CN104858158A - 基于视觉传感器的水下曝气器清洗车 - Google Patents

Abstract

一种基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，包括可移动小车、用于夹紧曝气器的夹具，和用于清洗曝气器的清洗刷，所述夹具固定在端盖上，所述清洗刷位于端盖的下方，所述夹具与用于带动转盘转动的清洗电机连接，所述端盖与用于带动端盖和夹具上下运动的升降机构；用于视频测量曝气器及其夹具之间偏差的视觉传感器安装在所述端盖上，用于视频测量曝气器位置的视觉传感器安装在所述清洗刷上，两个视觉传感器均与微处理器连接，所述微处理器包括：图像数据读取模块，虚拟外形轮廓定制模块、边缘检测模块和检测与控制模块。本发明操作方便、延长曝气器的使用寿命、降低污水处理成本。

Description

基于视觉传感器的水下曝气器清洗车

技术领域

本发明涉及曝气器领域，尤其是一种水下曝气器清洗车，属于计算机传感器技术、图像识别技术和控制技术在微孔曝气器的清洗装置方面的应用。

背景技术

曝气系统式水处理中的一个重要的组成部分，在污水好氧处理中，通过曝气向污水中通入适量的空气，以保持污水中生物的生存和有效工作。膜片类微孔曝气器，可以产生非常细密的气泡，有效增加气泡与水接触的面积，提高污水中溶解氧的含量，因此在现代水处理设备中应用广泛。

但膜片类曝气器存在着易堵塞、难清洗等缺点，很多污水处理厂不得不停止生产，排空曝气池污水，对曝气器进行逐个清洗、更换，或者增加曝气器清洗管路，导致污水处理成本升高。

发明内容

为了克服已有水下曝气器清洗方式的操作不方便、使用寿命较短、污水处理成本较高的不足，本发明提供一种操作方便、延长曝气器的使用寿命、降低污水处理成本的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，包括可移动小车、用于夹紧曝气器的夹具，和用于清洗曝气器的清洗刷，所述夹具固定在端盖上，所述清洗刷位于端盖的下方，所述夹具与用于带动转盘转动的清洗电机连接，所述端盖与用于带动端盖和夹具上下运动的升降机构；用于视频测量曝气器及其夹具之间偏差的视觉传感器安装在所述端盖上，用于视频测量曝气器位置的视觉传感器安装在所述清洗刷上，两个视觉传感器均与微处理器连接，所述微处理器包括：

图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；

虚拟外形轮廓定制模块，用于设定与采集的曝气器外形轮廓图像进行比较的标准轮廓；

边缘检测模块，用于对所读取视频图像进行边缘检测处理，得到曝气器外形边缘轮廓；

检测与控制模块，用于将边缘检测模块中所得到的曝气器外形边缘轮廓与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓进行比对，计算出偏移量，然后根据所计算出的偏移量，得到小车的移动距离并向小车驱动装置发出移动指令；计算虚拟外形轮廓图像上曝气器直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比来获得升降机构的下移距离，并向升降机构发出下移指令；当曝气器外形边缘轮廓与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓重叠，且清洗刷到达曝气器微孔膜片位置时启动所述清洗电机按照预设的清洗周期工作。

进一步，所述检测和控制模块中，所述小车的移动距离的计算过程如下：通过计算两条直径的中点之间的距离来获得小车所需要移动的距离ΔX、ΔY，首先移动ΔX、ΔY的距离计算，计算公式由(1)所示，

$\mathrm{\Δy}=\left(\frac{{y1}^{\′}-{y2}^{\′}-y1+y2}{2}\right)---\left(1\right)$

需要移动ΔX距离，ΔX计算公式由(2)所示，

$\mathrm{\Δx}=\left(\frac{{x1}^{\′}-{x2}^{\′}-x1+x2}{2}\right)---\left(2\right)$

式中，(x1'，y1')、(x2'，y2')是虚拟外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；(x1，y1)、(x2，y2)是曝气器外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；

将小车移动一个偏移值，使虚拟外形轮廓图像上的中心点与曝气器外形轮廓图像上的中心点重合。

再进一步，所述检测和控制模块中，所述下移距离的计算过程如下：检测清洗刷到曝气器微孔膜片所需的距离ΔZ，计算内轴所需要的下移距离ΔZ，通过计算虚拟外形轮廓图像上曝气器直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比来获得内轴的下移距离，首先要计算两者缩放的比例N，计算公式用(3)表示，

$N=\frac{\sqrt{{({x1}^{\′}-{x2}^{\′})}^2+{({y1}^{\′}-{y2}^{\′})}^2}}{\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2}}---\left(3\right)$

式中，N表示虚拟外形轮廓图像上的直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比，N越大表示内轴离曝气器的曝气器膜片距离越远，反之越近，当N为1时表示清洗刷以准确下移到曝气器的膜片上方；通过下移距离ΔZ标定回归的方式来确定内轴的下移距离ΔZ与缩放的比例N之间的关系，即ΔZ＝f(N)，从(3)所求得的缩放的比例N根据ΔZ＝f(N)的函数关系得到下方距离ΔZ。

更进一步，确定升降机构的下移距离ΔZ与缩放的比例N之间的关系的过程为：采用分别测量清洗刷曝气器的微孔膜片距离为20mm、50mm、100mm、200mm时计算得到不同的N值，然后采用回归的方法计算出下降距离与缩放的比例N之间的关系曲线。

在所述的边缘检测模块中，采用边缘检测算法对所读取视频图像进行加工，得到曝气器外形边缘轮廓。

所述升降机构包括用于可上下移动的内轴和用于带动内轴可上下移动的执行模块，所述内轴可上下滑动地套装在外轴内，所述外轴固定在所述可移动小车的车架上，转轴与所述内轴的内孔螺纹连接，所述转轴与所述执行模块连接。当然，也可以选用其他升降机构。

所述的视觉传感器是模拟式摄像装置。

所述的视觉传感器是数字式摄像装置。

本发明的技术构思为：在电机的带动下，小车车轮移动，当安装在清洗刷中心的视觉传感器检测的位置与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓一致时，清洗车停止移动；内轴在机架上安装的电机的带动下，通过电机转动机构带动内轴向下移动，当外端盖上的视觉传感器检测到的位置与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓一致时，内轴停止下移；夹具向内移动一个固定的距离，将曝气头加紧；接下来安装于内轴上的电机带动清洗刷转动，对曝气器膜片进行清洗。清洗3-5分钟达到清洗目标要求后，夹具脱开，内轴按程序设定的要求上移至固定位置。清洗车前进，对下一个曝气器进行清洗。

本发明的有益效果主要表现在：操作方便、延长曝气器的使用寿命、降低污水处理成本。

附图说明

图1为基于视觉传感器的水下曝气器清洗车的结构示意图。

图2为安装在清洗刷中心的视觉传感器所拍摄的视频图像示意图；

图3为安装在外端盖上的视觉传感器所拍摄的视频图像示意图；

图4为夹具结构示意图；

图5为转盘结构示意图；

图6为外端盖结构示意图；

图7为内轴结构示意图；

图8为基于视觉传感器的水下曝气器清洗车工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，包括微处理器、用于视频测量曝气器位置和视频测量曝气器及其夹具之间偏差的两组视觉传感器、用于清洗曝气器的清洗刷1，用于夹紧曝气器的夹具2，用于固定夹具的端盖3，用于夹具移动的转盘4，用于带动转盘转动的清洗电机，用于可上下移动的内轴5和可移动小车6，所述视觉传感器与微处理器连接，所述微处理器安装在曝气池旁的控制柜内；一组视觉传感器安装在端盖3上，呈对称分布；另一组视觉传感器安装在清洗刷1的中心；所述视觉传感器为可以通过捕捉到的图像，无论距离目标数米还是厘米远，传感器都能“看到”细腻的目标图像，在捕捉图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。

图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；虚拟外形轮廓定制模块，用于设定与采集的曝气器外形轮廓图像进行比较的标准轮廓；

边缘检测模块，用于对所读取视频图像进行边缘检测处理，得到曝气器外形边缘轮廓；

检测与控制模块，用于将边缘检测模块中所得到的曝气器外形边缘轮廓与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓进行比对，计算出偏移量，然后根据所计算出的偏移量，向所述执行模块发出控制指令；

1)移动距离的检测与控制单元，用于检测虚拟外形轮廓图像上的中心点是否与曝气器外形轮廓图像上的中心点是否出现偏离，当检测结果存在偏离时，获得小车的移动距离，通过计算两条直径的中点之间的距离来获得小车所需要移动的距离ΔX、ΔY，首先移动ΔX、ΔY的距离计算，计算公式由(1)所示，

$\mathrm{\Δy}=\left(\frac{{y1}^{\′}-{y2}^{\′}-y1+y2}{2}\right)---\left(1\right)$

需要移动ΔX距离，ΔX计算公式由(2)所示，

$\mathrm{\Δx}=\left(\frac{{x1}^{\′}-{x2}^{\′}-x1+x2}{2}\right)---\left(2\right)$

式中，(x1'，y1')、(x2'，y2')是虚拟外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；(x1，y1)、(x2，y2)是曝气器外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；

将小车移动一个偏移值，使虚拟外形轮廓图像上的中心点与曝气器外形轮廓图像上的中心点重合；

2)内轴的下移距离的检测与控制单元，用于检测清洗刷到曝气器微孔膜片所需的距离ΔZ，计算内轴所需要的下移距离ΔZ，通过计算虚拟外形轮廓图像上曝气器直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比来获得内轴的下移距离，首先要计算两者缩放的比例N，计算公式用(3)表示，

$N=\frac{\sqrt{{({x1}^{\′}-{x2}^{\′})}^2+{({y1}^{\′}-{y2}^{\′})}^2}}{\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2}}---\left(3\right)$

式中，N表示虚拟外形轮廓图像上的直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比，N越大表示内轴离曝气器的曝气器膜片距离越远，反之越近，当N为1时表示清洗刷以准确下移到曝气器的膜片上方；通过下移距离ΔZ标定回归的方式来确定内轴的下移距离ΔZ与缩放的比例N之间的关系，即ΔZ＝f(N)，从(3)所求得的缩放的比例N根据ΔZ＝f(N)的函数关系得到下方距离ΔZ；

在所述的边缘检测模块中，采用边缘检测算法对所读取视频图像进行加工，得到曝气器外形边缘轮廓，所述的边缘检测算法分为以下四个步骤：

①滤波：边缘检测算法主要是基于图像强度的一阶导数和二阶导数，使用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测方法的性能；

②增强：增强边缘的基础是确定图像中各点邻域强度的变化值；

③检测：在图像中有许多点的梯度幅值比较大，边缘检测判据采用梯度幅值A值；

④定位：确定边缘所在的像素，在子像素分辨率上估计边缘位置，边缘的方向也被估计出来；

采用索贝尔，即Sobel算子作为边缘检测算法，Sobel算子采用3*3大小的模板，Sobel

算子用下式计算偏导数：

$\left.\begin{array}{c}{S}_X=(a_2+{\mathrm{ca}}_3+a_4)-(a_0+{\mathrm{ca}}_7+a_6)\\ S_Y=(a_0+{\mathrm{ca}}_1+a_2)-(a_6+{\mathrm{ca}}_5+a_4)\end{array}\right\}---\left(4\right)$

公式中常数c为2，Sobel算子用以下卷积模板来实现：

$S_X=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right]S_Y=\left[\begin{array}{ccc}1& 2& 1\\ 0& 0& 2\\ -1& -2& -1\end{array}\right]---\left(5\right)$

确定内轴的下移距离ΔZ与缩放的比例N之间的关系的过程为：采用分别测量清洗刷曝气器的微孔膜片距离为20mm、50mm、100mm、200mm时计算得到不同的N值，然后采用回归的方法计算出下降距离与缩放的比例N之间的关系曲线。

所述的视觉传感器是模拟式摄像装置，所述的连接单元包括连线与视频卡，视频卡插入在微处理器机箱内。

所述的视觉传感器是数字式摄像装置，所述的连接单元是符合通信标准的无线网卡，所述的微处理器包括与所述无线网卡配合的TCP/IP协议、无线网络接口，通信协议标准为IEEE802.11b。

图1为采集小车移动位置的示意图，当视野中采集到的水下曝气器的位置与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓一致时，小车停止移动；否则，根据公式(1)(2)和图7的原理，进行位置调整，直到两者一致为止。

图2为采集内轴下移位置的示意图，当视野中采集到的图像的距离与曝气器微孔膜片的距离达到程序中设定的距离时，内轴停止前进；否则，内轴继续下移。

图3和图4是夹具和转盘的结构示意图，夹具顶部凸出的结构嵌入转盘的齿轮中。

基于视觉传感器的水下曝气器清洗车的组装过程如下：四个车轮分别安装在车架底部的四个电机上，以电机驱动小车的移动；在机架的底部中间处，装有2个LED灯，为视频图像的采集提供光源；在机架的顶部装有一个电机，电机下方装有带有外螺纹的转动轴；机架的下方装有外轴，以固定内轴，防止内轴移动时偏离垂直方向；外轴内装有内轴，内轴一端开有内螺纹，以与转动轴的外螺纹啮合，另一端开有装电机的内槽；在距离内轴底部固定距离处装有可转动的转盘，转盘一面有螺纹，端面有齿轮；转盘下方安装有外端盖，外端盖的端面上装有一个带有齿轮为电机，此齿轮与转盘端面的齿轮准确啮合，内部开有以方便夹具的固定的结构，外端盖的一面开有两个小孔，用于安装视觉传感器；夹具安装在外端盖中；内轴下方装有电机，电机的下方装有清洗刷，清洗刷的中心装有视觉传感器。该清洗刷的安装高度和夹具的安装高度的距离是确定的。

Claims (8)

1.一种基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：所述水下曝气器清洗车包括可移动小车、用于夹紧曝气器的夹具，和用于清洗曝气器的清洗刷，所述夹具固定在端盖上，所述清洗刷位于端盖的下方，所述夹具与用于带动转盘转动的清洗电机连接，所述端盖与用于带动端盖和夹具上下运动的升降机构；用于视频测量曝气器及其夹具之间偏差的视觉传感器安装在所述端盖上，用于视频测量曝气器位置的视觉传感器安装在所述清洗刷上，两个视觉传感器均与微处理器连接，所述微处理器包括：

图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；

虚拟外形轮廓定制模块，用于设定与采集的曝气器外形轮廓图像进行比较的标准轮廓；

边缘检测模块，用于对所读取视频图像进行边缘检测处理，得到曝气器外形边缘轮廓；

检测与控制模块，用于将边缘检测模块中所得到的曝气器外形边缘轮廓与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓进行比对，计算出偏移量，然后根据所计算出的偏移量，得到小车的移动距离并向小车驱动装置发出移动指令；计算虚拟外形轮廓图像上曝气器直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比来获得升降机构的下移距离，并向升降机构发出下移指令；当曝气器外形边缘轮廓与虚拟外形轮廓定制模块所定制的虚拟外形轮廓重叠，且清洗刷到达曝气器微孔膜片位置时启动所述清洗电机按照预设的清洗周期工作。

2.如权利要求1所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征 在于：所述检测和控制模块中，所述小车的移动距离的计算过程如下：通过计算两条直径的中点之间的距离来获得小车所需要移动的距离ΔX、ΔY，首先移动ΔX、ΔY的距离计算，计算公式由(1)所示，

需要移动ΔX距离，ΔX计算公式由(2)所示，

式中，(x1'，y1')、(x2'，y2')是虚拟外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；(x1，y1)、(x2，y2)是曝气器外形轮廓图像上直径上的两个点的坐标；

将小车移动一个偏移值，使虚拟外形轮廓图像上的中心点与曝气器外形轮廓图像上的中心点重合。

3.如权利要求1或2所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：所述检测和控制模块中，所述下移距离的计算过程如下：检测清洗刷到曝气器微孔膜片所需的距离ΔZ，计算内轴所需要的下移距离ΔZ，通过计算虚拟外形轮廓图像上曝气器直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比来获得内轴的下移距离，首先要计算两者缩放的比例N，计算公式用(3)表示，

式中，N表示虚拟外形轮廓图像上的直径与曝气器外形轮廓图像上直径的长度比，N越大表示内轴离曝气器的曝气器膜片距离越远，反之越近，当N为1时表示清洗刷以准确下移到曝气器的膜片上方；通过下移距离ΔZ标定回归的方式来确定内轴的下移距离ΔZ与缩放的比例 N之间的关系，即ΔZ＝f(N)，从(3)所求得的缩放的比例N根据ΔZ＝f(N)的函数关系得到下方距离ΔZ。

4.如权利要求3所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：确定升降机构的下移距离ΔZ与缩放的比例N之间的关系的过程为：采用分别测量清洗刷曝气器的微孔膜片距离为20mm、50mm、100mm、200mm时计算得到不同的N值，然后采用回归的方法计算出下降距离与缩放的比例N之间的关系曲线。

5.如权利要求1或2所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：在所述的边缘检测模块中，采用边缘检测算法对所读取视频图像进行加工，得到曝气器外形边缘轮廓。

6.如权利要求1或2所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：所述升降机构包括用于可上下移动的内轴和用于带动内轴可上下移动的执行模块，所述内轴可上下滑动地套装在外轴内，所述外轴固定在所述可移动小车的车架上，转轴与所述内轴的内孔螺纹连接，所述转轴与所述执行模块连接。

7.如权利要求1或2所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：所述的视觉传感器是模拟式摄像装置。

8.如权利要求1或2所述的基于视觉传感器的水下曝气器清洗车，其特征在于：所述的视觉传感器是数字式摄像装置。