；

5）偏差计算：

根据定位工具的实际尺寸和摄像头标定结果，将角点的像素坐标转换为实际的世界坐标；

将检测到的姿态与标定时定位工具的姿态进行比较，计算出偏差，偏差用旋转矩阵和平移向量来表示，公式如下：

\[\text{Rotationdeviation}=R_{\text{detected}}R_{\text{calibrated}}^T\]

\[\text{Translationdeviation}=T_{\text{detected}}T_{\text{calibrated}}\]

其中\(R_{\text{detected}}\)和\(T_{\text{detected}}\)为检测到的姿态，\(R_{\text{calibrated}}\)和\(T_{\text{calibrated}}\)为标定时的姿态。

6）实时反馈：

将计算出的偏差以实时数据流的形式反馈给控制系统，通过可视化界面、数码管显示偏差值，通过报警灯实现偏差值超限提醒。

再进一步地，步骤S04中的视觉偏差检测仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过直尺测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将指检测器安装到各个底座上，将定位工具放置到设备可拍摄到的梁帽边缘处，识别到定位工具后自动计算偏差值，此时的偏差值就是此处的标准偏差值，也就是偏差为0之处；

然后，视觉处理模块将此偏差值与当前底座的“点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

步骤S26.进行定位指引；

进一步地，所述步骤S26的具体操作步骤如下：

步骤S27，将定位指引仪器安装于底座上；

步骤S28，输入定位点P：在 “点位”选项框中选择当前底座的标号；

步骤S29，查询数据库定位标准值：数据库中查询车间、模具、面、轴向、周向和电机绝对定位角度值，显示车间、模具、面、轴向、周向信息；

步骤S30，仪器驱动激光线旋转到标准位置：处理器通过CAN总线发送步骤S29查到的电机绝对定位角度值，并发送指令给伺服电机，驱动电机转动到标准位置；

步骤S31，根据激光线指引，画出梁帽定位的标准位置：十字形激光线转动到标准位置后，人工在十字激光线中心与模具的交点处，用标记笔画出记号，此记号即为此处梁帽放置的标准位置；

判断是否还存在其他点位，并在模具从头到尾所有的底座上重复上述步骤S27-步骤S31后，行车吊装梁帽到模具上所标记的标准位置处即可。

步骤S51.进行偏差检测；

进一步地，所述步骤S51的具体操作步骤如下：

步骤S52，安装偏差检测仪器，安装特征定位工具：

步骤S53，输入定位点P；

步骤S54，偏差检测仪器检测和计算梁帽位置偏差：步骤S53输入完成后，调用特征定位工具偏差检测算法流程，计算梁帽位置偏差与标准偏差的差值，获得实际偏差值；

步骤S55，判断偏差是否超限：将实际偏差值与偏差阈值做比较；

步骤S56，如果步骤S55的实际偏差值高于偏差阈值，则报警灯产生报警信号，操作人员微调梁帽定位位置，直至报警消失；

步骤S57，检测数据上传到监控中心：梁帽偏差值小于偏差阈值，则将梁帽在此处的偏差值传输到监控中心；

判断是否还存在其他点位，步骤S52-S57重复操作，直至在所有底座上完成操作。

步骤S76.质量评估展示；

进一步地，步骤S76的具体操作流程如下：

步骤S77，监听接收车间检测数据：监控中心接收到上传的点位、车间、模具、面、轴向、周向以及偏差量的信息；

步骤S78，可视化展示梁帽形状轮廓：首先预制模具形状、标准位置梁帽、偏差阈值线和各个底座处的标准定位点，在步骤S77接收到点位、车间、模具、面、轴向、周向、偏差值信息后，以标准定位点为基准，沿模具径向偏离偏差值处描绘此处的实际定位点，各个底座处的实际定位点相连接，即形成实际位置的梁帽轮廓；

步骤S79，选择追溯记录：用户可根据车间、模具、面、时间过滤历史数据，查询历史生产叶片的梁帽定位数据，并生成可视化展示图；

步骤S80，梁帽定位偏差可视化展示：根据步骤S79查询的历史数据，用与步骤S78相同的原理，生成实际位置梁帽示意图，根据实际位置梁帽示意图和偏差阈值线等图形，整体查看历史生产的风电叶片的偏差量，辅助用户评估历史叶片质量。

本申请优点在于：

1、本申请减少人力依赖及提效，以一次标定+多次定位和检测的方式，避免背景技术中现有专利中的每次定位都需要的移动水平尺、铅垂线或安装定位工装的繁琐、低效重复劳动，提高效率。并且此方法涉及的2台仪器轻便，1-2人即可使用，参考专利的方式需要4-5人协同操作。

2、本申请使用自动化提高精度：以计算机预存定位数据+伺服定位+激光指引的方式，精度取决于伺服定位精度和仪器安装重复精度，伺服定位精度可达0.01°，仪器安装通过机械参考面与焊接固定的底座连接，具有高重复定位精度。以计算机预存定位数据+视觉检测拟合的方式检测梁帽定位偏差，视觉检测精度高于0.01mm。此两种方式相比于参考专利，大幅度提高精度。

3、本申请实现数字化质量评估和追溯：使用远程数据存储+轮廓拟合的方式，远程监控或回溯某叶片的梁帽轮廓，便于数字化快捷评估整体质量，便于查看叶片的工艺质量数据，具有反馈工艺优化的作用。

4、本申请的主梁帽激光定位引导仪采用计算机程序调用+自动指引的方式，代替传统的在每个定位点查表、布设水平尺、拉铅锤线定位、人工用尺测量、人工抄录数据的繁琐低效操作，实现每个定位点定位速度从几十秒/工位提高到200ms/工位，效率提高百倍；操作人员数量从4人减少到1人，节省人力操作75%。

5、本申请的主梁帽激光定位引导仪采用高精度编码器做位置反馈，磁吸固定底座作为定位基准，通过所描述的定位引导方法，达到定位精度0.1mm；方法涉及的仪器可在整个叶片制造基地或者多个基地的所有模具上通用。

6、本申请的主梁帽激光定位引导仪的激光射线可达范围为0 ~ 90度，通过所描述的定位引导方法，涵盖整个风电叶片横截面，适用多个部件，可用于主梁帽、副梁帽、UD等多个部件的精准定位。

7、本申请的主梁帽激光定位引导仪具有用户登录、授权、数据保存及上传功能，可用于生产数据追溯，历史数据保留数量高达1000万条。

8、本申请的主梁帽激光定位引导仪使用人机工程学设计，具有把手、支撑杆等人工挟持部件；操作面板斜仰，操作人员正常站立即可操作，提高操作人员使用舒适度。

附图说明

图1为本方法的整体流程图。

图2为模具、梁帽、底座位置俯视示意图。

图3为模具、梁帽、底座位置测试示意图。

图4为S01模具标定的流程图。

图5为激光定位指引仪器硬件连接关系示意图。

图6为激光定位指引仪器硬件安装结构示意图。

图7为激光定位指引仪器标准位置记录软件界面示意图。

图8为激光指引标准位置设置示意图。

图9为视觉偏差检测仪器硬件连接关系示意图。

图10为视觉偏差检测仪器硬件安装结构示意图。

图11为视觉偏差检测仪器标准位置记录软件界面示意图。

图12为视觉偏差检测标准位置设置示意图。

图13为S26定位指引工序流程图。

图14为定位指引设备定位操作的软件界面示意图。

图15为偏差检测工序流程图。

图16为S76质量评估展示的流程图。

图17为梁帽定位偏差远程整体监测示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，包括

步骤S01：模具标定；

所涉及模具结构、梁帽位置及底座位置示意图如图2和图3。模具为固定于地面的钢结构，叶片生产过程中，梁帽安装于模具弧面中的固定位置，梁帽相对于模具的位置需要精准。在本方法中，通过激光定位指引设备和机器视觉偏差检测设备指引梁帽的安装过程和检测梁帽放置位置的偏差量；由于梁帽相对于模具的位置固定，所以本方法使用在模具桁架上固定焊接多个刚性底座，作为梁帽定位指引与偏差检测设备的安装基准。

步骤S26.进行定位指引；其详细流程如图13所示。

步骤S51.进行偏差检测；其详细流程如图15所示。

步骤S76.质量评估展示；其详细流程如图16所示。

本申请减少人力依赖及提效，以一次标定+多次定位和检测的方式，避免背景技术中现有专利中的每次定位都需要的移动水平尺、铅垂线或安装定位工装的繁琐、低效重复劳动，提高效率。并且此方法涉及的2台仪器轻便，1-2人即可使用，参考专利的方式需要4-5人协同操作。本申请使用自动化提高精度：以计算机预存定位数据+伺服定位+激光指引的方式，精度取决于伺服定位精度和仪器安装重复精度，伺服定位精度可达0.01°，仪器安装通过机械参考面与焊接固定的底座连接，具有高重复定位精度。以计算机预存定位数据+视觉检测拟合的方式检测梁帽定位偏差，视觉检测精度高于0.01mm。此两种方式相比于参考专利，大幅度提高精度。

实施例2

一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，包括

步骤S01：模具标定；

所涉及模具结构、梁帽位置及底座位置示意图如图2和图3。模具为固定于地面的钢结构，叶片生产过程中，梁帽安装于模具弧面中的固定位置，梁帽相对于模具的位置需要精准。在本方法中，通过激光定位指引设备和机器视觉偏差检测设备指引梁帽的安装过程和检测梁帽放置位置的偏差量；由于梁帽相对于模具的位置固定，所以本方法使用在模具桁架上固定焊接多个刚性底座，作为梁帽定位指引与偏差检测设备的安装基准。

步骤S26.进行定位指引；

步骤S51.进行偏差检测；

步骤S76.质量评估展示。

步骤S01的具体步骤为：

步骤S02：在模具的边缘焊接底座；

进一步地，底座相对于模具的位置示意图如图3所示，底座使用高刚度的金属构件，稳固安装于模具的模具桁架上，以保证底座在多次使用过程中与模具的相对位置固定。

步骤S03：激光定位指引仪器标准位置设置及记录到数据库；

在步骤S03，所使用的激光定位指引仪器硬件结构如图5所示，其结构示意图如图6所示。激光定位指引仪器包括处理器模块、激光模块和供电模块，所述处理器模块与显示屏数据相连，供电模块对处理器模块和伺服电机进行供电，激光模块与处理器模块数据相连；

激光模块包括激光器，激光器发生一束绿色十字形激光线，十字形激光线中心与模具相交的位置即为设备定位指引的位置；

激光器与电机转子部分刚性连接，伺服电机转动带动激光线移动，伺服电机为微型高精度伺服电机，电机具有位置控制接口和一个高精度绝对式编码器；

处理器模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台（树莓派），处理器模块通过CAN协议发送电机位置指令给伺服电机，控制伺服电机精准旋转到设定位置并固定，设定位置是否到达由编码器确定；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，处理器模块中运行人机交互和数据保存软件（图7），操作人员通过触摸显示屏操作向软件中输入文字，操作人员首先在软件中输入底座的标号（点位）、当前底座所处的车间、模具、面、轴向、周向信息（点位号与车间、模具、面、轴向、周向信息五条信息唯一对应），通过点击软件中的“下移”、“上移”按钮，则处理器的CAN接口发送位置减小和位置增加指令给电机，电机旋转相应的角度，同时激光线也移动到相应的角度（点击一次旋转角度为软件中的“点动角度”）。

如图8所示，梁帽的标准位置相对于整个模具的位置是固定的，在生产每支叶片时，工序要求行车吊装梁帽到叶片的同一固定位置，激光定位指引仪器通过激光线画出梁帽的标准位置，指引每次生产叶片时的梁帽吊装定位。

步骤S03中的激光定位指引仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过直尺测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将激光定位指引仪器安装到各个底座上（可以同一台仪器依次安装不同底座，也可以不同仪器安装在不同的底座），通过操作软件中的“下移”和“上移”按钮，控制激光线旋转直至十字形激光线的中心与放置在标准位置的梁帽边缘重合，此时激光线与梁帽边缘、模具三者重合的点就是此处的标准位置，也就是图8中的定位点；

然后，操作人员点击图7中的“标定”按钮，处理器通过CAN指令获取电机绝对式编码器的读数，也就是当前的角度值，并将此读数与图7中的“点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

步骤S04. 视觉位置偏差检测仪器标准位置设置及记录到数据库；

步骤S04中的视觉偏差检测仪器硬件结构如图9所示，其结构示意图如图10所示。视觉偏差检测仪器包括视觉处理模块、摄像模块和供电模块，所述视觉处理模块与摄像模块数据相连，所述供电模块对摄像模块和视觉处理模块供电，所述视觉处理模块分别于数码管、显示屏和报警灯相连；

摄像模块是一个标准的矩形相机，安装于检测仪器上，可使用旋转螺钉调节摄像模块的俯仰角度，直至相机可拍摄到吊装后的梁帽边缘。摄像模块俯仰角度调节完成后，则锁紧旋转螺钉，使摄像模块与设备底座的位置相对固定。

视觉处理模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台（英伟达Jetson Nano），视觉处理模块通过USB总线获取摄像模块的图像数据；视觉处理模块内部运行数据采集与偏差计算算法，算法为特征定位工具（如棋盘格）偏差检测算法；特征定位工具为利于算法进行高效、高精度识别的辅助特征工具，如棋盘格工具。

特征定位工具偏差检测算法输出当前位置的梁帽定位偏差量，并通过数码管或显示屏显示出来；

数码管或显示屏是用于显示梁帽定位偏差量的显示端，视觉处理模块通过485总线发送偏差数值给数据管或显示屏，自动显示偏差量；

报警灯为红绿双色LED指示灯，通过两路高低电平驱动LED红绿色的亮灭；视觉处理模块内部运行偏差量阈值比较，如果梁帽偏差超过设定阈值，则发送红色亮指令；如果梁帽偏差未超过设定阈值，则发送绿色亮指令；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，处理器模块中运行人机交互和数据保存软件（图11），操作人员通过触摸操作向软件中输入文字，操作人员首先在软件中输入底座的标号（检测点位）、当前底座所处的车间、模具、面（模具方向）、轴向、周向信息（点位号与车间、模具、面、轴向、周向信息五条信息唯一对应），拍摄到放置于梁帽边缘的定位工具后，软件自动计算此处定位工具的位置偏差值，并自动更新到“位置偏差”格中。

定位工具偏差检测算法的具体流程如下：

1）摄像头标定：

视觉处理模块通过USB总线连接三个高分辨率的摄像头，用于适应整个模具不同轴向位置的定位工具聚焦距离；

摄像头标定是获取摄像头的内参和畸变系数，其中内参包括焦距（f_x,f_y）和光心（c_x,c_y），这些参数定义了摄像头的光学特性。畸变系数（k1,k2,p1,p2,[k3]）描述了摄像头镜头引入的畸变，包括径向畸变（k1,k2,[k3]）和切向畸变（p1,p2）。这些参数可以用来纠正畸变图像，其公式涉及到径向和切向畸变模型。

通过拍摄定位工具并使用cv2.calibrateCamera()函数，计算出这些参数，得到参数后，利用cv2.undistort()函数根据畸变系数对捕获的图像进行校正，消除畸变的影响；

2）实时图像捕获：

连接三个高分辨率摄像头到嵌入式平台，并实时获取风电叶片主梁帽上的定位工具图像，多摄像头系统提升不同视野距离检测的稳定性，增加系统的准确性和鲁棒性。

3）角点检测：

使用OpenCV的`cv2.findChessboardCorners()`函数检测定位工具的角点；该函数能够返回角点在图像中的像素位置。

对于实时检测，用`cv2.cornerSubPix()`来增加角点检测的精度，通过迭代最小二乘法最小化角点周围的重投影误差；

使用SIFT（尺度不变特征变换）或SURF（加速稳健特征）等特征检测算法减少光照不稳定情况下系统的鲁棒性。

4）姿态计算：

通过cv2.solvePnP()函数来估计定位工具相对于摄像头的三维旋转（R）和平移（T）；它需要知道定位工具的角点在世界坐标系中的位置和在图像中的位置。

姿态估计的数学基础是透视投影模型，其中世界坐标系中的点通过相机的内参矩阵K和外参（R和T）转换到图像坐标系中，公式如下：

[\begin{bmatrix}u\v\1\end{bmatrix}=K[R|T]\begin{bmatrix}X\Y\Z\1\end{bmatrix}]

其中(X,Y,Z)是世界坐标系中的点，(u,v)是图像坐标系中的点，K是内参矩阵，[R|T]是将点从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量。

5）偏差计算：

根据定位工具的实际尺寸和摄像头标定结果，将角点的像素坐标转换为实际的世界坐标；

将检测到的姿态与标定时定位工具的姿态进行比较，计算出偏差，偏差用旋转矩阵和平移向量来表示，公式如下：

\[\text{Rotationdeviation}=R_{\text{detected}}R_{\text{calibrated}}^T\]

\[\text{Translationdeviation}=T_{\text{detected}}T_{\text{calibrated}}\]

其中\(R_{\text{detected}}\)和\(T_{\text{detected}}\)为检测到的姿态，\(R_{\text{calibrated}}\)和\(T_{\text{calibrated}}\)为标定时的姿态。

6）实时反馈：

将计算出的偏差以实时数据流的形式反馈给控制系统，通过可视化界面、数码管显示偏差值，通过报警灯实现偏差值超限提醒。

如图12所示，梁帽的标准位置相对于整个模具的位置是固定的，在生产每支叶片时，工序要求行车吊装梁帽到叶片的同一固定位置，梁帽吊装到模具上之后，放置定位工具到梁帽的边缘，视觉偏差检测设备通过检测定位工具位置，运行上述定位工具偏差检测算法流程，计算梁帽定位偏差标准值，并进行标准值设置和记录。

再进一步地，步骤S04中的视觉偏差检测仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过直尺测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将指检测器安装到各个底座上（可以同一台仪器依次安装不同底座，也可以不同仪器安装在不同的底座），将定位工具放置到设备可拍摄到的梁帽边缘处，软件识别到定位工具后自动计算偏差值，通过操作软件中的“标定”按钮，此时定位工具的偏差值就是此处的标准偏差值，也就是偏差为0之处；

然后，点击“标定”按钮，视觉处理模块将此偏差值与当前底座的“点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

进一步地，所述步骤S26的详细流程如图13所示，具体操作步骤如下：

步骤S27，将定位指引仪器安装于底座上；如图8所示，定位指引设备为手持式设备，手动安装到底座上紧固。

步骤S28，输入定位点P：如图14所示，在软件的“点位”选项框中选择当前底座的标号。

步骤S29，查询数据库定位标准值：软件根据前述S03步骤所记录到数据库中的信息，查询车间、模具、面、轴向、周向和电机绝对定位角度值，显示出车间、模具、面、轴向、周向信息到图14软件中。

步骤S30，仪器驱动激光线旋转到标准位置：处理器通过CAN总线发送步骤S29查到的电机绝对定位角度值，并发送指令给伺服电机，驱动电机转动到标准位置；

步骤S31，根据激光线指引，画出梁帽定位的标准位置：十字形激光线转动到标准位置后，人工在十字激光线中心与模具的交点处，用标记笔画出记号，此记号即为此处梁帽放置的标准位置；

判断是否还存在其他点位，并在模具从头到尾所有的底座上重复上述步骤S27-步骤S31后，行车吊装梁帽到模具上所标记的标准位置处即可。

步骤S51详细流程如图15所示，具体操作步骤如下：

步骤S52，安装偏差检测仪器，安装定位工具：如图12所示，位置偏差检测设备为手持式设备，手动安装到底座上紧固。本例中定位工具为轻量级的11*11黑白棋盘方格，通过手动安装的方式放置到梁帽边缘。

步骤S53，输入定位点P；如图 11所示，在软件中“检测点位”框中输入底座的标号。

步骤S54，偏差检测仪器检测和计算梁帽位置偏差：步骤S53输入完成后，软件自动调用定位工具偏差检测算法流程，计算梁帽位置偏差与标准偏差的差值，获得实际偏差值；

步骤S55，判断偏差是否超限：软件将实际偏差值与偏差阈值做比较；

步骤S56，如果步骤S55的实际偏差值高于偏差阈值，则报警灯产生红色报警信号，操作人员看到报警信号，可操作行车微调梁帽定位位置，直至报警消失；

步骤S57，检测数据上传到监控中心：梁帽偏差值小于偏差阈值，则将梁帽在此处的偏差值通过WiFi传输到监控中心；

判断是否还存在其他点位，步骤S52-S57重复操作，直至在所有底座上完成操作。

步骤S76.质量评估展示详细流程如图16所示。具体操作流程如下：

步骤S77，监听接收车间检测数据：监控中心接收到步骤S57上传的点位、车间、模具、面、轴向、周向以及偏差量的信息；

步骤S78，可视化展示梁帽形状轮廓：如图17所示，远程监测软件中首先预制模具形状、标准位置梁帽、偏差阈值线和各个底座处的标准定位点，软件在步骤S77接收到点位、车间、模具、面、轴向、周向、偏差值信息后，以标准定位点为基准，沿模具径向偏离偏差值处描绘此处的实际定位点，各个底座处的实际定位点相连接，即形成实际位置的梁帽轮廓；

步骤S79，选择追溯记录：用户可根据车间、模具、面、时间过滤历史数据，查询历史生产叶片的梁帽定位数据，并生成可视化展示图；

步骤S80，梁帽定位偏差可视化展示：根据步骤S79查询的历史数据，用与步骤S78相同的原理，生成实际位置梁帽示意图，根据实际位置梁帽示意图和偏差阈值线等图形，整体查看历史生产的风电叶片的偏差量，辅助用户评估历史叶片质量。

Claims (10)

1.一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤S01：模具标定；

步骤S26.进行定位指引；

步骤S51.进行偏差检测；

步骤S76.质量评估展示；

模具为固定于地面的钢结构，叶片生产过程中，梁帽安装于模具弧面中的固定位置，通过激光定位指引设备和机器视觉偏差检测设备指引梁帽的安装过程和检测梁帽放置位置的偏差量；由于梁帽相对于模具的位置固定，所以在模具桁架上固定焊接多个刚性底座，作为梁帽定位指引与偏差检测设备的安装基准。

2.根据权利要求1所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：所述步骤S01的具体步骤为：

步骤S02：在模具的边缘焊接底座；底座使用金属构件，稳固安装于模具的模具桁架上；

步骤S03：激光定位指引仪器标准位置设置及记录到数据库；

步骤S04. 视觉位置偏差检测仪器标准位置设置及记录到数据库。

3.根据权利要求2所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：激光定位指引仪器包括处理器模块、激光模块和供电模块，所述处理器模块与显示屏数据相连，供电模块对处理器模块和伺服电机进行供电，激光模块与处理器模块数据相连；

激光模块包括激光器，激光器发生一束十字形激光线，十字形激光线中心与模具相交的位置即为设备定位指引的位置；

激光器与电机转子部分刚性连接，伺服电机转动带动激光线移动，伺服电机为微型高精度伺服电机，电机具有位置控制接口和一个绝对式编码器；

处理器模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台，处理器模块通过CAN协议发送电机位置指令给伺服电机，控制伺服电机旋转到设定位置并固定，设定位置是否到达由编码器确定；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，操作人员输入底座的标号、当前底座所处的车间、模具、面、轴向、周向信息，通过 “下移”、“上移”按钮，处理器的CAN接口发送位置减小和位置增加指令给电机，电机旋转相应的角度，同时激光线也移动到相应的角度。

4.根据权利要求3所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：步骤S03中的激光定位指引仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将激光定位指引仪器安装到各个底座上，控制激光线旋转直至十字形激光线的中心与放置在标准位置的梁帽边缘重合，此时激光线与梁帽边缘、模具三者重合的点就是此处的标准位置；

然后，处理器通过CAN指令获取电机绝对式编码器的读数，并将此读数与 “点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

5.根据权利要求3所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：视觉偏差检测仪器包括视觉处理模块、摄像模块和供电模块，所述视觉处理模块与摄像模块数据相连，所述供电模块对摄像模块和视觉处理模块供电，所述视觉处理模块分别于数码管、显示屏和报警灯相连；

摄像模块是矩形相机，使用旋转螺钉调节摄像模块的俯仰角度；

视觉处理模块为一个小型带桌面软件的嵌入式平台，视觉处理模块通过USB总线获取摄像模块的图像数据；视觉处理模块内部运行数据采集与偏差计算算法，算法为特征定位工具偏差检测算法；

特征定位工具偏差检测算法输出当前位置的梁帽定位偏差量，并通过数码管或显示屏显示出来；

数码管或显示屏是用于显示梁帽定位偏差量的显示端，视觉处理模块通过485总线发送偏差数值给数据管或显示屏，自动显示偏差量；

报警灯为红绿双色LED指示灯，通过两路高低电平驱动LED红绿色的亮灭；视觉处理模块内部运行偏差量阈值比较，如果梁帽偏差超过设定阈值，则发送红色亮指令；如果梁帽偏差未超过设定阈值，则发送绿色亮指令；

显示屏通过HDMI接口连接处理器模块，操作人员输入底座的标号、当前底座所处的车间、模具、面、轴向、周向信息，拍摄到放置于梁帽边缘的定位工具后，自动计算此处定位工具的位置偏差值，并自动更新到“位置偏差”格中。

6.根据权利要求5所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：所述特征定位工具偏差检测算法的具体流程如下：

1）摄像头标定：

视觉处理模块通过USB总线连接三个高分辨率的摄像头，用于适应整个模具不同轴向位置的定位工具聚焦距离；

摄像头标定是获取摄像头的内参和畸变系数，其中内参包括焦距（f_x,f_y）和光心（c_x,c_y），畸变系数包括径向畸变（k1,k2,[k3]）和切向畸变（p1,p2）；

通过拍摄定位工具并使用cv2.calibrateCamera()函数，计算出这些参数，得到参数后，利用cv2.undistort()函数根据畸变系数对捕获的图像进行校正，消除畸变的影响；

2）实时图像捕获：

连接三个高分辨率摄像头到嵌入式平台，并实时获取风电叶片主梁帽上的定位工具图像；

3）角点检测：

使用OpenCV的`cv2.findChessboardCorners()`函数检测定位工具的角点；

对于实时检测，用`cv2.cornerSubPix()`来增加角点检测的精度，通过迭代最小二乘法最小化角点周围的重投影误差；

使用SIFT或SURF减少光照不稳定情况下系统的鲁棒性；

4）姿态计算：

通过cv2.solvePnP()函数来估计定位工具相对于摄像头的三维旋转和平移；计算定位工具的角点在世界坐标系中的位置和在图像中的位置；

世界坐标系中的点通过相机的内参矩阵K和外参转换到图像坐标系中，公式如下：

[\begin{bmatrix}u\v\1\end{bmatrix}=K[R|T]\begin{bmatrix}X\Y\Z\1\end{bmatrix}]

其中(X,Y,Z)是世界坐标系中的点，(u,v)是图像坐标系中的点，K是内参矩阵，[R|T]是将点从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；

5）偏差计算：

根据定位工具的实际尺寸和摄像头标定结果，将角点的像素坐标转换为实际的世界坐标；

将检测到的姿态与标定时定位工具的姿态进行比较，计算出偏差，偏差用旋转矩阵和平移向量来表示，公式如下：

\[\text{Rotationdeviation}=R_{\text{detected}}R_{\text{calibrated}}^T\]

\[\text{Translationdeviation}=T_{\text{detected}}T_{\text{calibrated}}\]

其中\(R_{\text{detected}}\)和\(T_{\text{detected}}\)为检测到的姿态，\(R_{\text{calibrated}}\)和\(T_{\text{calibrated}}\)为标定时的姿态；

6）实时反馈：

将计算出的偏差以实时数据流的形式反馈给控制系统，通过可视化界面、数码管或显示屏显示偏差值，通过报警灯实现偏差值超限提醒。

7.根据权利要求5所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：步骤S04中的视觉偏差检测仪器标准位置设置的具体过程如下：

首先，模具安装固定以后，通过直尺测量的方式依次确定在各个底座处梁帽的标准放置位置，吊装梁帽到标准位置；

其次，操作人员依次将指检测器安装到各个底座上，将定位工具放置到设备可拍摄到的梁帽边缘处，识别到定位工具后自动计算偏差值，此时的偏差值就是此处的标准偏差值，也就是偏差为0之处；

然后，视觉处理模块将此偏差值与当前底座的“点位”、“车间”、“模具”、“面”、“轴向”、“周向”参数一起记录为数据库中的一行，以“点位”为索引，便于后续使用调用。

8.根据权利要求1所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：

所述步骤S26的具体操作步骤如下：

步骤S27，将定位指引仪器安装于底座上；

步骤S28，输入定位点P：在 “点位”选项框中选择当前底座的标号；

步骤S29，查询数据库定位标准值：数据库中查询车间、模具、面、轴向、周向和电机绝对定位角度值，显示车间、模具、面、轴向、周向信息；

步骤S30，仪器驱动激光线旋转到标准位置：处理器通过CAN总线发送步骤S29查到的电机绝对定位角度值，并发送指令给伺服电机，驱动电机转动到标准位置；

步骤S31，根据激光线指引，画出梁帽定位的标准位置：十字形激光线转动到标准位置后，人工在十字激光线中心与模具的交点处，用标记笔画出记号，此记号即为此处梁帽放置的标准位置；

判断是否还存在其他点位，并在模具从头到尾所有的底座上重复上述步骤S27-步骤S31后，行车吊装梁帽到模具上所标记的标准位置处即可。

9.根据权利要求1所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：

所述步骤S51的具体操作步骤如下：

步骤S52，安装偏差检测仪器，安装特征定位工具：

步骤S53，输入定位点P；

步骤S54，偏差检测仪器检测和计算梁帽位置偏差：步骤S53输入完成后，调用特征定位工具偏差检测算法流程，计算梁帽位置偏差与标准偏差的差值，获得实际偏差值；

步骤S55，判断偏差是否超限：将实际偏差值与偏差阈值做比较；

步骤S56，如果步骤S55的实际偏差值高于偏差阈值，则报警灯产生报警信号，操作人员微调梁帽定位位置，直至报警消失；

步骤S57，检测数据上传到监控中心：梁帽偏差值小于偏差阈值，则将梁帽在此处的偏差值传输到监控中心；

判断是否还存在其他点位，步骤S52-S57重复操作，直至在所有底座上完成操作。

10.根据权利要求1所述的一种梁帽定位数字化引导及偏差检测方法，其特征在于：

步骤S76的具体操作流程如下：

步骤S77，监听接收车间检测数据：监控中心接收到上传的点位、车间、模具、面、轴向、周向以及偏差量的信息；

步骤S78，可视化展示梁帽形状轮廓：首先预制模具形状、标准位置梁帽、偏差阈值线和各个底座处的标准定位点，在步骤S77接收到点位、车间、模具、面、轴向、周向、偏差值信息后，以标准定位点为基准，沿模具径向偏离偏差值处描绘此处的实际定位点，各个底座处的实际定位点相连接，即形成实际位置的梁帽轮廓；

步骤S79，选择追溯记录：用户可根据车间、模具、面、时间过滤历史数据，查询历史生产叶片的梁帽定位数据，并生成可视化展示图；

步骤S80，梁帽定位偏差可视化展示：根据步骤S79查询的历史数据，用与步骤S78相同的原理，生成实际位置梁帽示意图，根据实际位置梁帽示意图和偏差阈值线等图形，整体查看历史生产的风电叶片的偏差量，辅助用户评估历史叶片质量。