船舶曲板成形雙目立體視覺在位檢測技術研究.pdf

1、當前我國已成為世界主要造船大國，但與國際先進造船國家相比，不論是在總體建造技術水平還是先進制造工藝方面仍有較大的差距。船舶曲板成形是船體外板制造的關鍵工序，目前國內船企大多仍采用手工水火彎板成形工藝。該工藝采用手工對樣檢測方式。由于檢測精度低、效率低、成本高等缺點，手工對樣檢測已成為水火彎板工藝實施自動化的“瓶頸”。因此開發(fā)船舶曲板成形數(shù)字化檢測技術已成為我國造船業(yè)的當務之急。為此針對船舶曲板的成形工藝需求及工況特點，本文研究了面向船舶

2、曲板成形的雙目立體視覺在位檢測技術，并重點對雙目立體視覺在位測量方案的開發(fā)、在位標定、投影特征的精確提取、成形表面的快速三維重建以及基于數(shù)模的自反饋檢測等方面進行了研究。
　　船舶曲板通常具有尺寸大、彎勢大和成形精度要求高等特點，使得常規(guī)雙目立體視覺測量技術在船舶曲板成形檢測中的應用變得較為困難。針對這一問題，論文首先提出了一種面向船舶曲板成形檢測的雙目立體視覺在位測量技術方案。其次進一步對該方案中的雙目立體視覺的結構參數(shù)進行優(yōu)化

3、，將傳感器的額定工作距離設定為2500 mm，基線距離為1500 mm。最后開發(fā)了一套面向船舶曲板成形在位檢測的雙目立體視覺測量傳感器。
　　由于現(xiàn)場加工振動和溫差等不利因素的長期影響，雙目立體視覺的結構參數(shù)會失效，致使測量精度降低，導致系統(tǒng)的結構參數(shù)需要周期性在位校正。針對傳統(tǒng)的大尺寸標定靶通常不便操作、保管和維護，使得其難以勝任復雜工況下在位標定的問題，論文提出了一種基于小型二維靶的大視場雙目立體視覺結構參數(shù)在位標定方法。該方

4、法在首次標定時采用傳統(tǒng)的大尺寸靶對像機內參數(shù)進行離線標定，而在位時則采用小型二維靶對像機間的結構參數(shù)進行周期性標定。實驗結果表明本文方法較傳統(tǒng)標定方法將系統(tǒng)的測量精度提高了13％。
　　投影特征的精確提取對主動雙目立體視覺的三維重建精度有著直接的影響。由于成形船舶曲板表面的光學非均勻性、邊緣深度階躍和遮擋等會對投影圓斑的完整性產生破壞，導致經(jīng)典的直接橢圓代數(shù)擬合方法（DESAF）無法精確地提取圓斑中心。為解決此問題，論文提出了一種

5、基于迭代直接橢圓代數(shù)擬合的改進方法（IBDESAF），通過不斷地濾除非完整圓斑輪廓上的噪聲點，以此提高非完整圓斑中心的提取精度。仿真和實測實驗表明基于迭代直接橢圓代數(shù)擬合方法較直接橢圓代數(shù)擬合方法顯著地提高了非完整圓斑中心的提取精度。
　　針對傳統(tǒng)多幅投影結構光技術在測量過程中易受現(xiàn)場振動的干擾，同時較多的投影底板數(shù)也會降低測量效率，論文研究了一種基于鄰域拓撲信息的單幅結構光立體匹配技術。該技術對單幅投影陣列中的每個圓斑進行唯一坐

6、標定義，然后基于此編碼坐標值建立左右攝像機中對應圓斑的立體匹配，因此較適合船舶曲板成形表面的在位快速測量。仿真實驗和實板測量表明該方法可實現(xiàn)不同排列下圓斑的準確編碼并可用于成形曲板的在位快速測量，其單視角測量時間小于2s。此外通過測試平板對本文所開發(fā)的測量傳感器的測量精度進行了驗證，結果表明系統(tǒng)的有效工作距離為(2300 mm，2900 mm)，測量誤差不超過0.5 mm，測量場景不小于2000 mm×2500 mm，可以滿足船舶曲板成

7、形的在位檢測要求。
　　為判斷船舶曲板的成形狀態(tài)，還需要將測量數(shù)據(jù)與理論模型進行配準比對。不過，首先由于船舶曲板在多步漸近成形過程中，數(shù)模間會存在大偏差，導致常規(guī)的數(shù)模配準方法難以適用；其次針對點云形式的數(shù)模比對，采用基于最近點的點到點法則的計算比對誤差較大，而針對形狀大偏差時常規(guī)基于點到面法則的比對方法一方面計算量大，另一方面精度亦不高；最后當前基于數(shù)模的檢測方法大多缺少在位成形誤差反饋功能。針對上述問題，本文首先提出了一種基于

8、全局相似特征的數(shù)模自動粗配準方法，以解決數(shù)模大偏差時的配準問題；其次本文針對船舶曲板的成形過程，提出了一種基于投影插值的成形曲板數(shù)模對應點查找方法，并分別評價了曲板的成形型面面差、橫向成形度、縱向成形度和縱向扭曲度等；最后結合前文結構光的編碼原理，提出了一種將成形曲板的數(shù)模比對誤差反饋至成形曲板表面的在位自反饋檢測方法，以利于現(xiàn)場技術工人確定或修正后續(xù)成形工藝參數(shù)。采用上述所提方法對馬鞍型成形樣件進行了測試，測試結果表明本文方法可以實現(xiàn)