CN105756835B - 直喷发动机单次喷油量液位高度视觉测量修正方法 - Google Patents

Abstract

直喷发动机单次喷油量液位高度视觉测量修正方法，包括以下步骤：采集液位图像T₁，处理图像T₁，从而得到液位高度H₁；对液位高度H₁采用基于光线折射原理的液位高度校正算法进行液位补偿，触发喷油，按触发信号采集液位图像T₂，处理图像T₂，得到液位高度H₂；对液位高度H₂采用基于光线折射原理的液位高度校正算法进行液位补偿，计算本次喷油量触发放油。本发明构造简单，测量可靠，可以对发动机喷油进行单次或多次直接测量，通过对图像处理算法的优化和基于光线折射原理的液位高度校正算法，提高了液位测量精度和稳定性，可以同时满足测量的高精密度与实时性的要求。

Description

直喷发动机单次喷油量液位高度视觉测量修正方法

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理技术领域的方法，具体是一种基于图像处理的直喷发动机单次喷油量检测的非接触式测量方法。

背景技术

随着内燃机相关技术的不断进步，汽油直喷发动机因其高效的燃烧效率而得到广泛的应用。但是，直喷发动机对单次喷射油量的控制精度要求比普通发动机要高得多，单次喷油量的多少将直接决定发动机的工况。精确的喷油量控制可以降低油耗，提高燃油利用率，减少废气排放，对节约能源，保护环境有着重要的意义。而喷油量的精确控制依赖于对单次喷油量的精密检测。因此，单次喷油量的检测技术成为汽油直喷发动机研究的关键技术难题之一，具有非常重大的现实意义和使用价值。

目前对于发动机燃油喷射系统喷油量的检测，常用的测量方法有四种：重量法、容积法、位移法、压力升程法和图像法。其中，图像法是近年来研究的比较多的方法。图像法是通过对发动机喷油进行单次或多次直接测量，通过对每次测量时所采集到的图像进行边缘提取、曲线拟合的方法拟合出液面曲线，比较各液面曲线从而得到液面高度，据此计算出喷油量的多少。由于液位是一个近似月牙形状，其边缘包括上下两个边缘，因此需要求其两个边缘曲线。另外，月牙边缘曲线的曲率极小，可以近似为两条直线，并且是两条近似水平直线，即其斜率接近于0。且由于光线由光疏质空气进入光密质玻璃时产生折射现象，会引起在空气中看到的液位图像位置的变化，即相机拍摄的液位图像的位置与其实际位置有偏差。该方法在拟合液面曲线时未考虑到液面的实际状况，其未对折射现象所造成的偏差有所补偿。因此，通过此种方法得到的单次喷油量，精度低，误差大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于图像处理的非接触式测量方法。本发明构造简单，测量可靠，可以对发动机喷油进行单次或多次直接测量，通过对图像处理算法的优化，可以同时满足测量的高精密度与实时性的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

1.采集液位图像T₁，处理图像T₁，得到液位高度H₁：

对采集到的液位图像T₁，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H₁。

2.对液位高度H₁进行液位高度校正，触发喷油，按触发信号采集液位图像T2，处理图像T2，得到液位高度H₂：

对步骤1得到的液位高度H₁进行液位高度校正，对采集到的液位图像T2，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H₂。

所述的液位高度校正算法，具体是基于光线折射原理的液位高度校正算法。

3.对液位高度H₂进行液位高度校正，计算本次喷油量触发放油。

所述的液位高度校正算法，具体是基于光线折射原理的液位高度校正算法。

技术方案中所述的曲线拟合算法是指RANSAC曲线拟合算法，具体是：第一次由RANSAC算法根据边缘样本数据估计出一个最合适模型，即一个边缘模型；然后标记并删除本次一致集中的样本，并由余集SC重置样本集S，由RANSAC算法再一次估计样本集S中最合适的模型，即可得到另一个边缘模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：构造简单，测量可靠，可以对发动机喷油进行单次或多次直接测量，通过对图像处理算法的优化和基于光线折射原理的液位高度校正算法，提高了液位测量精度和稳定性，可以同时满足测量的高精密度与实时性的要求。

附图说明

图1是图像处理流程框图，

图2是测量系统示意图，

图3是光线从空气射入玻璃中的示意图，

图4是原始图像，

图5是二值化图像，

图6是边缘图像，

图7是拟合的液面图像，

图8是测量喷油量与实际喷油量对比，

图9是测量喷油量与实际喷油量对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明是利用图像处理技术，提供了发动机单次喷油量检测的方法，提出了一种非接触式测量系统。

图像处理部分参阅图1，主要包括对原图像进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，由此二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型等步骤。

本实施例是在以下的条件下实施的：

直喷发动机单次喷油的喷油量范围为1mm³-200mm³，两次喷油之间的最小间隔为20ms。系统检测精度为0.01mm，相机像素为320万。采用无锡伟博科技有限公司研发的IPT3000高压共轨喷油器性能试验台，德国博世喷油器0445120081，Falcon24M面阵相机，TEC-M55镜头，X64-CLFull采集卡以及本发明所设计的喷油量检测装置。IPT3000高压共轨喷油器性能试验台可以根据喷油器型号自动调用标准程序，控制喷油器进行单次或连续喷油，最大轨压可以达到1500Bar，可以对喷油器的喷油过程进行精确控制。Falcon24M面阵相机最大帧率为168fps，最高分辨率为2432×1728，最高像素可以达到400万，能够同时满足检测系统高分辨率和高帧率的要求。本实施例中的测量系统是一个光学系统，并且存在两种不同的介质，会产生折射现象。参阅图2，本系统相机与玻璃管相距200mm，玻璃管内径5mm，外径7mm，长60mm。相机的最大视场角为17°。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

1.采集液位图像T₁，处理图像T₁，得到液位高度H₁：

对采集到的液位图像T₁，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H₁。

2.对液位高度H₁进行液位高度校正，触发喷油，按触发信号采集液位图像T2，处理图像T2，得到液位高度H₂：

对步骤1得到的液位高度H₁进行液位高度校正，对采集到的液位图像T2，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H₂。

所述的液位高度校正算法，具体是基于光线折射原理的液位高度校正算法。

3.对液位高度H₂进行液位高度校正，计算本次喷油量触发放油。

技术方案中所述的曲线拟合算法是指RANSAC曲线拟合算法，具体是：第一次由RANSAC算法根据边缘样本数据估计出一个最合适模型，即一个边缘模型；然后标记并删除本次一致集中的样本，并由余集SC重置样本集S，由RANSAC算法再一次估计样本集S中最合适的模型，即可得到另一个边缘模型。

技术方案中所述的液位高度校正算法是指基于光线折射原理的液位高度校正算法，具体是：由折射引起的偏差值可以由Snell折射定律求得。而补偿方法则需要根据液位高度的不同而不同。由折射定律知道，当光线垂直于界面由一种介质进入另一种介质时，不发生折射；当不垂直时会发生折射现象，并且入射光线与折射光线位于法线两侧，入射角与折射角满足Snell定律：

n₁sinθ₁＝n2sinθ₂ (1)

其中n1，n2分别介质1和介质2的折射率，对于本系统，介质1为空气，n1≈1，介质2为玻璃，n2＝1.517，θ₁，θ₂别是入射角与折射角，参阅图3。

于是，当液面位于相机到玻璃管的垂线位置(参阅图2中A点)时，不需要补偿。当其位于垂线下面时，参阅图3，入射光线为PO，折射光线为OB，OA为法线。若没有折射现象，则液位面应该位于C点位置所在平面，由于光线折射作用，实际上从P点看到的液位面位于B点位置所在平面上，于是实际液面高度比观测到或拍摄到的液面高度低，应该由求得的液面高度减去偏差值BC。偏差值可以用如下方法推导得到。

如图3中，相机到玻璃管底部参考平面Z的距离h0已知，设没有补偿的液面高度BZ高度为h。于是根据图3以及Snell定律可以列写以下方程：

代入系统数据并整理得：

由于相机的最大视场角为17°，因此最大入射角为8.5°，即满足条件θ2＜θ1＜8.5°。在这个条件下，有简化关系：sinθ≈θ，tanθ≈θ。于是上面方程组可以简化为：

可以解得BC为

BC＝0.001698×(h0-h)，(0＜h≤30) (5)

本系统中，h0＝30mm，于是可得实际液面高度为

H＝h-BC＝h-0.001698×(h0-h)＝1.001698h-0.05 (6)

当液面位于相机平面上方时，其偏差方向相反，实际液面高度比观测到或拍摄到的液面高度高，应该由求得的液面高度加上偏差值BC。同理可以求得偏差值BC的计算公式为

BC＝0.001698×(h-h0)，(30＜h≤60) (7)

实际液面高度为

H＝h+BC＝h+0.001698×(h-h0)＝1.001698h-0.05 (8)

可见，无论观测液面高度低于或高于相机平面，偏差补偿的液面方程是相同的，最大补偿高度为0.05mm。这也为编程带来了方便。

实施效果

在搭建系统试验平台之后，对IPT3000共轨试验台设定相应喷油参数，控制喷油器进行喷油，进行单次喷油量检测的试验。由共轨试验台的喷油脉冲信号来触发图像的采集，并在完成图像采集之后触发放油信号，通过控制高速排油电磁阀将燃油从检测装置中排出，进行下一次测量。试验在100bar的轨压压力条件下进行，喷油间隔为25ms，排油电磁阀阀门开启时间为1ms。附图4-7为一次喷油后的图像处理过程，包括原始图像的二值化，边缘提取以及液位边缘拟合。

对于图7中液面的拟合曲线，在图示坐标系下，液面上边缘为直线

Y＝-0.0054X+1275.6 (9)

液面下边缘为圆弧

(X-1749.6)²+(Y-1550.5)²＝367.8² (10)

于是可以由上面两个方程求取液面型心，由型心进行喷油高度的计算。图8是由图像方法得到的喷油量与实际喷油量的对比结果。

测量误差分析：图像中每两个像素点间距离为0.009mm，也就是图像的分辨率为0.009mm；对应的喷油量的分辨率为因此，测量误差范围为最大误差发生在能够除尽0.0833的奇数点上。

本实施例针对发动机单次喷油量精密检测问题，提出一种基于图像处理的非接触式测量系统。通过对喷油前后油柱高度图像的处理，可以精确计算出一次喷油引起的油柱高度差，从而可以精确计算出一次喷油量。通过对图像处理算法的优化和基于光线折射原理的液位高度校正算法，提高了液位测量精度和稳定性。该系统构造简单，测量可靠，可以对发动机喷油进行单次或多次直接测量，并满足测量的高精密度与实时性的要求。

Claims (2)

1.一种直喷发动机单次喷油量液位高度视觉测量修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，采集液位图像T1，处理图像T1，得到液位高度H1：

对采集到的液位图像T1，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H1；

第二步，对液位高度H1进行液位高度校正，触发喷油，按触发信号采集液位图像T2，处理图像T2，得到液位高度H2：

对步骤1得到的液位高度H1进行液位高度校正，对采集到的液位图像T2，进行边缘提取，求得包含液位边缘的二值图像，并在建立的坐标系中，采用RANSAC曲线拟合算法对得到的二值图像数据进行曲线拟合，以求得液位高度的曲线模型，从而得到液位高度H2；

第三步，对液位高度H2进行液位高度校正，计算本次喷油量W是喷油器的单次喷油量，D是玻璃管的内径值；

所述的液位高度校正，具体是基于光线折射原理的液位高度校正。

2.根据权利要求1所述的直喷发动机单次喷油量液位高度视觉测量修正方法，其特征是，所述的曲线拟合算法是指基于修正RANSAC的曲线拟合算法，具体是：第一次由RANSAC算法根据边缘样本数据估计出一个最合适模型，即一个边缘模型，设定该模型为样本集S；然后标记并删除本次一致集中的样本形成余集SC，然后由余集SC重置样本集S，由RANSAC算法再一次估计样本集S中最合适的模型，即可得到另一个边缘模型。