CN113566927B - 一种可变倾角容器液位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变倾角容器液位测量装置及方法，涉及自动测量技术领域，用于测量液体容器倾斜时容器内液面实时高度，包括标识盘，所述标识盘在液体容器倾斜时始终浮于液体表面，所述标识盘顶面设有若干圆斑且标识盘顶面与液面处于同一水平面，用于向图像采集模块提供参照；图像采集模块，所述图像采集模块位于液体容器顶部，用于采集标识盘图像信息来计算液位数据。本发明克服目前多数液位传感器只能测量垂直静态液面的缺陷，实现倾斜液位的动态测量，通过对漂浮于液面的标识盘进行定位及数据采集，有效抑制环境影响，计算出可变倾角容器内液体的液位，进而计算出液体容积，解决了姿态试验中，油箱液位测量的难题，实现余油量变化测量。
Description
技术领域
本发明属于自动测量技术领域，具体是一种可变倾角容器液位测量装置及方法。
背景技术
滑油系统姿态模拟试验时，滑油腔、油箱等部件需要测量液位高度，确定积油容量，才能实现姿态与滑油系统的匹配研究。一方面，倾斜角度连续变化过程中，怎样获得相应液位的变化，对试验的分析及关键部件的设计改进至关重要；另一方面，大倾斜角度下可能导致滑油满溢泄漏，威胁试验设备及人员安全。目前，没有可测量倾斜液面的液位传感器。因此，液位测量只能依靠人工读取预先标定的刻度，费时费力，准确度低、试验准备工作繁琐。
摄像机配合视觉处理算法，广泛应用于测距、成像等领域，非接触测量，响应速度快，精度高，理论上可用于倾斜容器液位测量，但实际上存在技术难点：试验为动态过程，液面可能剧烈波动，摄像机与液面之间可能存在油雾，使得液面识别、标定困难。现有技术中，未见摄像机信号处理用于可变倾斜液位测量的实例及相关文章。
因此，本发明提供了一种可变倾角容器液位测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变倾角容器液位测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术液位传感器均要求垂直测量，不能进行倾斜安装及使用的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种可变倾角容器液位测量装置，用于测量液体容器倾斜时容器内液面实时高度，包括标识盘，所述标识盘位于液体容器内部且在液体容器倾斜时始终浮于液体表面，所述标识盘顶面设有若干圆斑且标识盘顶面与液面处于同一水平面，用于向图像采集模块提供参照；图像采集模块，所述图像采集模块位于液体容器顶部，用于采集标识盘图像信息来计算液位数据。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述标识盘顶面的若干圆斑呈均匀分布且尺寸相同。
根据本发明的另一个实例性的实施例，若干所述圆斑的圆心与标识盘圆心距离相等，任意相邻两个圆斑的圆心与标识盘圆心连线夹角相等。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述标识盘底部均匀分布有若干尺寸相同的肋板，所述肋板密度大于标识盘密度。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述标识盘的盘面面积与液体容器的截面面积呈正比例关系。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述图像采集模块包括摄像机和照明装置。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述图像采集模块输出端连接有图像信号接收器，图像信号接收器输出端连接有信息处理模块。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述信息处理模块包括图像处理软件。
根据本发明的另一个方面，提供一种可变倾角容器液位测量方法，包括以下步骤：
S1：接通电源，完成图像采集模块的安装，标识盘标定，进入工作状态；
S2：图像处理软件初始化，输入标定数据完成图像处理软件的数据设定；
S3：向图像采集模块输入采集指令，照明装置开启，摄像机采集标识盘的实时图像；
S4：将摄像机采集到的图像信息输入至图像处理软件，提取标识盘的特征参数，进而通过图像处理软件计算获得液体容器内的实时液位；
S5：获取液体容器的倾角及液体容器的尺寸特征数据，计算获得液体容器内液体的容积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的可变倾角容器液位测量装置及方法，通过对漂浮于液面的标识盘进行定位及数据采集，有效抑制环境影响，计算出可变倾角容器内液体的液位，进而计算出液体容积，解决了姿态试验中，油箱液位测量难题，有助于开展余油量变化测量。
2、本发明克服目前多数液位传感器只能测量垂直静态液面的缺陷，可实现倾斜液位的动态测量，环境适应性强。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为一种可变倾角容器液位测量装置的整体结构示意图；
图2为一种可变倾角容器液位测量装置剖视图；
图3为标识盘整体结构示意图；
图4为透视原理示意图；
图5为液体容器内液体容积的第一个实施例；
图6为液体容器内液体容积的第二个实施例。
图中：1、液体容器；2、标识盘；201、圆斑；202、肋板；3、图像采集模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
根据本发明的一个总体技术构思，如图1-6所示，提供一种可变倾角容器液位测量装置，用于测量液体容器1倾斜时容器内液面实时高度，包括标识盘2，标识盘2位于液体容器1内部且在液体容器1倾斜时始终浮于液体表面，标识盘2顶面设有若干圆斑201且标识盘2顶面与液面处于同一水平面，用于向图像采集模块3提供参照，标识盘2顶面颜色与若干圆斑201的颜色为强对比颜色，便于图像处理软件提取标识盘2的特征参数；图像采集模块3，图像采集模块3位于液体容器1顶部，包括摄像机和照明装置，用于采集标识盘2图像信息来计算液位数据；图像采集模块3输出端连接有图像信号接收器，图像信号接收器输出端连接有信息处理模块，信息处理模块包括图像处理软件。
如图4所示，首先，参照光学视距测距原理，确定标识盘2表面圆斑201与摄像机的距离，将标识盘2垂直安放在摄像机镜头正前，通过图像分析记录下标识盘2上各尺寸与标识盘2距离的对应关系，作为后续判断距离的依据。
根据公式：
其中，D为某点至摄像机镜头的距离，A为摄像机视角，L为图像中该点宽度。
则标识盘2表面圆斑201与摄像机的距离等于视角二分之一的余切与该点宽度二分之一的乘积。
调整至最佳状态后，摄像机的视角固定不变，因此可近似认为距离与宽度存在线性关系。
D＝kL
其中，k为系数(常量)。
如图3所示，在图示的实施例中，标识盘2的顶面均匀分布有若干尺寸相同的圆斑201，参考像素点数及形状，对比之前标定的距离，可确定四个圆斑201与摄像机的相对距离，摄像机采集到某时刻的标识盘2图像，当标识盘2随液位倾斜时，圆斑201在图像中表现为椭圆形，以其最短边为准。
优选的，在本实施例中，若干圆斑201的圆心与标识盘2圆心距离相等，任意相邻两个圆斑201的圆心与标识盘2圆心连线夹角相等。
优选的，在本实施例中，标识盘2底部均匀分布有若干尺寸相同的肋板202，肋板202密度大于标识盘2密度。
优选的，在本实施例中，标识盘2的盘面面积与液体容器1的截面面积呈正比例关系。
一种可变倾角容器液位测量方法，包括以下步骤：
S1：接通电源，完成图像采集模块3的安装，标识盘2标定，进入工作状态；
S2：图像处理软件初始化，输入标定数据完成图像处理软件的数据设定；
S3：向图像采集模块3输入采集指令，照明装置开启，摄像机采集标识盘2的实时图像；
S4：将摄像机采集到的图像信息输入至图像处理软件，提取标识盘2的特征参数，进而通过图像处理软件计算获得液体容器1内的实时液位；
S5：获取液体容器1的倾角及液体容器1的尺寸特征数据，计算获得液体容器1内液体的容积。
下面，对图像处理方法进行详细介绍：
步骤一：图像滤波，为获取较清晰的标识盘2图像，剔除噪声影响，图像处理采用中值滤波方法，即通过对一定范围内的像素点按照灰度大小排序，取中间平均值作为灰度值，该方法可最大限度保护图像细节并去除噪音；标识盘2为强对比色，在有限体积的容器中较为明显，即使油箱产生少量油雾，也能通过滤波获得较高辨识度。
步骤二：边缘提取，根据图像灰度、颜色、纹理的差异，采用Canny算法实现图像边缘检测，如果在一个灰度为0的点邻域内有两个以上灰度为0的点，则此点不是边缘点；如果在一个灰度为0的点的邻域内有两个以上灰度不为0的点，则此点是边缘点；图像所有点经过筛选后，最终获得单一像素边缘轮廓。
步骤三：识别尺寸，根据图像中各个边缘像素点坐标，确定标识盘2表面圆斑201在图像中的尺寸，对比之前标定的距离与宽度的线性关系，得到圆斑201点至摄像机镜头的实际距离。
得到四个圆斑201之间的距离、圆斑201与摄像机的距离后，根据三维空间四点定位法计算出摄像机与标识盘2所在平面(即液面)的相对距离。具体做法是：设标识盘2平面中心为原点，盘面为XY平面，四个圆斑201坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)，摄像机镜头位置坐标为(x，y，z)，得以下各式：
各式相减得：
转化为矩阵相乘：
通过求左侧矩阵的逆矩阵，可得到摄像机镜头位置坐标，最终可算出摄像机与液面的距离。
接下来，通过获得液体容器1的倾角及尺寸容积，配合液位数据，还可得到液体体积及液面在液体容器1内的相对位置。
如图5和图6所示，为液体容器1内液体容积的两个不同的实施例，液体容器1为规则箱体或柱体。
在图5和图6中：h为液位高度(摄像机距离液面的垂直距离)，C为容器倾角，E为容器底面长度，F为容器底面宽度，G为容器高度，容器体积为底面积S(依据液体容器形状确定计算公式)与高度G的乘积。
如图5所示，在液体容器1内液体容积的第一个实施例中：
当液位最高点和最低点分别位于两个相互平行的液体容器1内壁时， 液体容器1内液体容积为液位最高点与最低点之间柱体体积的一半，加上液位最低点以下的柱体体积。
此时液体容器1内的液体体积为：
如图6所示，在液体容器1内液体容积的第二个实施例中：
当液位最高点和最低点分别位于两个相互垂直的容器内壁时， 液体容器1内液体容积为液体最高点与最低点之间残余柱体体积的一半。
此时液体容器1内的液体体积为：
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可变倾角容器液位测量装置，用于测量液体容器(1)倾斜时容器内液面实时高度，其特征在于，包括：
标识盘(2)，所述标识盘(2)位于液体容器(1)内部且在液体容器(1)倾斜时始终浮于液体表面，所述标识盘(2)顶面设有若干圆斑(201)且标识盘(2)顶面与液面处于同一水平面，用于向图像采集模块(3)提供参照；
图像采集模块(3)，所述图像采集模块(3)位于液体容器(1)顶部，用于采集标识盘(2)图像信息来计算液位数据。
2.根据权利要求1所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述标识盘(2)顶面的若干圆斑(201)呈均匀分布且尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，若干所述圆斑(201)的圆心与标识盘(2)圆心距离相等，任意相邻两个圆斑(201)的圆心与标识盘(2)圆心连线夹角相等。
4.根据权利要求2所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述标识盘(2)底部均匀分布有若干尺寸相同的肋板(202)，所述肋板(202)密度大于标识盘(2)密度。
5.根据权利要求2所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述标识盘(2)的盘面面积与液体容器(1)的截面面积呈正比例关系。
6.根据权利要求1所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述图像采集模块(3)包括摄像机和照明装置。
7.根据权利要求6所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述图像采集模块(3)的输出端连接有图像信号接收器，图像信号接收器输出端连接有信息处理模块。
8.根据权利要求7所述的一种可变倾角容器液位测量装置，其特征在于，所述信息处理模块包括图像处理软件。
9.一种使用权利要求1-8任一项所述的可变倾角容器液位测量装置进行液位测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接通电源，完成图像采集模块(3)的安装，标识盘(2)标定，进入工作状态；
S2：图像处理软件初始化，输入标定数据完成图像处理软件的数据设定；
S3：向图像采集模块(3)输入采集指令，照明装置开启，摄像机采集标识盘(2)的实时图像；
S4：将摄像机采集到的图像信息输入至图像处理软件，提取标识盘(2)的特征参数，进而通过图像处理软件计算获得液体容器(1)内的实时液位；
S5：获取液体容器(1)的倾角及液体容器(1)的尺寸特征数据，计算获得液体容器(1)内液体的容积。
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