CN104931020A - 一种物体倾角测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物体倾角测量方法及其装置，该方法包括步骤：在测量设备外壳上部垂直于水平面固定一个摄像头，通过摄像头观察测量圆环上圆形刻度线变形后得到的椭圆，测量圆环中气泡的坐标位置确定该椭圆的短轴位置并测定其长度，再根据长轴与短轴垂直关系确定长轴位置，根据长轴和短轴的几何关系计算倾斜角，根据气泡的坐标位置计算椭圆短轴与x轴方向的倾斜方位角。

Description

一种物体倾角测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及物体数字特征提取和倾角测量的方法和装置，具体是一种用机器视觉数字特征提取方法实现的倾角测量方法。

背景技术

机械设备中的转动部件在长期使用过程中，其内部零件和外部零件不断相互接触，导致零件之间的摩擦和磨损现象，当零件被破坏到一定程度时，就会导致设备的停机甚至引起生产事故。因此，观察零部件的摩擦磨损情况，并作出相应的调整将大大提高零部件的寿命。对于轴承等需要油脂润滑的零部件，让保持其良好的润滑状态，是保证零部件保持低磨耗状态的常用方法，因此要测量其在润滑状态中的各种影响因素和导致的磨耗结果。常用的方法可大体分为直接测量和间接测量方法，直接测量包括采用光干涉的方法直接测量轴承的润滑膜厚度，得到其润滑状态的直接数据，间接测量包括采用电容式、电阻式等测量方法得到整个系统的电容和电阻值变化情况。目前光干涉法在润滑测量领域应用十分广泛，它具有直观性和非接触测量的特点，对被测对象没有直接作用，可以保证测量精度。以往的光干涉测量法中，多采用选取轴承中钢球或圆柱滚子与透明玻璃盘接触观察其接触表面润滑状况，内容较为单一。随着技术的进步，出现了整个轴承与玻璃盘接触进行测量的情况，此时轴承的倾斜度就要予以考虑，因此就有了测量轴承倾斜度的需求。在机械测试技术中，倾角测量技术在电子工业发展的基础上开始大量采用电感传感器、气体重力摆、光电编码器和加速度传感器等方法实现的倾角测量技术。

文献[蒋瑞挺.基于加速度传感器的倾角测量.电子制作.2010(11):37-39]中提到的倾角测量方法，是通过飞思卡尔的加速度传感器MMA7260QT，通过选择合适量程，测量三轴加速度值，通过将倾角转换为不同轴上加速度值，间接计算出物体当前的倾角。此种方法需要为加速度传感器提供后续处理电路，测量过程复杂，测量成本较高。

授权专利[实耐宝公司.车轮定位系统的校准和操作.授权公告号CN 101809404 B]中提到用视觉捕捉和传感器单元，通过用图像传感器器获得目标旋转位置上的图像，至少两个旋转位置的图像被处理，以确定相对于图像传感器的心轴的旋转轴线的位置和倾角情况。该方法为针对车辆工程领域，测量数据内容较多，处理过程繁琐，成本较高。

本发明的目的是提供一种能用于物体数字图像特征提取和倾角测量的方法和装置，具体是可用于润滑状态研究的特征提取方法以实现倾角测量的方法和装置。

发明内容

本发明为利用物体数字图像特征提取和处理为倾角测量提供相应方法和装置。根据本发明，对倾角的测量是通过下述技术方案实现的：上部是始终与水平面垂直的测量摄像头，摄像头内有表示x轴和y轴的刻度线，下部是圆形托架，圆形托架用于固定被测物体，圆形托架的外边缘上安装测量圆环，圆环最上表面有沿着圆环一周的圆形刻度线，圆环内部充满水或油等液体，同时圆环中保留微型气泡，当圆形托架倾斜时气泡在圆环中移动，在水的重力作用下气泡会移动到整个圆环的最高点处。圆形托架放置物体并倾斜后，上部摄像头拍摄圆形托架得到图像，图像中有圆环上部的圆形刻度线和气泡，圆形刻度线在图像中呈现椭圆形刻度线，气泡所在位置(x，y)指示椭圆形刻度线的短轴所在位置，经过图像处理测量得到短轴长度2b，长轴与短轴垂直，长轴长度2a与圆形刻度线的直径相等。因此，倾斜角θ具体由下式决定：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{b}{a}\right)$

倾斜偏转轴同时也是椭圆长轴，椭圆短轴与x轴方向的夹角β为倾斜方位角，通过气泡位置(x，y)计算得到：

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

所以，通过上述方法得到倾斜角和倾斜方位角(θ，β)。

本发明的特点和优势包括：结构简单紧凑，能在放置物体观察的同时，同时测量物体的倾斜角和倾斜方位角，可提高测量的的方便性和实时性。

附图说明

图1是本发明所述测量设备结构原理图。

图1中，1为摄像头，2为被测件，3为圆形托架，4为测量圆环。

图2是图1中下部被测量结构的俯视图。

图2中，2为被测件，4为测量圆环，6为圆形刻度线。

图3圆形刻度线偏转变形示意图。

图3中，21为圆形，是摄像头视野原始水平状态时圆形刻度线。22为椭圆，是倾斜之后摄像头视野中的圆形刻度线的变形。23为气泡，24为椭圆22的短轴，25为椭圆22长轴。

图4为椭圆22的长轴25与短轴24几何关系示意图。

图4中，a为椭圆22的长轴半径，b为椭圆22的短轴半径。

具体实施方式

下面以非限定性的实施例来进一步解释、说明本技术方案。

为了研究推力球轴承的润滑状态，一般采用玻璃盘代替上圈进行光干涉测量的方式，即用光干涉对推力球轴承滚动体与玻璃盘接触面润滑状态进行观察，该实验中需要确定被测轴承的倾角和倾斜方位，此时被测件2为推力球轴承，为方便观察，推力球轴承的上圈用透明玻璃盘代替，以观察滚动体与玻璃盘接触点处润滑状态。

设备配置如图1和图2中所示，上部是始终与水平面垂直的测量摄像头1，下部是圆形托架3，圆形托架3用于固定被测物体，被测件2推力球轴承被固定在圆形托架3上，圆形托架3的外边缘上安装测量圆环4，测量圆环4上表面中心有沿着测量圆环4一周的圆形刻度线6，测量圆环4内部充满水或油等液体，同时测量圆环4中保留微型气泡23用于测量，测量圆环4上部透明用于观察气泡23，当圆形托架3倾斜时气泡在测量圆环4中移动，在水的重力作用下气泡会移动到整个测量圆环4的最高点处。

如图3和图4所示，测试时，圆形托架3放置轴承3并倾斜后，上部摄像头1拍摄圆形托架3得到图像，圆形21为摄像头视野中原始水平状态时的圆形刻度线6，此时显示为圆形，椭圆22为倾斜之后摄像头视野中的圆形刻度线6，此时为在摄像头视野中变形为椭圆形，图中可见椭圆22的短轴24，以及椭圆22的长轴25，气泡23在测量圆环4内。根据摄像头1内x轴和y轴的刻度线确定气泡23所在位置(x，y)，在水的重力作用下气泡必然位于短轴24端部，据此得到短轴24并测得其长度2b，长轴25与短轴24垂直，可据此得到长轴25的位置，长轴长度2a与圆形刻度线6的直径相等。

通过对椭圆22的短轴在圆21平面上投影，得到长轴25与短轴24几何关系如图3中所示，得到倾斜角

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{b}{a}\right)$

倾斜偏转轴就是椭圆22的长轴25，椭圆短轴24与x轴方向的夹角β为倾斜方位角，通过气泡23位置(x，y)计算：

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

所以，通过上述方法得到倾斜角和倾斜方位角(θ，β)，得到被测推力球轴承2的倾斜状态。为了提高测量结果准确性，可根据需要对测量环境进行控温和控湿，并将设备隔振。

Claims (3)

1.一种物体倾角测量方法及其装置，其特征在于：其方法是：在测量设备外壳上部垂直于水平面固定一个摄像头，通过摄像头观察测量圆环上圆形刻度线变形后得到的椭圆，测量圆环中气泡的坐标位置确定该椭圆的短轴位置并测定其长度，再根据长轴与短轴垂直关系确定长轴位置，根据长轴和短轴的几何关系计算倾斜角，根据气泡的坐标位置计算椭圆短轴与x轴方向的倾斜方位角。其计算方法为：所述圆形刻度线半径为a，则圆形刻度线在物体倾斜后得到的椭圆长轴长度为2a，根据气泡坐标位置(x，y)从摄像头观察图上测定椭圆短轴长度为2b，物体与水平面间倾斜角为θ，椭圆短轴与x轴方向的倾斜方位角为β，则有：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{b}{a}\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

2.实现如权利要求1所述物体倾角测量方法的装置，包括外壳、摄像头和圆形托架，其特征在于：还包括测量圆环、气泡和被测件，其中，摄像头位于上部垂直于水平面，在下部圆形托架上放置被测量物品，圆形托架的外边缘上安装测量圆环，测量圆环内部充满水或油等液体，同时测量圆环中保留微型气泡用于测量，测量圆环上部透明用于观察气泡位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于测量圆环上表面透明，在测量圆环上表面中心有沿着测量圆环一周的圆形刻度线。