基于圖像識別的微型傾斜傳感器

發(fā)布時間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):499

周江華,烏建中,徐鳴謙

　　摘要: 通過人眼觀察進(jìn)行識讀的傳統(tǒng)水準(zhǔn)器式傾斜儀表,直觀但精度不高、靈活性不強(qiáng)。通過引入ccd圖像傳感器采集水準(zhǔn)器中氣泡圖像并結(jié)合圖像識別算法分析計算氣泡圖形邊緣,研究開發(fā)了具備傾斜角度數(shù)值輸出能力的新型傾斜傳感器。并進(jìn)一步通過采用dsp處理器并應(yīng)用嵌入式設(shè)計方法,設(shè)計了該類型傾斜傳感器的小型化原型,從而顯著地提高了測量精度和應(yīng)用的靈活性,克服了傳統(tǒng)儀表的不足。

　　關(guān)鍵詞:傾斜傳感器；圖像處理；邊緣檢測

引言

　　傾斜傳感器(又稱為水平儀)是測量微小傾斜角的一種測量器具,主要用于測量或檢驗相對于水平位置的傾斜角、表面的水平度、垂直度等,因此在機(jī)械制造、設(shè)備安裝和維修中,傾斜傳感器是最基本的測量器具之一。根據(jù)工作原理,傾斜傳感器一般可以分為水準(zhǔn)器式傾斜傳感器、光學(xué)傾斜儀和電子傾斜傳感器等幾大類別。

基本原理

　　微型傾斜傳感器的設(shè)計結(jié)合了水準(zhǔn)器式傾斜傳感器和電子傾斜儀表的優(yōu)點,通過采用ccd傳感器采集水準(zhǔn)器中氣泡的圖像,再通過圖像處理來獲取氣泡的位置,進(jìn)而計算傾斜參數(shù)。

　　圖1是傳統(tǒng)水平儀示意圖。當(dāng)水平儀傾斜時,玻璃管中的氣泡移動,偏離中心位置。偏離中心位置的大小與水平傾角相關(guān)。在這種情況下,水平儀只能測量相對水平方向的傾角,測量的傾角范圍相對較小、測量精度不高。因而它通常只能用來判斷是否水平,而不能用來測量具體的傾斜角度。

　　將上面的管狀水準(zhǔn)泡改變成圓盤形后,如圖2 所示,則可以通過氣泡的位置來測量二維平面的傾斜角度。為了進(jìn)一步提高傾角的測量范圍,可將盤形水準(zhǔn)泡變?yōu)榍蛐?可以通過計算投影平面上氣泡的位置來獲得球面上氣泡相對于鉛垂線的角度。

　　如圖3所示,通過ccd攝像頭采集水準(zhǔn)泡圖像,再利用圖像處理獲取氣泡邊緣并計算氣泡中心點的坐標(biāo),從而可以計算出相對于水準(zhǔn)泡中垂線的方位和傾角。

原型設(shè)計

硬件方案

　　在實驗階段,根據(jù)現(xiàn)有的器材,先采用如圖3所示的“快速原型”方式,即通過連接電腦的攝像頭來采集水準(zhǔn)泡的圖像,并在pc機(jī)上進(jìn)行圖像處理和氣泡位置識別,進(jìn)而計算出傾斜數(shù)值。在調(diào)試驗證了方案的可行性之后,再采用dsp處理器,重新設(shè)計電路板,將圖像采集和圖像處理集成,從而將其小型化,實現(xiàn)傾斜傳感器的樣品。

軟件方案

數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理流程如圖4所示。

　　數(shù)據(jù)采集處理主要包括:

① 攝像頭中的處理器通過ad采樣獲取了ccd傳感器中各點數(shù)據(jù)之后,通過usb傳送到pc機(jī)。

② pc機(jī)一方面將usb 傳來的數(shù)據(jù)按幀顯示到屏幕上;另一方面將每幀圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)矩陣,交給由matlab語言編制的邊緣檢測函數(shù)處理。

③ 處理邊緣檢測函數(shù)輸出的二值圖像,計算出邊緣對象的中心位置,并顯示到屏幕上。

④ 由于圓盤形水準(zhǔn)器表面不能是完全水平的或者由于水準(zhǔn)泡是球形的,故需要根據(jù)成像模型進(jìn)行適當(dāng)修正,方能計算出實際的傾斜程度和方位。

圖像處理算法

　　在設(shè)計中,需要從圖像中找到氣泡邊緣,因而要選擇合理的邊緣檢測算法。目前常用的邊緣檢測主要有roberts算子、sobel算子、lap lace 差分算子、prewitt算子、marr算法等�？紤]本設(shè)計中的成像圖像比較簡單、干擾信息較少,而且可以通過調(diào)整背景和光照增強(qiáng)氣泡圖形,所以在實際實驗中采用了最簡單常用的sobel算子。同時利用matlab作為程序設(shè)計語言,應(yīng)用其工具箱中成熟的圖像處理算法。

　　通過編程實現(xiàn)的邊緣檢測效果如圖5所示。ccd攝像頭采集到的水準(zhǔn)泡的圖形,經(jīng)過預(yù)處理之后顯示在左邊圖片框中,右邊為處理結(jié)果,包括氣泡的邊緣、邊緣對象的中心(表示為圓點)以及表示相對參考點(表示為方塊)偏離角度和距離的直線。

系統(tǒng)功能模塊及硬件設(shè)計

功能模塊結(jié)構(gòu)

　　在pc機(jī)上驗證之后,接下來的是設(shè)計專門的電路板,實現(xiàn)小型化的要求。根