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原文传递船舶曲板成形双目立体视觉在位检测技术研究

论文题名：	船舶曲板成形双目立体视觉在位检测技术研究
关键词：	船舶曲板成形;双目立体视觉;在位检测;结构参数;立体匹配
摘要：	当前我国已成为世界主要造船大国，但与国际先进造船国家相比，不论是在总体建造技术水平还是先进制造工艺方面仍有较大的差距。船舶曲板成形是船体外板制造的关键工序，目前国内船企大多仍采用手工水火弯板成形工艺。该工艺采用手工对样检测方式。由于检测精度低、效率低、成本高等缺点，手工对样检测已成为水火弯板工艺实施自动化的“瓶颈”。因此开发船舶曲板成形数字化检测技术已成为我国造船业的当务之急。为此针对船舶曲板的成形工艺需求及工况特点，本文研究了面向船舶曲板成形的双目立体视觉在位检测技术，并重点对双目立体视觉在位测量方案的开发、在位标定、投影特征的精确提取、成形表面的快速三维重建以及基于数模的自反馈检测等方面进行了研究。　　船舶曲板通常具有尺寸大、弯势大和成形精度要求高等特点，使得常规双目立体视觉测量技术在船舶曲板成形检测中的应用变得较为困难。针对这一问题，论文首先提出了一种面向船舶曲板成形检测的双目立体视觉在位测量技术方案。其次进一步对该方案中的双目立体视觉的结构参数进行优化，将传感器的额定工作距离设定为2500 mm，基线距离为1500 mm。最后开发了一套面向船舶曲板成形在位检测的双目立体视觉测量传感器。　　由于现场加工振动和温差等不利因素的长期影响，双目立体视觉的结构参数会失效，致使测量精度降低，导致系统的结构参数需要周期性在位校正。针对传统的大尺寸标定靶通常不便操作、保管和维护，使得其难以胜任复杂工况下在位标定的问题，论文提出了一种基于小型二维靶的大视场双目立体视觉结构参数在位标定方法。该方法在首次标定时采用传统的大尺寸靶对像机内参数进行离线标定，而在位时则采用小型二维靶对像机间的结构参数进行周期性标定。实验结果表明本文方法较传统标定方法将系统的测量精度提高了13％。　　投影特征的精确提取对主动双目立体视觉的三维重建精度有着直接的影响。由于成形船舶曲板表面的光学非均匀性、边缘深度阶跃和遮挡等会对投影圆斑的完整性产生破坏，导致经典的直接椭圆代数拟合方法（DESAF）无法精确地提取圆斑中心。为解决此问题，论文提出了一种基于迭代直接椭圆代数拟合的改进方法（IBDESAF），通过不断地滤除非完整圆斑轮廓上的噪声点，以此提高非完整圆斑中心的提取精度。仿真和实测实验表明基于迭代直接椭圆代数拟合方法较直接椭圆代数拟合方法显著地提高了非完整圆斑中心的提取精度。　　针对传统多幅投影结构光技术在测量过程中易受现场振动的干扰，同时较多的投影底板数也会降低测量效率，论文研究了一种基于邻域拓扑信息的单幅结构光立体匹配技术。该技术对单幅投影阵列中的每个圆斑进行唯一坐标定义，然后基于此编码坐标值建立左右摄像机中对应圆斑的立体匹配，因此较适合船舶曲板成形表面的在位快速测量。仿真实验和实板测量表明该方法可实现不同排列下圆斑的准确编码并可用于成形曲板的在位快速测量，其单视角测量时间小于2s。此外通过测试平板对本文所开发的测量传感器的测量精度进行了验证，结果表明系统的有效工作距离为(2300 mm，2900 mm)，测量误差不超过0.5 mm，测量场景不小于2000 mm×2500 mm，可以满足船舶曲板成形的在位检测要求。　　为判断船舶曲板的成形状态，还需要将测量数据与理论模型进行配准比对。不过，首先由于船舶曲板在多步渐近成形过程中，数模间会存在大偏差，导致常规的数模配准方法难以适用；其次针对点云形式的数模比对，采用基于最近点的点到点法则的计算比对误差较大，而针对形状大偏差时常规基于点到面法则的比对方法一方面计算量大，另一方面精度亦不高；最后当前基于数模的检测方法大多缺少在位成形误差反馈功能。针对上述问题，本文首先提出了一种基于全局相似特征的数模自动粗配准方法，以解决数模大偏差时的配准问题；其次本文针对船舶曲板的成形过程，提出了一种基于投影插值的成形曲板数模对应点查找方法，并分别评价了曲板的成形型面面差、横向成形度、纵向成形度和纵向扭曲度等；最后结合前文结构光的编码原理，提出了一种将成形曲板的数模比对误差反馈至成形曲板表面的在位自反馈检测方法，以利于现场技术工人确定或修正后续成形工艺参数。采用上述所提方法对马鞍型成形样件进行了测试，测试结果表明本文方法可以实现船舶曲板成形过程的型面三维测量、测量数据与理论模型的配准比对以及成形误差的在位反馈等整个检测流程。
作者：	王振兴
专业：	机械制造及其自动化
导师：	习俊通
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文