关键字：机器视觉；航空发动机；导叶；测量

1 引言

由于装配误差的存在，航空发动机每次分解装配后都需要重新进行标定[1]。目前我国航空发动机导叶标定主要依靠人眼读取刻度盘角度的方式进行标定。由于人员读数位置不正确、估读不准确等原因，导致标定过程存在误差较大，读数重复性不好等问题，同时人工读数不利于标定过程自动化。

2 测量系统简介

为解决以上问题，本文提出了一种基于机器视觉高精度的航空发动机导叶刻度盘测量方法。该方法通过制作支架将工业摄像头固定在与发动机导叶刻度盘平行的位置。进行测量时，只需要保持航空发动机导叶刻度盘被摄像头完全摄入镜头即可，不用预先标定视觉成像系统，能够极大提高航空发动机导叶标定的效率及便捷性。通过计算机读取摄像头拍摄导叶刻度盘图像就可以实时测量当前导叶指针所在的角度。

3 航空发动机导叶角度的测量

鉴于LabVIEW作为图形化编程工具具有简便易用、支持硬件众多的特点本文使用LabVIEW为平台实现的航空发动机导叶角度测量程序。航空发动机导叶角度测量程序通过摄像头完成对导叶刻度盘图像实时动态采集。同时为了达到对导叶刻度盘图像的精确提取需要对采集的图形进行预处理图像预处理。对于预处理后的图像通过模式匹配，匹配出刻度盘两端位置及当前刻度盘指针所在位置，然后根据刻度盘为圆形，通过圆形拟合出刻度盘圆心坐标及半径值，通过当前匹配出的指针、刻度盘端点及圆心坐标，通过余弦定理即可求解当前指针角度。

进行航空发动机导叶角度测量程序流程图如图1所示。

3.1 图像预处理

图像预处理一般是提取图像灰度信息后，对图像灰度进行调整。灰度调整是一种图像增强技术，图像增强常用于改善图像的质量。灰度调整将图像的灰度值映射到一个新的范围，使图像某些特征容易识别[2]。对于灰度调整LabVIEW中提供了基本的图像处理方法Lookup table函数。该函数可有效提高待处理图像对比度和亮度[3]。对于某型发动机导叶刻度盘实际采集图像进行图像灰度处理前后对比如图2所示。

3.2 刻度盘及刻度盘指针端点坐标提取

模式匹配又叫模板匹配，就是把不同相机或同一相机在不同时间、不同成像条件下对同一景物获取的两幅或多幅图像在空间上对准，或根据已知模式到另一幅图中寻找相应模式或在同一幅图像中寻找相同模式的处理方法。模式匹配是数字图像处理的重要组成部分之一。简单而言，模式就是一幅已知的小图像。模式匹配就是在一幅大图像中搜寻目标，已知该图中有要找的目标，且该目标同模板有相同的尺寸、方向和图像，通过一定的算法可以在图中找到目标，确定其坐标位置[4]。一般一个模式匹配算法可以在图像中定位参考模式，即模式发生旋转或者缩放依旧可以正确定位。当图像中的模式发生旋转或者缩放时，模式匹配可以在图像中检测出图像中的模式、图像中模式的位置、模式的方向、可以检测图像中多个匹配结果示例[5]。

对于预处理后的图像考虑到端点刻度位置形状较为相同，只是发生旋转，因此这里采用模式匹配算法，将其中端点位置较长刻度作为模式，匹配出图像中所有刻度位置。选取如图3所示刻度模式，进行模式匹配后结果如图4所示，其中十字星所在位置即为模式匹配出来的位置。

3.3 刻度盘圆形拟合

由于对刻度盘长刻度拟合时采用的是同一个模式，因此匹配出的模式位置都在长刻度的同一位置，考虑到刻度盘为一圆形结构，因此这些匹配出的这些点所在的圆心与指针在固定运动端点在同一位置。为方便求解出圆形所在的位置，这里采用LabVIEW提供的圆形拟合函数，为方便处理将图4匹配出的位置点以黑白两色绘制在与采集图像相同大小的图像区域，拟合结果如图7红色线所示，其中绿色两圆为LabVIEW圆形拟合函数自带辅助线。

3.4 余弦定理求解指针角度

当指针在任何位置时，其与圆心、端点刻度构成三角形，如下图8所示。由于三者坐标已经通过模式匹配出来，因此三者所对的圆心角度数可以通过余弦定理cosC = (a^2 + b^2 - c^2) / (2•a•b)求出。但是此时求出的角度仅仅是几何角度，而实际刻度盘角度与几何角度之间的存在转换关系。而实际刻度盘量程范围是已知的，因此可以通过余弦定理求解出两端点刻度所对的圆心角角度值，则可求得该刻度盘几何角度与物理角度之间的转换关系。求解出该关系后，对图6所示指针刻度求取后为-5°，结果正确。

4 总结

运用本测量方法对航空发动机导叶刻度盘多次测量试验，测量结果具有较好的一致性与测量精度。因此所提方法能广泛应用于实际测量中，对于空发动机导叶标定角度测量提供了一种便捷高效的测量方法。

参考文献

[1]张义,周权,陈鹏飞,等. 基于机器视觉的航空发动机喷口喉道截面直径自动标定技术研究[J]. 智能机器人,2017,3(6).

[2]张平生. 基于机器视觉的管孔类零件尺寸测量方法[J]. 机械设计与制造,2012，12(12) 139-141.

[3]张景辉. 基于机器视觉的直齿圆柱齿轮测量系统的设计与实现[M]. 天津大学,2006.

[4]任远. 芯片管脚识别及其数据库系统[M]. 河南科技大学,2002.

作者简介

史妍 （1989-） 女 硕士研究生 工程师 研究方向：发动机控制