擺動物體周期測量的裝置及方法
2023-04-30 00:23:41 1
專利名稱：擺動物體周期測量的裝置及方法
技術領域：
本發明是一種涉及周期測量的裝置及方法，尤其是一種測量擺動物體周期的裝置及方法。
背景技術：
目前，公知的擺動物體周期測量裝置，其擺動檢測裝置是由光源和光電轉換器件組成，當擺動物體在光源和光電轉換器件之間通過時，光電轉換器件產生一個電脈衝，是一種間斷和離散測量方式，電脈衝通過數據線傳到數據處理裝置，經計算後得到擺動周期。但是，有時待測的擺動物體不方便或不能在其前後分別放置光源和光電轉換器件，如大型的擺動物體和後方沒有放置光源或光電轉換器件支架的空間位置。公知的擺動物體周期測量裝置是以脈衝計數來計算周期的，其測量只是對擺動特定位置的檢測，不能連續實時檢測擺動的各個位置，因此檢測不到外界對擺動的擾動影響，無法探知擺動物體是否做正常擺動，也無法給出擺動曲線，如果擺動出現異常，無法在檢測結束後離線分析被檢測物體的擺動情況。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術中的缺點，提供一種不僅能測量公知方法能測量的擺動物體的擺動周期，而且能測量出複雜環境擺動物體的擺動周期，給出實時擺動曲線，並保存擺動情況數據，供對擺動情況的離線分析使用。
為了解決上述存在的技術問題，本發明採用下述技術方案擺動檢測裝置採用二維攝像裝置，它能連續實時探測到二維平面內物體擺動的位置，數據處理裝置採用數字處理器，它能將擺動檢測裝置獲得的數據進行所需的加工處理，擺動檢測裝置和數據處理裝置由數據傳輸線相連。
所述的擺動檢測裝置使用CMOS攝像頭，所述的數據處理裝置使用個人計算機，所述的數據傳輸線使用USB接口的數據傳輸線。
擺動檢測方法採用數字圖像處理技術，首先將擺動物體從靜止背景中檢測出來，消除背景；其次搜索定位擺動物體，計算出擺動物體的坐標值，繪製擺動曲線；然後判斷擺動物體擺動的位移極大值位置，並計算周期；最後保存擺動情況的數據，供離線分析擺動情況使用。
所述的將擺動物體從靜止背景中檢測出來使用三幅圖像消除背景方法，所述的物體搜索定位使用向量匹配算法，所述的判斷擺動位移極大值位置的方法採用相鄰三點極大值判斷方法。
本發明擺動物體的周期測量裝置及方法與現有技術相比教有如下有益效果1.使用二維數字攝像裝置，接收物體反射或發出的光，因此不需要公知檢測裝置中的測量光源部分，簡化了結構，能測量光源不易放置的擺動物體的擺動；2.二維數字攝像裝置可以採集擺動物體的二維實時信息，為數據加工處理裝置提供更多的信息，過去的間斷和離散測量方式，要在累計3至30次擺動周期結束後，才給出一個累積的時間和平均擺動周期，要對於多個測量累積的時間和平均擺動周期的相差數值比較來衡量擺動物體的周期波動性，進而估計出擺動物體的機械加工精度和現在的磨損狀況，而本發明能實時連續觀察到擺動的不均勻性，對於單個和相鄰的以及整體的擺動的幅度和周期的波動，都能立即從顯示的振動曲線上觀察到，尤其是振動曲線上的每個振幅最大值變化十分鮮明；3.數據加工處理裝置使用數據處理功能強大的個人計算機，採用數字圖像處理技術，實時獲取物體擺動曲線，計算擺動周期，並方便將結果數據保存起來供離線分析使用。
圖1是本發明實施例的結構原理圖；圖2是實施例中待測擺動物體；圖3是搜索定位擺動物體所用匹配矩陣；圖4是使用本方法的軟體界面。
圖中待測物體機械節拍器1 攝像頭2 USB傳輸線3 個人計算機4 節拍器固定支架及靜止背景5 節拍器擺速調節塊6節拍器擺動杆7 搜索定位匹配矩陣8 擺動監視原始窗口9擺動檢測顯示窗口10 參數設定窗口11 周期和擺動曲線顯示窗口12
具體實施例方式
下面結合附圖和實施方式對本發明做進一步的描述。
在圖1中，攝像頭2將拍攝到的機械節拍器1的正面圖像信息數位化後，經過USB傳輸線3送到個人計算機4中進行數據處理。個人計算機使用軟體來實現本發明中的算法。
軟體的設計和工作原理如下圖4是Windows作業系統下的軟體界面，界面分成4部分9是擺動監視原始窗口，用來顯示攝像頭實時拍攝的節拍器圖像；10是擺動檢測顯示窗口，用來顯示對節拍器擺速調節塊6的跟蹤檢測結果圖像，圖中與圖像其他區域顏色有區別的區域塊12是實時顯示的檢測到的節拍器擺速調節塊6的位置；11是參數設定窗口，用於設置和控制測量過程中的參數；12是周期和擺動曲線顯示窗口。
本實施例中擺動檢測過程如下(1)靜止背景的消除及擺動部分的圖像信息提取採集兩幅時間上相鄰且靠近左位移極大值位置的圖像，再採集一幅靠近右位移極大值位置的圖像，將前兩幅圖像對應象素進行相減得到新的圖像1，此圖像除前兩幅圖像有差異的象素外，其餘象素為零，即兩幅圖像的運動區象素值不為零；將圖像1不為零的象素用第三幅圖相應位置的象素替換，得到背景圖像信息。將背景圖像信息保存起來，對以後每幅由攝像頭實時採集回的圖像進行減背景處理，再對所得的圖像象素進行二值化處理，即絕對值大於50的象素置為255(白色)，小於等於50的象素置為0(黑色)，這樣就得到了擺動過程圖像中運動部分的瞬時圖像信息，如圖4的10。
(2)對單幅圖像中擺的位置進行搜索定位本實施例以節拍器擺速調節塊6為搜索定位對象。圖2中的周期調節塊具有近似正方形的形狀，並且經二值化後象素值大部分為255，因此設置卷積用矩陣核為圖3中的8。矩陣的寬度和高度與節拍器擺速調節塊6的寬度和高度相近，比擺動杆的寬度寬，這樣避免錯誤的檢測到擺杆，準確檢測出節拍器擺速調節塊6的位置。使用矩陣核8對整幅圖像做卷積處理，在卷積計算過程中同時對卷積最大值的位置進行記錄，並在卷積完畢後將最大值附近9×9大小區域的象素置為黃色。卷積過程是以卷積核的中心元素作為卷積中心，所以該黃色區域即近似為節拍器擺速調節塊6的位置。同時用位置信息在周期和擺動曲線顯示窗口12中繪製擺動曲線。
(3)連續擺動過程中位移極大值位置的確定和周期的計算在上一處理過程中，節拍器擺速調節塊6的位置已經被探測並記錄下來。本發明利用三幅圖像來進行節拍器擺速調節塊6的位移最大值的檢測和判斷，其原理和過程如下設X1、X2、X3分別為本幀、前一幀、前兩幀圖像中節拍器擺速調節塊6的水平坐標位置，如果滿足X2＞X3並且X2＞X1，則可以判定X2是擺動過程中右端位移極大值的水平坐標。同理，如果滿足X2＜X3並且X2＜X1，則可以判定X2是擺動過程中左端位移極大值的水平坐標。
記錄下第1次和第11次節拍器擺速調節塊6處於左位移極大值的時間，計算出擺動周期的平均值，顯示在周期和擺動曲線顯示窗口12中。最後將所得的數據以文件的形式保存起來。本發明裝置中的攝像頭採集頻率為20幀/秒，算法採用10個周期取平均值求平均周期，檢測精度為0.01秒。如果提高攝像頭的採集頻率和求平均周期用的周期個數，可以提高檢測精度。
權利要求
1.一種擺動物體周期測量裝置，包括擺動檢測裝置、數據處理裝置和連接兩部分的數據傳輸線，其特徵是，所述擺動檢測裝置採用二維攝像裝置，它能實時探測到二維平面內物體擺動的位置，所述數據處理裝置採用數字處理器，它能將擺動檢測裝置獲得的數據進行所需的加工處理，所述擺動檢測裝置和數據處理裝置由數據傳輸線相連。
2.根據權利要求1所述的擺動物體周期測量裝置，其特徵是，所述的擺動檢測裝置使用CMOS攝像頭。
3.根據權利要求1所述的擺動物體周期測量裝置，其特徵是，所述的數據處理裝置使用個人計算機。
4.根據權利要求1所述的擺動物體周期測量裝置，其特徵是，所述的數據處理裝置可以記錄下擺動數據，提供擺動情況的離線分析數據。
5.根據權利要求1所述的擺動物體周期測量裝置，其特徵是，所述的數據處理裝置可以實時顯示擺動曲線，監視擺動情況。
6.根據權利要求1所述的擺動物體周期測量裝置，其特徵是，所述的數據傳輸線使用USB接口的數據傳輸線。
7.一種擺動物體周期測量方法，包括對擺動物體擺動的探測和周期的計算，其特徵是，採用數字圖像處理技術，首先將擺動物體從靜止背景中檢測出來；然後搜索定位擺動物體，計算出擺動物體的坐標值，繪製擺動曲線；最後判斷擺動物體擺動的位移極大值位置，並計算周期。
8.根據權利要求7所述的擺動物體周期測量方法，其特徵是，所述的將擺動物體從靜止背景中檢測出來使用三幅圖像消除背景方法。
9.根據權利要求7所述的擺動物體周期測量方法，其特徵是，所述的物體搜索定位使用向量匹配算法。
10.根據權利要求7所述的擺動物體周期測量方法，其特徵是，所述的判斷擺動位移極大值位置的方法採用相鄰三點極大值判斷方法。
全文摘要
本發明公開了一種新的擺動物體周期測量的裝置及方法，利用本發明可以對大型擺動物體和不適合在後面安裝檢測光源的擺動物體進行周期測量，並且在測量擺動周期的同時給出擺動曲線，實時監控擺動過程，記錄保存擺動過程數據，供測量結束後離線分析擺動情況本發明通過如下技術予以實現用攝像裝置連續實時的拍攝擺動物體，將數位化圖像信息通過USB數據線傳送到個人計算機，個人計算機對圖像進行消除背景擺動檢測定位判斷擺動位移極大值位置等處理，計算出擺動物體的擺動周期，在屏幕中繪製出擺動曲線，並將數據保存，供對擺動情況的離線研究分析用。
文檔編號G01C11/00GK1801007SQ200510100158
公開日2006年7月12日 申請日期2005年10月10日 優先權日2005年10月10日
發明者薄利軍, 利莉, 鄭貫天, 鄭衛東, 鄭瓊 申請人:鄭貫天