基于圖像智能識(shí)別技術(shù)的拉力計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)

王 毅 徐煒東

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明 650051)

1 引 言

管型測(cè)力計(jì)、機(jī)械式拉力表等測(cè)力設(shè)備的檢定是按照《JJG445-2000工作測(cè)力儀檢定規(guī)程》[1]的要求進(jìn)行的。按照檢定規(guī)程中所述，測(cè)力儀根據(jù)靜力效應(yīng)原理工作，其結(jié)構(gòu)形式不受限制，但均須有確定的力作用點(diǎn)、受力方向及示值顯示裝置。根據(jù)檢定器具控制要求中所述，按照測(cè)力儀的規(guī)格分別選用相應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力砝碼、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力杠桿、材料試驗(yàn)機(jī)或標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)作為檢定測(cè)力儀的力標(biāo)準(zhǔn)器。因各設(shè)備的測(cè)量結(jié)構(gòu)和原理不同，自動(dòng)化程度也不同，數(shù)據(jù)采集、處理方法也不盡相同。比如，測(cè)力儀顯示為指針標(biāo)尺式或游標(biāo)式指示結(jié)構(gòu)，操作者一般通過人眼判斷讀取并記錄，進(jìn)行人工數(shù)據(jù)處理并錄入到計(jì)算機(jī)相應(yīng)界面。上述情況必將造成計(jì)量檢定工作的效率較低，尤其在被檢設(shè)備數(shù)量較大時(shí)，效果更加明顯。在人工智能領(lǐng)域中，各種圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如人臉識(shí)別、指紋識(shí)別和車牌識(shí)別等。因此，圖像識(shí)別技術(shù)也完全可以應(yīng)用在計(jì)量檢定中的標(biāo)尺和游標(biāo)識(shí)別，從而使計(jì)量檢定過程實(shí)現(xiàn)完全的閉環(huán)控制，提高計(jì)量檢定過程的自動(dòng)化水平。

2 系統(tǒng)構(gòu)建及設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和數(shù)據(jù)采集兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)按功能分包括：傳感器掛架機(jī)構(gòu)、加載機(jī)、定向滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作平臺(tái)等。數(shù)據(jù)采集包括：標(biāo)準(zhǔn)傳感器、信號(hào)放大處理器、數(shù)據(jù)通訊線纜和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 結(jié)構(gòu)原理

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)加載方式，配合標(biāo)準(zhǔn)傳感器掛架，定向滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作平臺(tái)等構(gòu)成綜合加載系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)選用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。蝸輪蝸桿升降機(jī)輸入軸為雙向連接，其中一端可以連接手動(dòng)轉(zhuǎn)輪，另一端可以連接電機(jī)。被測(cè)設(shè)備掛架上端安裝標(biāo)準(zhǔn)傳感器，標(biāo)準(zhǔn)傳感器下部掛鉤吊鉤被測(cè)設(shè)備，被測(cè)設(shè)備下部掛鉤連接蝸輪蝸桿升降機(jī)的連接機(jī)構(gòu)。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic

如圖1所示，升降機(jī)安裝在操作平臺(tái)上，操作手輪旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)使絲桿向下平移，將負(fù)載加載到被測(cè)拉力計(jì)上，標(biāo)準(zhǔn)拉力傳感器懸掛在頂架上，傳感器下部掛鉤懸掛被測(cè)拉力計(jì)，傳感器輸出信號(hào)即為拉力計(jì)加載信號(hào)。

被檢的彈簧測(cè)力計(jì)結(jié)構(gòu)包括：帶有刻度尺的外套筒、帶有游標(biāo)的內(nèi)彈簧和上下掛鉤等元件組成。外力加載時(shí)，彈簧拉伸并帶動(dòng)游標(biāo)在滑槽內(nèi)移動(dòng)，游標(biāo)與外部套筒上的標(biāo)尺產(chǎn)生位移，拉力讀取時(shí)，游標(biāo)指針對(duì)準(zhǔn)標(biāo)尺刻度位置，即為拉力計(jì)讀數(shù)。

2.2 加載控制

加載過程是通過升降機(jī)輸入軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲桿下移；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲桿上移。設(shè)計(jì)選型計(jì)算時(shí)，選擇傳動(dòng)比為1∶5，輸入功率0.37kW，提升力1000kg，輸入轉(zhuǎn)速300r/min，起升速度0.3m/min。經(jīng)比對(duì)計(jì)算，輸入軸每轉(zhuǎn)360°時(shí)，絲桿提升1mm。輸入軸每轉(zhuǎn)10°時(shí)，絲桿提升0.0278mm。該分辨率基本可以滿足系統(tǒng)要求。分辨率太高時(shí)，絲桿升降將變得緩慢，影響工作效率。假設(shè)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速(3～4)r/s，即絲桿上升/下降(3～4)mm，可以滿足工作效率要求。

升降機(jī)雙側(cè)輸入軸，一端可以安裝手輪，另一端可以安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在掛載被測(cè)設(shè)備時(shí)，加載前的絲桿行程是無效行程，絲桿運(yùn)動(dòng)需要快速到位。此過程采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)無疑是最合適的選擇。絲桿到達(dá)加載位置時(shí)，采用模擬手動(dòng)加載的步進(jìn)電機(jī)程序控制加載或手動(dòng)加載。

2.3 數(shù)據(jù)采集

軟件設(shè)計(jì)按功能可分為系統(tǒng)通訊、步進(jìn)電機(jī)控制、標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)采集、圖像智能識(shí)別、數(shù)據(jù)處理和測(cè)量數(shù)據(jù)保存、輸出等部分。

數(shù)據(jù)采集軟件通過RS232接口連接標(biāo)準(zhǔn)傳感器。測(cè)力計(jì)加載后，標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)。被檢測(cè)力計(jì)讀數(shù)通過上位機(jī)圖像智能識(shí)別軟件程序讀取，然后在上位機(jī)數(shù)據(jù)記錄界面顯示并在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫保存。標(biāo)準(zhǔn)傳感器力值數(shù)據(jù)由信號(hào)變送器和通訊接口直接錄入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的專用測(cè)量軟件數(shù)據(jù)庫并顯示在軟件界面上。根據(jù)檢定規(guī)程的要求，生成數(shù)據(jù)記錄文檔。均值等計(jì)算數(shù)據(jù)由軟件自動(dòng)計(jì)算并保存。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)由測(cè)量專用軟件處理并自動(dòng)添加到檢定證書標(biāo)準(zhǔn)格式中。其它管理數(shù)據(jù)和衍生計(jì)算數(shù)據(jù)由軟件計(jì)算后顯示到界面并實(shí)時(shí)保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

3 控制原理

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)信號(hào)由上位計(jì)算機(jī)控制模塊發(fā)出，包括快速步進(jìn)、單步、定數(shù)步進(jìn)、正反轉(zhuǎn)等控制方式。

上位機(jī)配置信號(hào)輸出模塊，將控制信號(hào)送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)負(fù)責(zé)加載，將力加載到被測(cè)彈簧測(cè)力計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)傳感器將加載力信號(hào)送至信號(hào)變送器處理并傳送至上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接口。被測(cè)彈簧測(cè)力計(jì)受加載力后，游標(biāo)產(chǎn)生一定位移，攝像設(shè)備實(shí)時(shí)拍攝游標(biāo)移動(dòng)圖片，上傳到計(jì)算機(jī)，經(jīng)圖像處理軟件進(jìn)行識(shí)別處理，獲取游標(biāo)移動(dòng)的位置，即為測(cè)力計(jì)讀數(shù)信息?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 控制原理圖Fig.2 Control schematic

未使用測(cè)力計(jì)讀數(shù)圖像智能識(shí)別技術(shù)時(shí)，被測(cè)設(shè)備示值讀數(shù)由操作人員讀取，然后人工錄入到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊。整個(gè)檢測(cè)過程中，人工讀取數(shù)據(jù)并錄入是唯一的非自動(dòng)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。測(cè)力計(jì)讀數(shù)采用圖像智能識(shí)別可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、處理，提高檢定系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

4 讀數(shù)智能識(shí)別

圖像識(shí)別的基本過程包括：(1)信息獲取。通過傳感設(shè)備，將光影或聲音等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。信息表述為二維的圖象，也可以是波形圖及物理量與邏輯值。(2)預(yù)處理。如A/D轉(zhuǎn)換，圖像二值化、平滑、變換、濾波等圖象處理[2～4]。(3)特征的抽取和選擇[5]。例如，一幅(30×100)px的圖象可以得到3000個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，在測(cè)量空間的數(shù)據(jù)矩陣數(shù)據(jù)通過變換獲得在特征空間最能反映分類本質(zhì)的特征。(4)分類器功能設(shè)計(jì)[6,7]。分類器功能設(shè)計(jì)的主要作用是通過訓(xùn)練確定判決規(guī)則，使之判決規(guī)則分類時(shí)，出錯(cuò)率最低。(5)分類決策過程。在特征空間矩陣中對(duì)被識(shí)別對(duì)象特征進(jìn)行分類。目前有很多圖像識(shí)別的方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，概率統(tǒng)計(jì)識(shí)別等。離散型的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶的功能[8,9]，利用這一功能識(shí)別圖像可以取得令人滿意的效果。

4.1 設(shè)計(jì)思路

在測(cè)力計(jì)智能識(shí)別過程中，標(biāo)尺刻度實(shí)際上的作用是靜態(tài)背景圖像和數(shù)據(jù)。采集的圖像經(jīng)二值化等處理，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的圖像矩陣。標(biāo)尺刻度產(chǎn)生的圖像是由有規(guī)律的長(zhǎng)線條、中長(zhǎng)線條和短線條組成的，兩個(gè)長(zhǎng)線條之間分10格，中間用一條中長(zhǎng)線條分隔，兩個(gè)長(zhǎng)線條表述為20kg，兩個(gè)短線條之間表述為2kg。測(cè)力計(jì)量程為100kg時(shí)，算上端線共有6格長(zhǎng)線條、5條中長(zhǎng)線條和40個(gè)短線條組成全量程圖像，50個(gè)最小分辨率格。在圖像特征抽取和處理后，假設(shè)目測(cè)分辨率為10px/格、每條刻度線所占像素為1時(shí)，圖像特征數(shù)據(jù)矩陣的長(zhǎng)度x=501?？紤]到兩端冗余和游標(biāo)位置信息，實(shí)際矩陣長(zhǎng)度x1=650。選取矩陣寬度y=90即可完整顯示圖像。

圖3 測(cè)力計(jì)圖像Fig.3 Dynamometer image

對(duì)圖3中測(cè)力計(jì)圖像進(jìn)行二值化處理，在其中截取游標(biāo)特征圖像作為位置比對(duì)樣板。游標(biāo)二值化圖像大小為(133×50)px，根據(jù)幾何對(duì)稱關(guān)系計(jì)算游標(biāo)指示端點(diǎn)位置，即中間位置在矩陣的第67列。圖像大小為(650×90)px。根據(jù)該端點(diǎn)所在刻度背景矩陣中位置與標(biāo)尺刻度比對(duì)，判斷拉力值。

設(shè)計(jì)數(shù)字點(diǎn)陣時(shí)，圖像空白部分用-1表示，黑色部分用1表示，將測(cè)力計(jì)二值化圖像矩陣設(shè)計(jì)并保存。

在MATLAB開發(fā)環(huán)境下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為Hopfield網(wǎng)絡(luò)提供了工具函數(shù)。如newhop()函數(shù)，該函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)離散型Hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)用格式為net=newhop(T),T是具有Q個(gè)目標(biāo)向量的R×Q的矩陣(元素必須為-1或1)；net為生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有在T中的向量上穩(wěn)定的點(diǎn)。

將采集的測(cè)力計(jì)圖像經(jīng)二值化處理，生成由1或-1組成的數(shù)字點(diǎn)陣輸入到創(chuàng)建好的Hopfiled網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸出與該數(shù)字點(diǎn)陣最為接近的目標(biāo)向量，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)想記憶功能。經(jīng)識(shí)別的測(cè)力計(jì)圖像結(jié)果保存在對(duì)應(yīng)的矩陣，用于游標(biāo)位置識(shí)別計(jì)算。

4.2 游標(biāo)位置識(shí)別

在實(shí)際測(cè)量過程中，游標(biāo)位置隨加載的力值變化而變化。因此，需要根據(jù)測(cè)力計(jì)游標(biāo)二值化后形成的特征矩陣與測(cè)力計(jì)刻度背景矩陣中的游標(biāo)所在區(qū)域進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，才能確定游標(biāo)實(shí)際所在位置，從而分析計(jì)算當(dāng)前圖像顯示的力值。

設(shè)作為標(biāo)準(zhǔn)的游標(biāo)矩陣為A(133×50)，測(cè)力計(jì)背景圖像矩陣C(650×90)內(nèi)包含的游標(biāo)矩陣B(133×50)。采用列增量法進(jìn)行特征矩陣比對(duì)，在測(cè)力計(jì)背景圖像矩陣C中的第i=1列開始，取C的子集B，與游標(biāo)特征矩陣A比較，將比較結(jié)果保存。每次比較加1，i≤650時(shí)結(jié)束，產(chǎn)生650個(gè)比對(duì)數(shù)據(jù)。

矩陣比對(duì)采用用matlab自帶的函數(shù)corr2(A,B)求矩陣的相關(guān)系數(shù)。

(1)

式中：r——相關(guān)系數(shù)；m——矩陣行數(shù)；n——矩陣列數(shù)；A——矩陣A；B——矩陣B。

相關(guān)系數(shù)r在[0,1]內(nèi)，越接近1越相關(guān)。在

650個(gè)數(shù)據(jù)中排序，取最大值，即為游標(biāo)目標(biāo)位置。特征矩陣B的第67列即為拉力計(jì)讀數(shù)所處位置。在背景刻度線上的讀數(shù)計(jì)算公式：

y=(k-8)/5 8≤k≤508

(2)

式中：y——量程100kg拉力計(jì)的實(shí)際拉力值；k——背景刻度矩陣的像素所在列位置。

4.3 技術(shù)指標(biāo)及加載圓整值4.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍：(0～1000)N；測(cè)量精度：示值的±0.2%以內(nèi)(0.2級(jí))；試驗(yàn)速度：(0～300)mm/min；

位移精度：示值的±0.2%以內(nèi)；有效試驗(yàn)行程：300mm。

4.3.2加載圓整值說明

按照《JJG 445-2000工作測(cè)力儀檢定規(guī)程》[1]的要求，測(cè)力儀示值檢定時(shí)，測(cè)力儀至少檢定5個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)大致均勻分布，一般檢定測(cè)量上限的20%、40%、60%、80%和100%共5個(gè)點(diǎn)。按圖3所示測(cè)力計(jì)為例，準(zhǔn)確度級(jí)別(FS)為2.0的彈簧拉力計(jì)，計(jì)算所測(cè)點(diǎn)數(shù)分別為20N、40N、60N、80N和100N共5個(gè)點(diǎn)。在加載力值時(shí)，則需要系統(tǒng)精度調(diào)節(jié)高于±2.0 %FS，即在取整的5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)值時(shí)，取小數(shù)點(diǎn)后1位即可滿足要求。按文中2.2節(jié)所述，精確加載圓整值時(shí)，選擇手輪微調(diào)加載，輸入軸每轉(zhuǎn)10度時(shí)，絲桿提升0.0278mm。假設(shè)彈簧拉力計(jì)游標(biāo)行程120mm，對(duì)應(yīng)(0～100)N的力值。輸入軸每轉(zhuǎn)10度時(shí)，對(duì)應(yīng)0.0232N的力值變化。假定輸入軸分辨力為1度時(shí)，測(cè)量分辨力即為0.00232%。該分辨力下可以有效地對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)在0.2級(jí)以下的加載力值圓整輸出。

5 結(jié)束語

研制測(cè)力計(jì)自動(dòng)檢定裝置首先是力值傳感器的選擇，因?yàn)閭鞲衅鞯暮脡臎Q定了試驗(yàn)機(jī)的精度和測(cè)力穩(wěn)定性。其次就是升降拉力機(jī)運(yùn)動(dòng)加載部件滾珠絲杠的設(shè)計(jì)，如果絲桿間隙過大，將直接影響試驗(yàn)的最大變形和伸長(zhǎng)率。再次就是升降拉力機(jī)的動(dòng)力源電機(jī)的選擇，采用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，控制方式采用全數(shù)字脈沖控制，調(diào)速范圍廣，控制定位準(zhǔn)確，反應(yīng)快，能保證滿量程速度及位置控制準(zhǔn)確。最后就是測(cè)控系統(tǒng)，采用圖像智能識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別拉力計(jì)讀數(shù)并上傳至上位機(jī)，替代人工讀數(shù)和數(shù)據(jù)手工錄入。由標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器、步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制和圖像識(shí)別拉力計(jì)讀數(shù)共同構(gòu)成測(cè)量自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拉力計(jì)快速自動(dòng)化檢定。存在的問題是因步進(jìn)電機(jī)的功率限制，本系統(tǒng)測(cè)力范圍具有一定的局限性，不能適合大力值的拉力計(jì)檢定。