CN101900548B

CN101900548B - 基于机器视觉的全方位倾斜传感器

Info

Publication number: CN101900548B
Application number: CN2010101100390A
Authority: CN
Inventors: 汤一平; 王颖; 汤晓燕; 俞立; 宋鉷
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: CN101900548A

Abstract

一种基于机器视觉的全方位倾斜传感器，包括全方位倾斜传感器外壳、LED照明光源、透明圆锥体容器、不透光液体、摄像头、嵌入式系统、电源和指南针，透明圆锥体容器是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器，容器中注入了容器体积的二分之一不透光液体；用机器视觉的方式对摄像头以正面体拍摄透明圆锥体容器的透光部分进行分析、判断和计算，得到被测物体的倾斜角度和倾斜方位角等测量参数；本发明提供了一种维护调整简单、测量精度高、测量范围广、制造成本低、实时性和安全可靠性强的基于机器视觉的全方位倾斜传感器。

Description

基于机器视觉的全方位倾斜传感器

技术领域

本发明涉及一种水平检测设备，属于物理学、数字图像处理技术、LED技术、嵌入式技术、网络通信技术、水平面可视化技术和机械设计技术在水平检测方面的应用，主要适用于桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域。

背景技术

目前水平仪主要可分为传统的水平仪、电子式的水平仪两种；传统的水平仪主要由载体、直条水平管组成。将水平仪放在被测量的物体表面，直条型水平管中的气泡将会跑到处于高水平位置的一端，从而显示物体的水平/倾斜状态。这种气泡型水平仪有以下几个不足之处：1)气泡型水平仪对温度很敏感，随着温度的升高，气泡长度发生变化，气泡管内腔的尺寸也同时发生变化，导致仪器测量误差增大；2)气泡型水平仪各工作面要在使用前需根据气泡的位置来判断水平仪的零位是否准确，而且无法全方位同时测量平面的水平度，难以得到倾斜的方位角；3)只能通过肉眼来观察水准气泡相对与零位的偏离程度，难以得到准确的倾斜角度数据。电子水平仪是测量物体倾斜方向和倾斜角度值的电子传感器。电子水平仪一般利用光电原理，以平静液体面为水平面，测量出物体偏离水平面方向和角度值并转换成数字信号传送给计算机或显示出来。电子水平仪的测量系统主要由机械结构、传感器、数据采集、微处理器、数码显示或输出5部分构成。电子水平仪根据所选择的传感器不同可分为位移式电子水平仪和激光式电子水平仪等，根据三点成一面的原理，测量点的数目必须在三个或三个以上，也就是说电子水平仪中所选择的传感器必须为三个或三个以上，同样数据采集接口也必须配备相同数目。目前的电子水平仪有以下几个不足之处：1)由于读入的数据是相对位移数据，与气泡型水平仪相比显得不太直观，不太容易发现电子水平仪的故障；2)采用的电子元器件和传感器多，不但会增加水平仪的成本，同时也会降低水平仪的可靠性；3)从动力学角度考虑，从检测对象发生倾斜到传感器检测到倾斜，由于电子水平仪中的机械结构存在，这必定会影响电子水平仪的动态检测指标；如果设计不当可能会造成读入的数据并非反映物体实际倾斜方向和倾斜角度值。

实用新型专利号为03222423.0发明了一种全方位数字式电子水平仪，该发明在水平仪框体的顶部均匀分布三个或三个以上的非接触式位移传感器，框体中央悬挂一个水平感应板，水平感应板下方吊一挂重，以保证水平感应板自然水平，同时，设置数据处理与显示系统，处理传感器发出的电信号。通过三个位移传感器可测出框体相对于水平感应板的倾角和倾斜的方位角，从而测出被测工件相对于水平面的倾角和倾斜方位。可将非接触位移传感器感应出来的电信号通过电平转换、A/D转换、光电隔离等处理转换为可供微处理器处理的数字信号，通过微处理器处理以数字显示的形式给出倾斜角度和倾斜的方位角。中国发明专利号为01137724.0发明了一种电子水平仪与电子水平仪标尺涉及一种将标尺图谱像变换为电信号，并对该信号作傅里叶变换，来实现对焦控制和异常检测功能的电子水平仪。上述标尺将第1、第2图谱和有时需要的第3图谱沿测长方向等间隔顺序排列，第1、与第2图谱的宽度变化周期不同，第3图谱则等宽。上述水平仪做成光电变换器接收望远镜光学系统来的光并将图谱变换为电信号，信号处理部对此信号作傅里叶变换后，进行对焦控制和异常检出。中国发明专利号为200810065105.X发明了一种可读取倾斜角度数值的水平仪，包括一个容器，所述容器嵌于一带刻度的载体内或嵌于一带刻度的载体之上且容器为透明体，还包括密封于容器内的指示液，当容器随带有刻度的载体一起倾斜时，容器内的指示液的液面保持水平状态，此时指示液的液面在带刻度的载体上所指示的刻度为带有刻度的载体倾斜的角度，即为被测物体的水平偏离量。本发明最佳实施例采用环行的液面显示读取装置，并配以倾斜刻度，就可以方便直观地读出被测面的倾斜角度，且不管倾斜角度有多大，均可以读出。中国发明专利号为200610005173.8发明了一种激光水平仪，其包括外壳、可转动地安装到所述外壳的摆体、和设置在所述摆体上的激光二极管组件。采用万向节组件将所述摆体可转动地安装到外壳。万向节组件包括连接到外壳的框、设置在所述框上的第一对轴承、通过该第一对轴承延伸的轴、设置在所述轴上并可转动地支撑摆体的主体、和设置在所述主体与摆体之间的第二对轴承，所述第一对轴承设置在第二对轴承的一侧。

船舶、舰艇上有许多设备需要实时并同时检测水平倾斜和水平倾斜方位角然后来控制船舶的水平状态，因此，对水平检测装置的质量性能要求极高。优良的水平检测装置应具有如下特性：

(1)分辨力高、检测范围广，需要全方位的水平检测。

(2)测量精度高，必须达到相关规范要求的测量误差。

(3)在恶劣外部环境的影响下(如：高温、高湿、沙尘、雷电等)能长期可靠工作。

(4)能同时测量倾斜角、倾斜方位角、倾斜角的变化率、倾斜方位角的变化率、甚至倾斜角的角速度的变化率(倾斜角的加速度)、倾斜方位角的角速度的变化率(倾斜方位角的加速度)。

(5)低功耗型。

(6)安装、调整简单方便。

(7)误差检定所需设备简单，现场检定操作简便易行。

发明内容

为了克服已有的电子水平仪的制造成本高、机构比较复杂、可视性和可维护性差、使用环境要求高、测量参数单一等的不足，本发明提供一种维护调整简单、测量精度高、测量范围广、制造成本低、实时性和安全可靠性强的基于机器视觉的全方位倾斜传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于机器视觉的全方位倾斜传感器，包括全方位倾斜传感器外壳、LED照明光源、透明圆锥体容器、不透光液体、摄像头、微处理器、电源和指南针，所述的电源与所述的照明光源和所述的嵌入式系统连接，所述的嵌入式系统与摄像头连接，所述的透明圆锥体容器是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器；所述的全方位倾斜传感器外壳中部固定着所述的透明圆锥体容器，上部固定着所述的LED照明光源，下部固定着所述的摄像头；所述的LED照明光源朝下正对着所述的透明圆锥体容器中心发出白色光，所述的摄像头朝上所述的透明圆锥体容器中心感应透过透明圆锥体容器后的透射光；

所述的全方位倾斜传感器外壳呈圆柱型，圆柱型有两个平面，其中一个平面内侧固定着LED光源，平面外侧固定着指南针；在另一个平面上固定着摄像头，且方向都向内；圆柱型的中部固定着透明圆锥体容器；全方位倾斜传感器外壳采用不透光的材料，圆柱型的内壁采用吸光性的材料；圆柱型的外壁上标有一条与圆柱型的轴线相平行的直线，将该直线作为方位角的始点；

所述的不透光液体注入到所述的透明圆锥体容器中，在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体的状态与全方位倾斜检测的水平倾斜角和倾斜方位角对应；当全方位倾斜传感器处于水平状态时，所述的照明光源由于受到在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体遮光作用，所述的摄像头无法接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器透射光；当全方位倾斜传感器处于倾斜状态时，所述的不透光液体在所述的透明圆锥体容器中发生流动维持水平状态，这时在所述的照明光源和所述的摄像头之间的所述的透明圆锥体容器有一部分区域处于非遮挡状态，所述的摄像头接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器部分透射光。

作为优选的一种方案：所述的不透光液体，根据动态检测需求选择不透光液体的粘度，对于在垂直方向存在作用力的情况，采用粘度系数高的不透光液体；对于高动态检测水平状态情况，采用用粘度系数低的不透光液体；对不透光液体，选择能很好吸收光的、没有腐蚀性、对温度不敏感、满足粘度范围的液体作为不透光液体。

进一步，所述的微处理器包括：

图像获取单元，用于读取从摄像头来的视频数据，主要包括系统初始化模块和图像读取模块；

系统初始化模块，用于读取存储在所述的系统数据存储单元中的一些系统数据，如透明圆锥体容器的半径R、透明圆锥体容器的圆锥角α、初始方位角β0、摄像头的分辨率、倾斜角θ与透光部分的宽度值δ的计算表等数据；初始方位角β0的确定是根据圆柱型的外壁上的直线与所获得的视频图像的X轴方向之间的夹角；

图像读取模块，用于读取从摄像头来的视频数据，并将其保存在动态存储单元内；

倾斜角与倾斜方位角检测单元，用于检测和计算被测物体的倾斜角θ与倾斜方位角β，主要包括倾斜方位角β检测模块、倾斜角θ检测模块和倾斜角θ和倾斜方位角β变化率计算模块；

倾斜方位角β检测模块，用于检测被测物体的倾斜方位；本发明中倾斜方位角的定义是从正北方向开始以顺时针方向用β角度值进行表示，在图像平面上的检测倾斜方位角是从X轴开始以顺时针方向用βx角度值进行表示；因此在倾斜方位角β与检测倾斜方位角βx之间存在着以下关系，如式(1)所示，

β＝βx+β0 (1)

式中：β为倾斜方位角，βx为检测倾斜方位角，β0为初始方位角；

初始方位角β0在全方位倾斜传感器出厂检测时根据圆柱型的外壁上的直线与所获得的视频图像的X轴方向之间的夹角来确定，并将初始方位角β0写入到系统数据存储单元中；

检测倾斜方位角βx是依据所获得图像中的透射光部分的几何形状来计算确定的，检测倾斜方位角是从X轴开始以顺时针方向用βx角度值进行表示；在被测物体发生倾斜状态时在透明圆锥体容器中的不透光液体在图像平面上的形状为半个园与半个椭圆的组合，椭圆的长轴等于园的半径，倾斜角与椭圆的短轴成函数关系，成像平面上的椭圆的短轴数据越小表明倾斜角度越大，而倾斜方位角则发生在椭圆短轴的负方向；这时在成像平面上将会出现月牙型的感光区域，椭圆短轴的角度位置必定会出现月牙型的中部，从成像图像上计算椭圆短轴的角度位置的计算方法如公式(2)所示，即从X轴开始以顺时针方向进行检索，具体算法如下：

步骤1：从X轴方向上引一条直线以图像的圆心为中心为直线顺时针旋转方向检索，如果在X轴方向上没有光亮像素的话，就从X轴开始以图像的圆心为中心为直线顺时针旋转方向检索，反之跳转到步骤3，如果旋转直线遇到的圆形外圈的像素是光亮像素，就确定为该旋转直线与X轴方向的夹角为β1；

步骤2：接着用旋转直线继续以图像的圆心为中心为直线顺时针旋转方向检索，如果旋转直线遇到的圆形外圈的像素是非光亮像素，前一个光亮像素的旋转直线与X轴方向的夹角为β2；然后跳转到步骤5，

步骤3：接着用旋转直线继续以图像的圆心为中心为直线顺时针旋转方向检索，如果旋转直线遇到的圆形外圈的像素是非光亮像素，前一个光亮像素的旋转直线与X轴方向的夹角为β2；

步骤4：接着用旋转直线继续以图像的圆心为中心为直线逆时针旋转方向检索，如果旋转直线遇到的圆形外圈的像素是非光亮像素，前一个光亮像素的旋转直线与X轴方向的夹角为β1；

步骤5：通过公式(2)计算椭圆短轴的角度βc，

βc＝(β1+β2)/2 (2)

而检测倾斜方位角βx必定出现在椭圆短轴的负向，倾斜方位角βx计算方法用公式(3)表示，

βx＝βc-π (3)

所述的倾斜角θ检测模块，用于检测被测物体的倾斜角；倾斜角θ可以通过公式(4)计算得到

θ＝ctg^-1[(R/δ-1)×ctg(α)] (4)

上式中，R为透明圆锥体容器的半径，α为透明圆锥体容器的圆锥角，δ为透光的月牙型的中部的宽度值，θ为倾斜角；

这里，透明圆锥体容器的半径R和透明圆锥体容器的圆锥角α从存储在系统数据存储单元中的系统数据中得到的，透光的月牙型的中部的宽度值δ是通过对图像的分析算法得到的，即通过成像图形中心点为放射线进行顺时针扫描，获得在轴心线方向上的最大透光值，具体算法如下：

根据公式(2)所得到的椭圆短轴的角度βc和图像的圆心为中心为直线穿越透光的月牙型，计算其透光的像素值；如果摄像头的分辨率为640×480、透明圆锥体容器的半径R为200mm、每个像素代表0.83mm，如果计算得到的透光像素值为5个像素，那么透光的月牙型的中部的宽度值δ为4.15mm；

倾斜角θ的分辨率与透明圆锥体容器的半径R和透明圆锥体容器的圆锥角α相关，根据公式(4)透明圆锥体容器的半径R越大倾斜角θ的分辨率越高，透明圆锥体容器的圆锥角α与倾斜角θ的分辨率成函数关系；一般来说，透明圆锥体容器的半径R是由摄像头的视觉范围确定，在本发明中透明圆锥体容器的半径R为200mm，在成像平面上占240个像素；透明圆锥体容器的圆锥角α要根据实际水平测量范围来选择，对于小的倾斜角θ具有较高的分辨率；根据实际检测精度的需要选择或者设计透明圆锥体容器的圆锥角α。

再进一步，所述的倾斜角θ和倾斜方位角β变化率计算模块，用于计算倾斜角速度、倾斜角加速度、倾斜方位角速度和倾斜方位角加速度；计算倾斜角θ和倾斜方位角β是建立在对图像的分析和处理的基础上的，摄像头获取图像是一个离散化的过程，采用每秒采集处理10帧图像，因此两帧图像处理间隔为Δt＝1/6秒，用公式(5)来计算倾斜角速度和倾斜方位角速度，

Δθ(t)＝(θ(t)-θ(t-1))/Δt (5)

Δβ(t)＝(β(t)-β(t-1))/Δt

式中，θ(t)为t帧时的倾斜角度，θ(t-1)为t-1帧时的倾斜角度，β(t)为t帧时的倾斜方位角度，β(t-1)为t-1帧时的倾斜方位角度，Δθ(t)为t帧时的倾斜角速度，Δβ(t)为t帧时的倾斜方位角速度；

同样道理用公式(6)来计算倾斜角加速度和倾斜方位角加速度，

Δ²θ(t)＝(Δθ(t)-Δθ(t-1))/Δt (6)

Δ²β(t)＝(Δβ(t)-Δβ(t-1))/Δt

式中，Δθ(t)为t帧时的倾斜角速度，Δθ(t-1)为t-1帧时的倾斜角速度，Δβ(t)为t帧时的倾斜方位角速度，Δβ(t-1)为t-1帧时的倾斜方位角速度，Δ²θ(t)为t帧时的倾斜角加速度，Δ²β(t)为t帧时的倾斜方位角加速度。

所述微处理器为三星S3C2410X为嵌入式微处理器，所述微处理器包括嵌入式Linux操作系统；

三星S3C2410X为嵌入式微处理器是基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，采用了叫做AMBA的新总线架构，S3C2410X内部的资源有内存管理单元MMU、系统管理器、各为16KB的指令和数据缓存、LCD控制器、NAND FLASHBoot Loader、3通道UART、4通道DMA、4个PWM时钟、1个内部时钟、8通道10为ADC、触摸屏接口、多媒体卡接口、I2C和I2S总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、SD主接口、2SPI接口、PLL时钟发生器以及通用I/O端口；

所述的三星S3C2410X为嵌入式微处理器内部包含一个叫MMU的内存管理单元，实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射，嵌入式系统的程序存放在ROM/FLASH中；

所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM；

SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用来运行操作系统和存储程序运行过程中所需要的数据，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量为32MB，用两片K4S561632C实现位扩展，使数据总线宽度为32bit。

所述的检测结果显示单元，用于实时显示被测物体水平倾斜角度和倾斜方位角度等测量结果；对于计算好的倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)、倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)、当前的系统时间t以及视频图像等数据提交给检测数据存储单元进行保存，同时加工成显示页面送交给检测结果显示单元进行显示；在显示页面上即有实时的视频图像，又有各种检测数据以及全方位倾斜传感器的系统参数，以便于使用者能直观的确认检测结果。

用于显示被测物体水平倾斜角度和倾斜方位角度等测量过程的变化曲线；由于保存在检测数据存储单元的检测结果数据是按照时间序列进行存储的，有时为了观察倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)、倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)的变化过程，使用者通过页面上的选择菜单)来显示倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)的变化曲线和倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)的变化曲线。

本发明的有益效果主要表现在：(1)分辨力高、检测范围广，实现了全方位的水平检测；(2)适应面广，测量精度和量程范围能定制；(3)在恶劣外部环境的影响下(如：高温、高湿、沙尘、雷电等)能长期可靠工作；(4)检测参数多，能同时测量倾斜角度、倾斜角速度、倾斜角加速度、倾斜方位角度、倾斜方位角速度、倾斜方位角加速度；(5)低功耗型；(6)具有远程访问能力，容易实现远程水平控制；(7)误差检定所需设备简单，现场检定操作简便易行；(8)人机界面友好，能将视频数据和检测数据同时显示在用户界面上，使得检测结果更直观、确认故障更容易。

附图说明

图1为基于机器视觉的全方位倾斜传感器的结构图。

图2为当被测物体发生倾斜时检测倾斜角度的示意图。

图3为检测倾斜方位角的示意图。

图4为不同圆锥角度构成的透明圆锥体容器示意图。

图5为计算倾斜角的示意图。

图6为基于机器视觉的全方位倾斜传感器的软件结构框图。

图7为初始方位角确认示意图。

图8为不同圆锥角情况下透光宽度与倾斜角的关系曲线。

图9为基于机器视觉的全方位倾斜传感器的人机用户界面。

图10为基于机器视觉的全方位倾斜传感器的嵌入式系统构成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图10，

一种基于机器视觉的全方位倾斜传感器，包括全方位倾斜传感器外壳1、LED照明光源2、透明圆锥体容器3、不透光液体4、摄像头5、嵌入式系统6、电源7和指南针8，所述的电源7给所述的照明光源2和所述的嵌入式系统6供电，所述的嵌入式系统6通过USB接口给所述的摄像头5供电，所述的透明圆锥体容器3是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器；所述的全方位倾斜传感器外壳1中部固定着所述的透明圆锥体容器3，上部固定着所述的LED照明光源2，下部固定着所述的摄像头5；所述的LED照明光源2朝下正对着所述的透明圆锥体容器3中心发出白色光，所述的摄像头5朝上所述的透明圆锥体容器3中心感应透过透明圆锥体容器3后的透射光，所述的摄像头5通过USB接口从所述的摄像头5中读取图像数据；如图1所示，当被测物体处于水平状态时，摄像头所拍摄到的是一个无光点的图像，9为摄像头的成像平面，10为拍摄的透明圆锥体容器部分的图像；

所述的不透光液体4注入到所述的透明圆锥体容器3中，在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体的状态将决定全方位倾斜检测的水平倾斜角和倾斜方位角；当全方位倾斜传感器处于水平状态时，所述的照明光源2由于受到在所述的透明圆锥体容器3中的所述的不透光液体4遮光作用，所述的摄像头5无法接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器3透射光，如附图1所示；当全方位倾斜传感器处于倾斜状态时，所述的不透光液体4在所述的透明圆锥体容器3中发生流动维持水平状态，这时在所述的照明光源2和所述的摄像头5之间的所述的透明圆锥体容器3有一部分区域处于非遮挡状态，如附图2所示，所述的摄像头5接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器3部分透射光；

所述的不透光液体，需要根据动态检测需求选择不透光液体的粘度，对于在垂直方向存在作用力的情况，就需要采用粘度系数高的不透光液体；对于高动态检测水平状态情况则希望采用粘度系数低的不透光液体；对不透光液体选择范围就更广，只要能很好吸收光的、没有腐蚀性、对温度不敏感、满足一定粘度范围的液体都能作为不透光液体；

所述的全方位倾斜传感器外壳，形状为圆柱型，圆柱型的两个平面，其中一个平面内侧固定着LED光源，平面外侧固定着指南针；在另一个平面上固定着摄像头，且方向都向内；圆柱型的中部固定着透明圆锥体容器；为了屏蔽外界光的干扰，全方位倾斜传感器外壳采用不透光的材料，圆柱型的内壁采用吸光性的材料，以避免在圆柱型内壁出现光的折射所产生的干扰光；圆柱型的外壁上标有一条与圆柱型的轴线相平行的直线，将该直线作为方位角的始点；使用全方位倾斜传感器时需要转动全方位倾斜传感器将指南针的指北的方向与该直线重合；

所述的嵌入式系统，包括嵌入式硬件和嵌入式软件，所述的嵌入式软件包括系统软件和用户软件，所述的用户软件包括图像获取单元、倾斜角与倾斜方位角检测单元、系统数据存储单元、检测数据存储单元和检测结果显示单元，如图6所示；

所述的图像获取单元，用于读取从摄像头来的视频数据，主要包括系统初始化模块和图像读取模块；

所述的系统初始化模块，用于读取存储在所述的系统数据存储单元中的一些系统数据，如透明圆锥体容器的半径R、透明圆锥体容器的圆锥角α、初始方位角β0、摄像头的分辨率、倾斜角θ与透光部分的宽度值δ的计算表等数据；初始方位角β0的确定是根据圆柱型的外壁上的直线与所获得的视频图像的X轴方向之间的夹角，如图7所示；

所述的图像读取模块，用于读取从摄像头来的视频数据，并将其保存在动态存储单元内；

所述的倾斜角与倾斜方位角检测单元，用于检测和计算被测物体的倾斜角θ与倾斜方位角β，主要包括倾斜方位角β检测模块、倾斜角θ检测模块和倾斜角θ和倾斜方位角β变化率计算模块；

所述的倾斜方位角β检测模块，用于检测被测物体的倾斜方位；本发明中倾斜方位角的定义是从正北方向开始以顺时针方向用β角度值进行表示，在图像平面上的检测倾斜方位角是从X轴开始以顺时针方向用βx角度值进行表示，如图3所示；因此在倾斜方位角β与检测倾斜方位角βx之间存在着以下关系，如式(1)所示，

β＝βx+β0 (1)

初始方位角β0在全方位倾斜传感器出厂检测时根据圆柱型的外壁上的直线与所获得的视频图像的X轴方向之间的夹角来确定，如图7所示，并将初始方位角β0写入到系统数据存储单元中；

检测倾斜方位角βx是依据所获得图像中的透射光部分的几何形状来计算确定的，如图3所示，检测倾斜方位角是从X轴开始以顺时针方向用βx角度值进行表示；根据物理学的原理，在被测物体发生倾斜时，不透光液体在透明圆锥体容器中发生流动维持水平状态，由于透明圆锥体容器是由两个相同大小的圆锥体构成的，流出某一个圆锥体的不透光液体量必定等于流入另一个圆锥体的不透光液体量，且水平面必定通过透明圆锥体容器的中心点，如图2所示，换句话说，倾斜状态下的不透光液体量水平面是围绕着Y轴进行旋转的；从摄像头拍摄的角度来看，原来没有发生倾斜状态时在透明圆锥体容器中的不透光液体在图像平面上的形状为一个园，在发生倾斜状态时在透明圆锥体容器中的不透光液体在图像平面上的形状为半个园与半个椭圆，椭圆的长轴等于园的半径，倾斜角与椭圆的短轴成函数关系，成像平面上的椭圆的短轴数据越小表明倾斜角度越大，而倾斜方位角则发生在椭圆短轴的负方向；这时在成像平面上将会出现月牙型的感光区域，椭圆短轴的角度位置必定会出现月牙型的中部，从成像图像上计算椭圆短轴的角度位置的计算方法如公式(2)所示，即从X轴开始以顺时针方向进行检索，具体算法如下：

步骤5：通过公式(2)计算椭圆短轴的角度βc，

βc＝(β1+β2)/2 (2)

βx＝βc-π (3)

所述的倾斜角θ检测模块，用于检测被测物体的倾斜角；如图2和图5所示，倾斜角θ可以通过公式(4)计算得到

θ＝ctg^-1[(R/δ-1)×ctg(α)] (4)

倾斜角θ的分辨率与透明圆锥体容器的半径R和透明圆锥体容器的圆锥角α相关，根据公式(4)透明圆锥体容器的半径R越大倾斜角θ的分辨率越高，透明圆锥体容器的圆锥角α与倾斜角θ的分辨率成函数关系；一般来说，透明圆锥体容器的半径R是由摄像头的视觉范围确定，在本发明中透明圆锥体容器的半径R为200mm，在成像平面上占240个像素；透明圆锥体容器的圆锥角α要根据实际水平测量范围来选择，图8是在透明圆锥体容器的半径R为200mm、圆锥角α分别为15°、30°、45°、60°和75°情况下，透光月牙型的中部的宽度值δ和倾斜角θ的曲线图；从图8中可以发现，在圆锥角α＝15°的情况下，对于小的倾斜角θ具有较高的分辨率；因此，要根据实际检测精度的需要选择或者设计透明圆锥体容器的圆锥角α；

所述的倾斜角θ和倾斜方位角β变化率计算模块，用于计算倾斜角速度、倾斜角加速度、倾斜方位角速度和倾斜方位角加速度；本发明计算倾斜角θ和倾斜方位角β是建立在对图像的分析和处理的基础上的，摄像头获取图像是一个离散化的过程，比如每秒获取25帧图像，而嵌入式系统处理图像也需要一定的时间，综合这些因素，在本发明中采用每秒采集处理10帧图像，因此两帧图像处理间隔为Δt＝1/6秒，用公式(5)来计算倾斜角速度和倾斜方位角速度，

Δθ(t)＝(θ(t)-θ(t-1))/Δt (5)

Δβ(t)＝(β(t)-β(t-1))/Δt

Δ²θ(t)＝(Δθ(t)-Δθ(t-1))/Δt (6)

Δ²β(t)＝(Δβ(t)-Δβ(t-1))/Δt

式中，Δθ(t)为t帧时的倾斜角速度，Δθ(t-1)为t-1帧时的倾斜角速度，Δβ(t)为t帧时的倾斜方位角速度，Δβ(t-1)为t-1帧时的倾斜方位角速度，Δ²θ(t)为t帧时的倾斜角加速度，Δ²β(t)为t帧时的倾斜方位角加速度；

对于计算好的倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)、倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)、当前的系统时间t以及视频图像等数据提交给检测数据存储单元进行保存，同时加工成显示页面送交给检测结果显示单元进行显示；显示页面如图9所示，在显示页面上即有实时的视频图像，又有各种检测数据以及全方位倾斜传感器的系统参数，以便于使用者能直观的确认检测结果；

进一步，保存在检测数据存储单元的检测结果数据是按照时间序列进行存储的，有时为了观察倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)、倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)的变化过程，使用者可以通过页面上(图9)的选择菜单(显示)来显示倾斜方位角度β(t)、倾斜方位角速度Δβ(t)、倾斜方位角加速度Δ²β(t)的变化曲线和倾斜角度θ(t)、倾斜角速度Δθ(t)、倾斜角加速度Δ²θ(t)的变化曲线；

所述的嵌入式硬件系统，具体选择三星S3C2410X为嵌入式微处理器，结合局域网技术，设计基于机器视觉的全方位倾斜传感器，实现视频数据采集和传输。嵌入式系统中包括了软件与硬件技术，其中嵌入式Linux软件是核心技术，它能实现视频服务器的功能。

所述的嵌入式微处理器S3C2410X是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，该处理器是为手持设备以及高性价比、低功耗微控制器而设计的。它采用了一种叫做AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)的新总线架构。S3C2410X内部的主要资源有内存管理单元MMU、系统管理器、各为16KB的指令和数据缓存、LCD控制器(STN& TFT)、NAND FLASH Boot Loader、3通道UART、4通道DMA、4个PWM时钟、1个内部时钟、8通道10为ADC、触摸屏接口、多媒体卡接口、I2C和I2S总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、SD主接口、2SPI接口、PLL时钟发生器以及通用I/O端口等，如图10所示。

所述的嵌入式微处理器S3C2410X内部包含一个叫MMU的内存管理单元，可以实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射。通常嵌入式系统的程序存放在ROM/FLASH中，系统断电后程序能够得到保存，但ROM/FLASH与SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系统中通常把异常中断向量表存放在RAM中，利用内存映射机构可以解决这种需要。

所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM。它可进行10万次的编程/擦除，数据保存长达10年，被用来装载操作系统镜像和大容量的数据。

所述的SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用来运行操作系统和存储程序运行过程中所需要的数据，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量为32MB。用两片K4S561632C实现位扩展，使数据总线宽度为32bit。

所述的嵌入式软件系统主要包括操作系统、TCP/IP协议的移植、驱动程序的安装以及用户应用程序的编写等。

本发明中采用了Linux作为嵌入式操作系统，Linux是从UNIX发展而来，继承了UNIX大多数的优点，Linux公开的内核源代码使得它成为目前最流行的操作系统，并且Linux可以从应用出发裁剪其硬件软件，这对面向基于机器视觉的全方位倾斜传感器这种特殊需要来说十分必要，这里我们将其称为定制操作系统，定制步骤如下：(1)编写板基支持包BSP；(2)裁剪和配置操作系统的各个部件，并修改相应的配置文件；(3)编译Kernel、组件和BSP，生成操作系统镜像文件；(4)将镜像文件下载到目标板上，进行调试。

进一步，视频信息是要通过TCP/IP协议经局域网以数据打包、发送的方式来进行传输的，因此要在操作系统支持下实现TCP/IP协议，就需要进行任务划分，可以将TCP/IP的实现划分为4个任务来实现：①IP任务，主要用来解决IP分片的重组；②TCP输入任务，主要用来处理接收到的TCP报文段；③TCP输出任务，主要用来将要输出的数据打包、发送；④TCP定时器任务，主要用来为各种时延事件(如重发事件)提供时钟。

更进一步，基于机器视觉的全方位倾斜传感器中需要有两个USB接口，其中一个USB接口是将摄像头与S3C2410X进行连接，另一个USB接口是将网卡与S3C2410X进行连接，由于S3C2410X自带USB主从接口，不需要专门的USB芯片支持，只要对其安装驱动程序即可进行USB传输数据。

所述的USB驱动程序包含如下几个部分：(1)创建设备，创建设备函数带两个参数调用，一个参数是指向驱动程序对象的指针，另一个参数是指向物理设备对象的指针；(2)关闭设备；(3)读取设备数据，当客户应用程序有读取设备数据的要求时，系统将此要求以IRP_MJ_READ的IRP形式传递给功能驱动程序，由设备的D12Meter_Read程序执行，然后再由D12Meter_Read指定USB总线驱动程序直接与设备实现信息交互；(4)对设备写入数据，当客户应用程序有写设备数据的要求时，系统将此要求以IRP_MJ_WRITE的IRP形式传递给功能驱动程序，并由D12Meter_Write执行，然后再由D12Meter_Write指定USB总线驱动程序直接与设备实现信息交互。USB驱动程序通过安装文件(.inf文件)中PID(产品鉴别号)和VID(厂商鉴别号)鉴别USB设备。

当嵌入式操作系统装载完成后，就可以安装网卡的驱动程序和其他相应的应用程序。将网卡的驱动程序作为一个模块打包到操作系统中，可避免系统掉电后每次都要重装网卡驱动程序。

基于机器视觉的全方位倾斜传感器具备网络通信能力，只要连接在网络上的设备都能通过网络接口访问存储在检测结果存储单元内的检测数据。

所述的摄像头为带有USB接口CMOS摄像头。

Claims

1.一种基于机器视觉的全方位倾斜传感器，其特征在于：包括全方位倾斜传感器外壳、LED照明光源、透明圆锥体容器、不透光液体、摄像头、嵌入式系统、电源和指南针，所述的电源与所述的LED照明光源和嵌入式系统连接，所述的嵌入式系统与摄像头连接，所述的透明圆锥体容器是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器；所述的全方位倾斜传感器外壳中部固定着所述的透明圆锥体容器，上部固定着所述的LED照明光源，下部固定着所述的摄像头；所述的LED照明光源朝下正对着所述的透明圆锥体容器中心发出白色光，所述的摄像头朝上接受所述的透明圆锥体容器中心感应透过透明圆锥体容器后的透射光；

所述嵌入式系统，包括嵌入式硬件和嵌入式软件，所述的嵌入式硬件具体选择三星S3C2410X为嵌入式微处理器，所述嵌入式微处理器包括嵌入式Linux操作系统；

三星S3C2410X嵌入式微处理器是基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，采用了叫做AMBA的新总线架构，S3C2410X内部的资源有内存管理单元MMU、系统管理器、各为16KB的指令和数据缓存、LCD控制器、NAND FLASHBoot Loader、3通道UART、4通道DMA、4个PWM时钟、1个内部时钟、8通道10位ADC、触摸屏接口、多媒体卡接口、I2C和I2S总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、SD主接口、2个SPI接口、PLL时钟发生器以及通用I/O端口；

所述的三星S3C2410X嵌入式微处理器内部包含一个叫MMU的内存管理单元，实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射，嵌入式系统的程序存放在ROM/FLASH中；

所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM；

所述的全方位倾斜传感器外壳呈圆柱型，圆柱型有两个平面，其中一个平面内侧固定着LED照明光源，平面外侧固定着指南针；在另一个平面上固定着摄像头，且方向都向内；圆柱型的中部固定着透明圆锥体容器；全方位倾斜传感器外壳采用不透光的材料，圆柱型的内壁采用吸光性的材料；圆柱型的外壁上标有一条与圆柱型的轴线相平行的直线，将该直线作为倾斜方位角的始点；

所述的不透光液体注入到所述的透明圆锥体容器中，在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体的状态与全方位水平检测的水平倾斜角和倾斜方位角对应；当全方位倾斜传感器处于水平状态时，所述的LED照明光源由于受到在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体遮光作用，所述的摄像头无法接收到从所述的LED照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器透射光；当全方位倾斜传感器处于倾斜状态时，所述的不透光液体在所述的透明圆锥体容器中发生流动维持水平状态，这时在所述的LED照明光源和所述的摄像头之间的所述的透明圆锥体容器有一部分区域处于非遮挡状态，所述的摄像头接收到从所述的LED照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器部分透射光。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的全方位倾斜传感器，其特征在于：所述的不透光液体，根据动态检测需求选择不透光液体的粘度，对于在垂直方向存在作用力的情况，采用粘度系数高的不透光液体；对于高动态检测水平状态情况，采用用粘度系数低的不透光液体；对不透光液体，选择能很好吸收光的、没有腐蚀性、对温度不敏感、满足粘度范围的液体作为不透光液体。