水準標尺全自動檢定裝置的研制

歐陽柏添 鄧潔虹

摘要：為解決水準標尺檢定過程中人工檢定效率低、過程易出錯、數(shù)據(jù)可信度低等問題，設計水準標尺全自動檢定系統(tǒng)框架，從硬件系統(tǒng)搭建、自動控制系統(tǒng)設計、檢定數(shù)據(jù)智能識別系統(tǒng)開發(fā)等方面研制具有檢定距離與初始位置自動調(diào)節(jié)、檢定數(shù)據(jù)智能識別等功能的水準標尺全自動智能檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大提升檢定效率、減少勞動成本、降低出錯概率，實現(xiàn)水準標尺檢定過程的自動化與智能化。

關鍵詞：水準標尺檢定;自動控制;智能識別;智能檢定

中圖分類號：P204? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0181-04

Development of Full-Automatic Verification Device for Levelling Staff

OUYANG Baitian，DENG Jiehong

（Guangdong Jiangmen Supervision Testing Institute of Quality & Metrology，Jiangmen? 529000，China）

Abstract：In order to solve the problems of low manual verification efficiency，error prone process and low data reliability in the verification process of leveling staff，the full-automatic verification system framework of leveling staff is designed. From the aspects of hardware system construction，automatic control system design and verification data intelligent identification system development，a full-automatic intelligent verification system for leveling staff with the functions of automatic adjustment of verification distance and initial position，and intelligent identification of verification data is developed. The system can greatly improve the verification efficiency，reduce the labor cost，reduce the error probability，and realize the automation and intelligence of the verification process of leveling staff.

Keywords：leveling staff verification;automatic control;intelligent identification;intelligent verification

收稿日期：2021-03-09

0? 引? 言

水準標尺廣泛用于大地測量、建筑測量、野外測繪等。隨著城鎮(zhèn)化進程不斷推進，公共基礎設施和住宅建筑等基建迅猛發(fā)展，對水準測量質(zhì)量要求越來越高，對水準標尺的測量需求也越來越大。同時水準標尺是測定高差的長度標準，如果水準標尺的長度有誤差，則對水準測量的觀測結(jié)果帶來系統(tǒng)誤差影響。如何能夠高效率、高精度實現(xiàn)水準標尺的檢定已經(jīng)迫在眉睫?；谌绱舜髷?shù)量、高精度的水準標尺檢定需求，未來水準標尺檢定系統(tǒng)必然要往自動化、智能化、高精度、可靠性強的方向發(fā)展。

目前國內(nèi)外針對不同應用對象檢定裝置的研究都朝著自動化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，如照度計自動化檢定裝置、鋼卷尺全自動檢定裝置等。但關于水準標尺自動檢定裝置的研究機構很少，能查到的國內(nèi)對水準標尺自動化檢定裝置研究的單位目前主要有國家光電測距儀檢測中心和鄭州測繪學院，他們的研究內(nèi)容只針對因瓦尺單一類型，然而各類型的普通水準標尺在日常使用中數(shù)量巨大，檢定工作量大，因此研制水準標尺全自動檢定裝置（以下簡稱水準尺檢定裝置）具有重要意義。

1? 水準尺檢定裝置框架

水準尺檢定裝置的基本原理如圖1所示，其檢定流程為：

（1）用專門的夾具安裝、固定并調(diào)整好被檢水準標尺。

（2）電子顯微鏡采集被檢水準標尺的線紋的圖像信息。

（3）系統(tǒng)處理所采集的圖像信息并根據(jù)JJG 8-1991《水準標尺檢定規(guī)程》的要求計算相關數(shù)據(jù)，作出被檢水準尺是否合格的判定。

為實現(xiàn)水準尺檢定過程的自動化與智能化，本文提出基于機器視覺檢測技術的水準尺檢定系統(tǒng)研制的總體方案，如圖2所示。

本方案主要包含3方面內(nèi)容：

（1）水準尺檢定裝置硬件設計。

（2）位移自動控制系統(tǒng)開發(fā)。

（3）水準尺檢定數(shù)據(jù)視覺檢測及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)。

2? 水準尺檢定裝置關鍵構架分析

2.1? 水準尺檢定裝置硬件設計

水準尺檢定裝置硬件部分主要包括高精度直線運動平臺（大理石基座、高精度直線導軌）、磁懸浮直線電機驅(qū)動系統(tǒng)、機器視覺圖像識別系統(tǒng)三大模塊。

在5.3 m長的大理石基座（要求其直線度達到1級精度以上）上安裝高精度直線導軌和高精度的光柵尺，完成運動平臺的搭建，配合磁懸浮電機驅(qū)動系統(tǒng)，采用機器視覺圖像識別系統(tǒng)對水準尺線紋圖像進行采集完畢后，系統(tǒng)再分析所采集到數(shù)據(jù)與光柵反饋位置信號的數(shù)據(jù)進行比較，可得出被檢水準尺是否合格。

水準尺檢定裝置機械結(jié)構如圖3所示，電子顯微鏡（即工業(yè)數(shù)字相機）、顯微鏡、待檢水準尺、直線電機系統(tǒng)、線性導軌和光柵尺測量系統(tǒng)安裝于大理石基座上，其中待檢的水準尺固定不變，電子顯微鏡安裝在相機三維調(diào)節(jié)支架上，通過直線電機系統(tǒng)和光柵尺測量系統(tǒng)實現(xiàn)水準尺線紋圖形讀取。為準確讀取水準尺線紋圖像，首先水準尺的安裝固定位置應滿足圖3中所示的安裝方式;其次電子顯微鏡安裝位置也應滿足在運動過程中能夠在短時間內(nèi)抓拍清晰的線紋圖像，特別是當水準尺的線紋不在一個平面上，同時底平面也不在同一平面上的這種特殊情況時。

上述檢定過程中，通過直線電機系統(tǒng)控制，實現(xiàn)上位機對直線電機方向和速度的調(diào)控，讓電子顯微鏡采集水準尺不同位置的線紋圖像，通過與光柵尺的示值進行比較，得到水準尺各檢定點的示值誤差。

2.2? 水準尺檢定裝置位移自動控制系統(tǒng)開發(fā)

水準尺檢定裝置的位移自動控制系統(tǒng)由直線電機驅(qū)動系統(tǒng)和光柵尺位置反饋系統(tǒng)組成。水準尺檢定裝置的位移自動控制原理如圖4所示，包括水準尺檢定位置自動控制和光柵尺光柵信號自動控制兩部分。自動控制流程為：上位機通過RS232通信向直線電機驅(qū)動器發(fā)送指令;驅(qū)動器根據(jù)指令，驅(qū)動直線電機系統(tǒng)中的動子滑塊按指令要求的步距、速度、加速度和方向等要求移動，位移的具體位置和定位精度由光柵尺測量系統(tǒng)實時反饋。

上述流程中，通過直線電機驅(qū)動器和光柵尺位置反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)上位機對直線電機運動方向、速度、步距和加速度的調(diào)控，達到水準尺檢定裝置精確定位自動調(diào)節(jié)的目的。

2.3? 水準尺檢定數(shù)據(jù)視覺檢測及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)

水準尺檢定數(shù)據(jù)視覺檢測及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)由檢定數(shù)據(jù)自動讀取系統(tǒng)、檢定數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)組成。水準尺示值的檢定數(shù)據(jù)自動讀數(shù)系統(tǒng)原理如圖5所示，通過電子顯微鏡拍攝待檢水準標尺示值圖像;通過USB數(shù)據(jù)線上傳至上位機，上位機根據(jù)電子顯微鏡所攝圖像識別待檢水準尺線紋值。

水準尺檢定數(shù)據(jù)視覺檢測及記錄數(shù)據(jù)管理軟件設計。水準尺示值的檢定數(shù)據(jù)視覺檢測功能由檢定數(shù)據(jù)自動讀取系統(tǒng)完成，系統(tǒng)硬件構成如圖5所示。

為得到清晰、可靠、特征明顯的被測對象圖像，需要專門設計的視覺光源照射待檢水準尺表面，待檢水準尺的光學圖像通過顯微鏡頭成像在工業(yè)數(shù)字相機的CCD陣面上，工業(yè)數(shù)字相機通過USB數(shù)據(jù)線上傳轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像到上位機，上位機根據(jù)工業(yè)相機所攝圖像識別待檢刻線示值。

上位機軟件對刻線圖像的軟件處理過程為：

（1）平滑濾波。通過平滑濾波，有效抑制圖像采集時隨機噪聲干擾，保障識別的可靠性。

（2）圖像灰度化。將采集到的彩色圖像，進行灰度化預處理?；叶葓D像是R、G、B三個分量相同的一種特殊的彩色圖像，其一個像素點的變化范圍從黑到白為255種，所以在數(shù)字圖像處理中，為使后續(xù)圖像的計算量變得少一些，一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像?；叶葓D像的描述與彩色圖像一樣，仍然反映了整幅圖像整體和局部的色度和亮度等級的分布和特征。

（3）圖像二值化處理。圖像的二值化處理就是將圖像上的點的灰度置為0或255，也就是使整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。二值化一般采用OSTU分割法，將圖像中特征明顯的刻線部分部分分割出來，如圖6所示。

（4）圖像形態(tài)學處理。經(jīng)過二值化處理后的刻線圖像，還可能殘存二值化處理沒有分割掉的雜點，或者刻線的像素連接部分不理想（斷裂或空洞），對圖像進行形態(tài)學處理，腐蝕掉信息孤立的雜點，填補刻線像素之間的斷裂處或空洞部分，完善刻線的特征信息，便于后續(xù)刻線統(tǒng)計查找。

（5）圖像細化處理。進一步加快刻線查找速度，對圖像進行細化處理，使得圖像中只留有刻線的中心線。

（6）刻線長度、寬度特征提取。對圖像從左到右，從上到下進行像素掃描，按縱坐標統(tǒng)計像素數(shù)量。在縱向的投影中，各刻線像素會堆積成一個個有一定寬度，一定高度的像素堆。其中像素堆像素數(shù)量最大的就是被檢刻線，記錄下該刻線在刻線序列中的索引。繼續(xù)查找被檢刻線左側(cè)和右側(cè)刻線的位置。已知被檢刻線所在序列索引為i，那么左側(cè)刻線的索引為i-1，右側(cè)刻線的索引為i+1，則被檢刻線和左右兩側(cè)刻線的橫坐標像素位置都可知。

（7）圖像像素的當量計算。像素當量就是測量單位像素與實際長度單位之間的對應轉(zhuǎn)換關系，即確定圖像測量系統(tǒng)中每個像素代表的實際長度值，實際檢定時，被檢刻線與兩側(cè)刻線的像素橫坐標距離是A，對應1 mm（1 000 μm）刻線距離，則像素當量α=1 000/A。

（8）誤差值計算。在開始檢定時，將相機圖像中繪制的十字瞄準線對準被檢標尺的零刻線，然后直線電機動子移動標準位移量，相機十字瞄準線橫坐標與被檢刻線橫坐標必然產(chǎn)生像素差值N，則該刻線處的誤差值為δ=Nα。譬如：某像素橫坐標距離A=59，某個檢定點實際像素差值N=17，則該刻線處的誤差值為δ=Nα=17×1 000/59≈288（μm）

（9）待檢刻線示值誤差視覺讀數(shù)實驗。如圖7所示：被檢刻線讀數(shù)，軟件自動識別讀數(shù)分別是-0.288 mm和-0.700 mm，與人工肉眼估讀結(jié)果一致，視覺讀數(shù)結(jié)果真實、準確、可靠。

3? 結(jié)? 論

本文針對水準尺檢定領域普遍存在的自動化程度低、人工檢定效率低、人工檢定數(shù)據(jù)讀取與記錄易出錯等問題，設計水準尺檢定系統(tǒng)。從硬件系統(tǒng)搭建、自動控制系統(tǒng)設計、檢定數(shù)據(jù)智能識別等方面實現(xiàn)具有水準尺檢定距離自動調(diào)節(jié)、水準尺初始位置自動設置、水準尺示值智能檢定等功能的水準尺檢定裝置，最后通過待檢水準尺示值預測的實驗驗證該水準尺檢定裝置的可行性。

后續(xù)將研究待檢水準尺檢定數(shù)據(jù)存儲、異常數(shù)據(jù)檢測與處理，進一步提高水準尺檢定裝置的準確性。

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作者簡介：歐陽柏添（1976—），男，漢族，廣東江門人，總工程師，高級工程師，本科，主要研究方向：計量測試;鄧潔虹（1976—），女，漢族，廣東三水人，室主任，高級工程師，本科，主要研究方向：機電一體化。