專利名稱：非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，特別是一種基于USB通用攝像頭的、非接觸 式的中低轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量一般采用接觸式測(cè)量，在測(cè)量中容易出現(xiàn)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體能量損耗大， 測(cè)量設(shè)備移動(dòng)性和靈活性差等缺點(diǎn)，影響測(cè)量精度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及加工制造業(yè) 的需要，非接觸式測(cè)量越來(lái)越受到重視，其抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速等實(shí)測(cè)系統(tǒng)中， 具有廣闊的發(fā)展前景和優(yōu)良的實(shí)用價(jià)值。在非接觸測(cè)量中，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度主要取決于測(cè)角 的精度。目前，人們?cè)陟o態(tài)測(cè)角的基礎(chǔ)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，產(chǎn) 生了許多新的測(cè)角方法。但這些光學(xué)方法只局限于小角度測(cè)量，對(duì)任意旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量目 前很少見(jiàn)。 另一方面，隨著視頻設(shè)備的性能不斷提高，價(jià)格不斷下降，視頻技術(shù)應(yīng)用也越來(lái)越 廣泛，將它用于測(cè)速儀器也是當(dāng)前的一種發(fā)展方向。目前，視頻技術(shù)應(yīng)用于公路交通的車輛 運(yùn)行速度檢測(cè)已經(jīng)比較普遍；但一般都是進(jìn)行直線速度的測(cè)量和監(jiān)控。而將視頻技術(shù)應(yīng)用 于轉(zhuǎn)動(dòng)速度測(cè)量，一般都采用高速攝像機(jī)獲取一系列瞬態(tài)圖像的測(cè)量方法，其成本非常高、 應(yīng)用受到限制。現(xiàn)有技術(shù)中只有高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域里才引用了視頻技術(shù)，而中低轉(zhuǎn)速領(lǐng)域均沒(méi)有。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，基于PC計(jì)算機(jī)和USB通用 攝像頭，實(shí)現(xiàn)非接觸式的中低轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并且超速報(bào)警。該 系統(tǒng)利用VC++6. 0和VFW軟件開(kāi)發(fā)包，進(jìn)行視頻預(yù)處理時(shí)不需要專用硬件設(shè)備，可移植性 強(qiáng)、靈活性好，具有優(yōu)良的視頻處理能力。 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該系統(tǒng)包括橫截面徑向上設(shè)有 輔助標(biāo)志圖像(301)的被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104);非接觸地安裝在與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)橫截面平 行的平面上以便獲取所述輔助標(biāo)志圖像(301)的攝像頭(103);以及通過(guò)USB數(shù)據(jù)線(102) 連接在所述攝像頭(103)上并包括圖像處理模塊(202)和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)以便計(jì)算相 鄰兩幀輔助標(biāo)志圖像(301)間的夾角從而得到平均轉(zhuǎn)速的PC計(jì)算機(jī)(101)。 作為本實(shí)用新型方案，上述攝像頭(103)為具備USB2.0接口、圖像捕捉速率為 15 35幀/秒、30萬(wàn)像素以上的CM0S通用攝像頭；所述PC計(jì)算機(jī)(101)具有Pentium III 以上或兼容的通用處理器，內(nèi)存容量為256KB以上，并具備USB2. 0接口 ；所述輔助標(biāo)志圖 像(301)必須標(biāo)志在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)的橫截面徑向上，且區(qū)別于該橫截面底色的反色長(zhǎng) 矩形或直線段圖像；所述圖像處理模塊(202)采用了 Hough算法；所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203) 基于特征矢量運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，包括將輔助標(biāo)志圖像(301)轉(zhuǎn)化為特征矢量(303)的特征矢量提 取模塊(2031)和用于獲取相鄰兩幀之間特征矢量(303)夾角的角度識(shí)別模塊(2032)，還有 連接其上的轉(zhuǎn)速顯示模塊(204)和超速報(bào)警模塊(205)。[0007] 本實(shí)用新型使用時(shí)首先選用長(zhǎng)矩形或直線段作為輔助標(biāo)志圖像(301);使用USB 通用攝像頭(103)采集被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)的輔助標(biāo)志圖像(301)，經(jīng)數(shù)字化后由USB數(shù)據(jù)線 (102)傳入PC計(jì)算機(jī)(101);再由圖形處理模塊(202)實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換、背景去除、二值化、細(xì) 化處理等預(yù)處理操作，利用Hough變換算法檢測(cè)出輔助標(biāo)志圖像(301)中直線；接著通過(guò)特 征矢量提取模塊(2031)提取特征矢量(303)，進(jìn)而由角度識(shí)別模塊(2032)求得相鄰兩幀特 征矢量(303)之間的夾角；在選定的時(shí)段內(nèi)(默認(rèn)值是l秒鐘)不斷累計(jì)角度值，最終得到 任意時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速；最后，可將上述所得轉(zhuǎn)速通過(guò)轉(zhuǎn)速顯示模塊(204)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示， 同時(shí)送到超速報(bào)警模塊(205)進(jìn)行超速監(jiān)控。 本實(shí)用新型的有益效果是(l)采用了非機(jī)電式、非接觸式的視頻處理技術(shù)，可以 適應(yīng)強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境，有效排除了各種強(qiáng)干擾量影響，避免傳統(tǒng)接觸式方法 因機(jī)械磨損、打滑、振動(dòng)等帶來(lái)的誤差，提高了系統(tǒng)的精度和安全性。(2)采用USB通用攝像 頭代替高速攝像機(jī)或高靈敏傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)據(jù)目少，因而易于維護(hù)、成本 低。(3)采用特征矢量算法能對(duì)任意360。轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，模塊算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、實(shí)時(shí)性 強(qiáng)。(4)視頻采集與處理基于軟件模塊化實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。 綜上所述，本實(shí)用新型的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)速精度，能夠廣泛 應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境下中低速電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

圖1是本實(shí)用新型所述系統(tǒng)的連接示意圖； 圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理示意圖； 圖4是本實(shí)用新型所述系統(tǒng)的流程圖； 圖l中，各連接實(shí)物分別為101.PC計(jì)算機(jī)，102.USB數(shù)據(jù)線，103.攝像頭，104.被 測(cè)旋轉(zhuǎn)體； 圖2中，各模塊分別為201.圖像采集模塊，202.圖像處理模塊，203.轉(zhuǎn)速測(cè)量模 塊，204.轉(zhuǎn)速顯示模塊，205.超速報(bào)警模塊。其中，模塊203還包括2031.特征矢量提取 模塊，2032.角度識(shí)別模塊； 圖3中，301.輔助標(biāo)志圖像，302.USB攝像頭，303.特征矢量； 圖4中，流程圖各步驟依次為SIOI.單幀實(shí)時(shí)采集，S102.圖像預(yù)處理，S103.特
征矢量提取，S104.圖像信息存儲(chǔ)，S105.定時(shí)判斷，S106.角度識(shí)別及轉(zhuǎn)速測(cè)量，S107.超
速判斷。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。 參見(jiàn)圖l，針對(duì)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)(本實(shí)施例中是中低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī))，實(shí)施例設(shè)計(jì)了 基于USB協(xié)議的CMOS通用攝像頭與PC計(jì)算機(jī)為轉(zhuǎn)速測(cè)量硬件方案，并利用VC++6. 0實(shí)現(xiàn) 了視頻采集、圖像處理、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，從而建立了基于視頻處理技術(shù)的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量 系統(tǒng)。其中，PC計(jì)算機(jī)(101)經(jīng)由USB數(shù)據(jù)線(102)連接至CMOS通用攝像頭(103)，該攝 像頭非接觸式地安裝于被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)橫截面的平行面，以進(jìn)行圖像采集。[0020] 參見(jiàn)圖2，所述實(shí)施例系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)為核心，利用CMOS通用攝像頭先 對(duì)輔助標(biāo)志圖像進(jìn)行采集，設(shè)置攝像頭的圖像捕捉速率為15幀/秒，此條件下的測(cè)速上限 值為900r/min(若將圖像捕捉速率設(shè)置為35幀/秒，則測(cè)速上限值為2100r/min)。圖像 采集模塊(201)每次間隔66. 7ms就會(huì)對(duì)于標(biāo)有輔助標(biāo)志圖像的被測(cè)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行視頻捕獲； 再采用VC++6. 0編程實(shí)現(xiàn)圖像處理模塊(202)和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)，圖像處理模塊(202) 主要進(jìn)行背景去除、灰度二值化、細(xì)化及Hough變換；然后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)中特征 矢量提出模塊(2031)進(jìn)行矢量提取操作，并且由角度識(shí)別模塊(2032)進(jìn)行角度識(shí)別、定時(shí) 累加；最終完成轉(zhuǎn)速測(cè)定，送至轉(zhuǎn)速顯示模塊(204)實(shí)時(shí)顯示；若超速，將由超速報(bào)警模塊 (205)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并輸出停轉(zhuǎn)控制量。 參見(jiàn)圖3，所述系統(tǒng)的核心測(cè)量原理是左圖為通用攝像頭(302)對(duì)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體及 輔助標(biāo)志圖像(301)進(jìn)行采集，右圖為采集的連續(xù)三幀圖像經(jīng)預(yù)處理后，由Hough算法檢測(cè) 出特征矢量(303)來(lái)計(jì)算角度。具體處理算法為若前一幀求得直線線段的端點(diǎn)為Pp P2， 后一幀的端點(diǎn)是Ps、 P4 ;特征矢量方向取同一幀內(nèi)兩端點(diǎn)中離預(yù)設(shè)軸心最近的端點(diǎn)作為向 量起點(diǎn)(如P2和P》，則另一端點(diǎn)則為矢量終點(diǎn)(如P工和P》；可得到相鄰兩幀矢量分別為 KS = (a + 6/)和^ = (c +刮；a+bi逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到c+di的角度e ，即為所求的兩幀間轉(zhuǎn)
角。由上述處理可知，即使由于震動(dòng)使得軸心發(fā)生偏離，如上所取的向量仍保持了正確方
向。令e+fi二 (a+bi)/(c+di)，則有
arccos(~^ ), 當(dāng)e > 0, / > 0或e < 0， / > 0
2 r — arccos()，當(dāng)e < 0, / < 0或e > 0， / < 0 最后由夾角9 、角速度"、轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系求得平均轉(zhuǎn)速
n ， 60*60 30" CJ = —， W =-=- 參見(jiàn)圖4，本實(shí)用新型所述系統(tǒng)的軟件流程如下利用VFW回調(diào)函數(shù)實(shí)時(shí)采集單幀 圖像(S101)，為節(jié)約容量每次均以ph0.bmp保存；對(duì)輸入的單幀圖像進(jìn)行預(yù)處理(S102); 利用Hough算法檢測(cè)直線，提取出特征矢量(S103);掃描圖像建立直角坐標(biāo)系，設(shè)置計(jì)數(shù)器 n，將圖像信息及特征矢量?jī)啥它c(diǎn)存入數(shù)組arr(S104);進(jìn)行定時(shí)判斷n < 15(S105);對(duì)數(shù) 組arr進(jìn)行分析和比較，識(shí)別出相鄰兩幀特征矢量之間角度，并累加求角度和，測(cè)得每秒平 均轉(zhuǎn)速(S106);最后，完成速度顯示和超速判斷(S107)。
權(quán)利要求一種非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括橫截面徑向上設(shè)有輔助標(biāo)志圖像(301)的被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)；非接觸地安裝在與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)橫截面平行的平面上以便獲取所述輔助標(biāo)志圖像(301)的攝像頭(103)；以及通過(guò)USB數(shù)據(jù)線(102)連接在所述攝像頭(103)上并包括圖像處理模塊(202)和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)以便計(jì)算相鄰兩幀輔助標(biāo)志圖像(301)之間的夾角從而得到平均轉(zhuǎn)速的PC計(jì)算機(jī)(101)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像頭(103)為具 備USB2. 0接口、圖像捕捉速率為15 35幀/秒、30萬(wàn)像素以上的CMOS通用攝像頭。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助標(biāo)志圖像 (301)是區(qū)別于所述被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)的橫截面底色的反色長(zhǎng)矩形或直線段圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊 (203)包括將輔助標(biāo)志圖像轉(zhuǎn)化為特征矢量(303)的特征矢量提取模塊(2031)和用于獲取 相鄰兩幀之間特征矢量(303)夾角的角度識(shí)別模塊(2032)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括連接 在所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)上的轉(zhuǎn)速顯示模塊(204)和超速報(bào)警模塊(205)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理模塊 (202)采用Hough算法進(jìn)行圖像處理，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)基于特征矢量運(yùn)算進(jìn)行轉(zhuǎn)速
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述被測(cè) 旋轉(zhuǎn)體(104)的轉(zhuǎn)速范圍為0 2100轉(zhuǎn)/分鐘。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括橫截面徑向上設(shè)有輔助標(biāo)志圖像(301)的被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)；非接觸地安裝在與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體(104)橫截面平行的平面上以便獲取所述輔助標(biāo)志圖像(301)的攝像頭(103)；以及通過(guò)USB數(shù)據(jù)線(102)連接在所述攝像頭(103)上并包括圖像處理模塊(202)和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊(203)以便計(jì)算相鄰兩幀輔助標(biāo)志圖像(301)間的夾角從而得到平均轉(zhuǎn)速的PC計(jì)算機(jī)(101)。
文檔編號(hào)G01P3/38GK201489014SQ20092006619
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者佘利忠, 蘭浩, 彭可, 彭年香, 徐孟龍, 李仲陽(yáng) 申請(qǐng)人:湖南師范大學(xué)