CN102033499A - 液滴体积自动控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液滴体积自动控制系统及其方法，通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，所述的图像采集模块包括：CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于在对模拟视频流进行解码、同步分离之后，将数字液滴图像信号传送至图像处理模块；所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的t_i时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控制模块；所述的控制模块首先根据图像处理模块计算得到每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，再采用PID控制算法计算得到液滴的注入量。

Description

液滴体积自动控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及液滴体积的测量和控制，特别涉及一种液滴体积自动控制系统及其方法。

背景技术

目前采用的方法是手动控制，控制方法是：在液滴上方安装一个高差计，操作者通过读取高差计的测量结果来推断液滴的蒸发量，然后操作注液器，向液滴中补充与蒸发量同等的液体，以此保持液滴的体积不变。此种方法需要人工操作，控制精度差，且不能长时间保持液滴体积不变。

发明内容

本发明的目的是提供一种液滴体积的自动控制系统和自动控制方法，以对液体体积进行有效的自动控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种液滴体积的自动控制系统，其特征在于，该装置通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其包括：图像采集模块、图像处理模块和控制模块；

如图1和图2所示，所述的图像采集模块包括：CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式或其它制式的模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于在对PAL制式或其它制式的模拟视频流进行解码、同步分离之后，将分离得到的数字液滴图像信号传送至图像处理模块；

所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的t_i时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到t_i时刻液滴图像的轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控制模块；

所述的控制模块包括：控制器和注液器，首先根据图像处理模块计算得到液滴的初始时刻的体积作为目标体积，由控制器计算每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，再进一步采用PID控制算法计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向液滴中注入液体；

所述的控制器采用单片机、DPS处理器或PC机。

通过控制算法(PID算法)计算出液滴的补充量，控制注液器向液滴中注入液体(注入量为前述的补充量)，以此维持液滴的体积不变。也就是说，当液滴的蒸发量和注入量相等时，液滴的体积就保持不变。

所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到t_i时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径D_i，i＝1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的横截面积A_i得到液滴的体积V：

$V=\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i^2\mathrm{\ΔH}---\left(1\right).$

由公式(1)计算得到t_i时刻液滴的体积V_i后，与目标体积V相减，得到体积的变化量ΔV_i。根据自动控制理论中的PID控制算法，可得到液滴的注入量U_i：

U_i＝U_i-1+ΔU_i

                                                (2)

ΔU_i＝P(Δe_i+Ie_i+DΔ²e_i)

上式(2)中，U_i是t_i时刻液滴的注入量，U_i-1是t_i-1时刻液滴的注入量，ΔU_i是t_i时刻液滴注入量的变化量；e_i＝V-V_i是目标体积与t_i时刻液滴体积之差；Δe_i＝e_i-e_i-1是t_i时刻液滴体积之差的差；Δ²e_i＝Δe_i-Δe_i-1是t_i时刻液滴体积的二次差；是控制周期与积分系数的比；

是微分系数与控制周期的比。

所述的图像处理模块还包括有一轮廓线获取单元，用于获得清晰的液滴外部轮廓线；

所述的轮廓线获取单元利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择阈值，去除噪声干扰，并通过对二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。

实际应用中，所述的液滴体积控制系统还包括一上位机显示模块，用于接收图像处理模块传送到计算机中的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显示图像处理模块传送来的液滴体积。

为实现上述的另一目的，本发明还提供了一种液滴体积自动控制方法，该方法通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其步骤包括：

1)通过CCD摄像头对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式或其它制式的模拟视频流传送到图像采集卡；并由所述的图像采集卡对PAL制式或其它制式的模拟视频流进行解码、同步分离之后，得到数字液滴图像信号；

2)通过图像处理模块对每隔Δt时间间隔的t_i时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到t_i时刻液滴图像的轮廓线；

3)通过图像处理模块首先计算出液滴的初始时刻t_i，i＝0，的体积作为目标体积，计算得到每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，采用PID控制算法进一步计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向液滴中注入液体。

所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到的t_i时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径D_i，i＝1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加横截面积A_i得到液滴的体积V：

$V=\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i^2\mathrm{\ΔH}---\left(1\right)$

由公式(1)计算得到t_i时刻液滴的体积V_i，最后，经过与目标体积的比较，利用PID控制算法计算出液滴的注入量，以保持液滴的体积不变。

U_i＝U_i-1+ΔU_i

                                                    (2)

ΔU_i＝P(Δe_i+Ie_i+DΔ²e_i)

上式(2)中U_i是t_i时刻液滴的注入量，U_i-1是t_i-1时刻液滴的注入量，ΔU_i是t_i时刻液滴注入量的变化量；e_i＝V-V_i是目标体积与t_i时刻液滴体积之差；Δe_i＝e_i-e_i-1是t_i时刻液滴体积之差的差；Δ²e_i＝Δe_i-Δe_i-1是t_i时刻液滴体积的二次差；

是控制周期与积分系数的比；

是微分系数与控制周期的比。

还包括一上位机显示的步骤，上位机接收图像处理模块传送的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显示液滴体积。

所述的步骤2)具体包括：首先，利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；再通过对二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。

本发明的优点在于，本发明结合了图像处理的特点，依靠图像处理手段获得液滴体积的精确数值，同时利用DSP(或其他计算机系统)的强大数据处理能力，能够在1秒钟之内给出一次液滴体积的计算值，当液滴的蒸发量和注入量相等时，实现液滴的体积保持不变。该方法可在控制过程中排除人工干预，实现全自动化的控制过程，获得高控制精度的结果。使用本发明中的方法，可长时间保持液滴体积不变，并且具有比人工控制更高的控制精度。

附图说明

图1是本发明液滴体积控制系统的原理示意图；

图2是本发明液滴体积控制系统的结构框图；

图3是一个实验中的水滴的图像预处理过程的示意图；

其中，图3(a)是采集获得的图像，图3(b)是Sobel算子处理后的图像，图3(c)是阈值后的二值图像，图3(d)是经过了连通区域标记算法处理后的目标区域，图3(e)是提取目标区域的每行最左边和最右边像素点的轮廓线；

图4是本发明液滴体积控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图4所示，图像采集模块获得液滴的图像之后，由图像处理模块对其进行处理。首先利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，这些区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后域值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；通过对二值图的连通区域标记算法处理，可以将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后进行外围边缘线提取。

图3是一个实验中的水滴的处理过程，其中，图3(a)是采集获得的图像，图3(b)是Sobel算子处理后的图像，图3(c)是阈值后的二值图像，图3(d)是经过了连通区域标记算法处理后的目标区域，图3(e)是提取目标区域的每行最左边和最右边像素点的轮廓线。

有了图像处理的基础，能够直接从液滴的图像计算出液滴的体积，根据液滴体积与目标体积之差，可以得到液滴的补充量，控制注液器向液滴中注入液体，可保持液滴的体积不变。

由轮廓拟合得到的液滴轮廓，很容易得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径D_i，i＝1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的横截面积A_i可以得到液滴的体积V：

$V=\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i^2\mathrm{\ΔH}---\left(1\right)$

由公式(1)计算得到t_i时刻液滴的体积V_i，最后，经过与目标体积的比较，利用PID控制算法计算出液滴的注入量，以保持液滴的体积不变。

U_i＝U_i-1+ΔU_i

                                                (2)

ΔU_i＝P(Δe_i+Ie_i+DΔ²e_i)

上式(2)中，U_i是t_i时刻液滴的注入量，U_i-1是t_i-1时刻液滴的注入量，ΔU_i是i时刻液滴注入量的变化量；e_i＝V-V_i是目标体积与t_i时刻液滴体积之差；Δe_i＝e_i-e_i-1是t_i时刻液滴体积之差的差；Δ²e_i＝Δe_i-Δe_i-1是t_i时刻液滴体积的二次差；

是控制周期与积分系数的比；

是微分系数与控制周期的比。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种液滴体积自动控制系统，其特征在于，该装置通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其包括：图像采集模块、图像处理模块和控制模块；

所述的图像采集模块包括：CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于在对模拟视频流进行解码、同步分离之后，将分离得到的数字液滴图像信号传送至图像处理模块；

所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的t_i时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到t_i时刻液滴图像的轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控制模块；

所述的控制模块包括：控制器和注液器，首先根据图像处理模块计算得到液滴的初始时刻t_i，i＝0，的体积作为目标体积，由控制器计算每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，再进一步采用PID控制算法计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向液滴中注入液体；

所述的控制器采用单片机、DPS处理器或PC机。

2.根据权利要求1所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到t_i时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径D_i，i＝1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的横截面积A_i得到液滴的体积V：

$V=\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i^2\mathrm{\ΔH}---\left(1\right).$

3.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的图像处理模块还包括有一轮廓线获取单元，用于获得清晰的液滴外部轮廓线；

所述的轮廓线获取单元利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择阈值，去除噪声干扰，并通过对二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。

4.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，还包括一上位机显示模块，所述的上位机接收图像处理模块传送的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显示液滴体积。

5.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的得到液滴的注入量U_i的PID控制算法为：

U_i＝U_i-1+ΔU_i

                                          (2)

ΔU_i＝P(Δe_i+Ie_i+DΔ²e_i)

上式(2)中，U_i是t_i时刻液滴的注入量，U_i-1是t_i-1时刻液滴的注入量，ΔU_i是t_i时刻液滴注入量的变化量；e_i＝V-V_i是目标体积与t_i时刻液滴体积之差；Δe_i＝e_i-e_i-1是t_i时刻液滴体积之差的差；Δ²e_i＝Δe_i-Δe_i-1是t_i时刻液滴体积的二次差；是控制周期与积分系数的比；

是微分系数与控制周期的比。

6.一种液滴体积自动控制方法，该方法通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其步骤包括：

1)通过CCD摄像头对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频流传送到图像采集卡；并由所述的图像采集卡用于对模拟视频流进行解码、同步分离之后，得到数字液滴图像信号；

2)通过图像处理模块对每隔Δt时间间隔的t_i时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到t_i时刻液滴图像的轮廓线；

3)通过图像处理模块首先计算出液滴的初始时刻t_i，i＝0，的体积作为目标体积，计算得到每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，采用PID控制算法进一步计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向液滴中注入液体。

7.根据权利要求6所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，还包括一上位机显示的步骤，上位机接收图像处理模块传送的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显示液滴体积。

8.根据权利要求6所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到的t_i时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径D_i，i＝1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，

叠加圆台的横截面积A_i得到液滴的体积V：

$V=\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i^2\mathrm{\ΔH}---\left(1\right)$

由公式(1)计算得到t_i时刻液滴的体积V，再采用PID控制算法，计算出注液量，然后向液滴中注入液体。

9.根据权利要求6或8所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的PID控制算法得到液滴的注入量U_i的步骤包括：

U_i＝U_i-1+ΔU_i

                                                  (2)

ΔU_i＝P(Δe_i+Ie_i+DΔ²e_i)

上式(2)中U_i是t_i时刻液滴的注入量，U_i-1是t_i-1时刻液滴的注入量，ΔU_i是t_i时刻液滴注入量的变化量；e_i＝V-V_i是目标体积与t_i时刻液滴体积之差；Δe_i＝e_i-e_i-1是t_i时刻液滴体积之差的差；Δ²e_i＝Δe_i-Δe_i-1是t_i时刻液滴体积的二次差；

是控制周期与积分系数的比；

是微分系数与控制周期的比。

10.根据权利要求6或8所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括：

首先，利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；再通过对二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。

Images