航空电连接器插针位置偏差检测方法与流程

本发明涉及一种航空电连接器插针位置偏差检测方法。

背景技术：

航天电连接器担负着控制系统的电能传输和信号的控制与传递的功能。在各种军机和武器装备中，电连接器的用量较大，特别是飞机制造和航天工程上使用电连接器的用量特别大。从系统、分系统、机柜、组合、印制板到每个可更换的各独立单元插座，其中任何一个电连接器失效都将导致航天系统工程的失败。因此，航天电连接器的可靠性对确保整个系统工程的可靠性具有十分重要的有意义。

电连接器由固定端电连接器(以下简称插座)，自由端电连接器(以下简称插头)组成，如图1-1所示。壳体是指插头插座的外壳、连接螺帽、尾部附件，材料为高强度铝合金和不锈钢，其作用是保护绝缘体和接触体(插针插孔的统称)等内部零件不被损伤。绝缘体由装插针绝缘体、装插孔绝缘体、界面封严体、封线体等组成，使用耐热热塑性材料制成。接触体是包括插针插孔，是电连接器的关键元件。其大多采用导电性能良好的弹性铜合金材料机加而成，表面采用镀银镀金达到接触电阻小及防腐蚀的目的。

为保证航天电连接器的可靠性，使用前必须对航天电连接器的插针进行检测。如果插针不垂直，出现偏斜，弯曲、损伤等情况，会导致不可靠连接，不应继续使用。目前方法为人工检测，存在效率低，易漏检等问题，本方案提出一种基于机器视觉的非接触式自动检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的人工检测电连接器插针存在效率低、易漏检的问题，而提出一种航空电连接器插针位置偏差检测方法。

一种航空电连接器插针位置偏差检测方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据航空电连接器插针直径不同，制作不同规格的单个插针图像，作为插针模板图像；

步骤二、通过图像采集系统获得电连接器插针图像；

步骤三、进行电连接器插针图像预处理，保留具有插针图像的感兴趣区域，同时滤除背景干扰；使用步骤一自定义的插针模板图像对电连接器插针图像进行模板匹配，获取最佳匹配点，将获取的最佳匹配点坐标作为插针的近似位置；

步骤四、以步骤三确定的插针的近似位置为中心进行搜索，寻找插针的亮斑，并计算插针质心，将计算得到的质心位置作为插针中心在图像坐标系下的位置信息；

步骤五、将步骤四确定的插针中心在图像坐标系下的位置信息转换为实际物理坐标系下的位置信息；

步骤六、将得到的实际物理坐标系下的位置信息与国标中的电连接器接触件孔位排列标准进行比较，计算位置偏差，并判断插针的位置偏差是否在允许范围内。

本发明的有益效果为：

本发明是通过视觉测量系统首先获得电连接器插头插针图像，再通过图像预处理，图像分割，图像特征提取等图像处理技术把图像中的插针位置坐标提取出来，得到图像坐标系下插针的数学模型，根据相机标定得到检测图像像素坐标系与实际物理坐标系的转换关系(也即得到像素数)，计算插针在实际物理坐标系下的位置关系，并与电连接器接触件孔位排列标准进行比对，计算插针的位置偏差，进而判断插针是否合格。具有精度高、自动化程度高、效率高和漏检率低的优点，具体地，

(1)高精度：人眼的最小分辨视角为1′，而人眼的明视距离为25cm，由此人眼的最大分辨力约为0.1mm。实际上，环境因素、参照物、个体差异都会影响人眼的分辨能力，因此人工检测能达到精度远不足0.1mm。采用视觉测量技术，系统的像素当量为0.027mm/格，具有较高的测量精度。

(2)自动化：整个测量过程从图像数据的采集、处理、插针位置偏差的计算以及电子报表的生成基本实现了自动化。同时可以保存测量数据，方便以后数据的查阅，使得航天连接器插头插针检测结果具有可追溯性。

(3)效率高，漏检率低：传统人工检测方法受人为因素影响较大，容易出现漏检误检的现象，使用图像采集系统可以降低检测难度以及劳动强度，同时降低漏检率。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明涉及的图像采集系统获得电连接器插针图像示意图；

图3为本发明涉及的对电连接器图像进行预处理，去除电连接器以外其他结构的图像示意图；

图4为本发明涉及的滤除电连接器圆形边缘以外的图像后，保留的包括插针的中间圆形部分的示意图；

图5为本发明涉及的从自定义插针模板图像中提取合适的模板图像示意图；

图6为本发明涉及的本发明涉及的对电连接器图像进行模版匹配后的图像示意图；

图7为本发明涉及的插针屏蔽后获得的图像示意图；

图8为本发明涉及的在图中以交叉线标记处插针中心位置，获取插针在图像坐标下的位置坐标示意图；

图9为本发明涉及的提取到的插针坐标示意图；

图10为本发明涉及的标记后的插针位置示意图；

图11为本发明实施例1涉及的搭设的图像采集系统具有的实验台架和相机，并安放待测插头的示意图；

图12为本发明实施例1涉及的获取的游标卡尺主尺图像；

图13为本发明实施例1涉及的采集到的航空插头的高质量图像；

图14为本发明实施例1涉及的图4处理后的图像；

图15为本发明实施例1涉及的在国家标准中对此型号电连接器接触件孔位排列提出的要求；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据航空电连接器插针直径不同，制作不同规格的单个插针图像，作为插针模板图像；

步骤二、通过图像采集系统获得电连接器插针图像；

步骤三、进行电连接器插针图像预处理，保留具有插针图像的感兴趣区域，同时滤除背景干扰，防止背景图像对插针的提取造成干扰；使用步骤一自定义的插针模板图像对电连接器插针图像进行模板匹配，获取最佳匹配点，将获取的最佳匹配点坐标作为插针的近似位置；

步骤四、以步骤三确定的插针的近似位置为中心进行搜索，寻找插针的亮斑，并计算插针质心，将计算得到的质心位置作为插针中心在图像坐标系下的位置信息；

步骤五、将步骤四确定的插针中心在图像坐标系下的位置信息转换为实际物理坐标系下的位置信息；

步骤六、将得到的实际物理坐标系下的位置信息与国标中的电连接器接触件孔位排列标准进行比较，计算位置偏差，并判断插针的位置偏差是否在允许范围内。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤二所述通过图像采集系统获得电连接器插针图像的过程为，所述图像采集系统采用环形光源进行高角度的前向照明方式，环形光源发射出的照射至待检测插针上的光线与水平面呈60°角，500w像素的工业相机镜头设置在待检测的连接器的正上方采集其图像，再进行工业相机在横、纵方向上分辨率的计算，以满足图像采集系统获得电连接器插针图像的最小分辨率需要：

横向分辨率＝横向视野大小÷最小精度 (3-1)

纵向分辨率＝纵向视野大小÷最小精度 (3-2)

根据测量需求确定检测视场大小为50mm×50mm。插头插针直径有φ0.8mm，φ1.0mm，φ1.5mm等规格，为获得高质量图像，选择500w像素的相机镜头，相机分辨率为2592×1944，像素当量计算值为0.026mm/像素；

选择500w像素的相机镜头的原理为，镜头的作用是集聚光线，使成像单元能清晰成像。同时选取合适的镜头减小物象的畸变，以获得准确的插针影像。镜头的主要参数有：焦距、光圈系数、相对孔径、最小物距等。必须结合所拍摄的视场的大小、相机感光面大小并考虑摄像模块外形尺寸等因素来选取镜头，基本步骤如下：

(1)根据目标尺寸和测量精度，确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率和镜头的传递函数；

(2)根据图像采集系统尺寸和工作距离，结合放大倍率，估算镜头的焦距；

物方和像方介质相同时，镜头成像的高斯公式为：

其中，l为物距，l'为相机感光面到镜头间的像距，f为镜头的焦距

图像采集系统的放大倍率β由视场边长和感光元件短边长度通过以下公式计算，即：

镜头的焦距f由以下公式计算得到：

(3)根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长；

(4)确定畸变、景深、相机接口要求；

获得如图2所示的航空电连接器插针图像。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤三所述的进行电连接器插针图像预处理，保留具有插针图像的感兴趣区域，同时滤除背景干扰的过程为，通过图像分割和图像特征提取的图像处理技术提取图像中的插针位置坐标，并得到图像坐标系下的插针坐标：

首先，对电连接器图像进行预处理，去除电连接器以外其他结构的图像，处理结果如图3所示；

然后，但电连接器的边缘很亮，容易造成插针误匹配的情况，继续滤除电连接器圆形边缘以外的图像，保留包括插针的中间圆形部分，处理结果如图4所示。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤三所述的使用步骤一自定义的插针模板图像对步骤二获取的图像进行模板匹配，获取最佳匹配点，将获取的最佳匹配点坐标作为插针的近似位置的过程为，

模板匹配是在整幅图像中寻找与模板图像最相似的区域，该方法原理简单，计算速度快，能够应用于目标识别，目标跟踪等多个领域，在航空点电连接器插头的图像中，插针特征明显，为圆形亮斑，十分适合使用模板匹配的方法进行识别。常见的模版匹配函数有：平方差匹配法、归一化平方差匹配法、相关匹配法、归一化相关匹配法、相关系数匹配法和归一化相关系数匹配法，如图2所示的图像为匹配用到的待匹配图像，如图5所示的从图中提取的单个插针的图像为模板图像，

步骤三一、将图2所示的通过相机采集的电连接器插针图像作为待匹配图像，从自定义插针模板图像中提取合适的模板图像，如图5所示的；

步骤三二、选择模版匹配方法中的相关系数匹配法(CCOEFF)对电连接器插针图像进行模板匹配，输入待匹配图像和模板图像，返回匹配后的图像，其中灰度值最大的点为最佳匹配点，完成获取最佳匹配点的过程，得到如图6所示的处理后的图像；其中，相关系数匹配法进行模板匹配的数学原理为通过下列数学关系式计算被匹配区域与模板图像的相似程度为：

其中，

R表示匹配相似程度；T表示模板图像矩阵；I表示输入图像矩阵；w为模板图像的宽，h为模板图像的高，匹配程度最好的记为1，匹配程度最差的记为-1；

步骤三三、按照步骤三二的方法遍历整个待匹配图像，为防止重复提取，每找到一个最佳匹配点都使用模板图像大小的黑色矩形填充插针所在的点，进行插针屏蔽，屏蔽后的图像如图7所示，并将获取的最佳匹配点作为插针的近似位置。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤四所述的以步骤三确定的插针的近似位置为中心进行搜索，寻找插针的亮斑，并计算插针质心，将计算得到的质心位置作为插针中心在图像坐标系下的位置信息的过程为，最佳匹配点是插针中心位置的近似坐标，为了获得插针中心的准确位置，需要以最佳匹配点为中心，使用扫描线种子填充算法寻找插针亮斑，根据图片亮度直方图进行综合调整寻找出阈值，在原图中以交叉线标记处插针中心位置，如图8所示，此时即获取插针在图像坐标下的位置坐标；其中，

扫描线种子填充算法寻找插针亮斑的过程为，当给定种子点(x,y)时，首先分别向左和向右两个方向填充种子点所在扫描线上的位于给定区域的一个区段，同时记下这个区段的范围[xLeft，xRight]，然后确定与这一区段相连通的上、下两条扫描线上位于给定区域内的区段，并依次保存下来。反复这个过程，直到填充结束。

扫描线种子填充算法的步骤为：

(1)初始化一个用于存放种子点的空栈，将给定种子点(x,y)入栈；

(2)判断栈是否为空，如果栈为空则结束算法，否则取出栈顶元素作为当前扫描线的种子点(x,y)，y是当前的扫描线；

(3)从种子点(x,y)出发，沿当前扫描线向左、右两个方向填充，直到边界。分别标记区段的左、右端点坐标为xLeft和xRight；

(4)分别检查与当前扫描线相邻的y-1和y+1两条扫描线在区间[xLeft,xRight]中的像素，从xLeft开始向xRight方向搜索，若存在非边界且未填充的像素点，则找出这些相邻的像素点中最右边的一个，并将其作为种子点压入栈中，然后返回第(2)步；提取到的插针在图像坐标系下的位置如图9所示。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤五所述的将步骤四确定的插针中心在图像坐标系下的位置信息转换为实际物理坐标系下的位置信息的过程为，设图像采集系统获得的电连接器插针图像的大小为a*b，单位为像素*像素，已知长度为l的线段在图片中的像素为l'，得到航空电连接器图像的像素当量表示关系，即单位像素代表的实际距离：

(1)首先，将图像坐标系的原点移动到圆形电连接器的中心，相应的，插针的位置坐标会发生变化；其中，圆形电连接器的中心坐标是通过最小二乘法拟合圆变换得到的；

(2)标定时已经得到像素当量，将经过(1)变换的插针坐标与像素当量k相乘，得到与国家标准中仅相差一个旋转的角度的坐标；

(3)将经过(2)变换的插针坐标系进行旋转角θ的旋转操作：

设旋转前的点坐标为(x₁,y₁)，绕原点旋转后的坐标为(x₂,y₂)，变换的公式为：

其中，旋转角通过对应点距离方差最小的算法获得；

此时检测图像像素坐标系下的插针坐标经历平移、量化和旋转过程转换到实际物理坐标系下，再与国标中插针标准位置进行比对。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的航空电连接器插针位置偏差检测方法，步骤六所述的将得到的实际物理坐标系下的位置信息与国标中的电连接器接触件孔位排列标准进行比较，计算位置偏差，并判断插针的位置偏差是否在允许范围内的过程为，

将得到的实际物理坐标系下的位置信息与国标中的电连接器接触件孔位排列标准进行比较分别得到每个插针的位置偏差，按照国家标准规定的插针接触件顶端中心的位置度为φ0.61mm的要求，在图9中，

将位置偏差超过上述国家标准规定0.305mm的插针确定为不合格插针，并将其标记为圆形；

将位置偏差未超过上述国家标准规定0.305mm的插针确定为合格的插针(即与国家标准规定的插针接触件顶端中心的位置度为φ0.61mm的要求相比的差小于等于0.305mm的插针)，并将其标记为方形。

实施例1：

搭设如图11所示的实验台架与相机，并安放待测插头：

1、标定过程：

获取如图12所示的游标卡尺主尺图像并对像素当量进行标定，标定后相机的像素当量为0.0270mm/格；

2、采集如图13所示的航空插头的高质量图像；

处理后的图像如图14所示，之后提取插针中心坐标；

在国家标准中，对此型号电连接器接触件孔位排列提出如图15要求。

经检测后，被测电连接器插针位置偏差如下表所示：

被测电连接器插针位置及其偏差

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。