專利名稱：螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法
技術領域：
本發(fā)明屬于螺旋槳檢測相關領域，特別涉及一種基于圖像的螺旋槳靜平衡非接觸 式自動檢測的新方法。
背景技術：
螺旋槳是船舶的重要推進裝置，螺旋槳的平衡與否直接影響著船舶的推進效率。 為了確保螺旋槳的制造質量，國家技術監(jiān)督局發(fā)布了有關金屬螺旋槳技術要求的國家標 準，對包括螺旋槳靜平衡等許多技術指標進行了規(guī)范。螺旋槳的平衡問題在很大程度上影 響著船舶軸系的振動、功率的吸收、艉管軸承、中間軸承的磨損和動力源至軸系的安全可靠 程度。螺旋槳失去平衡后，會對其本身強度、彎曲強度產生不良影響，引起軸承加速磨損，軸 系和船體的振動，以及影響主機運轉等，嚴重時會因螺旋槳失卻平衡而引起海損事故。因 此，螺旋槳生產制造過程中靜平衡試驗非常重要。目前常用的螺旋槳靜平衡試驗，主要包括掛重法和補重法。其中掛重法是依次將 螺旋槳各葉置于水平位置，使其靜止不動，然后在葉梢掛重，撤去固定物，若各葉都能轉動， 則認為該槳的不平衡度符合要求。補重法是當螺旋槳置于平衡試驗裝置上因不平衡力矩而 發(fā)生轉動時，在較輕的葉片上，逐漸地加以配重，使之達到隨遇平衡。若此時的配重小于規(guī) 定值，則認為螺旋槳的不平衡度符合要求。國內一些學者對螺旋槳靜平衡的檢測方法進行 了研究張以鐘介紹了一種靜平衡實驗裝置及其補平衡的方法，并研究實際靜不平衡重量 的求法及其去除方法；沈昌炎提出了一種靜平衡試驗方法，通過對靜平衡試驗時所測得數 值進行計算，分別求得螺旋槳的不平衡度(偏心力矩)、不平衡質量中心的位置以及檢驗裝 置本身的摩擦力矩，從而可以正確地評定螺旋槳的平衡質量，并確定所需削除的重量及其 位置；龍旭平研究了試驗裝置的內摩擦阻力對試驗結果的影響，提出了內摩擦阻力的測定 方法和減小內摩擦阻力的措施等等。但是這些方法檢測復雜、效率低下不能適應目前螺旋 槳快速制造的要求，特別是對大型螺旋槳。因此，一種快速、簡便的螺旋槳靜平衡自動檢測 方法是必須的。本發(fā)明是有關螺旋槳靜平衡自動檢測的新方法。本發(fā)明提出的螺旋槳靜平衡自動 檢測的新方法是利用圖像進行螺旋槳槳葉的非接觸式和數字化檢測。由于本發(fā)明提出的是 非接觸數字化測量方法，與現有螺旋槳靜平衡檢測的原理不同，因此可以解決現有螺旋槳 靜平衡檢測的不足。以本發(fā)明提出的螺旋槳靜平衡自動檢測的新方法為基礎，可以進行螺 旋槳靜平衡的自動檢測。因此本發(fā)明將為確保螺旋槳制造質量提供了新的有效的檢測手 段。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是以圖像為基礎進行螺旋槳靜平衡的非接觸式自動檢測。利用該方 法進行螺旋槳靜平衡檢測時，采用非接觸式的方法進行，方法簡單可靠，易于實施。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是利用數字投影儀將計算機自動生
3成的投影點陣投射在待測螺旋槳表面，利用CCD攝像機獲得螺旋槳的圖像，對螺旋槳圖像 進行數字化處理，得到所有投影點的二維圖像坐標系像素坐標，利用經過標定的攝像機模 型進行螺旋槳表面所有投影點二維像素坐標向三維現實世界坐標系的映射，根據雙目視覺 理論計算得到所有投影點在三維現實世界坐標系的三維坐標，構建螺旋槳的三維坐標模 型，并計算槳葉重量，最后利用計算機進行螺旋槳靜平衡的檢測。本發(fā)明包括投影點陣的計算機生成及螺旋槳圖像的采集、所有投影點二維圖像坐 標系像素坐標獲取、所有投影點三維現實世界坐標系坐標計算、螺旋槳三維坐標模型的構 建以及螺旋槳靜平衡的檢測等幾個步驟。本發(fā)明包括的步驟如下1)投影點陣的計算機生成及螺旋槳圖像的采集根據螺旋槳形狀通過計算機編程生成點陣，利用投影儀將點陣投射在待測螺旋槳 表面，利用2個(XD攝像機建立雙目視覺圖像采集系統(tǒng)，必要時采用適當照明，分別采集包 含投影點的螺旋槳表面和背面圖像各2幅。2)投影點二維圖像坐標系像素坐標獲取針對采集到的螺旋槳表面和背面的圖像，進行圖像的數字化處理，以此獲取所有 投影點的二維圖像坐標系像素坐標。3)投影點三維現實世界坐標系坐標計算根據攝像機成像模型、攝像機坐標系和三維現實世界坐標系之間的變換關系，建 立反映螺旋槳表面和背面所有投影點像素坐標與三維現實世界坐標關系的投影矩陣，通過 投影矩陣的標定建立以像素坐標為基礎的所有投影點三維現實世界坐標系坐標的計算模 型。利用雙目視覺原理計算得到所有投影點的三維現實世界坐標系坐標。4)螺旋槳三維坐標模型的構建以螺旋槳表面投影點的三維現實世界坐標系坐標為基礎，對螺旋槳背面投影點的 三維坐標進行變換，使其與螺旋槳表面投影點的三維現實世界坐標系坐標形成一一對應的 相對位置關系，構建螺旋槳的三維坐標模型。5)螺旋槳靜平衡的檢測以構建的螺旋槳三維坐標模型為基礎，分別計算每個槳葉上單位正方體的重量， 并累加得到每個槳葉的重量，據此利用計算機進行螺旋槳靜平衡的檢測。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明是以圖像為基礎進行螺旋槳靜平衡的自動檢測，因此本發(fā) 明具有非接觸式和數字化測量方法的優(yōu)點。本發(fā)明不需要直接接觸螺旋槳的金屬表面，不 需要掛重和去重等操作。利用該方法可以方便地實現螺旋槳靜平衡的自動檢測，因此本發(fā) 明可以為縮短螺旋槳加工周期、降低生產成本提供有效檢測手段。
附圖1是螺旋槳靜平衡自動檢測新方法的步驟；附圖2是螺旋槳靜平衡自動檢測系統(tǒng)結構示意圖；
附圖3是攝像機成像模型示意具體實施例方式
以下結合附圖，說明本發(fā)明提出的基于圖像的螺旋槳靜平衡自動檢測的方法，其技術原理及具體實施方法如下圖1是螺旋槳靜平衡自動檢測的主要步驟，該方法以圖像的方法進行檢測，首先 通過計算機編程生成投影點陣投射在螺旋槳表面并采集圖像，然后獲取螺旋槳表面和背面 所有投影點的二維圖像坐標系像素坐標，并根據雙目視覺理論計算所有投影點三維現實世 界坐標系坐標，以此為基礎構建螺旋槳槳葉的三維坐標模型并進行螺旋槳靜平衡的檢測。 本發(fā)明按照該步驟就可以實現螺旋槳靜平衡的自動檢測。圖2是螺旋槳靜平衡自動檢測的系統(tǒng)結構示意圖。通過數字投影儀將計算機自動 生成的點陣投射在螺旋槳表面，利用兩臺攝像機L和R采集圖像。在攝像機坐標系統(tǒng)中，攝 像機L和R的X軸重合，Y軸和Z軸分別相互平行，Z軸方向為攝像機光軸方向，L和R坐標 系中坐標軸方向一致，并且X0Y面平行于圖像平面，同時將攝像機L和R的原點(光心)偏 移量固定。這就保證了兩個攝像機坐標系統(tǒng)中螺旋槳葉片投影點的Z軸方向坐標的一致性 以及測量系統(tǒng)的確定性。圖3為攝像機成像模型示意圖，該模型中包含三維現實世界坐標系0wXwYwZw、攝像 機坐標系0。X。Y。Z。、圖像坐標系0JV (單位為像素)、圖像物理坐標系0JY (單位為毫米)。槳 葉的成像過程就是以上四個坐標系之間的轉換過程。本發(fā)明中，依據雙目成像理論計算所 有投影點的深度信息，實現二維圖像坐標系坐標到三維現實世界坐標系坐標的計算。記(U，V)為二維圖像坐標系像素坐標；(X，Y)為圖像物理坐標系坐標；(X。，Y。，Zc) 為二維圖像坐標系像素坐標；(XW，YW，ZW)為現實世界坐標系三維坐標，各坐標系之間的計算 關系如下1)二維圖像坐標系像素坐標與圖像物理坐標系坐標計算關系
(1)
其中，(U0, V0)為圖像物理坐標系X0J的坐標圓點，dx、dy分別為像面上每個像素 沿X軸和Y軸方向的物理尺寸。2)記投影點在左右圖像中的物理坐標系坐標分別為(&，\)和(XK，YK)，根據雙目 攝像機成像理論，攝像機坐標系坐標與圖像物理坐標系坐標的關系如下f/Zc = XL/XCf/Zc = XE/ (Xc-b)f/Zc = Yl/Yc = Ye/Yc由此，可以計算得到該投影點的深度信息Zc = fb/ | XL-XE |(2)其中，f為本發(fā)明測量系統(tǒng)中所用攝像機的焦距，b為左右攝像機光心的距離。3)三維現實世界坐標系坐標與攝像機坐標系坐標計算關系 其中，R是3*3的旋轉矩陣，T是3*1的平移矩陣，0 = (0，0，0)T。
因此，圖像坐標系二維像素坐標與現實世界坐標系三維坐標之間的計算關系如 下
本發(fā)明中，首先設定攝像機標定模板，以攝像機的成像模型為基礎，根據標定點的 像素坐標和三維現實世界坐標系坐標的對應關系，求解攝像機的內外參數(即旋轉矩陣R 和平移矩陣T)并計算鏡頭的畸變系數。然后應用圖像坐標系二維像素坐標與現實世界坐 標系三維坐標之間的計算關系，計算所有投影點的三維現實世界坐標系坐標。本發(fā)明的方法中，螺旋槳靜平衡自動檢測的方法描述如下首先以數字圖像處理 得到的螺旋槳表面和背面所有投影點二維圖像坐標系像素坐標，根據式(1)計算得到所有 投影點的圖像物理坐標系坐標；然后根據式(2)計算所有投影點的深度信息，并以此為基 礎根據式(3)計算所有投影點的三維現實世界坐標系坐標；最后以投影點的三維坐標為基 礎，對當前檢測螺旋槳的每個葉片依次編號，并計算每個螺旋槳槳葉的重量，即依次選取 緊鄰的投影點構成正方體，通過計算機計算所有正方體的體積并累加，根據螺旋槳材質的 密度計算螺旋槳葉片的重量；在次基礎上，判斷每個槳葉的重量差是否在規(guī)定范圍內，如果 在允許誤差范圍內，那么認為螺旋槳靜平衡，否則針對超出誤差范圍的槳葉，輸出槳葉編號 和誤差數值，為螺旋槳的進一步加工提供有效依據。
權利要求
螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法，其特征是以圖像為基礎進行螺旋槳靜平衡的非接觸式檢測，包括以下步驟投影點陣的計算機生成及槳葉圖像的采集；所有投影點二維圖像坐標系像素坐標獲??；所有投影點三維現實世界坐標系坐標計算；螺旋槳槳葉數字化模型的構建；螺旋槳靜平衡的自動檢測。
2.根據權利要求1所述的螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法，其特征在于所述的螺旋 槳所有投影點二維圖像坐標系像素坐標的計算，是通過計算機生成投影點陣投射在螺旋槳 槳葉表面，利用CCD攝像機采集待測螺旋槳槳葉的圖像，應用計算機數字圖像處理算法提 取螺旋槳所有投影點的二維圖像坐標系像素坐標。
3.根據權利要求1所述的螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法，其特征在于所述的螺旋 槳所有投影點的三維現實世界坐標系坐標計算的過程中，包括采集螺旋槳槳葉圖像的CCD 攝像機的標定、攝像機畸變模型的矯正、三維現實世界坐標系坐標的計算。
4.根據權利要求1所述的螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法，其特征在于所述的螺旋 槳靜平衡的自動檢測以計算得到的螺旋槳槳葉所有投影點坐標為基礎，通過計算機實現螺 旋槳靜平衡的檢測。
全文摘要
一種螺旋槳靜平衡的自動檢測新方法，該方法以圖像為基礎進行螺旋槳靜平衡的非接觸式自動檢測。它首先利用計算機、投影儀、攝像機等設備采集螺旋槳的圖像，然后以數字圖像處理技術為基礎獲取槳葉所有投影點的二維圖像坐標系坐標，之后應用攝像機標定模型計算槳葉所有投影點的三維現實世界坐標系坐標，最后通過計算機實現螺旋槳靜平衡的檢測。
文檔編號G01M1/12GK101865751SQ20101010599
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權日2010年2月5日
發(fā)明者張建德, 朱躍釗, 陸金桂 申請人:陸金桂