基于CT反演的引信装配正确性快速检测技术_郭宇杰.pdf

数据采集与处理 测控技术 年第 卷第 期收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）；山西省自然科学基金（，）引用格式：郭宇杰，陈平，魏交统，等基于 反演的引信装配正确性快速检测技术测控技术，（）：，（）：基于 反演的引信装配正确性快速检测技术郭宇杰，陈 平，魏交统，吴泱序（中北大学 信息探测与处理山西省重点实验室，山西 太原）摘要：引信装配正确性检测是工业生产的关键环节，传统提取人工设计特征匹配的检测方法受装配公差和机械精度等影响，识别鲁棒性较差，而基于深度学习的检测方法虽然可实现引信内部零件的错装、漏装识别，鲁棒性高，但是无法实现零构件分布位置快速检测。针对该问题，结合 重构空间位置信息和数字成像（）检测实时性优点，提出基于 反演的引信装配正确性快速检测技术。首先，等间隔、多角度采样获取引信投影序列；其次，使用 检测网络分类定位零构件；最后，根据定位结果进行 反演，实现零件漏缺和错位检测。实验表明，所提出的方法可以有效解决引信零件分布快速检测问题，有高鲁棒性。关键词：装配检测；目标检测；反演；引信中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：,(,):,(),:;引信是保障弹头安全，并在弹道最佳位置和时间引爆，使武器效果最大化的装置。若引信内部结构件出现错装、漏装等装配错误，会导致引信性能降低或功能失效，引发安全事故。因此，对引信内部零件的错装、漏装以及分布位置检测是保障引信质量的重要环节。由于引信是一次性使用元件，且具有不透明的外壳，因此对于引信的检测主要依赖于可穿透金属外壳获取内部结构件信息的 射线成像。经过多年的发展，引信内部零件的漏装和错装检测在数字化 线摄影技术（，）的基础上已经形成了一套较为成熟的方法和体系。传统的 成像检测方法通过提取人工设计的特征，例如 纹理特征、视觉词袋（，）、垂直混合投影函数（，）、形状、边缘特征等，与标准数据库匹配实现检测；随着人工智能的发展，逐渐使用具有高鲁棒性和准确度的、等目标检测网络替代人工特征，实现内部零部件的定位和检测。虽然 成像技术可以直接从投影图中提取特征进行快速检测，实时性高，但是积分式的 成像无法呈现数据特征的空间分布信息，因此，对零部件分布位置进行检测较为困难，且无法解决遮挡严重的零部件位置检测问题。为了解决该问题，借助计算机层析成像技术（，），重构引信的三维结构，包括各零部件的空间位置信息，从而实现装配正确性检测。但是对于 射线 成像，需要采集物体周向的投影数据，且重建算法复杂、耗时长，无法满足实时性的检测需求。虽然有部分学者提出引入稀疏信号处理，例如压缩感知和最大后验，以减少重建所需的投影图，但是稀疏重建算法的成像效率依然无法匹配引信实时性检测需求。射线 成像是通过投影射线反求物体空间任一像素的 值，通过 值的差异可直接呈现零部件的空间位置。而对于零部件装配的空间位置检测，只需进行投影反求确定零部件位置即可，从而减少 投影数据的获取量。因此，本文基于 反演成像，将引信二维投影数据的零件位置检测问题转化为断层平面零件分布的检测，在满足检测准确性的条件下，极大地减少 投影数据获取量，满足引信装配正确性的快速检测需求。反演原理基于 定律，成像过程可表示为，()，()：（）式中：（，）为路径 上物体对 射线的衰减系数；为入射物体前 射线强度；为沿路径 穿过物体后的 射线强度；为在视角 下 射线的投影路径。反演实现过程就是将待反演图像离散化，建立离散化模型，通过求解线性方程组解析离散像素点重建待反演图像。为了简化模型，假设待反演图像由四个不同密度的像素构成，且每个像素均为单一物质，如图 所示。图 投影模型在反演过程中，射线被定义为与像素相同宽度，间隔为 的平行束，则待反演图像中像素 对射线 的投影贡献为，经过射线 的所有像素 的投影共同构成 的投影值，因此可建立如式（）所示的线性方程组，其中 为加权因子。，号为射线通过 号像素内任一点，其他（）式（）扩展为通用矩阵为|（）式中：为 条射线分别对应的投影数据；为投影矩阵，其每一个元素代表了第 个像素点对第 条射线的贡献；为待反演图像的 个像素值。反演过程是通过测得的投影数据 和投影矩阵 求解反演图像，根据式（）反演结果可得：，（）在引信装配正确性检测中，装配正确性只与零部件的空间位置有关，零件具体信息并非关注的内容。如果只确定空间位置，可极大地减少式（）中的未知数，进而提升投影采集和 反演效率。某型号引信整体由回转体、保险塞、离心销、离心钢球等二十余种零部件组成，由于离心钢球体积小、数量多，装配难度大，在实际生产过程中极易发生错装、测控技术 年第 卷第 期漏装，是该型号引信装配正确性检测的关键区域，如图（）、图（）中的红色方框标注所示。在实际检测中，除离心钢球部分外，其余零部件均可通过 网络准确识别位置，而中间分布的离心钢球受投影方向上相互遮挡，单一视角下的投影不能准确地反应出钢珠分布的数量和位置，如图（）、图（）所示，须通过 反演进行表征。但是直接反演会受限于投影采集量和算法复杂度，难以满足快速检测需求。然而，基于 网络识别结果，可提取出钢珠投影中心点，类似于图，通过式（）反演钢珠位置实现钢珠的分布位置检测。如此通过解析出的反投影线交点确定零部件空间位置，所需的采样角度极大地减少，反演的速度可得到极大提升，进而满足快速检测需求。图 引信投影数据与 检测结果 基于 反演的引信装配正确性快速检测方法 投影数据采样原则投影数据采样间隔是影响零部件空间分布检测精度和效率的主要因素。若采样角度过少，无法使式（）得到准确解，影响零部件空间位置的检测精度；当采样角度过多，零部件空间分布检测精度可得到保证，但是会影响数据采集和反演计算时间，检测效率低。为平衡检测时间和准确度，需要根据引信内部结构先验信息等条件，调整合适的采样步长和数量，通过等间隔采样方式采集投影数据。待检区域由 颗绕中心轴均匀分布的离心钢珠构成，零件分布断层平面示意图如图 所示。当零件区域投影长度最大时，在投影方向上相邻钢珠的中心点最小距离为，钢珠到断层平面中心点的距离为。若将钢珠用中心点等效，则产品旋转时，断层面和投影面的零件等效中心点做周期性变化，其最小周期为，即等效中心点坐标变化 时，断层面和投影面将恢复至初始状态。图 零件分布断层平面示意图根据奈奎斯特采样定理，对信号 ()采样时，若想使采样后的信号可以无失真地恢复原始信号，则采样频率 ()和信号最高频率 ()必须满足以下条件：（）在本系统中信号最高频率为 ，要保证能从采样数据中恢复断层平面各零件位置，则采样频率应不小于 ，在投影模型中表述为：旋转采样步长 对应的 在 轴方向的投影长度应不大于，如图 所示。图 零件投影模型为避免产生错误解析点，应保证采样数量不小于同一断层面待解析的零件数量。则可由式（）估算采样步长。|，|（）基于 反演的引信内部零部件定位根据图，假设引信待检部件为 颗绕中心轴等间隔均匀分布的同类钢珠，其模型如图（）所示；图（）为对应投影图；图（）和图（）分别为漏缺 颗钢珠的断层平面和投影图，可以看到该引信钢珠装配密集，大部分角度投影数据交错重叠。基于 反演的引信装配正确性快速检测技术图 引信断层平面结构与投影序列根据图（）和图（），按照每颗钢珠投影中心点进行等效，可得图（）和图（）。理论上对图（）和图（）进行 重建，可准确得到零部件的空间位置。但是对于只有较少数量的钢珠，求解全角度的等效投影是冗余的。对于图（）和图（）的模型，根据采样原则，可确定 的采样间隔。在 范围内采集 个投影数据，可直接反演出钢珠位置，如图（）和图（）所示。图 引信反演仿真结果 在图（）和图（）中，反投影线在断层平面叠加产生多个交点，理论上按采样角度筛选等间隔分布的 条反投影线的交点即为零件位置解析点，但由于等效零件投影中心点时的误差以及数据舍入等原因，多条反投影线总是相交于一个区域而非一点，因此通过区域设定筛选符合条件的候选点，如图（）和图（）中红色五角星标注点。图（）中反演得到的零件数量和位置分布同图（）所示一致，可判断为合格品；而图（）中反演得到 颗钢珠，与合格品数量不一致，应判断为漏装钢珠的不合格件。基于 反演的引信装配正确性快速检测流程提出的基于 反演的引信装配正确性快速检测方法可分为投影数据采集、零构件识别定位、零构件位置解析 个步骤。具体过程如下：采用结构参数已知的 成像系统，依据采样原则采集引信多角度投影数据，作为目标检测网络的输入。将采集的投影数据输入提前训练好的目标检测网络，输出投影图像中各零构件的分类定位信息。采用步骤输出信息与投影数据库比对完成错装和漏装检测，并依据式（）反演断层平面，解析零构件分布位置，完成错位检测。整体检测流程如图 所示。图 检测流程 实验与分析 实验条件实验采用自制工业 成像系统，如图 所示，主要 构 件 包 括的射 线 源，的 平板探测器，高精度四轴载物转台。射线源与旋转中心的距离为 ，旋转中心与探测器距离为 。图 自制 成像系统测控技术 年第 卷第 期 实验工件为装有绕中心轴等间隔均匀分布的 颗钢珠和弹簧的某型号引信，合格件投影数据如图（）所示，少 颗钢珠的不合格引信投影数据如图（）所示。图 引信待检部分投影数据 基于 的引信内部零件识别实验在 节所述 系统下，首先以 为步长，等间隔采样 幅图像并制作数据集，在 位系统 显卡 下完成训练，输出 高精度检测模型，并采集多角度投影数据检测装配正确性，其检测结果如图 所示。图 检测结果对于弹簧这类非遮挡零件可通过检测网络输出的分类信息实现漏缺检测，并利用定位信息和标准数据库比对完成错位检测。但是对于遮挡严重的 颗钢珠，通过投影数据只能检测出 颗或 颗钢珠，且投影特征相同，无法通过多角度的方式解算位置，检测空间分布，在采样角度较少的情况下也无法检测是否漏装，因此基于 的检测方法无法满足应用需求。基于 反演的遮挡零件定位实验实验采用的引信中相邻钢珠的中心点在投影方向上最小距离为 ，钢珠中心点到断层面中心点距离为 ，根据式（）可计算出采样步长应不大于，笔者以 作为采样步长，采集连续 个角度的投影图像，并将采集到的投影数据输入检测模型分类定位，引信投影数据分类定位结果如图 所示。图 引信投影数据分类定位结果在 输出高精度分类定位信息的基础上，提取零构件中心投影点，建立多角度简化投影模型，按照式（）和 系统物理参数进行反演，通过区域设定按采样角度筛选经过 条反投影线的坐标点，实验引信 反演结果如图 所示。图 实验引信 反演结果在图（）中，虽然由于遮挡原因，每个投影角度下仅能反演得到 条或 条反投影线，但是由于使用了 系统投影数据的空间位置信息，断层平面仍可以反演得到 个候选点，其数量和位置分布与合格引信一致。在图（）中，通过 反演只解析得到 颗钢珠，且零件位置与合格件存在差异，判断该引信为钢珠漏装、位置分布错误的不合格件。通过图 结果比对可说明所提出的方法可解决引信内部零件的数量及分布位置检测问题，且不受遮挡影响。结束语针对现有引信装配正确性检测技术无法实现内部零件分布位置快速检测，无法检测高度遮挡零件的难题，提出了一种基于 反演的引信装配正确性快速基于 反演的引信装配正确性快速检测技术检测技术。首先，根据所提出的等间隔、多角度采样原则，按照确定的采样步长采集数据，输入训练好的 检测网络对零件投影数据进行分类定位，完成漏装、错装检测。对于需要检测分布位置的零构件，在检测网络输出零件位置信息的基础上，提取零构件投影中心点，构建 反演模型，利用多角度投影数据反演得到零件在断层平面的位置分布，完成位置检测。提出的方法具有实际工程意义，有助于推进基于 射线的引信装配正确性快速检测系统在工业生产中的应用。参考文献：，：，（）：，：，：，：，（）：，（），（）：吴桐，陈平基于 射线的复杂结构件内部零件装配正确性检测激光与光电子学进展，（）：，（）：（）黄家才，邹俊，丁凌，等基于改进 算法的零件目标快速检测方法南京工程学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：（），（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：余维不完备投影数据的 重建算法研究重庆