CN103791891B - 一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置及方法，包括高速摄像机、光学成像系统的镜面、被试电器、两个被试电器运动部分的被测面、计算机系统，灯光照明系统，将高速摄像机、光学成像系统的镜面和二个被试电器运动部分的被测面相结合，对电器的可动部分的两个可视面在一台摄像机图像平面上同时清晰成像，进行动态拍摄，利用图像处理方法获得电器可动部分的三维动态特性曲线。该测试方法与装置可实现电器运动部分三维动态特性测试，测试过程简单，测试精度高，不需要经过标定板制作，相机标定，公式换算等一系列繁琐的过程。

Description

一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置及方法，属于电器动态测试领域。
背景技术
开关电器是重要的电工设备，电器技术水平与产品性能质量对电力系统运行的可靠性至关重要，电器的运动部件的动态特性对电器的性能起着决定性作用。受测试方法的限制，目前对电器运动部件的动态特性测试是一维或二维的，通常只对电器运动部件的主运动方向进行测试。受产品设计、组装等技术条件的影响，以及由于受力不均匀，电器运动部件电磁机构不可避免地在空间其他方向产生偏移运动，使得电器运动部件并非呈理想的二维平面运动，而是呈现三维空间运动形式。因此，寻求准确的三维动态特性测试方法是研究电器动态特性的重要基础，对产品设计、工艺水平、产品质量、运行可靠性的认定具有重要意义。双目视觉技术的发展为电器机构的三维动态测试指明了方向，而采用光学元件与单台相机结合的方式组成双目视觉系统，能够很好地解决了两台相机不同步和成本高的问题，如薛建儒等所获专利“单相机测量物体三维位置与姿态的方法”（专利号：ZL201010184619.4）。但是双目立体视觉技术由于涉及到相机参数的标定、特征量提取和立体匹配等问题，使得处理过程复杂，数学换算过程也容易引入误差。为此，本发明提出一种基于单相机的电器三维动态特性测试方法和装置，只要根据光路设计，将摄像机、镜面和电器产品按要求布置，拍摄电器运动部件动作过程的图像并进行处理即可得三维动态特性曲线，整个测试过程简单，测试精度高，不需要经过标定板制作，相机标定，公式换算等一系列繁琐的过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试简单、精度高的基于单相机的电器三维动态特性测试装置及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，包括高速摄像机（C）、高速摄像机固定装置（H）、被试电器（A）、被试电器固定装置（G）、光学成像系统的镜面、镜面固定装置（F）、被试电器的运动部分（B）、第一被测面（B1）、第二被测面（B2）、计算机系统（D）和灯光照明系统（N），所述高速摄像机（C）安装在高速摄像机固定装置（H）上；所述被试电器（A）安装在被试电器固定装置（G）上；所述高速摄像机（C）和被试电器（A）均置于光学成像系统的镜面之前；所述光学成像系统的镜面安装在镜面固定装置（F）上；所述被试电器的运动部分（B）位于所述被试电器（A）上；所述第一被测面（B1）和第二被测面（B2）分别位于被试电器的运动部分（B）的前端两侧；所述高速摄像机（C）的镜头用于接收光学成像系统的镜面反射的被试电器的运动部分被测面的图像；所述计算机系统（D）的信号输出端与被试电器（A）的控制端连接；所述计算机系统（D）还与高速摄像机（C）相连接；所述灯光照明系统（N）用于为整个装置提供光源。
在本发明实施例中，所述光学成像系统的镜面包括第一镜面（J1）和第二镜面（J2）；所述第一镜面（J1）与第二镜面（J2）之间的夹角E小于180°；所述第一被测面（B1）和第二被测面（B2）分别与第一镜面（J1）和第二镜面（J2）相对摆放。
在本发明实施例中，所述第一镜面（J1）和第二镜面（J2）面对高速摄像机（C）的镜头。
在本发明实施例中，所述被试电器（A）置于第一镜面（J1）、第二镜面（J2）和高速摄像机（C）之间。
在本发明实施例中，所述高速摄像机（C）置于第一镜面（J1）、第二镜面（J2）和被试电器（A）之间。
在本发明实施例中，所述光学成像系统的镜面包括第一镜面（J1）；所述第一被测面（B1）面对第一镜面（J1）；所述第二被测面（B2）面对高速摄像机（C）的镜头。
在本发明实施例中，所述第一镜面（J1）、被试电器运动部分（B）和高速摄像机（C）三者呈三角形分布。
本发明还提供了一种采用上述基于单相机的电器三维动态特性装置的测试方法，按照以下步骤进行，
S01：在第一被测面和第二被测面上分别设置一个标记点；
S02：任意确定一条水平基准线，将被试电器固定在被试电器固定装置上，调整第一镜面和第二镜面的角度以及高速摄像机的距离和焦距，并确保高速摄像机的光轴垂直于水平基准线，调节灯光照明系统并结合高速摄像机的光圈，使得被试电器的运动部分上的第一被测面和第二被测面的标记点通过镜面反射后，在高速摄像机图像平面上同时清晰成像；
S03：通过对光源、高速摄像机及图像采集软件的调校，使计算机界面上显示的图像只剩标记点和拍摄时间信息，去除了噪声，减小了后期图像处理的难度；并利用高速摄像机拍摄物体运动过程标记点图像；
S04：利用图像处理软件对拍摄的图像进行数据处理，得到被试电器在上下、左右和前后的位移-时间曲线，即三维运动曲线。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种基于单相机的电器三维动态特性测试方法和装置，只要根据光路设计，将摄像机、镜面和电器产品按要求布置，拍摄电器运动部件动作过程的图像并进行处理即可得三维动态特性曲线，整个测试过程简单，测试精度高，不需要经过标定板制作，相机标定，公式换算等一系列繁琐的过程。
附图说明
图1为被试电器在高速摄像机和两个镜面光学成像系统之间的三维动态测试方法与装置原理图。
图2为高速摄像机在被试电器和两个镜面光学成像系统之间的三维动态测试方法与装置原理图。
图3为光学成像系统为两面镜子的三维动态测试方法与装置的光路设计图。
图4为光学成像系统为一面镜子的三维动态测试方法与装置原理图。
图5为光学成像系统为一面镜子的三维动态测试方法与装置的光路设计图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，包括高速摄像机（C）、高速摄像机固定装置（H）、被试电器（A）、被试电器固定装置（G）、光学成像系统的镜面、镜面固定装置（F）、被试电器的运动部分（B）、第一被测面（B1）、第二被测面（B2）、计算机系统（D）和灯光照明系统（N），所述高速摄像机（C）安装在高速摄像机固定装置（H）上；所述被试电器（A）安装在被试电器固定装置（G）上；所述高速摄像机（C）和被试电器（A）均置于光学成像系统的镜面之前；所述光学成像系统的镜面安装在镜面固定装置（F）上；所述被试电器的运动部分（B）位于所述被试电器（A）上；所述第一被测面（B1）和第二被测面（B2）分别位于被试电器的运动部分（B）的前端两侧；所述高速摄像机（C）的镜头用于接收光学成像系统的镜面反射的被试电器的运动部分被测面的图像；所述计算机系统（D）的信号输出端与被试电器（A）的控制端连接；所述计算机系统（D）还与高速摄像机（C）相连接；所述灯光照明系统（N）用于为被试电器的运动部分被测面提供光源。
本发明还提供了一种采用上述基于单相机的电器三维动态特性装置的测试方法，按照以下步骤进行，
S01：在第一被测面和第二被测面上分别设置一个标记点；
S02：任意确定一条水平基准线，将被试电器固定在被试电器固定装置上，调整第一镜面和第二镜面的角度以及高速摄像机的距离和焦距，并确保高速摄像机的光轴垂直于水平基准线，调节灯光照明系统并结合高速摄像机的光圈，使得被试电器的运动部分上的第一被测面和第二被测面的标记点通过镜面反射后，在高速摄像机图像平面上同时清晰成像；
S03：通过对光源、高速摄像机及图像采集软件的调校，使计算机界面上显示的图像只剩标记点和拍摄时间信息，去除了噪声，减小了后期图像处理的难度；并利用高速摄像机拍摄物体运动过程标记点图像；
S04：利用图像处理软件对拍摄的图像进行数据处理，得到被试电器在上下、左右和前后的位移-时间曲线，即三维运动曲线。
以下为本发明的具体实施例，
实施例一：
如图1所示是被试电器在高速摄像机和两个镜面光学成像系统之间的三维动态测试方法与装置原理图，包括高速摄像机C、高速摄像机固定装置H、光学成像系统的镜面J1、光学成像系统的镜面J2、镜面固定装置F、被试电器A、被试电器的运动部分B、被试电器运动部分的被测面B1、被试电器运动部分的被测面B2、被试电器固定装置G、计算机系统D，灯光照明系统N。其特征在于：光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2安装在镜面固定装置F上，光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2之间的夹角E小于180°，被试电器A安装在被试电器固定装置G上，被试电器运动部分的被测面B1、被试电器运动部分的被测面B2分别面对着光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2，高速摄像机C安装在高速摄像机固定装置H上，高速摄像机C和被试电器A均置于光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2前面，被试电器A放在光学成像系统的镜面J1、J2和高速摄像机C之间，高速摄像机C的镜头可接收光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2反射的被试电器运动部分的被测面B1和被试电器运动部分的被测面B2的图像，计算机系统D的信号输出端接到被试电器A的控制端，计算机系统D的另一输出端与高速摄像机C的控制端相接，高速摄像机C的信号输出端与计算机系统D的输入端相接。
实施例二：
如图2为高速摄像机在被试电器和两个镜面光学成像系统之间的三维动态测试方法与装置原理图，高速摄像机C和被试电器A均置于光学成像系统的镜面J1与光学成像系统的镜面J2前面，高速摄像机C置于光学成像系统的镜面J1、J2和被试电器A之间。
如图1至图3所示，B1和B2为被试电器运动部分B的两个被测面，J1和J2为两面镜子，被试电器的运动部分B经镜面反射后分别在OP面上呈现B1’和B2’面。调节高速摄像机至适当的位置，使B1’面和B2’面在高速摄像机中一次成像，B1面的运动代表被试电器的运动部分B在X轴和Z轴方向上的运动，B2面代表Y轴和Z轴方向的运动，从而获得动作机构X、Y、Z三个方向的三维运动过程。
实施例三：
如图4是光学成像系统为一面镜子的三维动态测试方法与装置原理图，包括高速摄像机C、高速摄像机固定装置H、光学成像系统的镜面J1、镜面固定装置F、被试电器A、被试电器的运动部分B、被试电器运动部分的被测面B1、被试电器运动部分的被测面B2、被试电器固定装置G、计算机系统D，灯光照明系统N，其特征在于：所述的光学成像系统只有一个镜面为光学成像系统的镜面J1，被试电器运动部分的被测面B1面对着光学成像系统的镜面J1，被试电器运动部分的被测面B2面对着高速摄像机C的镜头，镜面J1、被试电器运动部分B和高速摄像机C三者呈三角形分布，使被试电器运动部分的被测面B1在光学成像系统的镜面J1中成像，高速摄像机C的镜头同时接收被试电器运动部分的被测面B2和光学成像系统的镜面J1反射的被试电器运动部分的被测面B1的图像，计算机系统D的信号输出端接到被试电器A的控制端，计算机系统D的另一输出端与高速摄像机C的控制端相接，高速摄像机C的信号输出端与计算机系统D的输入端相接。
如图4与图5所示，B1和B2为被试电器运动部分B的两个被测面，J1为镜子，被试电器的运动部分B1经镜面反射后在OP面上呈现B1’面。调节高速摄像机至适当的位置，使B1’面和B2面在高速摄像机中一次成像，B1面的运动代表被试电器的运动部分B在X轴和Z轴方向上的运动，B2面代表Y轴和Z轴方向的运动，从而获得动作机构X、Y、Z三个方向的三维运动过程。
本发明装置测试时按照以下步骤进行操作：
1)在被测运动部分的被测面上设置标记点；
2)任意确定一条水平基准线，将被测物体固定在测试装置上，调整镜面角度以及高速摄像机的距离和焦距，并确保高速摄像机的光轴垂直于水平基准线，调节灯光照明系统并结合摄像机的光圈使被试电器运动部分的被测面的标记点在一台摄像机图像平面上同时清晰成像；
3)通过对光源、高速摄像机及图像采集软件的调校，使计算机界面上显示的图像只剩标记点和拍摄时间信息，去除了噪声，减小了后期图像处理的难度。利用高速摄像机拍摄物体运动过程标记点图像；
4)利用图像处理软件对拍摄的图像进行数据处理，得到被测物体在上下、左右和前后的位移-时间曲线，即三维运动曲线。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，包括高速摄像机（C）、高速摄像机固定装置（H）、被试电器（A）、被试电器固定装置（G）、光学成像系统的镜面、镜面固定装置（F）、计算机系统（D）和灯光照明系统（N），所述被试电器（A）包括被试电器的运动部分（B）、第一被测面（B1）、第二被测面（B2），其特征在于：第一被测面（B1）的运动代表被试电器的运动部分（B）在X轴和Z轴方向上的运动，第二被测面（B2）代表Y轴和Z轴方向的运动，从而获得动作机构X、Y、Z三个方向的三维运动过程；所述高速摄像机（C）安装在高速摄像机固定装置（H）上；所述被试电器（A）安装在被试电器固定装置（G）上；所述高速摄像机（C）和被试电器（A）均置于光学成像系统的镜面之前；所述光学成像系统的镜面安装在镜面固定装置（F）上；所述被试电器的运动部分（B）位于所述被试电器（A）上；所述第一被测面（B1）和第二被测面（B2）分别位于被试电器的运动部分（B）的前端两侧；所述高速摄像机（C）的镜头用于接收光学成像系统的镜面反射的被试电器的运动部分被测面的图像；所述计算机系统（D）的信号输出端与被试电器（A）的控制端连接；所述计算机系统（D）还与高速摄像机（C）相连接；所述灯光照明系统（N）用于为被试电器的运动部分被测面提供光源。
2.根据权利要求1所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述光学成像系统的镜面包括第一镜面（J1）和第二镜面（J2）；所述第一镜面（J1）与第二镜面（J2）之间的夹角E小于180°；所述第一被测面（B1）和第二被测面（B2）分别与第一镜面（J1）和第二镜面（J2）相对摆放。
3.根据权利要求2所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述第一镜面（J1）和第二镜面（J2）面对高速摄像机（C）的镜头。
4.根据权利要求3所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述被试电器（A）置于第一镜面（J1）、第二镜面（J2）和高速摄像机（C）之间。
5.根据权利要求3所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述高速摄像机（C）置于第一镜面（J1）、第二镜面（J2）和被试电器（A）之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述光学成像系统的镜面包括第一镜面（J1）；所述第一被测面（B1）面对第一镜面（J1）；所述第二被测面（B2）面对高速摄像机（C）的镜头。
7.根据权利要求6所述的一种基于单相机的电器三维动态特性测试装置，其特征在于：所述第一镜面（J1）、被试电器运动部分（B）和高速摄像机（C）三者呈三角形分布。
8.一种基于权利要求1的基于单相机的电器三维动态特性测试装置的测试方法，其特征在于：按照以下步骤进行，
S01：在第一被测面和第二被测面上分别设置一个标记点；
S02：任意确定一条水平基准线，将被试电器固定在被试电器固定装置上，调整第一镜面和第二镜面的角度以及高速摄像机的距离和焦距，并确保高速摄像机的光轴垂直于水平基准线，调节灯光照明系统并结合高速摄像机的光圈，使得被试电器的运动部分上的第一被测面和第二被测面的标记点通过镜面反射后，在高速摄像机图像平面上同时清晰成像；
S03：通过对光源、高速摄像机及图像采集软件的调校，使计算机界面上显示的图像只剩标记点和拍摄时间信息，去除了噪声，减小了后期图像处理的难度；并利用高速摄像机拍摄物体运动过程标记点图像；
S04：利用图像处理软件对拍摄的图像进行数据处理，得到被试电器在上下、左右和前后的位移-时间曲线，即三维运动曲线。
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