陆金桂 (中国江苏省南京市鼓楼区青石村新生院77号, Jiangsu 9, 210009, CN)
ZHANG, Jiande (No. 5 Xinmofan Road, Gulou DistrictNanjing, Jiangsu 9, 210009, CN)
陆金桂 (中国江苏省南京市鼓楼区青石村新生院77号, Jiangsu 9, 210009, CN)
NANJING SUNUPNET CO., LTD (Floor 4, World trade buildingShanxi Road, Gulou Distric, Nanjing Jiangsu 9, 210009, CN)
南京太阳升科技有限公司 (中国江苏省南京市鼓楼区山西路世贸大厦4楼, Jiangsu 9, 210009, CN)
| 1、 螺旋桨数字化测量新方法， 其特征是以图像为基础进行螺旋桨参数的非接触式测量， 包括以 下步骤： 投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集； 二维图像坐标系像素坐标获取； 三维现实世界坐标系坐标计算； 螺旋桨桨叶三维坐标模型的构建； 螺旋桨螺距等参数的计算。 2、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨所有投影点二 维图像坐标系像素坐标的计算， 是通过计算机生成投影点阵投射在螺旋桨桨叶表面， 利用 CCD摄像机 采集待测螺旋桨桨叶的图像，应用计算机数字图像处理算法提取螺旋桨所有投影点的二维图像坐标系 像素坐标。 3、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨所有投影点的 三维现实世界坐标系坐标计算的过程中， 包括采集螺旋桨桨叶图像的 CCD摄像机的标定、摄像机畸变 模型的矫正、 三维现实世界坐标系坐标的计算。 、 4、 根据权利要求 1所述的螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨桨叶 螺距的计算是以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标为基础，通过计算机实 现螺旋桨桨叶螺距的计算。 5、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量的新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨桨叶厚度的 计算是以计算得到的螺旋桨桨叶^有投影点的三维坐标为基础，通过计算机实现螺旋桨桨叶厚度的计 算。 6、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量的新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨桨叶宽度的 计算是以计算得到的螺旋桨桨叶边缘投影点三维坐标为基础， 利用计算机实现螺旋桨桨叶宽度的计 算。 7、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量的新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨桨叶重量的 计算是以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点三维坐标为基础， 通过计算机实现螺旋桨桨叶重量的计 算。 8、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量的新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨静平衡的自 动检测以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点坐标为基础， 通过计算机实现螺旋桨静平衡的计算。 9、 根据权利要求 1所述的螺旋桨数字化测量的新方法， 其特征在于： 所述的螺旋桨动平衡的自 动检测以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点坐标为基础， 通过计算机实现螺旋桨动平衡的计算。 |
本发明属于螺旋桨测量相关领域， 特别涉及一种基于图像的螺旋桨非接触式、 数字化自动测量新 方法。 技术背景：
螺旋桨为船舶航行提供推力， 是船舶推进系统的关键零件。 螺旋桨的质量直接影响着船舶推进效 率。 为了确保螺旋桨的制造质量， 国内外先后发布了有关金属螺旋桨技术要求的 检测标准， 对包括螺 旋桨桨叶螺距、 桨叶厚度、 桨叶宽度等参数的检测进行了规范。 在螺旋桨制造过程中为了控制螺旋桨 的质量， 需要对螺旋桨桨叶螺距等参数进行反复测量。 螺旋桨检测为确定桨叶加工量提供重要依据。 因此方便准确地测量螺旋桨螺距等各种参数， 对于控制螺旋桨制造质量具有重要意义。
目前， 螺旋桨的测量一般利用测量设备测量螺旋桨表 面各点坐标。 极柱坐标测量机和三坐标测量 机是螺旋桨常用的坐标测量设备。这些坐标测 量机是通过测杆和测量头以直接接触螺旋桨金 属表面的 方式来获得螺旋桨测量点的几何坐标， 因此测量时需要逐一确定测量的位置。 由于每个螺旋桨包含多 个桨叶， 因此在螺旋桨制造过程中需要对每个桨叶不同 的测量截面都进行逐点坐标测量。 在螺旋桨制 造过程中利用现有的坐标测量机进行螺旋桨的 测量存在费时费力问题。 在测量过程中， 现有坐标测量 机由于需要逐一确定每个截面和测量点位置， 由此引起的繁重工作量常常造成人为的测量错 误。 另外 现有坐标测量机测量时测量头需要接触螺旋桨 的金属表面， 长期使用造成的磨损也会引起测量误差。 因此上述因素影响现有坐标测量机进行螺旋桨 的准确测量。 另外， 现有坐标测量机利用旋转轴系、 悬 臂梁式横臂和清动架来支撑和移动测杆测量头 进行螺旋桨不同截面的测量，这种由于自重等 因素引起 的横臂等结构非线性变形， 也影响测量精度的进一步提高。现有坐标测量 机采用的接触式方式进行螺 旋桨参数的测量， 工作量巨大并且花费时间长。 另外现有坐标测量机接触式测量方式， 还难以为螺旋 桨加工过程进行在线测量提供手段。
国内外在螺旋桨测量方面己经开展了具体工作 。 蒋祖华和赵良才等人在 1995年就对船用螺旋桨叶 厚的测量进行了研究， 提出了叶厚测量方法。 李明设计了一种将坐标测量机和计算机数据处 理合为一体的 螺距测量设备。 沈昌炎等人对现有的船用螺旋桨静平衡试验方 法进行了研究， 提出了一种新的静平衡试验 方法。 高冰、 苏健等人提出了用数字计算方法实现测量参数 转换， 用离散 Fourier变换算法提取被测信号 的现场动平衡的高精度测量方法。 张宏伟和王树新等人讨论了螺旋桨叶切面处局 部坐标系到全局坐标系的 坐标变换公式。国外在与螺旋桨相近的涡轮叶 片测量方面也开展了具体工作。例如英国 Clarke和 Robson 等人对涡轮机叶片进行拍照测量， 并应用计算机辅助设计软件对涡轮机叶片进行 建模。 Klimanov等人 研究了激光测量系统并利用该技术对涡轮机叶 片进行检测。 Filatov和 Shcherbinin利用 X射线对涡轮 机叶片的厚度进行了测量。 Green和 Doolan等人利用图像测速技术对叶片的性能进行 检测。 目前国内 外在利用数字化测量技术对螺旋桨螺距、 叶厚、 叶宽、重量等参数进行自动测量方面， 还未有公开文献报 道。
本发明是有关螺旋桨数字化测量的新方法。本 发明提出的螺旋桨数字化测量方法是利用图像 进行 螺旋桨的非接触式自动测量。 利用本发明提出的测量方法可以方便、 快捷地进行螺旋桨螺距等重要参 数的测量。 由于本发明提出的是非接触数字化测量的方法 ， 与现有螺旋桨坐标测量机的原理不同， 因 此可以解决现有螺旋桨坐标测量机的不足。 发明内容：
本发明的目的是以图像为基础进行螺旋桨的非 接触式自动测量。利用该方法进行螺旋桨螺距 等参 数的测量时， 不需要测量设备的测头直接接触螺旋桨金属表 面。
为了达到上述目标， 本发明采用的技术方案是： 通过数字投影仪将计算机自动生成的投影点阵 投 射在待测螺旋桨表面， 利用 2个 CCD摄像机构建双目视觉图像采集系统获得螺旋 桨的 2幅图像， 对螺 旋桨的图像进行数字化处理， 得到所有投影点的二维图像坐标系像素坐标， 利用经过标定的摄像机模 型进行螺旋桨所有投影点二维像素坐标向三维 现实世界坐标系的映射，根据双目视觉理论计 算得到所 有投影点在三维现实世界坐标系的三维坐标， 构建桨叶的三维坐标模型， 并利用计算机自动计算螺旋 桨的桨叶螺距、 桨叶厚度、 桨叶宽度、 桨叶重量， 并计算螺旋桨的动平衡和静平衡指标。
本发明包括投影点阵的计算机生成及螺旋桨图 像的采集、所有投影点二维图像坐标系像素坐 标获 取、所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算 、螺旋桨三维坐标模型的构建以及螺旋桨主要 参数的计 算等步骤。 本发明包括的具体步骤如下：
1) 投影点阵的计算机生成及螺旋桨图像的采集
根据螺旋桨的形状通过计算机编程生成点阵， 利用投影仪将点阵投射在待测螺旋桨的表面， 利用 2个 CCD摄像机建立双目视觉图像采集系统， 必要时采用适当的光照分别采集包含投影点的 螺旋桨表 面和背面的清晰图像各 2幅。
2) 二维图像坐标系像素坐标获取
针对采集到的螺旋桨叶面和叶背的图像， 进行图像的数字化处理， 以此获取所有投影点的二维图 像坐标系像素坐标。
3 )三维现实世界坐标系坐标计算
根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现 实世界坐标系之间的变换关系， 建立反映螺旋桨表 面和背面所有投影点像素坐标与三维现实世界 坐标关系的投影矩阵，通过投影矩阵的标定建 立以像素 坐标为基础的所有投影点的三维现实世界坐标 系坐标计算模型。利用双目视觉原理计算得到 所有投影 点的三维现实世界坐标系坐标。
4) 螺旋桨三维坐标模型的构建
以螺旋桨表面和背面所有投影点的三维现实世 界坐标系坐标为基础，对背面所有投影点的三 维现 实世界坐标系坐标进行变换， 使其与螺旋桨表面的所有投影点的三维坐标形 成一一对应的位置关系， 以此构建待测螺旋桨的三维坐标模型。
5 )螺旋桨螺距等参数的计算
以构建的螺旋桨三维坐标模型为基础， 利用计算机自动计算螺旋桨桨叶螺距、桨叶厚 度、 桨叶宽 度、 桨叶重量， 并计算螺旋桨的静平衡和动平衡。
螺旋桨桨叶螺距的计算，首先计算桨毂圆心点 和当前投影点连线与桨毂圆心点和当前投影点 相邻 点之间连线的夹角， 并计算相邻点和当前投影点之间的相对高度差 ， 在此基础上， 根据螺旋桨桨叶螺 距的计算公式利用计算机计算螺旋桨上所有投 影点的螺距。
螺旋桨桨叶厚度的计算， 首先计算同一垂直方向的叶面和叶背上投影点 的距离， 然后变换坐标系 计算桨叶的厚度， 利用计算机实现螺旋桨桨叶厚度的计算。
螺旋桨桨叶宽度的计算， 以螺旋桨桨叶边缘投影点的三维现实世界坐标 系坐标为基础， 通过将截 面圆弧的展开并利用螺旋桨的螺旋角进行计算 ， 利用计算机实现螺旋桨桨叶宽度。
螺旋桨桨叶重量的计算， 根据螺旋桨桨叶上投影点的三维坐标， 利用计算机计算桨叶单位正方体 的体积， 并结合螺旋桨材料密度计算单位正方体的重量 ， 累加每个单位正方体重量， 最终得到螺旋桨 桨叶的重量。
螺旋桨静平衡的检测， 首先对螺旋桨的所有桨叶进行编号， 并计算所有桨叶的重量， 判断每个 桨叶的重量差是否在规定范围内， 如果在允许误差范围内， 那么认为螺旋桨静平衡， 否则针对超出误 差范围的桨叶， 输出桨叶编号和误差数值。
螺旋桨动平衡的检测， 首先对螺旋桨的所有桨叶进行编号， 根据螺旋桨桨叶上投影点的三维坐标 计算桨叶上每个单位正方体的重量， 以此为基础计算该单位芷方体的质量力矩， 并累加得到当前桨叶 的质量力矩； 依次计算每个桨叶的质量力矩； 然后判断每个桨叶的质量力矩差是否在规定范 围内， 如 果在允许误差范围内， 那么认为螺旋桨满足动平衡， 否则针对超出误差范围的桨叶， 输出桨叶编号和 误差数值。
本发明的优点： 本发明是以图像为基础进行螺旋桨的非接触式 数字化自动测量， 因此本发明具有 非接触式和数字化测量的优点。 本发明不需要直接接触螺旋桨的金属表面， 不存在测头磨损等缺陷。 该方法可以方便地实现螺旋桨参数的自动测量 ， 因此， 本发明可以为缩短螺旋桨加工周期、 降低生产 成本提供有效的测量手段。 附图说明：
附图 1 是螺旋桨数字化测量新方法的步骤；
附图 2是螺旋桨数字化测量的系统结构图；
附图 3是摄像机成像模型示意图；
附图 4是螺旋桨桨叶螺距计算示意图。
附图 5是螺旋桨桨叶厚度计算示意图。
附图 6是螺旋桨桨叶宽度计算示意图。
附图 7是螺旋桨桨叶重量计算示意图。
附图 8是螺旋桨动平衡检测示意图。 具体实施方式：
以下结合附图， 说明本发明提出的基于图像方法的螺旋桨非接 触式、 数字化自动测量的新方法， 其具体实施方法如下：
图 1是螺旋桨数字化自动测量新方法的主要步骤 该方法以图像的方法进行测量， 首先通过计算 机编程生成投影点阵投射在螺旋桨表面并采集 图像，然后获取螺旋桨表面和背面所有投影点 的二维图 像坐标系像素坐标， 并根据双目视觉理论计算所有投影点的三维现 实世界坐标系坐标， 以此为基础构 建螺旋桨的三维坐标模型并计算螺旋桨桨叶螺 距、 桨叶厚度、 桨叶宽度、 桨叶重量， 以及进行螺旋桨 动平衡和静平衡的检测。
图 2是螺旋桨数字化自动测量的系统结构示意图 通过数字投影仪将计算机自动生成的点阵投 在螺旋桨桨叶表面， 利用两台摄像机 L和 R采集图像。在摄像机坐标系统中， 摄像机 L和 R的 X轴重 合， Y轴和 Z轴分别相互平行， Z轴方向为摄像机光轴方向， L和 R坐标系中坐标轴方向一致， 并且 X0Y面平行于图像平面， 同时将摄像机 L和 R的原点 (光心)偏移量固定。 这就保证了两个摄像机坐标 系统中螺旋桨表面投影点的 Z轴方向坐标的一致性以及测量系统的确定性
图 3为摄像机成像模型示意图， 该模型中包含三维现实世界坐标系 、 摄像机坐标系 0 Yc Z c , 图像坐标系 0。^ (单位为像素）、 图像物理坐标系 ft (单位为毫米）。 桨叶的成像过程就是 以上四个坐标系之间的转换过程。本发明中， 依据双目成像理论计算所有投影点的 Z轴坐标， 实现二 维图像坐标系坐标到三维现实世界坐标系坐标 的计算。
记（U ,V) 为二维图像坐标系像素坐标； （Χ,Υ) 为图像物理坐标系坐标； （X^Yc, Z c ) 为二维图 像坐标系像素坐标； 为现实世界坐标系三维坐标， 各坐标系之间的计算关系如下： 1 )二维图像坐标系像素坐标与图像物理坐标系 标计算关系
其中， /。，Γ ^为图像物理坐标系 Ο, 的坐标圆点， dx、 cfy分别为像面上每个像素沿 Γ轴和 轴方向的物理尺寸。
2)记投影点在左右图像中的物理坐标系坐标分 为 （XL,YL)和（X R ,Y R )， 根据双目摄像机成像 理论； 摄像机坐标系坐标与图像物理坐标系坐标的关 系如下：
flZ c =X L IX c
flZ c =X R l{X c -b)
flZ c =Y L IY c =Y R IY c
由此， 可以计算得到该投影点的 z轴坐标：
Z c = fbl\X L -X R \ (2) 其中， f为本发明测量系统中所用摄像机的焦距， b为左右摄像机光心的距离。
3 )三维现实世界坐标系坐标与摄像机坐标系坐 计算关系
其中， 是 3*3的旋转矩阵， Γ是 3*1的平移矩阵， 0= (0， 0， 0) V
因此， 图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三 维坐标之间的计算关系如下:
本发明中， 首先设定摄像机标定模板， 以摄像机的成像模型为基础， 根据标定点的像素坐标和三 维现实世界坐标系坐标的对应关系， 求解摄像机的内外参数（即旋转矩阵 ?和平移矩阵 Π 并计算镜 头的畸变系数。然后应用图像坐标系二维像素 坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关 系， 计算 所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。
图 4是螺旋桨桨叶螺距计算示意图， 以如图中的实例进行说明， 在本发明的测量方法中， 螺旋桨 桨叶螺距计算的方法描述如下： 首先以图像为基础计算得到螺旋桨桨毂圆心点 O co^zo)和桨叶投影 点 /YJ¾ ， ¾)的三维现实世界坐标系坐标， 选择相邻点 ,¾为螺距计算的参考点， 然后计算 ίΡ和 0Γ之间的夹角以及参考点 Γ和投影点 5 之间的相对高度差， 并最终计算螺旋桨桨叶投影点的螺距值。 如下式所示： p =\—h -^) \
a
其中， z。是参考点 z方向坐标值， 2; 是测量点 z方向坐标值， α是投影点和参考点之间的夹角。 图 5是螺旋桨桨叶厚度计算示意图， 以如图中的实例进行说明， 本发明的测量方法中， 螺旋桨桨 叶厚度计算的方法描述如下： 对于叶面投影点 ， 首先找到和其在同一垂直方向的叶背投影 T(x'y , 并计算 ιρ,η的值； 然后将坐标系 oy旋转得到新的坐标系 ；， 在该坐标系中根据投影 点 处的切线角计算螺旋桨桨叶的厚度值 liPi l , 如图 5所示。
图 6是螺旋桨桨叶宽度计算示意图， 以如图中的实例进行说明， 本发明的测量方法中， 螺旋桨桨 叶宽度计算的方法描述如下：首先以数字图像 处理得到的螺旋桨桨叶边缘投影点二维图像坐 标系像素 坐标， 根据式（1 )计算得到所有边缘投影点的图像物理坐标系 标； 然后根据式（2)计算所有边缘 投影点的 z方向坐标， 并以此为基础根据式 （3 )计算所有边缘投影点的三维现实世界坐标系 标； 最后以边缘投影点的三维坐标为基础， 进行螺旋桨桨叶宽度的计算。如图中螺旋桨桨 叶边缘上两点 点的坐标为 (xo， yo, zo), ft点的坐标为 (x h y Zl ), 图中截面的半径 r可以由 ft点的 x和 y方向 坐标计算得到。 将截面圆弧沿 H方向展开， 那么图中 P。点与 P,点的坐标可以分别表示为：
P 0 (a 0 , r, z Q )， a 0 = arctg^-；
χο
P x {a x ,r, z x ) , α, = arctg―
χι
因此， 可以计算得到螺旋桨桨叶的宽度为：
α 0 -α, | r
W = - cos a
上式中， α为螺旋桨的螺旋角。
图 7是螺旋桨桨叶重量计算原理示意图， 本发明的测量方法中， 螺旋桨桨叶重量计算的方法描 述如下：首先以数字图像处理得到的螺旋桨桨 叶叶面和叶背所有投影点二维图像像素坐标， 根据式（1 ) 计算得到所有投影点的图像物理坐标系坐标； 然后根据式 （2)计算所有投影点的 ζ方向坐标， 并以 此为基础根据式（3 )计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标 最后以投影点的三维坐标为基础， 依次选取紧邻的测量点构成正方体（如图中所 示正方体 Γ), 通过计算机计算所有正方体的体积并依 次累加， 根据螺旋桨材料的密度计算螺旋桨整个桨叶的 重量。
本发明的方法中， 螺旋桨静平衡自动检测的方法描述如下： 首先以数字图像处理得到的螺旋桨表 面和背面所有投影点二维图像坐标系像素坐标 ， 根据式（1 )计算得到所有投影点的图像物理坐标系 坐标； 然后根据式（2 )计算所有投影点的 Ζ 方向坐标， 并以此为基础根据式（3 )计算所有投影点的 三维现实世界坐标系坐标；最后以投影点的三 维坐标为基础，对当前检测螺旋桨的每个叶片 依次编号， 并计算每个螺旋桨桨叶的重量， 即： 依次选取紧邻的投影点构成正方体， 通过计算机计算所有正方体 的体积并累加， 根据螺旋桨材质的密度计算螺旋桨叶片的重量 ； 在次基础上， 判断每个桨叶的重量差 是否在规定范围内， 如果在允许误差范围内， 那么认为螺旋桨满足静平衡， 否则针对超出误差范围的 桨叶， 输出桨叶编号和误差数值。 ―
图 8螺旋桨动平衡自动检测的示意图，本发明的 法中，螺旋桨动平衡自动检测的方法描述如 ： 首先以数字图像处理得到的螺旋桨表面和背面 所有投影点二维图像坐标系像素坐标， 根据式 （1 )计 算得到所有投影点的图像物理坐标系坐标； 然后根据式（2 )计算所有投影点的 1方向坐标， 并以此 为基础根据式 （3 )计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标 最后以投影点的三维坐标为基础， 对当前检测螺旋桨的每个叶片依次编号， 在此基础上计算每个单位正方体（如图中所示 正方体 Γ) 的 重量 r ， 在该过程中， 单位正方体的质量力矩计算公式如下：
M = m T x \ OP \
其中， M为质量力矩； r 为单位正方体的重量， 其计算过程是： 依次选取紧邻投影点构成正方 体（如 8图中所示正方体 Γ)通过计算机计算正方体 Γ的体积并根据螺旋桨材料的密度计算单位正 体的质量； |OP|为该正方体距离螺旋桨轴线的距离。
然后, 以每个单位正方体的质量力矩 M为基础， 累加计算得到每个螺旋桨叶片的质量力矩； 然 后判断每个桨叶的质量力矩差是否在规定范围 内， 如果在允许误差范围内， 那么认为螺旋桨满足动平 衡， 否则针对超出误差范围的桨叶， 输出桨叶编号和误差数值。
Next Patent: WIRELESS SYSTEM FOR MULTIPARAMETER LOCAL/REMOTE REALTIME MONITORING