指針式電學(xué)二表自動檢定系統(tǒng)研制

曾舒帆 李亞娟 朱自科 陳萬才 張自長 張穎超

摘要：針對指針式電學(xué)三表無法實現(xiàn)全自動檢定這一問題，該文設(shè)計并實現(xiàn)一套電學(xué)三表自動檢定系統(tǒng)，通過一系列自動控制機(jī)制實現(xiàn)自動檢定的硬件控制需求，提出應(yīng)用幀間差值剪影法、Hough變換以及閾值逐次逼近法實現(xiàn)的實時動態(tài)指針識別算法，將指針信息轉(zhuǎn)換為角度的方法可以滿足準(zhǔn)確快速的實時指針識別需求。建立的自動檢定系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢定方式，建立數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的處理，整體實現(xiàn)指針式儀表的全自動檢定，系統(tǒng)測試的綜合誤差優(yōu)于0.03%。

關(guān)鍵詞：指針式儀表;自動檢定;幀間差值剪影法;Hough變換;閾值逐次逼近法

中圖分類號：TP274.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0104-05

0引言

指針式儀表應(yīng)用十分廣泛，因此國內(nèi)外一直都在持續(xù)對指針式儀表的自動化檢定方法進(jìn)行研究。葡萄牙里斯本大學(xué)通過幀間圖像相減和Hough變換以及圖像變換法實現(xiàn)指針式儀表的自動檢定。美國韋恩州立大學(xué)應(yīng)用Hough變換計算指針旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)對固定表盤水表和百分表的自動檢定。韓國研究人員提出過采用閾值及區(qū)域劃分后進(jìn)行位置和角度投影的方法進(jìn)行自動測量。我國的研究人員提出了建立極坐標(biāo)系進(jìn)行角度對應(yīng)、Hough變換識別指針角度、提取圓心圓盤坐標(biāo)構(gòu)成三角形后進(jìn)行數(shù)學(xué)處理以及建立指針儀表數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對等方式進(jìn)行指針式儀表的自動測量。但是，上述研究多針對靜止的指針或者固定形態(tài)特征的表盤進(jìn)行分析，而電學(xué)三表檢定中主要的識別方式是動態(tài)實時識別指針，如何快速準(zhǔn)確地將指針信息反映到控制系統(tǒng)中是研究的關(guān)鍵，因此本文提出了針對動態(tài)指針的測試及識別系統(tǒng)。

1系統(tǒng)構(gòu)成原理

研制的自動檢定系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)以及自動圖像采集系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖l所示，其中測量系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)裝置的核心。

1.1測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由交直流標(biāo)準(zhǔn)表、自動量程切換器、直流穩(wěn)壓源以及交流音頻程控電源構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)表、自動量限切換器以及各信號源通過RS232接口根據(jù)制定的通信協(xié)議與主控計算機(jī)進(jìn)行信息交換。測量系統(tǒng)中9080A型交直流標(biāo)準(zhǔn)表是核心，針對被檢表可能達(dá)到的最高精度0.1%，其準(zhǔn)確度設(shè)定為0.01%，在檢定0.1級的表時引入的誤差僅有最大允許誤差的1/10，完全可以忽略不計。針對自動檢定讀數(shù)時需要信號源輸出穩(wěn)定，因此上述信號源設(shè)計穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%/min。針對自動檢定過程中需要精確調(diào)節(jié)輸出信號，信號源的調(diào)節(jié)細(xì)度均設(shè)計滿足0.01%x輸出量程。對于不同類型的被檢表需要使用不同的信號源配合標(biāo)準(zhǔn)表對應(yīng)的輸人量程，本文設(shè)計了自動量程切換器切換信號源功能，測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2自動圖像采集系統(tǒng)

自動圖像采集系統(tǒng)硬件主要由計算機(jī)、高分辨率工業(yè)CCD數(shù)字?jǐn)z像頭、三維可程控電動滑臺、LED環(huán)形光源、光源隔離腔體、通信接口、穩(wěn)壓電源等構(gòu)成，如圖3所示。

工業(yè)CCD數(shù)字?jǐn)z像頭用于將指針讀數(shù)信息轉(zhuǎn)換為圖片數(shù)據(jù)后通過控制軟件提取指針動態(tài)角度信息，最后將信息傳送至系統(tǒng)管理軟件，本文選用MV-500UC系列高分辨率工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像頭。

為滿足自動圖像采集系統(tǒng)對于光源光效能高、光通量穩(wěn)定、顯色性好、外界影響低的要求，保證采集的圖像背景和目標(biāo)邊界分明、圖像背景淡化均勻、圖像亮度適中，本文設(shè)計了LED環(huán)形光源作為檢定系統(tǒng)中的唯一光源，直流穩(wěn)壓電源供電提供穩(wěn)定的光照輸出環(huán)境，設(shè)計了光源隔離腔體將圖像采集部分與外界隔離消除外界光源不穩(wěn)定造成的波動影響。

由于指針式儀表相對于攝像頭的位置直接影響到識別的準(zhǔn)確度，因此本文設(shè)計了三維可程控電動滑臺用于精密調(diào)整被檢儀表相對于攝像頭的初始位置。針對暗腔腔體的尺寸設(shè)計了x軸方向行程為300mm、y軸方向行程為150mm、旋轉(zhuǎn)角度為360°的三維移動系統(tǒng);針對儀表相對位置調(diào)節(jié)細(xì)度的需求設(shè)計的滑臺水平移動細(xì)度為0.1mm，旋轉(zhuǎn)細(xì)度為0.1°。

1.3控制及管理系統(tǒng)

控制及管理系統(tǒng)由主控計算機(jī)和圖像分析軟件以及系統(tǒng)控制軟件構(gòu)成。圖像分析軟件運(yùn)用OpenCV庫中的算法擬合出指針對應(yīng)的曲線，并計算出該曲線的角度信息，從而計算出指針位置。系統(tǒng)控制軟件采用C++Builder6進(jìn)行開發(fā)，該開發(fā)環(huán)境屬于可視化快速開發(fā)工具，使程序員能夠?qū)⒕Ω嗉性谌鐢?shù)據(jù)處理、程序可靠性等方面?？刂萍肮芾硐到y(tǒng)通過USB以及RS232接口將所有硬件連接在一起，采集圖像數(shù)據(jù)以及控制硬件系統(tǒng)完成自動化檢定。

2指針識別算法

本文研究的電學(xué)三表表盤刻度是圓弧形，因此識別方法的核心是將指針?biāo)谖恢脤?yīng)圓弧區(qū)域的角度值計算出來與期望角度進(jìn)行比較。首先應(yīng)用幀間差值剪影法分割運(yùn)動的指針圖像將運(yùn)動中的指針軌跡識別出來;然后應(yīng)用Hough變換檢測并擬合直線，將直線的角度、長度信息提取出來;之后算法濾除不符合要求的直線，剩下的直線角度信息作為識別出的指針角度。

式中T是預(yù)先設(shè)定好的閾值。通過改變閾值保證能夠檢測出指針運(yùn)動的最小位移。提取指針直線邊緣點，使用最小中值二乘濾波算法濾除和指針直線不相關(guān)的雜點，存儲邊緣點信息。

Hough變換的基本原理是將影像空間中的曲線（包括直線）映射到參數(shù)空間中，通過檢測參數(shù)空間中的極值點，確定出該曲線的描述參數(shù)，從而提取影像中的規(guī)則曲線。首先采用極坐標(biāo)將直線描述出來：

p=XCOSθ+ysinθ（2）

其中p是原點到直線的垂直距離，θ是直線的斜率。直線上的不同點對應(yīng)參數(shù)空間中的不同正弦曲線，如果這些點在同一條直線上，則在參數(shù)空間中的曲線可相交于一點（p，θ）。

當(dāng)指針位置發(fā)生變化的時候，指針位置可以應(yīng)用上述方法識別，首先對圖像進(jìn)行二值化處理，將圖像轉(zhuǎn)換為二值化像素的圖像，使用幀間差值剪影分割出運(yùn)動指針圖像，濾除雜散點，應(yīng)用Hough檢測并擬合指針直線，提取直線角度信息用于下一步計算和判斷。控制每一幀圖像間的時間差距可以改變幀采樣速率，達(dá)到一定采樣速率可以保證響應(yīng)指針的微小變化;但是采樣速率過高也會導(dǎo)致過于靈敏，識別出不必要的直線。因此選取適當(dāng)?shù)膸g采樣速率可以達(dá)到預(yù)期的效果。

3表盤識別以及映射數(shù)據(jù)庫建立

開始自動檢定流程初期需要識別表盤信息并建立刻度對應(yīng)角度信息映射關(guān)系數(shù)據(jù)庫，在檢定開始后僅需要識別指針位置以及從數(shù)據(jù)庫中提取檢定點信息和映射的角度關(guān)系，這樣可以最大限度地降低運(yùn)算處理時間，提高動態(tài)識別的實時性。因此在自動識別初期，程序會自動遍歷數(shù)據(jù)庫，確定是否記錄過該類型儀表信息，如果記錄過則僅需要提取信息開始檢定過程;如果沒有該類新儀表信息，則需要對表盤信息進(jìn)行識別以及對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行映射并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

本文研究的電學(xué)三表表盤刻度是圓弧形，指針的旋轉(zhuǎn)支點為圓弧的圓心，可以將指針指向的位置信息映射為對應(yīng)該圓心位置的角度信息，所以儀表表盤圓心位置數(shù)據(jù)的提取，是圖像識別程序模塊最基本的部分。選用Hough變換檢測圓，根據(jù)圓的位置關(guān)系和篩選條件準(zhǔn)確計算出指針表圓弧所對應(yīng)的圓心位置。Hough變換識別表盤圓位置如圖4所示。

識別出圓心位置后，建立通過圓心位置長度略大于圓半徑的直線，相對于圓心旋轉(zhuǎn)直線，按照0.05°的掃描細(xì)度對有刻度部分表盤進(jìn)行掃描，如圖5所示。由圖5中間圖可以看出需要作為檢定點記錄進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的刻度線明顯長于其他刻度，因此在掃描的過程中僅需要判斷掃描線位于圖中虛線框部分是否檢測到刻度線邊緣;將直線對應(yīng)位置部分二值化結(jié)果進(jìn)行累加，當(dāng)累加值變化形態(tài)呈現(xiàn)圖5右圖所示正態(tài)分布變化規(guī)律，掃描過程中找到峰值點位置就是對應(yīng)的刻度線位置，記錄掃描線的角度并存人數(shù)據(jù)庫中作為該點的映射信息。重復(fù)上述步驟，直到所有刻度均掃描完畢。

4自動檢定流程

自動檢定流程如圖6所示，運(yùn)用Hough變換識別指針表圓盤并計算圓心位置，調(diào)整三維滑臺初始化被測儀表位置，程序啟動檢定線程讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中檢定點信息（檢定點信息為之前識別方式或手動記錄至儀表庫中），運(yùn)用幀間差值剪影法和Hough變換識別指針并計算當(dāng)前角度，根據(jù)角度對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)角度信息，粗調(diào)信號源并根據(jù)程序中設(shè)定的閾值判斷是否進(jìn)入細(xì)調(diào)區(qū)域，未進(jìn)入則繼續(xù)粗調(diào)直至進(jìn)入細(xì)調(diào)區(qū)域。根據(jù)設(shè)定的閾值信息角度誤差是否滿足記錄條件，不滿足則根據(jù)角度值調(diào)節(jié)直至滿足條件為止，滿足條件則計算并記錄數(shù)據(jù)并再次執(zhí)行此流程直至執(zhí)行到檢定點數(shù)據(jù)庫最后一條信息。

整個流程采用的是閾值逼近法，當(dāng)被測值滿足閾值條件時進(jìn)行下一步流程，不滿足閾值條件時，則控制信號源回退指針位置重新進(jìn)行逼近運(yùn)算逐漸逼近閾值，直至滿足閾值條件。

5測試及誤差分析

本文研制的是電學(xué)三表自動檢定系統(tǒng)，所以需要對自動檢定系統(tǒng)自動檢定以及手動檢定分別進(jìn)行比較實驗。選擇一塊D61型0.2級的指針式電流表，進(jìn)行誤差實驗、重復(fù)性實驗以及自動檢定可靠性實驗。

實驗一選擇有代表性的3個指針位置給定指針?biāo)鶎?yīng)的期望角度值，用自動檢定系統(tǒng)按照規(guī)程對檢定過程的要求讓指針逼近該角度，讀出最終角度值，結(jié)果如表1所示，角度誤差最大點出現(xiàn)在輸入電流為3A時，角度換算誤差為0.028%。

實驗二選取3個不同的指針位置，分別給定指針?biāo)鶎?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)角度值，按照自動檢定流程另指針逼近該位置，重復(fù)上述步驟10次記錄結(jié)果并計算重復(fù)性誤差，實驗結(jié)果如表2以及圖7所示。從結(jié)果可以看出，誤差波動誤差可以忽略不計，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差值優(yōu)于最大允許誤差的1/10，測試結(jié)果具有較好的重復(fù)性。

實驗三使用常規(guī)人為手動檢定方法以及自動檢定系統(tǒng)分別對同一被測對象進(jìn)行測量，記錄結(jié)果。分析比較兩組結(jié)果之間的誤差，結(jié)果如表3以及圖8所示，最大誤差為0.15格，換算為引用誤差僅為0.0015%，兩組檢定結(jié)果具有較好的一致性。

6結(jié)束語

本文提出并實現(xiàn)了一套基于機(jī)器視覺原理的電學(xué)三表自動檢定系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件包括交直流標(biāo)準(zhǔn)表、信號源、自動量程切換器、三維程控滑臺、CCD工業(yè)攝像頭、光源隔離暗腔等，自動識別算法運(yùn)用了幀間差值剪影法和Hough變換相結(jié)合的動態(tài)指針識別算法，之后應(yīng)用閾值逐次逼近法保證指針位置的準(zhǔn)確性。自動識別系統(tǒng)在對0.2級儀表進(jìn)行測試的過程中引入的系統(tǒng)綜合誤差優(yōu)于0.029%，滿足自動檢定的需求。