碳纤维复合材料由于轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、航天、交通运输、建筑、新能源等领域。复合材料自动铺丝技术是各种大型复杂复合材料构件成型的主要制造方式，具有效率高、成本低、可重复性好、自动化程度高等特点。由于复合材料构件通常应用在对质量要求很高的行业，因此在自动铺丝生产过程中，质量监控是不可或缺的环节。铺丝缺陷是影响质量的主要因素，一般通过缺陷检测实现质量监控。原位在线缺陷检测是指不影响正常生产工艺流程、不占用生产以外时间的检测模式，是保证生产效率的前提。由于复合材料自动铺丝生产过程复杂，缺陷类型众多，特征不明显，且没有统一的判别标准，因此铺丝缺陷的自动检测是业内公认的难题。本文研究针对热红外视觉的自动铺丝缺陷原位在线检测问题，主要工作如下：
(1) 调研分析复合材料缺陷对构件质量的影响，确定影响构件性能的主要缺陷类型与尺寸阈值，为缺陷检测提供判别依据，包括缺陷类型和尺寸两个参量对复合材料构件的张力、压力强度等性能指标的影响。由于复合材料缺陷在可见光、近红外等频段的反射成像对比度低，缺乏有效特征。本文通过对自动铺丝生产过程中的热特性和缺陷形成机理分析，采用热红外辐射成像技术，并实验验证了热红外视觉对铺丝缺陷检测的有效性。同时，搭建了基于热红外视觉的缺陷检测硬件平台，使缺陷在温度曲线和热图像中显现出明显特征，为自动铺丝缺陷的检测提供基础。
(2) 提出了一种热红外视觉测量系统的标定方法。由于红外热像仪的硬件限制和热红外辐射成像的特殊性，使得热图像特征提取和红外热像仪标定成为难题，尤其是在需要考虑精度的工业测量中。本文研究了热红外视觉测量系统的标定技术，基于铺丝系统中的成像约束，建立了热红外视觉系统测量模型，提出了一种在小视场小景深下的测量系统参数标定方法，基于待检测点之间的几何约束与铺丝机器人的运动轨迹，标定红外视觉系统测量参数，并通过实验测定了标定后系统的测量精度。
(3) 提出了一种基于热红外视觉的自动铺丝缺陷原位在线检测方法。首先设计了检测系统结构，使检测结果与生产过程形成闭环，实现了可靠的质量控制与高效率的生产。采用卷积神经网络实现了对影响铺丝质量的主要缺陷类型的分类。针对热图像中缺陷成像模糊问题，提出了一种鲁棒的线段特征提取方法，实现了对可容忍类型缺陷大小和位置的测量，并通过实际的机器人在线铺丝实验验证了所提出方法的有效性和热红外视觉缺陷测量可行性。通过将检测结果与铺层模型匹配，构建了关联缺陷大小、位置、分布信息的三维缺陷分布模型，为铺丝构件提供产品身份证，为质量追溯提供依据。
(4) 开发了基于热红外视觉的自动铺丝缺陷检测软件系统。该系统具有自动铺丝热图像实时获取与显示、缺陷图像实时处理与显示、增长式三维缺陷分布模型实时构建与可视化，缺陷模型操作和检测报表生成等功能。设计多铺层复合材料自动铺丝实验，并提出主动缺陷注入法，在铺丝过程中注入已知类型、大小和位置信息的缺陷，作为铺丝实验的检测真值，测试了软件系统功能的有效性。