CN113447670A - 一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法及系统，包括了条纹编码标志、线阵相机、计算机和数据采集卡。该转速测量方法通过线阵相机采集待测转轴上的条纹编码标志序列，分析条纹信号序列的相对频率变化，从而求出转轴的角度变化，根据线阵相机的采样频率，可实现转轴转速的测量。本发明可实现非接触式转速测量，测量系统简单，测量速度快。
Description
技术领域
本发明涉及于视觉转速测量技术领域，特别是一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法及系统。
背景技术
鉴于旋转机械在相关行业中的高占比量，对于它的安全监测是至关重要的。转轴的转速对于旋转机械设备的健康监测具有参考价值，为此，许多学者都在这方面做了研究。
现今的转轴转速测量多采用的是电涡流传感器，在非接触的情况下，能实现对待测转轴转动参数的提取。还有很多学者通过光学测量的方式实现转速的测量，如散斑干涉法，除此之外使用声信号和振动信号相关的方法，通过振动频率同样能测量出发动机的转速。
近年来，机器视觉测量技术由于非接触、高效率、高精度、无负载效应等特点，在测量领域受到广泛的应用。该类方法一般先采用相机对待测结构表面的编码标志或者自然特征进行连续采集成像，而后再采用特定的图像处理技术实现结构的相关运动变化参数的测量。
线阵相机相较于面阵相机，能实现对目标图像的高速、高分辨率的采集，同时减少图像数据量，提高处理速度。为此，当前越来越多的视觉测量场合开始应用到工业线阵相机。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法及系统，可以实现对转轴结构的非接触、快速的转速测量。
本发明采用以下方案实现：一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待测目标轴设计条纹编码图案，包括长、宽、密度的变化范围；
步骤S2：将条纹编码标志附于目标轴上，保证条纹宽度方向与目标轴的轴线相平行；
步骤S3：固定线阵相机的位置，保证良好的光照条件，启动计算机中的相机控制模块，调整好成像分辨率、采样频率和曝光时间；
步骤S4：控制伺服电机匀速转动，所述线阵相机对转轴上的条纹编码图案进行成像，将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；
步骤S5：采用MATLAB对线阵相机采集到的每一帧图像信号进行预处理，确定条纹信号频率变化和角度变化之间的关系，实现参数的标定；
步骤S6：实施测量，采集条纹编码图像，求取每个时刻的频率值，得到频率随时间的变化曲线；
步骤S7：根据已求得的编码条纹的频率和角度之间的变化关系，求出转轴的瞬时转速。
进一步地，所述的条纹编码标志沿圆周方向呈线性变密度分布，条纹的长度与目标轴周长相等，宽度为10mm。
进一步地，步骤S5中所述采集到的每一帧图像信号进行预处理，使用的是滤波函数对信号进行去噪处理。
进一步地，所述步骤S5中采用直接测量的方式，确定频率变化和角度变化的关系，包括如下步骤：
步骤Sa：设置转轴的转速和相机的采样帧率，采集预设时间内的条纹编码图像；所述预设时间需保证该时间段内转轴至少转过一周；
步骤Sb：通过加汉宁窗的方式在1/4位置处为中心截取出每一帧条纹信号的一段子序列，通过傅里叶变换求解每段子序列的频率；条纹编码图案密度呈线性变化，而转轴呈圆柱状，所以随着转轴的转动，在编码图案的首尾相接的地方会出现密度的突变，从而一个位置求出的频率随时间的变化曲线会突变。由于转轴匀速转动，条纹呈线性变密度，所以不包含首尾相接部分的子序列的频率随时间呈线性变化，则角度和相对频率的关系可计算如下：
其中，k是频率和角度的变化系数；i和j分别是频率曲线相邻的两个突变位置的时间点；dm是m时刻的频率，
dn是n时刻的频率，
进一步地，所述步骤S6中，在实施测量的过程中，分别以1/4和3/4处为中心位置，使用加汉宁窗的方式截取出每一帧信号的两段子序列，通过傅里叶变换求解其频率，具体如下：
从每一帧信号的1/4处和3/4处同时求解频率曲线，由于位置的不同，两条曲线的突变的位置会出现时移的情况，1/4处的频率曲线出现突变的时候，3/4处的频率曲线处在连续变化的状态。所以采用求差平移的方法求出转轴的频率变化曲线：
a.找到1/4处的频率曲线突变的时间区间为[t1+nT,t2+nT],n＝0,1,2…,T为转轴转过一周的时间；
b.本专利中转速由频率差值确定，与频率大小无关，根据t1+nT处的频率差将3/4处[t1+nT,t2+nT]内的频率曲线平移，求得一条连续的频率变化曲线。进一步地，步骤S7所述待测转轴的转速计算的数学关系式为：
其中，n为转轴的转速，di为第i帧的信号的频率值，dj为第j帧信号的频率值，F为线阵相机的帧率。
本发明还提供了一种基于上文所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量系统，包括一条纹编码标志、一线阵相机、一计算机和一数据采集卡；所述条纹编码标志附于目标轴上，用于完成目标结构的追踪、定位；所述线阵相机与计算机连接，用于对转轴上的条纹编码图案进行成像，并将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；所述数据采集卡与外部用于驱动伺服电机的伺服驱动器连接，同时还与所述计算机连接，用于由计算机控制模拟输出量，从而控制转轴的转速；所述计算机控制线阵相机，同时所述计算机中设有处理器与存储器，所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，实现权利要求1-6任一项中所述的方法步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，执行上文所述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将条纹作为编码标志，使用线阵相机采集图像数据，基于线阵相机的特性，实现了能反应转轴转速信息的编码图案的高速、高分辨率的采集；本发明提供了一种新的非接触式的转速无损检测手段，相对于传统的非接触式的转轴振动测量方法，普遍适用、测量系统及步骤简便。
附图说明
图1为本发明实施例的条纹编码标志图。
图2为本发明实施例的装置结构示意图。
图3为本发明实施例的转速恒定条件下，相对频率随时间的变化图。
图4为本发明实施例的实验中相对频率随时间的变化图。
图5为本发明实施例的实验的相对频率随时间的变化图。
图6为本发明实施例的频率差随时间的变化图。
图7为本发明实施例的转速随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图2所示，本实施例提供一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待测目标轴设计条纹编码图案，包括长、宽、密度的变化范围；
步骤S2：将条纹编码标志附于目标轴上，保证条纹宽度方向与目标轴的轴线相平行；
步骤S3：固定线阵相机的位置，保证良好的光照条件，启动计算机中的相机控制模块，调整好成像分辨率、采样频率和曝光时间；
步骤S4：控制伺服电机匀速转动，所述线阵相机对转轴上的条纹编码图案进行成像，将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；
步骤S5：采用MATLAB对线阵相机采集到的每一帧图像信号进行预处理，确定条纹信号频率变化和角度变化之间的关系，实现参数的标定；
步骤S6：实施测量，采集条纹编码图像，求取每个时刻的频率值，得到频率随时间的变化曲线；步骤S7：根据已求得的编码条纹的频率和角度之间的变化关系，求出转轴的瞬时转速。
在本实施例中，所述的条纹编码标志沿圆周方向呈线性变密度分布，条纹的长度与目标转轴的周长相等、宽度为10mm。
在本实施例中，步骤S5中所述采集到的每一帧图像信号进行预处理，使用的是滤波函数对信号进行去噪处理。
在本实施例中，所述步骤S5中采用直接测量的方式，确定频率变化和角度变化的关系，包括如下步骤：
步骤Sa：设置转轴的转速和相机的采样帧率，采集预设时间内的条纹编码图像；所述预设时间需保证该时间段内转轴至少转过一周；
步骤Sb：通过加汉宁窗的方式在1/4位置处为中心截取出每一帧条纹信号的一段子序列，通过傅里叶变换求解每段子序列的频率。条纹编码图案密度呈线性变化，而转轴呈圆柱状，所以随着转轴的转动，在编码图案的首尾相接的地方会出现密度的突变，从而一个位置求出的频率随时间的变化曲线会突变。由于转轴匀速转动，条纹呈线性变密度，所以不包含首尾相接部分的子序列的频率随时间呈线性变化，则角度和相对频率的关系可计算如下：
其中，k是频率和角度的变化系数；i和j分别是频率曲线相邻的两个突变位置的时间点；dm是m时刻的频率，
dn是n时刻的频率，
在本实施例中，所述步骤S6中，在实施测量的过程中，分别以1/4和3/4处为中心位置，使用加汉宁窗的方式截取出每一帧信号的两段子序列，通过傅里叶变换求解其频率，具体如下：
从每一帧信号的1/4处和3/4处同时求解频率曲线，由于位置的不同，两条曲线的突变的位置会出现时移的情况，1/4处的频率曲线出现突变的时候，3/4处的频率曲线处在连续变化的状态。所以采用求差平移的方法求出转轴的频率变化曲线：
a.找到1/4处的频率曲线突变的时间区间为[t1+nT,t2+nT],n＝0,1,2…,T为转轴转过一周的时间；
b.本专利中转速由频率差值确定，与频率大小无关，根据t1+nT处的频率差将3/4处[t1+nT,t2+nT]内的频率曲线平移，求得一条连续的频率变化曲线。在本实施例中，步骤S7所述待测转轴的转速计算的数学关系式为：
其中，n为转轴的转速，di为第i帧的信号的频率值，dj为第j帧信号的频率值，F为线阵相机的帧率。
本实施例还提供了一种基于上文所述的单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量系统，包括一条纹编码标志、一线阵相机、一计算机和一数据采集卡；所述条纹编码标志附于目标轴上，用于完成目标结构的追踪、定位；所述线阵相机与计算机连接，用于对转轴上的条纹编码图案进行成像，并将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；所述数据采集卡与外部用于驱动伺服电机的伺服驱动器连接，同时还与所述计算机连接，用于由计算机控制模拟输出量，从而控制转轴的转速；所述计算机控制线阵相机，同时所述计算机中设有处理器与存储器，所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，实现权利要求1-6任一项中所述的方法步骤。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，执行上文所述的方法步骤。
较佳的，本实施例提供一条纹编码标志，用以实现目标结构的追踪、定位；一线阵相机，实现编码标志图案的高速采集与传输；一计算机，控制线阵相机，并实现图像数据的处理与存储。
较佳的，在本实施例中，所述的条纹编码标志沿圆周方向呈线性变密度分布，条纹的长度与目标转轴周长相等，宽度为10mm。
较佳的，在本实施例中，所述的线阵相机与测量目标处于同一空间水平面上，同时保证线状传感器与转轴的轴线相垂直。
较佳的，在本实施例中，所述的计算机安装有图像数据处理模块，能够实时处理图像数据，并呈现结果。
较佳的，在本实施例中，如图1所示，条纹编码标志、计算机、线阵相机、数据采集卡、伺服电机以及伺服驱动器等组成的转轴系统。
所述条纹编码标志安装在转轴上，转轴由伺服电机驱动；
所述线阵相机与计算机连接，实时采集条纹编码图像；
所述伺服电机连接伺服驱动器，伺服驱动器连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，由计算机控制模拟输出量，从而控制转轴的转速；
所述计算机用于控制线阵相机以及数据采集卡，并对采集到的图像信息进行处理。
在本实施例中，预设转轴转子的直径为15mm；相机与转轴的初始物距为302.5mm。
所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，该测量方法包括以下步骤：
步骤S1：根据待测目标轴设计条纹编码图案，长度为47.124mm，宽度为10mm；
步骤S2：将条纹编码标志附于目标轴上，保证条纹宽度方向与目标轴的轴线相平行；
步骤S3：固定线阵相机的位置，保证良好的光照条件，启动计算机中的相机控制模块，调整好成像分辨率、采样频率和曝光时间；
步骤S4：控制伺服电机匀速转动，对转轴上的条纹编码图案进行成像，将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；
步骤S5：采用图像处理软件对线阵相机采集到的每一帧图像信号进行处理，确定条纹信号频率变化和角度变化之间的关系，进行参数标定；
步骤S6：实施测量，采集条纹编码图像，求取每个时刻的频率值，得到频率随时间的变化曲线；
步骤S7：根据已知的编码条纹的频率和角度之间的变化关系，求出转轴的瞬时转速；
通过实际测量的方式，确定转轴转角和条纹相对频率变化的关系，具体实施方式如下：
模拟转轴转速为180rpm，相机的采样帧率为600Hz，图像采集的时间为1.5秒。对每一帧的信号进行滤波处理，同时通过加汉宁窗的方式从每一帧的信号中截取出相同位置的一段信号。得出的相对频率随时间的变化曲线如图3所示，用于参数标定；根据其突变点的位置，判断出转轴转动周期和频率的变化关系，频率和角度的变化系数k＝0.002133。实施测量的过程具体如下：
模拟实验设置转轴的转速在3秒钟的时间内以线性变化的方式从60度/s加速至420度/s，相机的帧率为400Hz。分别以1/4和3/4处为中心位置，使用加汉宁窗的方式截取出每一帧信号的两段子序列，通过傅里叶变换求解其频率曲线，两个位置的频率变化曲线如图4所示，虚线表示的1/4处的频率变化，实线表示的是3/4处的频率变化；通过求差平移的方法将两个位置结合后的相对频率随着时间的变化曲线如图5所示。
对如图5所示的曲线求导后所得的频率差值变化如图6所示。
所述待测转轴的转速计算的数学关系式为：
其中，n为转轴的转速，di为第i帧的信号的频率值，dj为第j帧信号的频率值，F为线阵相机的帧率。
根据以上公式以及图6所示的频率差值，可求得转轴的速度随时间变化曲线如图7所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：根据待测目标轴设计条纹编码图案，包括长、宽、密度的变化范围；
步骤S2：将条纹编码标志附于目标轴上，保证条纹宽度方向与目标轴的轴线相平行；
步骤S3：固定线阵相机的位置，保证良好的光照条件，启动计算机中的相机控制模块，调整好成像分辨率、采样频率和曝光时间；
步骤S4：控制伺服电机匀速转动，所述线阵相机对转轴上的条纹编码图案进行成像，将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；
步骤S5：采用MATLAB对线阵相机采集到的每一帧图像信号进行预处理，确定条纹信号频率变化和角度变化之间的关系，实现参数的标定；
步骤S6：实施测量，采集条纹编码图像，求取每个时刻的频率值，得到频率随时间的变化曲线；
步骤S7：根据已求得的编码条纹的频率和角度之间的变化关系，求出转轴的瞬时转速。
2.根据权利要求1所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：所述的条纹编码标志沿圆周方向呈线性变密度分布，条纹的长度与目标轴的周长相等，宽度为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：步骤S5中所述采集到的每一帧图像信号进行预处理，使用的是滤波函数对信号进行去噪处理。
4.根据权利要求1所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：所述步骤S5中采用直接测量的方式，确定频率变化和角度变化的关系，包括如下步骤：
步骤Sa：设置转轴的转速和相机的采样帧率，采集预设时间内的条纹编码图像；所述预设时间需保证该时间段内转轴至少转过一周；
步骤Sb：通过加汉宁窗的方式在1/4位置处为中心截取出每一帧条纹信号的一段子序列，通过傅里叶变换求解每段子序列的频率；条纹编码图案密度呈线性变化，而转轴呈圆柱状，所以随着转轴的转动，在编码图案的首尾相接的地方会出现密度的突变，从而一个位置求出的频率随时间的变化曲线会突变；由于转轴匀速转动，条纹呈线性变密度，所以不包含首尾相接部分的子序列的频率随时间呈线性变化，则角度和相对频率的关系可计算如下：
其中，k是频率和角度的变化系数；i和j分别是频率曲线相邻的两个突变位置的时间点；dm是m时刻的频率，
dn是n时刻的频率，
5.根据权利要求1所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：所述步骤S6中，在实施测量的过程中，分别以1/4和3/4处为中心位置，使用加汉宁窗的方式截取出每一帧信号的两段子序列，通过傅里叶变换求解其频率，具体如下：
从每一帧信号的1/4处和3/4处同时求解频率曲线，由于位置的不同，两条曲线的突变的位置会出现时移的情况，1/4处的频率曲线出现突变的时候，3/4处的频率曲线处在连续变化的状态。所以采用求差平移的方法求出转轴的频率变化曲线：
a.找到1/4处的频率曲线突变的时间区间为[t1+nT,t2+nT],n＝0,1,2…,T为转轴转过一周的时间；
b.本专利中转速由频率差值确定，与频率大小无关，根据t1+nT处的频率差将3/4处[t1+nT,t2+nT]内的频率曲线平移，求得一条连续的频率变化曲线。
6.根据权利要求1所述的一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量方法，其特征在于：步骤S7所述待测转轴的转速计算的数学关系式为：
其中，n为转轴的转速，di为第i帧的信号的频率值，dj为第j帧信号的频率值，F为线阵相机的帧率。
7.一种单目线阵视觉追踪条纹编码标志的转速测量系统，其特征在于：包括一条纹编码标志、一线阵相机、一计算机和一数据采集卡；所述条纹编码标志附于目标轴上，用于完成目标结构的追踪、定位；所述线阵相机与计算机连接，用于对转轴上的条纹编码图案进行成像，并将采集到的条纹图像信息输入至计算机中；所述数据采集卡与外部用于驱动伺服电机的伺服驱动器连接，同时还与所述计算机连接，用于由计算机控制模拟输出量，从而控制转轴的转速；所述计算机控制线阵相机，同时所述计算机中设有处理器与存储器，所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，实现权利要求1-6任一项中所述的方法步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时，执行如权利要求1-8任一项中所述的方法步骤。
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