基于图像识别的高强螺栓松动转角修正方法研究

来源:用户上传      作者:胥孝文 崔现良

　　摘 要：在结构检测领域中，机器视觉和图像识别技术的应用具有重要意义，然而现有的拍摄技术难以兼顾效率和精度。为修正摄像头成像平面与钢板平面的夹角对图像识别结果造成的影响，本研究建立整体坐标系下的三维数学模型，并通过向量运算，在局部坐标系下建立物平面中螺母松动转角与摄像平面中投影角度的关系，最终推导出图像识别螺母松动转角修正公式的一般形式。公式表明，修正结果仅与摄像头和螺栓的相对位置、螺栓的尺寸及各螺栓初始标记线的夹角有关。
　　关键词：高强螺栓;预紧力;图像识别;修正公式
　　中图分类号：TU391 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）16-0037-04
　　DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.16.008
　　Research on Correction Method of Bolt Loosening Angle Based on
　　Image Recognition
　　XU Xiaowen CUI Xianliang
　　（China Railway Construction Group Infrastructure Construction Co.，Ltd.， Beijing 100040， China）
　　Abstract：In the field of structural detection， the application of machine vision and image recognition technology is of great significance， but the existing shooting technology is difficult to balance efficiency and accuracy. In order to correct the influence of the angle between the camera imaging plane and the steel plate plane on the image recognition results， this study establishes a three-dimensional mathematical model in the overall coordinate system， and establishes the relationship between the nut loosening angle in the object plane and the projection angle in the camera plane in the local coordinate system by vector operation， and finally deduces the general form of the correction formula of the nut loosening angle of the image recognition. The formula shows that the correction results are only related to the relative position of the camera and the bolt， the size of the bolt and the angle between the initial marking lines of each bolt.
　　Keywords：high strength bolt;preload;image recognition;correction formula
　　0 引言
　　与焊接、T接等连接方式相比，高强度螺栓连接具有安装简便、质量可靠等优势，从而被广泛应用于机械制造、航天器械零部件、电力发电塔、军用设备、交通运输等领域[1]。但在长期使用过程中，在振动或外力的作用下，高强度螺栓容易出现预紧力松弛，甚至是松脱断裂的现象[2]，直接影响螺栓结构的整体力学特性。因此，为保证结构的安全性和可靠性，对高强螺栓结构进行松动检测具有重要意义。
　　传统的高强螺栓松动检测方法有人工标记法、扭矩扳手法、锤击法等，这些现场检测方法虽然操作简单，但却存在误差较大、效率低下等缺点，且当高强螺栓位置隐匿难以靠近时，检测工作往往难以进行[3]。
　　随着计算机性能的提升以及人工智能技术的应用，传统方法无法解决的问题都将会迎刃而解。借助图像识别技术对螺栓松动情况进行检测，避免因人工观测而造成误差，从而提高识别效率，也能更轻松地对位置隐蔽的螺栓进行检测，这对结构的长期健康稳定运行具有重大意义。
　　由于实际拍摄平面与物面存在一定的角度，从而造成图像识别结果与真实角度存在一定差异，而以往的相关研究较少。基于此，笔者先对螺栓松动角度的测量原理进行研究，随后提出一种描述两种角度关系的公式，对图像识别结果进行修正，最后分析公式的适用前提、优势及不足。
　　1 螺栓松动角度的测量原理
　　用图像识别来测量高强螺栓松动是在传统人工标记法的基础上发展而来的。该方法事先在高强螺母表面画线（见图1）来标志初始时刻螺栓的位置，并通过固定位置的摄像头以固定角度拍照记录（见图2），经过一段时间后，再次进行拍照，通过将螺母初始状态和上时刻获取的图片叠加，即可直观地计算出螺栓松动旋转的角度，从而判断出预紧力的损失值。
　　然而只有当拍摄平面与物平面平行（见图3），即垂直投影时，拍摄所得的角度才能真实地反映出实际情况。当倾斜投影时，拍摄所得的图像会与真实值存在差异。

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0]时，方程不具有实际意义上的解，当[QP≤0]时，方程有如式（17）所示的唯一解。
　　③当[Δ<0]时，对应的方程无解。
　　综上所述，若方程有解，对解的形式进行总结，进而可通过式（18）求得α值。
　　[α=arctan-Q±Δ2P，α∈0，π2] （18）
　　3 结语
　　本研究基于笛卡尔坐标系，建立了螺栓-像平面-摄像头的数学模型，并对像平面观测结果的修正公式进行推导。在对公式进行推导的过程中，只要知道摄像头与各螺栓的相对位置、各螺栓尺寸以及标记线之间的夹角即可求解。该方法的优势在于要求的基础数据不难获得，且对每个螺栓标记的角度没有硬性要求，只要做好记录即可，便于实际施工操作。在公式推导过程中，只有未知量β，若方程有解，则α与β是一一对应的关系;其余参数均可通过已知数据直接或间接求得，公式形式看似冗长，但结合计算机编程可实现对数据的批量理运算，能迅速实现对各螺栓的角度修正。
　　参考文献：
　　[1] 洪绍正，孔正义.高强螺栓预紧力损失的试验研究[C]//2020第七届海洋材料与腐蚀防护大会暨2020第一届钢筋混凝土耐久性与设施服役安全大会摘要集.[出版者不详]，2020：7-10.
　　[2] 周靖，刘煜，霍林生.基于机器视觉的螺栓松动旋转角度测量[J].机械设计与研究，2021（4）：159-162，175.
　　[3] 王庆领，程庆阳，谢隽然.螺栓松动检测的若干关键技术问题[J].科学技术与工程，2021（22）：9194-9202.
　　收稿日期：2022-05-25
　　作者简介：胥孝文（1985―），男，专科，研究方向：建筑施工技术、施工项目管理。

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