專利名稱：基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，具體的說是一種基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置及其方法，屬于轉(zhuǎn)速測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)子速度大小和方向的測量一直是航空、航天、機械制造等工業(yè)領(lǐng)域中的一個重要問題。目前對轉(zhuǎn)子速度的測量方法可分為接觸式和非接觸式。其中接觸式主要是機械式測量，這種測量方法依賴于接觸壓力、安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其最大缺點是加載運動不連續(xù)。非接觸式測量轉(zhuǎn)速的方式有基于電感式傳感器、電渦流傳感器及光電傳感測量等幾種。這些傳統(tǒng)的測量方法，主要有以下幾個缺點a)通常只能測量轉(zhuǎn)速大小，如要進(jìn)行方向判別將會使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
b)在轉(zhuǎn)速比較高時效果是較好的，在轉(zhuǎn)速比較低時誤差就逐漸增大，甚至于無法測速。
c)不適用于微機電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量。
圖像識別定位是一門發(fā)展迅速的新興技術(shù)，該技術(shù)通過模擬人的視覺來實現(xiàn)測量、定位、監(jiān)控等功能，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通及安檢等領(lǐng)域。其高端應(yīng)用的典型是機器人的視覺導(dǎo)航技術(shù)，而低端應(yīng)用的典型則是光學(xué)定位鼠標(biāo)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN1888912A，專利名稱為基于計算機視覺的轉(zhuǎn)速測量裝置，該專利自述為“采用CCD圖像采集卡采集安裝在測速平臺上被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的模糊圖像信息傳送計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)的模糊圖像處理測速模塊通過對得到的模糊圖像進(jìn)行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數(shù)獲取后實現(xiàn)對被測物體的轉(zhuǎn)速測量，若采用顯微攝像，也可應(yīng)用于微機電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量?！彼娜秉c在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備成本高昂，難以作為一般的轉(zhuǎn)速測量儀表或?qū)嶒瀮x器推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量方法及其裝置，采用在光學(xué)鼠標(biāo)中普遍應(yīng)用的光學(xué)定位芯片作為轉(zhuǎn)速測量的核心器件。其方法簡便，裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能同時測得轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，并適用于微機電系統(tǒng)及低速轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向測量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案用光源照射轉(zhuǎn)軸被測表面，采用在光學(xué)鼠標(biāo)中普遍應(yīng)用的光學(xué)定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉(zhuǎn)軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計算、判斷得到軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。
其裝置的結(jié)構(gòu)包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學(xué)定位芯片、單片機系統(tǒng)；其中測速平臺被測表面部分的正上方設(shè)有微距鏡頭及光學(xué)定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側(cè)安裝作為光源的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的激光束對準(zhǔn)測速平臺的被測表面，光學(xué)定位芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。
1)測速平臺設(shè)計如圖1所示，由于定位芯片能夠測得的最大線速度有限，為了擴大測速范圍，當(dāng)轉(zhuǎn)軸較粗時，需要在轉(zhuǎn)軸的末端延伸一段與原轉(zhuǎn)軸共軸的細(xì)端作為測量段，在轉(zhuǎn)動角速度速相同時，越靠近轉(zhuǎn)軸的中心切向速度越小，這樣處理后能夠測量更高的轉(zhuǎn)速；此外，為了能讓光學(xué)定位芯片準(zhǔn)確、可靠地識別被測目標(biāo)的運動信息，測速平臺的被測表面部分需經(jīng)過紋理化處理，這與給光學(xué)鼠標(biāo)增加鼠標(biāo)墊以改善鼠標(biāo)運動和捕捉效果的目的一樣，如圖1中測量段的陰影部分。
2)光源設(shè)計因為目前大多數(shù)用于光學(xué)鼠標(biāo)的光學(xué)定位芯片內(nèi)部的CMOS圖像傳感器只對波長在650nm附近的光波敏感，所以必須采用發(fā)射波長在650nm附近的光源照亮轉(zhuǎn)軸的被測表面部分。光學(xué)定位芯片是基于比較特征點的位置變化來實現(xiàn)定位的，這個特征點在定位算法中表現(xiàn)為灰度信息。當(dāng)定位芯片選定特征點后，若光照強度變化則該特征點在下一張照片內(nèi)的灰度信息會發(fā)生變化。如果在測量范圍內(nèi)光照條件變化過大，則定位算法將無法準(zhǔn)確地在相鄰兩張照片里找到同一個特征點，此時定位可能失效。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，就要盡量保證光照強度在拍攝范圍內(nèi)的一致性，采用發(fā)射波長為在635nm-650nm之間的半導(dǎo)體激光器作為光源，且發(fā)射光經(jīng)過透鏡調(diào)制變?yōu)辄c光源后照射到轉(zhuǎn)軸的被測表面。
3)微距鏡頭的設(shè)計考慮到光學(xué)定位芯片工作時，其圖像獲取部分是一個高速、微距拍照系統(tǒng)，因此應(yīng)該采用短焦距、分辨率高、畸變像差小、拍攝景深小的微距鏡頭作為物鏡，以獲得清晰的光學(xué)影像。為了消除雜光影響還應(yīng)在鏡頭表面鍍膜，這有利于光學(xué)定位芯片準(zhǔn)確、可靠的測量位移增量。
4)定位芯片的選擇定位芯片的選擇主要考慮三個技術(shù)指標(biāo)幀速率、分辨率及CMOS圖像傳感器的有效面積。幀速率和CMOS圖像傳感器的面積共同決定定位芯片所能夠測量的最大速度。光學(xué)定位芯片是基于比較特征點的位置變化來對實現(xiàn)定位的，這個特征點在定位算法中表現(xiàn)為灰度信息，當(dāng)定位芯片在一張照片里選定特征點后，雖然在目標(biāo)移動時該點在拍攝范圍內(nèi)的位置變化了，但在相臨的下一張照片里還可以找到該點，這時定位芯片內(nèi)部的微處理器可以計算出位移增量。但當(dāng)目標(biāo)表面速度過快時，定位芯片在第一張圖片里捕捉到的特征點已經(jīng)移出了CMOS圖像傳感器的拍攝范圍，這時定位功能失效，這里稱之為丟幀。為了使本發(fā)明/實用新型能夠測量更高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)該選用幀速率高、CMOS圖像傳感器有效面積大的定位芯片。定位芯片的分辨率定義為被測量目標(biāo)每移動一英寸光學(xué)定位芯片所輸出的計數(shù)值，例如分辨率為400dpi，是指目標(biāo)移動一英寸定位芯片累計輸出的計數(shù)值為400，分辨率與靈敏度的意義是一樣的，分辨率越高，靈敏度越高，越有利于測量低速運動的目標(biāo)。
本發(fā)明的實際性能是由定位芯片和微距鏡頭共同決定的，上述定位芯片的性能是在假設(shè)成像倍率(像高物高)為1時討論的。假設(shè)工作時成像倍率為n1，定位芯片在成像倍率為1時能夠測量的最大速度為v1，分辨率為r1，則理論估算指標(biāo)為允許的最大線速度v2＝v1/n1實際分辨率為r2＝r1×n15)采用單片機系統(tǒng)完成對定位芯片的初始化配置、圖像獲取、位移增量數(shù)據(jù)讀取及轉(zhuǎn)向判斷、轉(zhuǎn)速計算、顯示、通信等功能。
本發(fā)明的優(yōu)點a)由于采用的光學(xué)定位芯片能夠同時測得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時其被拍攝表面部分位移的大小和方向，因此在測得轉(zhuǎn)速的同時也能根據(jù)測得的位移方向判斷轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向。
b)由于光學(xué)定位芯片的靈敏度很高，在測量低速轉(zhuǎn)動部件時，甚至可以對轉(zhuǎn)軸的測量面進(jìn)行顯微拍照，以獲得更高的靈敏度，適合于低速轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向測量。
c)由于本測速裝置組成器件少、結(jié)構(gòu)簡單及基于圖像識別定位的測速原理，只需要用激光照射很小面積的轉(zhuǎn)軸的表面，即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的非接觸測量，并沒有傳統(tǒng)測量方法用于微機電系統(tǒng)時測速器件難以安裝及加工的問題，適用于微機電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的非接觸測量。
d)工作性能穩(wěn)定、使用壽命長，且價格便宜，低成本容易推廣。
下面從理論上分析測速效果。
a)測速范圍估計被測轉(zhuǎn)軸直徑為d1，成像倍率為n1，當(dāng)成像倍率為1時定位芯片的分辨率為r1，能夠測量的最大線速度為v1。
則本發(fā)明理論上能夠測量的最大轉(zhuǎn)速為RMAX＝v1/(π×n1×d1)設(shè)n1＝1.0，v1＝40英寸/秒＝1.016米/秒，d1＝2.0毫米＝0.002米，則RMAX＝v1/(π×n1×d1)＝161.78轉(zhuǎn)/秒＝9707轉(zhuǎn)/分鐘。此外在轉(zhuǎn)軸直徑不變時，通過縮小成像倍率(像高∶物高)也可以擴大測速范圍。
理論上本發(fā)明可以測量的最小轉(zhuǎn)速是0轉(zhuǎn)/分，但由于定位芯片成像系統(tǒng)的分辨率有限，當(dāng)被測表面的位移在兩幀照片的拍攝時間間隔內(nèi)小于1/r2(r2＝r1×n1)英寸時，定位芯片在這兩幀拍攝時間間隔內(nèi)將沒有位移增量輸出，直到位移累加到1/r2時才會有輸出，但這只是靈敏度問題，并不影響測速。在低轉(zhuǎn)速測量時可以增加單片機系統(tǒng)定時器的時間間隔，等待較長時間單片機才去讀取定位芯片的位移增量數(shù)據(jù)。前面討論了在測量低轉(zhuǎn)速時，應(yīng)采用較低的幀速率，較高的分辨率及成像倍率，這樣能夠提高本裝置工作時的靈敏度，適應(yīng)更低的轉(zhuǎn)速測量。
b)測速精度估計參考安捷倫公司公布的數(shù)據(jù)手冊，當(dāng)定位芯片的直線位移測量小于50mm時，其位移測量精度優(yōu)于1％，測量位移越短精度越高。在本發(fā)明/實用新型中，單片機通過定時器中斷服務(wù)程序定時讀取定位芯片測到的位移增量，在正常情況下定時時間間隔為5ms，在這段時間間隔內(nèi)所發(fā)生的位移一般遠(yuǎn)小于50mm。因此，每次讀取的位移增量還是具有相當(dāng)可信度的，若對多次讀取的位移增量求平均值后再去計算轉(zhuǎn)速，則可以得到相當(dāng)高的測速精度。


附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；附圖2是本發(fā)明實施例的硬件功能框圖附圖3是本發(fā)明實施例轉(zhuǎn)速計算及轉(zhuǎn)向判斷的流程圖。
圖中的1是測速平臺、2是光源、3是微距鏡頭、4是光學(xué)定位芯片、5是單片機系統(tǒng)。
具體實施例方式
基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量方法是用光源照射轉(zhuǎn)軸被測表面，采用在光學(xué)鼠標(biāo)中普遍應(yīng)用的光學(xué)定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉(zhuǎn)軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計算、判斷得到軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。
對照附圖1，其結(jié)構(gòu)是包括測速平臺1、光源2、微距鏡頭3、光學(xué)定位芯片4及單片機系統(tǒng)5；其中測速平臺1被測表面部分的正上方設(shè)有微距鏡頭3及光學(xué)定位芯片4組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺1的一側(cè)安裝作為光源2的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的激光束對準(zhǔn)測速平臺1的被測表面，光學(xué)定位芯片4通過SPI串行總線與單片機系統(tǒng)5相連。
下面詳細(xì)介紹各部分的實施方式所述的測速平臺1為電機帶動的一根旋轉(zhuǎn)軸，在該轉(zhuǎn)軸末端延伸一段軸徑d1＝2.0mm的測量段，沿測量段的圓周面貼一層寬度為3mm細(xì)砂紙作為測量面，貼砂紙視為對測量面的紋理化處理。
所述的作為光源2的半導(dǎo)體激光器，最大功率5mw、發(fā)射波長635nm-650nm，用該激光器照射被測表面，并通過透鏡調(diào)制投射到被測表面的光斑直徑約為d2＝3mm，基本上可以保證在此光斑范圍內(nèi)光照強度一致。
所述的微距鏡頭3(可選用美國安捷倫公司的ADNS-2120鏡頭)，該鏡頭的主要技術(shù)參數(shù)為數(shù)值孔徑0.13，設(shè)計波長639nm，當(dāng)放大率(像高∶物高)為1∶1時，拍攝景深為±0.5mm，拍攝面積1.8mm×1.8mm，本實施例調(diào)節(jié)放大率為1∶1。
所述的光學(xué)定位芯片4(可選用美國安捷倫公司的ADNS-3080)，該定位芯片的主要技術(shù)參數(shù)為數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)SPI接口；幀速率可以用戶配置在2000幀/秒～6469幀/秒之間；CMOS圖像傳感器30×30的像素點陣，實際尺寸約為2×2mm；分辨率可以通過操作其內(nèi)部寄存器配置為400dpi或1600dpi；能夠測量的速度范圍0～40英寸/秒(當(dāng)放大率為1∶1時)；允許的最大加速度15g。
所述的單片機系統(tǒng)5，包括單片機、顯示、通信及電源模塊(單片機可選擇美國Cygnal公司提供的C8051F021)，該單片機指令運行速度高，可靈活配置端口，集成了UART、SPI、SMBUS及CAN等總線接口。
對照附圖2，電源模塊為整個系統(tǒng)供電，單片機通過SPI總線接口與光學(xué)定位芯片互連，半導(dǎo)體激光器的輸出功率受單片機輸出的PWM波控制，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向通過數(shù)碼管顯示并通過通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
對照附圖3，程序采用前后臺結(jié)構(gòu)， 在后臺主程序中完成單片機初始化及硬件自檢測、定位芯片的初始化配置、圖像獲取、轉(zhuǎn)向判斷、轉(zhuǎn)速計算、顯示以及向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，在前臺中斷服務(wù)程序中完成監(jiān)控中心命令接收、位移增量數(shù)據(jù)讀取等功能。
具體測速過程是這樣的上電單片機系統(tǒng)初始化完成后，整個測速裝置開始工作，首先，作為光源的半導(dǎo)體激光器照射測速平臺的被測表面部分；然后，微距鏡頭與光學(xué)定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)對被測表面連續(xù)拍照并計算出位移增量；最后，單片機系統(tǒng)通過SPI總線讀取光學(xué)定位芯片輸出的位移增量數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并通過顯示模塊顯示出來，還可根據(jù)需要將轉(zhuǎn)速通過通訊模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
權(quán)利要求
1.基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量方法，其特征是用光源照射轉(zhuǎn)軸被測表面，采用在光學(xué)鼠標(biāo)中普遍應(yīng)用的光學(xué)定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉(zhuǎn)軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計算、判斷得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。
2.基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征是包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學(xué)定位芯片、單片機系統(tǒng)；其中測速平臺被測表面部分的正上方設(shè)有微距鏡頭及光學(xué)定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側(cè)安裝作為光源的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的光束對準(zhǔn)測速平臺的被測表面，光學(xué)定位芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征所述的測速平臺為電機帶動的一根旋轉(zhuǎn)軸，在該轉(zhuǎn)軸末端延伸一段是測量段，測量段的周面要經(jīng)過紋理化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征是作為光源照射被測表面的是半導(dǎo)體激光器，其光束通過透鏡調(diào)制為點光源，發(fā)射波長635nm-650nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征是微距鏡頭表面用鍍膜，微距鏡頭與光學(xué)定位芯片內(nèi)部的CMOS圖像傳感器構(gòu)成一個用來獲得被測表面的清晰圖像的微距拍照系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征是所述的單片機系統(tǒng)包括單片機模塊、顯示、通信及電源模塊，其中，電源模塊為整個系統(tǒng)供電，單片機通過串行總線與光學(xué)定位芯片互連，半導(dǎo)體激光器的輸出功率受單片機輸出的PWM波控制，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向通過數(shù)碼管顯示并通過通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于圖像識別定位的轉(zhuǎn)速測量方法及其裝置，其方法是用光源照射轉(zhuǎn)軸被測表面，采用在光學(xué)鼠標(biāo)中普遍應(yīng)用的光學(xué)定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉(zhuǎn)軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計算、判斷得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。其結(jié)構(gòu)是包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學(xué)定位芯片及單片機系統(tǒng)，其中測速平臺被測表面部分的正上方設(shè)有微距鏡頭及光學(xué)定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側(cè)安裝光源，其光束對準(zhǔn)測速平臺的被測表面，光學(xué)定位芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能同時測得轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，適用于微機電系統(tǒng)及低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)部件。
文檔編號G01P3/38GK101074965SQ20071002464
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者劉冬冬, 張?zhí)旌? 黃向華 申請人:南京航空航天大學(xué)