基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统及其检测方法与流程

1.本发明涉及一种检测系统及其检测方法，特别是涉及一种基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.随着近几年制造业的小型化发展，内壁具有一定特征的管道在汽车、航空、核能源等领域中应用日趋广泛。而这些管道一般是采用精密的铸造技术生产，在这个工艺过程中，很难避免由于型砂或气穴的滞留而导致管道内壁形成的一些尺寸较小的凹坑、气室等缺陷。
3.除此之外，在后续的精加工也极有可能让管道内的气室排出，从而形成可见的凹坑，或者不当的使用环境也会让管道内壁出现裂纹、划痕等缺陷。这些缺陷都极易在管道工作时引发内部流通液体或气体的泄漏，降低了整体的设备性能，甚至，在汽车发动机等应用中，很大程度会造成重大安全事故。
4.近年来，有很多学者陆续开展了管道内壁缺陷检测的研究，但其中大多数系统在工作时都需要包括传感器在内的所有零件都进入管道，这不可避免的限制了待检的管道的尺寸。而随着现代制造业的小型化发展，此类检测系统在应用上势必会面临挑战。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统及其检测方法。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统，其特征在于，其包括：全景图像采集模块，包括自由曲面导光管、孔径光阑、照明系统、成像镜头、相机、夹持件，自由曲面导光管的一端插入一个待测管道，自由曲面导光管实现管道内壁照明均匀化并采集其全景图像，孔径光阑对成像光线进行选择，照明系统提供均匀照明，成像镜头矫正由自由曲面导光管引入的像差，相机用于将自由曲面导光管采集的全景图像进行成像，夹持件用于安装自由曲面导光管的另一端、孔径光阑、照明系统、成像镜头、相机，照明系统发出的光线经自由曲面导光管顶端自由曲面反射到表面为漫反射面的一个待测工件内壁，产生均匀照明，随后由管道内壁漫反射的光线通过自由曲面导光管传输，经孔径光阑对光线进行选择，最后通过成像镜头把管道内壁成像在相机上；传输模块；缺陷检测模块，缺陷检测模块与全景图像采集模块之间通过传输模块连接，缺陷检测模块包括电源分配单元、内部时钟单元、控制单元、信号调制单元、微处理器和显示单元，由传输模块将全景图像采集模块采集的图像信号传输至缺陷检测模块，电源分配单元缺陷检测模块的各个单元提供能源，内部时钟单元为图像采集频率提供时间参考，控制单元决定该时刻是否进行图像采集；信号调制单元将光信号转换为电信号；微处理器对采集
的图像进行处理，最终结果通过显示单元呈现。
7.优选地，所述夹持件固定在一个机械臂上，由机械臂带动自由曲面导光管在待测管道中移动。
8.优选地，所述待测管道固定在一个四维调节架上。
9.优选地，所述四维调节架与一个电控平移台连接，由电控位移台带动待测管道移动。
10.优选地，所述微处理器首先对全景图像进行展开，并集合图像采集频率实现图像的拼接，而后基于stokes分量算法将高光信息从表征目标纹理、缺陷和轮廓信息的漫反射分量中分离并去除，最终呈现高质量的缺陷检测图像。
11.本发明还提供一种基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统的检测方法，其特征在于，该检测方法采用如上所述的基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统，该检测方法包括以下步骤：步骤一，将成像镜头通过螺纹连接固定在相机前方；步骤二，将孔径光阑固定于自由曲面导光管一端的内部；步骤三，使相机的中心轴线与自由曲面导光管的中心轴线重合；步骤四，将自由曲面导光管的一端插入一个待测管道，自由曲面导光管的中心轴线与待测管道的中心轴线重合；步骤五，搭建缺陷检测模块，具体包括连接电源分配单元、内部时钟单元、控制单元、信号调制单元、微处理器和显示单元；步骤六，使用传输模块连接全景图像采集模块和缺陷检测模块；步骤七，打开照明系统和相机；步骤八，打开电源分配单元；步骤九，控制单元使全景图像采集模块、内部时钟单元、信号调制单元进行全景图像采集；步骤十，微处理器对全景图像进行展开、拼接、去高光处理；步骤十一，显示单元显示最终的高质量的缺陷检测图像。
12.优选地，所述夹持件固定在一个机械臂上，由机械臂带动自由曲面导光管在待测管道中移动。
13.优选地，所述待测管道固定在一个四维调节架上。
14.优选地，所述四维调节架与一个电控平移台连接，由电控位移台带动待测管道移动。
15.本发明的积极进步效果在于：本发明通过自由曲面导光管实现管道内壁照明均匀化并采集其全景图像。自由曲面导光管的光学传输部分为全反射，使得光线能有效对管道内壁进行照明，提高光能利用率，同时在传输成像光线时能较多的保留管道内壁的真实信息，提高了缺陷检测的准确度；自由曲面导光管的底部形状为自由曲面，该曲面将经过其的照明光线反射为平行光，提升照明均匀性；自由曲面导光管结合孔径光阑对成像光线进行选择，起到消杂光的作用，从而提高成像质量和缺陷检测精度。成像镜头提高了成像质量，并与孔径光阑配合，消除由于管道内壁平面位置不准确所引起的测量误差。夹持件由两个零件通过螺纹连接构成，其中一个零件固定导光管的另一端、孔径光阑和照明系统，另一个
零件固定成像镜头和相机，保证了相机中心轴线与导光管中心轴线重合，起到简化结构的作用。自由曲面导光管完成图像采集后，获得管道内壁的360度完整图像，后续经过对其使用全景展开、拼接、去高光等图像处理算法，实现对管道内壁缺陷进行实时检测；可结合深度学习算法，对缺陷进行智能识别，大大提高检测效率。
附图说明
16.图1为本发明基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统的结构示意图。
17.图2为本发明中自由曲面导光管的照明示意图。
18.图3为本发明中自由曲面导光管的成像示意图。
19.图4为本发明增加机械臂后的结构示意图。
20.图5为本发明增加四维调节架、电控平移台的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.如图1所示，本发明基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统包括：全景图像采集模块8，包括自由曲面导光管2、孔径光阑3、照明系统4、成像镜头5、相机6、夹持件7，自由曲面导光管2的一端插入一个待测管道1，自由曲面导光管2实现管道内壁照明均匀化并采集其全景图像，孔径光阑3对成像光线进行选择，照明系统4提供均匀照明，成像镜头5矫正由自由曲面导光管2引入的像差，相机6用于将自由曲面导光管2采集的全景图像进行成像，夹持件7用于安装自由曲面导光管2的另一端、孔径光阑3、照明系统4、成像镜头5、相机6，照明系统4发出的光线经自由曲面导光管2顶端自由曲面反射到表面为漫反射面的一个待测工件1内壁，产生均匀照明，随后由管道内壁漫反射的光线通过自由曲面导光管2传输，经孔径光阑3对光线进行选择，最后通过成像镜头5把管道内壁成像在相机6上；传输模块9；缺陷检测模块10，缺陷检测模块10与全景图像采集模块8之间通过传输模块9连接，缺陷检测模块10包括电源分配单元11、内部时钟单元12、控制单元13、信号调制单元14、微处理器15和显示单元16，由传输模块9将全景图像采集模块8采集的图像信号传输至缺陷检测模块10，电源分配单元11缺陷检测模块10的各个单元提供能源，内部时钟单元12为图像采集频率提供时间参考，控制单元13决定该时刻是否进行图像采集；信号调制单元14将光信号转换为电信号，提高了鲁棒性；微处理器15对采集的图像进行处理（包括展开、拼接、去高光等处理），最终结果通过显示单元16呈现。
24.自由曲面导光管2的中心轴线与相机6的中心轴线、一个待测管道1的中心轴线三者之间都重合，自由曲面导光管2的中心轴线与相机6的中心轴线重合，能提高成像质量且
提高相机靶面利用率；自由曲面导光管2的中心轴线与一个待测管道1的中心轴线重合，使得由内壁四周反射的光线到达相机靶面的光程一致，从而减少成像畸变。
25.如图4所示，夹持件7固定在一个机械臂17上，由机械臂17带动自由曲面导光管2在待测管道1中移动，使用方便。
26.如图5所示，待测管道1固定在一个四维调节架18上，通过调节四维调节架18的俯仰、旋转、升降和移动将待测管道1的中心轴线调节至与自由曲面导光管2的中心轴线重合，方便使用。
27.如图5所示，四维调节架18与一个电控平移台19连接，由电控位移台19带动待测管道1移动，调节电控平移台19运动方向至与待测管道1中心轴线平行，方便调节，采图频率要高于电控平移台步进频率，这样即通过全景图像采集模块8实现对待测管道内壁进行实时图像采集。
28.控制单元13基于此时间参考对机械臂17或电控平移台19进行驱动并采集图像，从而实现图像采集频率可控。微处理器15首先对全景图像进行展开，并集合图像采集频率实现图像的拼接，而后基于stokes分量算法将高光信息从表征目标纹理、缺陷和轮廓信息的漫反射分量中分离并去除，最终呈现高质量的缺陷检测图像。全景图像采集模块8完成图像采集后，获得管道内壁的360度完整图像，后续经过对其使用全景展开、拼接、去高光等图像处理算法，实现对管道内壁缺陷进行实时检测；可结合深度学习算法，对缺陷进行智能识别，大大提高检测效率。
29.本发明基于全景技术的管道内壁缺陷检测系统的检测方法采用如上所述的系统，该方法包括以下步骤：步骤一，将成像镜头5通过螺纹连接固定在相机6前方；步骤二，将孔径光阑3固定于自由曲面导光管2一端的内部；步骤三，使相机6的中心轴线与自由曲面导光管2的中心轴线重合；步骤四，将自由曲面导光管2的一端插入一个待测管道1，自由曲面导光管2的中心轴线与待测管道1的中心轴线重合；步骤五，搭建缺陷检测模块10，具体包括连接电源分配单元11、内部时钟单元12、控制单元13、信号调制单元14、微处理器15和显示单元16；步骤六，使用传输模块9连接全景图像采集模块8和缺陷检测模块10；步骤七，打开照明系统4和相机6；步骤八，打开电源分配单元11；步骤九，控制单元13使全景图像采集模块8、内部时钟单元12、信号调制单元14进行全景图像采集；步骤十，微处理器15对全景图像进行展开、拼接、去高光等处理；步骤十一，显示单元16显示最终的高质量的缺陷检测图像。
30.夹持件7固定在一个机械臂17上，由机械臂17带动自由曲面导光管2在待测管道1中移动，调节机械臂17的俯仰、旋转、升降和移动将自由曲面导光管2的中心轴线调节至与待测管道1的中心轴线重合，控制机械臂17进行匀速移动完成管道内壁缺陷检测，使用方便。
31.待测管道1固定在一个四维调节架18上，通过调节四维调节架18的俯仰、旋转、升
降和移动将待测管道1的中心轴线调节至与自由曲面导光管2的中心轴线重合，方便使用。
32.四维调节架18与一个电控平移台19连接，由电控位移台19带动待测管道1移动，调节电控平移台19运动方向至与待测管道1中心轴线平行，方便调节，采图频率要高于电控平移台步进频率，这样即通过全景图像采集模块8实现对待测管道内壁进行实时图像采集。
33.本发明通过控制单元13控制驱动装置反复运动使得自由曲面导光管2不断进入、退出不同的待测管道，能快速地获得大批量的高质量的缺陷检测图像。前期可在微处理器15中输入制造缺陷的图片，通过边缘检测算法提取缺陷参数，训练生成记忆网络，将本发明获得的高质量缺陷检测图像与之进行批量对比，可快速检测出待测管道是否含有缺陷，从而算出该批次管道成品合格率。
34.本发明通过自由曲面导光管实现管道内壁照明均匀化并采集其全景图像。自由曲面导光管的照明和成像原理示意图如图2和图3所示，光学传输部分为全反射，使得光线能有效对管道内壁进行照明，提高光能利用率，同时在传输成像光线时能较多的保留管道内壁的真实信息，提高了缺陷检测的准确度；自由曲面导光管的底部形状为自由曲面，该曲面将经过其的照明光线反射为平行光，提升照明均匀性；自由曲面导光管结合孔径光阑对成像光线进行选择，起到消杂光的作用，从而提高成像质量和缺陷检测精度。成像镜头提高了成像质量，并与孔径光阑配合，消除由于管道内壁平面位置不准确所引起的测量误差。夹持件由两个零件通过螺纹连接构成，其中一个零件固定导光管的另一端、孔径光阑和照明系统，另一个零件固定成像镜头和相机，保证了相机中心轴线与导光管中心轴线重合，起到简化结构的作用。自由曲面导光管完成图像采集后，获得管道内壁的360度完整图像，后续经过对其使用全景展开、拼接、去高光等图像处理算法，实现对管道内壁缺陷进行实时检测；可结合深度学习算法，对缺陷进行智能识别，大大提高检测效率。
35.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
36.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。