一种基于计算机视觉的卫星舱板装配偏差检测方法与流程

本发明涉及计算机视觉，具体为一种基于计算机视觉的卫星舱板装配偏差检测方法。

背景技术：

1、在航天器制造领域，卫星舱板的装配质量直接影响整星的结构刚度与功能指标。目前，常采用基于计算机视觉的相移结构光或双目视觉技术进行装配偏差检测。这类技术通过投射并解析表面光栅条纹来重建三维形貌。然而，在实际的卫星舱板装配场景中，现有视觉检测技术面临多种复杂的物理干扰。首先，卫星舱板表面通常覆有聚酰亚胺薄膜等热控涂层。这类高反光材质在结构光投影下易产生严重的镜面高光溢出。这会导致图像局部过曝，造成装配缝隙处的相位数据缺失。其次，为抑制高光，常在检测系统中引入偏振滤光手段。但舱板表面存在复杂的几何曲率变化。曲率的不均匀分布会导致偏振光发生非均匀退偏振效应。这使得感知到的相位中心产生非线性偏移，引入深度重建误差。此外，舱板在装配对接时受到连续的外部应力。应力释放会引起舱板结构的瞬态微形变抖动。现有的静态视觉方法无法有效隔离时域上的动态位移分量。这导致前一时刻采集的相位坐标与当前真实物理状态脱耦。同时，卫星舱板多采用蜂窝夹层复合材料。该材料在受力时的形变呈现显著的各向异性。不同纹理方向上的拉伸变形存在差异。传统各向同性重建算法无法对此进行自适应修正。这会在三维形貌中遗留各向异性空间畸变残余，导致最终检测结果失真。

2、因此，需要一种基于计算机视觉的卫星舱板装配偏差检测方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于计算机视觉的卫星舱板装配偏差检测方法，促进解决了上述背景技术中所提到的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种基于计算机视觉的卫星舱板装配偏差检测方法，包括：

3、搭建相移结构光投影仪以及分别配置零度偏振片和九十度偏振片的双目相机组成的检测系统，通过所述相移结构光投影仪向卫星舱板投射相移条纹，控制所述双目相机同步采集光学信号，由所述光学信号中解析出水平偏振光强、垂直偏振光强与初始离散相位；提取所述检测系统的客观设备固有结构参数像素物理尺寸、双目基线长度与镜头焦距，以及系统上一周期的历史状态数据前一帧补偿相位，并输入预设的采样时间间隔与理论装配深度；

4、根据所述水平偏振光强与所述垂直偏振光强计算偏振差分映射图，利用所述偏振差分映射图与所述像素物理尺寸计算水平方向空间偏导数与垂直方向空间偏导数；

5、由所述水平方向空间偏导数与所述垂直方向空间偏导数计算表面局部曲率；

6、基于所述表面局部曲率、所述像素物理尺寸与所述初始离散相位计算相位偏移补偿量，利用所述初始离散相位与所述相位偏移补偿量计算补偿中心相位；

7、结合所述补偿中心相位、所述前一帧补偿相位与所述采样时间间隔计算瞬态时间相位变动率；

8、利用所述瞬态时间相位变动率与所述表面局部曲率计算时空相变梯度；

9、根据所述像素物理尺寸与所述采样时间间隔计算物理极限约束系数，利用所述时空相变梯度与所述物理极限约束系数计算基准投影张量，由所述补偿中心相位与所述基准投影张量计算稳定基准相位；

10、基于所述稳定基准相位与所述像素物理尺寸计算各向异性方向导数，结合所述各向异性方向导数、所述像素物理尺寸与所述稳定基准相位计算各向异性修正因子；

11、根据所述双目基线长度、所述镜头焦距、所述稳定基准相位、所述像素物理尺寸与所述各向异性修正因子计算三维修正深度，利用所述三维修正深度与所述理论装配深度计算最终装配偏差向量。

12、可选的，所述根据所述水平偏振光强与所述垂直偏振光强计算偏振差分映射图，利用所述偏振差分映射图与所述像素物理尺寸计算水平方向空间偏导数与垂直方向空间偏导数，包括：

13、获取所述水平偏振光强与所述垂直偏振光强，获取所述像素物理尺寸；

14、计算所述水平偏振光强与所述垂直偏振光强的差值；

15、计算所述水平偏振光强与所述垂直偏振光强之和；

16、将所述差值除以所述和，得到偏振差分映射图；

17、计算向右偏移1个像素的偏振差分映射图与向左偏移1个像素的偏振差分映射图的差值；

18、将所述差值除以所述像素物理尺寸的2倍，得到水平方向空间偏导数；

19、计算向下偏移1个像素的偏振差分映射图与向上偏移1个像素的偏振差分映射图的差值；

20、将所述差值除以所述像素物理尺寸的2倍，得到垂直方向空间偏导数。

21、可选的，所述由所述水平方向空间偏导数与所述垂直方向空间偏导数计算表面局部曲率，包括：

22、计算所述水平方向空间偏导数的平方与所述垂直方向空间偏导数的平方之和；

23、对所述平方之和进行开平方计算，得到表面局部曲率。

24、可选的，所述基于所述表面局部曲率、所述像素物理尺寸与所述初始离散相位计算相位偏移补偿量，利用所述初始离散相位与所述相位偏移补偿量计算补偿中心相位，包括：

25、获取所述初始离散相位；

26、计算所述表面局部曲率与所述像素物理尺寸的乘积；

27、将所述乘积除以所述初始离散相位，得到相位偏移补偿量；

28、计算所述相位偏移补偿量与常数1的和，并与所述初始离散相位进行相乘，得到补偿中心相位。

29、可选的，所述结合所述补偿中心相位、所述前一帧补偿相位与所述采样时间间隔计算瞬态时间相位变动率，包括：

30、获取所述前一帧补偿相位，获取所述采样时间间隔；

31、计算所述补偿中心相位与所述前一帧补偿相位的差值；

32、将所述差值除以所述采样时间间隔，得到瞬态时间相位变动率。

33、可选的，所述利用所述瞬态时间相位变动率与所述表面局部曲率计算时空相变梯度，包括：

34、计算所述瞬态时间相位变动率与所述表面局部曲率的乘积，得到时空相变梯度。

35、可选的，所述根据所述像素物理尺寸与所述采样时间间隔计算物理极限约束系数，利用所述时空相变梯度与所述物理极限约束系数计算基准投影张量，由所述补偿中心相位与所述基准投影张量计算稳定基准相位，包括：

36、计算所述像素物理尺寸与所述采样时间间隔乘积的倒数，得到物理极限约束系数；

37、计算所述时空相变梯度与所述物理极限约束系数的和；

38、将所述时空相变梯度除以所述和，得到基准投影张量；

39、计算常数1与所述基准投影张量的差值；

40、将所述补偿中心相位与所述差值进行相乘，得到稳定基准相位。

41、可选的，所述基于所述稳定基准相位与所述像素物理尺寸计算各向异性方向导数，结合所述各向异性方向导数、所述像素物理尺寸与所述稳定基准相位计算各向异性修正因子，包括：

42、计算向右偏移1个像素的稳定基准相位与中心处的稳定基准相位的差值；

43、将所述差值除以所述像素物理尺寸，得到第一比值；

44、计算向下偏移1个像素的稳定基准相位与所述中心处的稳定基准相位的差值；

45、将所述差值除以所述像素物理尺寸，得到第二比值；

46、计算所述第一比值与所述第二比值的乘积，得到各向异性方向导数；

47、计算所述各向异性方向导数与所述像素物理尺寸的平方的乘积；

48、计算所述稳定基准相位的平方；

49、将所述乘积除以所述稳定基准相位的平方，得到各向异性修正因子。

50、可选的，所述根据所述双目基线长度、所述镜头焦距、所述稳定基准相位、所述像素物理尺寸与所述各向异性修正因子计算三维修正深度，利用所述三维修正深度与所述理论装配深度计算最终装配偏差向量，包括：

51、获取所述双目基线长度与所述镜头焦距，获取所述理论装配深度；

52、计算所述双目基线长度与所述镜头焦距的乘积，得到第一乘积；

53、计算常数1与所述各向异性修正因子的差值；

54、计算所述稳定基准相位、所述像素物理尺寸与所述差值的乘积，得到第二乘积；

55、将所述第一乘积除以所述第二乘积，得到三维修正深度；

56、计算所述三维修正深度与所述理论装配深度的差值；

57、计算所述差值的绝对值，得到最终装配偏差向量；

58、并输出所述最终装配偏差向量作为卫星舱板装配偏差检测结果。

59、本发明具备以下有益效果：

60、1、通过搭建包含相移结构光投影仪与双目相机的检测系统解析底层光学信号，本方案依次计算偏振差分映射图、表面局部曲率、瞬态时间相位变动率、时空相变梯度以及各向异性修正因子，进而求得三维修正深度与最终装配偏差向量。在卫星舱板装配这一特定环境下，舱板表面的特定材质与空间曲率易引起光学信号的反射干扰与非均匀退偏振畸变，且装配接触应力释放带来的动态抖动以及蜂窝夹层材料特有的各向异性拉伸均会引入非线性的深度解算误差。结合该特定环境，本方案利用偏振差分映射图提取底层轮廓以减小反射干扰，根据局部曲率对初始离散相位进行自适应补偿，并通过时空相变梯度与物理极限约束系数计算基准投影张量，将存在微形变的动态相位投影至稳定参考系中，同时结合各向异性方向导数对三维形貌进行修正。该方案减弱了反射溢出、曲率畸变、瞬态抖动及材料各向异性对检测造成的不良影响，能够获取更为反映真实物理几何状态的三维修正深度，从而提高了卫星舱板装配偏差检测结果的可靠性。

61、2、通过获取水平偏振光强与垂直偏振光强，计算两者的差值与和值并进行相除处理，得到偏振差分映射图，进而结合相机的像素物理尺寸，利用图像像素在正交方向上的差值分布求解水平方向空间偏导数与垂直方向空间偏导数；该处理方式利用了正交偏振态的物理减法操作对共模高光反射分量进行了有效抑制，减弱了由卫星舱板表面聚酰亚胺薄膜等高反光热控涂层引发的镜面溢出现象，将原本受高光干扰的光强像素转换为无量纲的光学对比度分布，提取出能够反映物理表面轮廓走向的二维偏振差分映射特征，为后续针对舱板空间几何状态的深层解析提供了抗干扰的光电基础数据。

62、3、通过计算所述水平方向空间偏导数的平方与垂直方向空间偏导数的平方之和，并对所得平方和进行开平方运算求取表面局部曲率；该运算步骤将分散在二维正交方向上的偏振差分映射梯度张量转化为标量曲率场，利用导数的欧几里得范数客观且直接地表征了卫星舱板材料表面的三维卷曲程度，建立起了底层光学偏振偏导数与宏观物理几何弯曲状态之间的定量映射联系，排除了单一方向梯度评估带来的几何视角局限，使得所提取的曲率特征能够反映舱板表面的真实起伏变化，为修正后续非均匀退偏振效应提供了可靠的空间几何曲率约束条件。

63、4、通过引入初始离散相位，计算所述表面局部曲率与像素物理尺寸的乘积并除以初始离散相位得到相位偏移补偿量，再将该相位偏移补偿量与设定常数值进行求和并与初始离散相位作乘积处理得到补偿中心相位；该处理逻辑建立在材料表面局部曲率越大其退偏振效应越明显的光物理规律之上，利用空间几何特征对相移结构光解算出的离散相位进行了自适应比例缩放，补偿了由卫星舱板表面非均匀曲率变化引起的退偏振畸变，使得感知到的相位数据中心回归至真实的物理轮廓位置，减弱了曲率退化引起的非线性相位偏移误差，提高了单帧相位形貌描述的客观性。

64、5、通过获取前一帧补偿相位以及设定的采样时间间隔，计算当前所述补偿中心相位与前一帧补偿相位的物理差值，并将该差值除以采样时间间隔得到瞬态时间相位变动率；该运算利用前后相邻周期的相位状态差异及系统采样频率提取了时域上的动态位移特征，将静态空间相位拓展至时域变化维度，隔离了装配过程中施加连续应力所导致的卫星舱板瞬态微形变以及应力释放引起的微观抖动干扰，将舱板本身的宏观静态轮廓与装配节拍下的动态瞬态扰动进行了有效的物理拆分，为后续构建联合频率约束并剥离装配高频位移噪声准备了一维时间变化率特征。

65、6、通过计算所述瞬态时间相位变动率与表面局部曲率的物理乘积求取时空相变梯度；该操作将一维的时域变动率信息与二维的空间几何曲率信息进行了正交维度的耦合构造，生成了综合涵盖时间抖动与空间形变的联合梯度场特征，使得该时空相变梯度能够有效区分舱板的全局刚性平移与由局部微应力引发的微观形变，实现了对装配应力集中释放区域的客观定位，克服了单一依靠时间差分或空间差分容易混淆干扰源的局限，确保了后续动态形变滤波操作能够具有针对性地施加于真实的微应力形变集中区域，增强了对复杂工况干扰的辨识能力。

66、7、通过计算像素物理尺寸与采样时间间隔乘积的倒数求得物理极限约束系数，并结合所述时空相变梯度计算其与物理极限约束系数的加和，进而求出基准投影张量，最终依据设定常数与基准投影张量差值和补偿中心相位的乘积提取稳定基准相位；该过程利用相机的空间分辨率与时间采样频率构建了量纲齐次的物理约束阈值，避免了主观权重的盲目干预，利用构造的投影张量将存在动态抖动干扰的微形变相位平滑投影至稳定的参考坐标系下，抑制了装配过程中瞬态形变引起的高频波动噪声，使得输出的基准相位坐标恢复至与真实几何状态相绑定的解耦状态。

67、8、通过分别计算正交偏移方向上的稳定基准相位与中心处的稳定基准相位的差值并除以像素物理尺寸得到两个方向的比值，将两者相乘得到各向异性方向导数，再结合像素物理尺寸的平方以及稳定基准相位的平方做除法计算各向异性修正因子；该操作利用相邻像素相位的正交差分乘积在物理空间中提取了交叉导数特征，量化了卫星蜂窝夹层舱板材料在应力作用下于不同纹理方向上表现出的各向异性非对称拉伸程度，形成了一个能够反映材料纹理特异性的畸变映射场，赋予了系统针对非各向同性材料的自适应形貌修正能力，为最终的深度校准提供了方向畸变补偿依据。

68、9、通过获取双目基线长度、镜头焦距以及设定的理论装配深度，计算双目视觉参数的乘积作为第一乘积，并结合设定常数值、稳定基准相位与像素物理尺寸计算出第二乘积，二者相除得出三维修正深度，最后对其与理论装配深度的差值取绝对值求得最终装配偏差向量；该运算基于三角测量原理并将各向异性修正因子与空间归一化尺寸因子引入深度重建过程，在完成物理长度量纲齐次化转换的同时修正了不同方向上的各向异性空间畸变残余，减弱了传统视觉算法直接重建易产生的局部形变失真，计算输出了能够表征当前装配质量的最终偏差数值。