吳成峰，萬傳旭，王 濤，陳 策，張建卓

1山東兗礦智能制造有限公司 山東鄒城 273500

2遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

液壓支架試驗(yàn)臺(tái)是測試各種液壓支架操作性能、密封性能、支護(hù)性能、適應(yīng)性能、讓縮性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命是否達(dá)到國家或國際標(biāo)準(zhǔn)的重要裝備。在對液壓支架進(jìn)行不同項(xiàng)目的壓架試驗(yàn)時(shí)，液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁需要移動(dòng)到規(guī)定高度，并通過銷軸穿過試驗(yàn)臺(tái)承載立柱銷軸孔和中梁銷軸孔進(jìn)行固定，在插拔銷軸之前，需要確保中梁上的銷軸定位孔中心與立柱上對應(yīng)的銷軸孔中心重合，才能保證順利插拔銷軸，在插拔銷時(shí)不損傷銷軸或銷軸孔表面。

國內(nèi)學(xué)者對中梁高精度定位展開了深入研究。劉欣科[1]研制了液壓支架試驗(yàn)臺(tái)升降平臺(tái)精準(zhǔn)定位控制系統(tǒng)，將位移傳感器檢測到的位置與節(jié)流閥流量相結(jié)合，保證升降平臺(tái)的定位精度。沙寶銀等人[2-3]采用高精度齒輪分流馬達(dá)為 4 根升降液壓缸分配流量，并通過位移傳感器反饋偏差，實(shí)現(xiàn)中梁高精度定位調(diào)高。趙忠輝[4]考慮負(fù)載不均勻特性，每根升降液壓缸設(shè)置比例閥，通過位移傳感器的數(shù)據(jù)得到液壓缸間的位移偏差，通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對每根升降液壓缸的單獨(dú)控制。王陽陽[5]將視頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到液壓支架試驗(yàn)臺(tái)調(diào)高系統(tǒng)中，采用 SolidWorks 中的虛擬相機(jī)對構(gòu)建的三維模型虛擬錄像，通過對圖像的灰度曲線特征判斷中梁運(yùn)動(dòng)是否到位。

以上學(xué)者大都采用位移傳感器解決液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁調(diào)高精確定位問題，但本次設(shè)計(jì)的 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)加載立柱高度達(dá)到 17 m，加之大量程位移傳感器精度有限，特別是試驗(yàn)臺(tái)立柱高度受溫度影響，存在熱脹冷縮現(xiàn)象，受環(huán)境溫度影響最大誤差達(dá)到約 6 mm，而所設(shè)計(jì)的銷軸、銷軸孔配合間隙只有 2 mm，所以僅僅通過位移傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制精度有限，使用每個(gè)銷孔固定高度值作為位移傳感器的定位標(biāo)準(zhǔn)不能滿足定位精度要求?；谏鲜鰡栴}，提出 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位調(diào)高方法。首先利用拉線位移傳感器進(jìn)行粗定位，再通過相機(jī)采集銷軸定位孔與立柱銷軸孔配合關(guān)系的圖像，對其進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，使用自適應(yīng)閾值的邊緣檢測算法提取銷軸定位孔與立柱銷軸孔的邊緣，計(jì)算二者圓心在豎直方向的高度差，以此為基準(zhǔn)完成對中梁調(diào)高的精確定位控制。

1 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位原理

在插銷之前，判斷中梁是否運(yùn)動(dòng)到位十分重要。如果銷軸定位孔圓心與立柱銷軸孔圓心不重合，進(jìn)行插拔銷時(shí)會(huì)磨損銷軸與銷軸孔表面 (見圖1)，減少設(shè)備壽命。

圖1 銷軸表面損傷Fig.1 Surface damage of pin

50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位調(diào)高系統(tǒng)如圖2 所示，由分布在試驗(yàn)臺(tái) 4 根立柱旁的升降液壓缸通過 4 個(gè)伺服閥獨(dú)立調(diào)節(jié)，中梁 4 角分別安裝 4 個(gè)拉線位移傳感器進(jìn)行位移反饋閉環(huán)控制。由于采用 4 處獨(dú)立位移閉環(huán)控制，避免中梁在調(diào)高過程中受力不均造成的運(yùn)動(dòng)偏差，保證 4 個(gè)缸運(yùn)動(dòng)同步。當(dāng)通過位移傳感器控制達(dá)到設(shè)定高度后，控制系統(tǒng)將位移反饋由拉線位移傳感器轉(zhuǎn)換為機(jī)器視覺檢測位移反饋，通過相機(jī)檢測銷軸定位孔圓心與立柱銷軸孔圓心的位置偏差 Δx，實(shí)現(xiàn)中梁的精確定位，消除溫度效應(yīng)和傳感器測量誤差，保證插拔銷順利進(jìn)行。

圖2 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of composite positioning and height adjustment system of middle beam for 50 000 kN hydraulic support test bench

系統(tǒng)所用相機(jī)分辨率為 2 560×1 440，則機(jī)器視覺定位精度可由下式得到：

式中：ξ為單位像素定位精度；F為物體距離透鏡中心的距離，F(xiàn)=800 mm；d為成像平面的高度，d=3.6 mm；f為透鏡的焦距，f=6 mm。計(jì)算可得單位像素的定位精度ξ=0.33 mm。

液壓支架試驗(yàn)臺(tái)立柱銷軸孔間距為固定值，中梁調(diào)高過程中位移傳感器以此定值倍數(shù)加第 1 孔中心高度作為立柱每個(gè)銷軸孔的高度值。復(fù)合定位調(diào)高方法采用的控制策略為：首先設(shè)計(jì)一個(gè)閾值，如 10 mm，當(dāng)中梁實(shí)際位移與目標(biāo)位移差值大于此閾值時(shí)，將支路選擇變量b值置 1，采用拉線位移傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制；小于閾值時(shí)，b值置 0，采用機(jī)器視覺精確定位方法介入控制，對中梁調(diào)高進(jìn)行精定位，控制流程如圖3 所示。

圖3 控制流程Fig.3 Control process

2 機(jī)器視覺精確定位方法

考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況，在視覺定位過程中易出現(xiàn)光照不均現(xiàn)象，若直接對相機(jī)獲取的原始圖像進(jìn)行邊緣提取，效果較差，因此采用 Retinex 理論改善圖像光照不均現(xiàn)象，降低光照不均對特征提取的影響。對增強(qiáng)后圖像采用自適應(yīng)閾值的 Canny 邊緣檢測方法進(jìn)行邊緣提取，提取邊緣點(diǎn)坐標(biāo)。通過銷軸定位孔和立柱銷軸孔在圖像中運(yùn)動(dòng)范圍固定的先驗(yàn)知識(shí)篩選數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后通過最小二乘法擬合銷軸定位孔特征圓與立柱銷軸孔特征圓，以二者圓心坐標(biāo)差值作為位移偏差反饋量，將此反饋信號輸入液壓伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對中梁進(jìn)行精確定位控制。視覺定位流程如圖4 所示。

圖4 視覺定位流程Fig.4 Visual positioning process

2.1 Retinex 圖像增強(qiáng)算法

相機(jī)工作時(shí)受環(huán)境光照不均的影響，獲得的圖片質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重影響后續(xù)的邊緣識(shí)別。針對該問題，采用多尺度 Retinex (Multi-scale Retinex，MSR) 算法對圖像進(jìn)行處理。

Retinex 理論認(rèn)為物體顏色只與自身對不同波長光的反射能力有關(guān)，光照強(qiáng)度只影響圖像灰度值范圍，故物體自身的固有屬性不受外界光照的影響。Retinex 增強(qiáng)理論的流程為估計(jì)出原始圖像的低頻照度圖像，從原始圖像中減去照度圖像即可得到包含高頻分量的反射圖像。單尺度 Retinex 算法 (Single-scale Retinex，SSR) 公式[6]為

式中：(i，j) 為第i行第j列的像素；Rk為k通道的反射圖像；Gk為k通道的原始圖像；Zk為k通道的照度圖像。

照度圖像Zk通常由低通高斯函數(shù)與原始圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算得到，則上式變?yōu)?/p>

式中：F(i，j) 為低通高斯函數(shù)；*為卷積運(yùn)算；σ為尺度參數(shù)。

尺度參數(shù)σ對單尺度 Retinex 算法的圖像增強(qiáng)效果影響較大，σ取較小值時(shí)，圖像邊緣保持較好但顏色容易失真；σ取較大值時(shí)，圖像不易失真，但細(xì)節(jié)易丟失，圖像不清晰。筆者采用 MSR 算法[7-8]，利用多尺度分析的思想，對圖像進(jìn)行不同尺度的分析和處理，使得算法對不同尺度下的圖像細(xì)節(jié)能夠有針對性地進(jìn)行處理，從而更好地保留圖像細(xì)節(jié)和紋理。其算法公式如下：

式中：wn為與低通高斯函數(shù)Fn(i，j) 相對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；n為低通高斯函數(shù)個(gè)數(shù)。

使用 MSR 算法對相機(jī)獲取的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，效果如圖5 所示。

2.2 自適應(yīng)邊緣檢測與特征圓擬合

邊緣檢測是識(shí)別承載立柱銷軸孔、銷軸定位孔特征圓的關(guān)鍵。Canny 算法[9]常用于檢測、提取圖像邊緣，但由于該算法需要手動(dòng)設(shè)置高、低閾值，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的光照條件，因此使用 Otsu 算法[10]自適應(yīng)尋找最佳分割閾值。該算法將圖像分為背景與前景，當(dāng)閾值為T時(shí)，前景圖像平均灰度為g1，背景平均灰度為g2，兩者占圖像比例分別為p1、p2。類間方差表達(dá)式為

式中：?為類間方差。

當(dāng)類間方差 ? 值最大時(shí)，對應(yīng)的閾值T為高閾值TH，而低閾值TL=TH/2。邊緣檢測效果如圖6 所示。

圖6 邊緣提取效果對比Fig.6 Comparison of edge extraction effect

由圖6 可知，使用自適應(yīng)閾值得到的圖像邊緣相比于使用固定閾值的方法，邊緣信息更加豐富，有利于后續(xù)對特征圓進(jìn)行提取。

使用先驗(yàn)知識(shí)方程對檢測得到的邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行篩選，根據(jù)銷軸定位孔與立柱銷軸孔中心點(diǎn)在圖像中心附近的先驗(yàn)知識(shí)，建立數(shù)學(xué)模型。當(dāng)邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)符合該模型時(shí)，將其作為特征候選點(diǎn)，模型表達(dá)式為

式中：R1與R2為先驗(yàn)方程的半徑邊界；w為圖像寬度；h為圖像高度；xm、ym分別表示像素m的坐標(biāo)。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，特征候選點(diǎn)中仍存在部分噪聲無法去除，影響特征圓邊緣擬合質(zhì)量，降低了其定位精度。因此對特征候選點(diǎn)進(jìn)行去噪處理。在處理分辨率為 2 560×1 440 像素的采集圖像時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)間距大于 5 pixel 及點(diǎn)群數(shù)量小于 5 的數(shù)據(jù)判定為離群點(diǎn)，將其剔除。

以銷軸定位孔識(shí)別為例，首先采用自適應(yīng)邊緣檢測方法提取圖像邊緣，然后對提取出的邊緣數(shù)據(jù)使用先驗(yàn)方程進(jìn)行篩選，最后使用最小二乘法對銷軸定位孔進(jìn)行特征圓擬合，特征圓識(shí)別流程如圖7 所示。

圖7 銷軸定位孔特征圓識(shí)別流程Fig.7 Process of identifying feature circle of pin positioning hole

圖7(a) 為原始圖像，圖7(b) 為經(jīng)過圖像處理后的邊緣圖像，圖7(c) 為經(jīng)過先驗(yàn)方程篩選后的特征候選點(diǎn)，圖中 7(c) 淺色的數(shù)據(jù)點(diǎn)雖為特征候選點(diǎn)，但滿足離群點(diǎn)的判斷條件，因此被當(dāng)做離群點(diǎn)剔除。利用最小二乘法對深色的特征點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到的銷軸孔特征圓如圖7(d) 箭頭所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位調(diào)高系統(tǒng)實(shí)物如圖8 所示。

圖8 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁復(fù)合定位調(diào)高系統(tǒng)實(shí)物Fig.8 Physical object of composite positioning and height adjustment system of middle beam for 50 000 kN hydraulic support test bench

使用中梁調(diào)高復(fù)合定位方法對中梁運(yùn)動(dòng)過程中相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理，最終視覺檢測系統(tǒng)識(shí)別銷軸定位孔、立柱銷軸孔效果如圖9 所示，圖中右上角數(shù)值表示二者圓心坐標(biāo)。視覺精定位方法可以在中梁運(yùn)動(dòng)過程中識(shí)別立柱銷軸孔與銷軸定位孔特征圓，擬合出二者圓心坐標(biāo)。

圖9 視覺精定位效果Fig.9 Precise visual positioning effect

由圖9 可知，該方法可以較好識(shí)別銷軸定位孔、立柱銷軸孔的邊緣，并實(shí)時(shí)計(jì)算其圓心位置，當(dāng)二者圓心距離小于設(shè)定值 0.5 mm 時(shí)，認(rèn)為中梁運(yùn)動(dòng)到位，可以進(jìn)行插銷動(dòng)作。

4 結(jié)語

針對 50 000 kN 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)中梁調(diào)高受溫度效應(yīng)與拉線式位移傳感器精度的影響，無法單獨(dú)依靠位移傳感器實(shí)現(xiàn)中梁精確定位控制的問題，提出一種中梁復(fù)合定位調(diào)高方法。該方法以拉線位移傳感器作為粗定位基準(zhǔn)，結(jié)合圖像處理方法完成中梁精確定位，并采用多尺度 Retinex 方法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使用自適應(yīng)閾值的 Canny 邊緣檢測算法對立柱銷軸孔、銷軸定位孔進(jìn)行邊緣提取，通過篩除后的數(shù)據(jù)點(diǎn)提取立柱銷軸孔和銷軸定位孔的圓心高度差作為液壓伺服控制系統(tǒng)的位移反饋偏差，完成中梁精確調(diào)高控制，控制精度達(dá)到 0.33 mm，保證了插拔銷順利進(jìn)行。