CN113820070A - 基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，涉及转动惯量测量技术领域，包括：标定扭摆台扭簧刚度系数k；在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；绘制扭摆曲线；计算转动惯量，解决了现有技术中提出的在需要高精确测量的场景下，传统的机械测量方法测量伴随着设备昂贵且体积庞大、操作复杂且使用场景较窄的问题。
Description
技术领域
本发明涉及转动惯量测量技术领域，具体为一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统。
背景技术
转动惯量是刚体转动时惯性大小的量度，是表明刚体特性的一个物理量。刚体转动惯量除了与物体质量有关外，还与转轴的位置和质量分布有关。对于形状复杂，质量分布不均匀的刚体，计算将极为复杂，通常需要采用实验方法来进行测量。
转动惯量的测量,一般都是使刚体以一定形式运动,通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量的关系,进行转换测量。例如机械部件,电动机转子和枪炮的弹丸等。在工程实际中，测量转动惯量主要方法有：单线扭摆法、扭转振动法、三线扭摆法等。
目前转动惯量测量技术的研究中，为减小误差而采用线阵图像传感器或光栅测角传感器对角位移进行测量进而求出转动惯量，但所需硬件成本较高，很难推广使用。而使用半球气浮式的测量平台虽然可以为载体提供高精度的惯性参考基准，但平台中的球体不易吊挂也不易装夹，且设计实验台成本巨大。
在需要高精确测量的场景下，传统的机械测量方法测量伴随着设备昂贵且体积庞大、操作复杂且使用场景较窄等缺点，已经不满足当下测量要求。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统，解决了上述背景技术中提出的在需要高精确测量的场景下，传统的机械测量方法测量伴随着设备昂贵且体积庞大、操作复杂且使用场景较窄的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，包括：
标定扭摆台扭簧刚度系数k；
在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
绘制扭摆曲线；
计算转动惯量。
优选地，所述对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓，包括：
对所述对采集到的扭摆台图像进行高斯模糊处理；
然后对经过高斯模糊处理后的扭摆台图像进行二值化处理；
进而再对经过二值化处理的扭摆台图像进行形态学操作；
最后利用Canny边缘处理算法处理得到被测主体轮廓。
优选地，所述提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标，包括：
运用OpenCV中的Findcontours()函数提取出每一个轮廓的像素点集；
调用Opencv中的contourArea()函数计算轮廓面积，根据面积判断是否为正确轮廓，若是，则保存正确轮廓，若否，则释放错误轮廓；
调用opencv中的minAreaRect()函数对得到的矩形轮廓进行拟合，拟合后，返回左边轮廓坐标平均值。minAreaRect()函数是根据给出轮廓返回最小矩形的拟合函数；
返回标记点坐标。
优选地，所述根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移，包括：引入世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系、像素坐标系，建立标记点位置与实际运动位移的关系模型，通过坐标变换计算实际运动位移。
优选地，所述绘制扭摆曲线，包括：计算扭摆角θ；
结合每帧图像的拍摄时间t拍摄时间最终得到(t，θ)数据组，用平滑曲线连接完成扭摆曲线绘制。
优选地，所述计算转动惯量，包括：
寻找扭摆曲线的极大值点；
计算每个极大值点的主频平均值ωp和阻尼比平均值ξ；
依据下述公式计算转动惯量I：
其中，主频平均值ωp，阻尼比平均值ξ，转动惯量I，扭簧刚度系数k。
本发明还提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统，包括：
标定模块：用于标定扭摆台扭簧刚度系数k；
图像采集模块：用于在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
图像处理模块：用于对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
坐标变换模块：用于根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
曲线绘制模块：用于绘制扭摆曲线；
转动惯量计算模块：用于计算转动惯量。
本发明还提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统终端，所述终端包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现如前任一项所述的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如前任一项所述一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统。具备以下有益效果：
本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统，为了解决普通轴承摩擦阻尼等影响转动惯量测量精度的问题，利用线性模型修正系统阻尼比以提高测量精度。
通过机器视觉方法记录被测物体在扭振运动下的影像得到扭摆曲线，通过提取扭振运动阻尼比、扭振主频实现了被测物体转动惯量的精确测量。
本发明提出的方法可实现被测物转动惯量的高效、高精度测量。测量结果重复性好、准确度高，满足转动惯量测量的工程需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法流程图；
图2为本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法的坐标变换关系示意图；
图3为本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法的扭摆角计算示意图；
图4为本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统结构示意图；
图5为本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量终端结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，如图1所示，包括：
S1.标定扭摆台扭簧刚度系数k；
在一个实施例中，用已知转动惯量为I1’的物体标定抗扭刚度系数k。
依据公式1：
在扭摆转轴上装上转动惯量为I0的金属载物圆盘，设此时扭振运动主频为ωp0，指数调幅参数为ξ0。得到如下公式2：
将转动惯量为I1’的待测物放在金属载物圆盘上，则总的转动惯量为I1’+I0，设此时扭振运动主频为ωp1，指数调幅参数为ξ1。得到如下公式：
联立式(2)和(3)可得：
联立式(2)和(4)可得：
S2.在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
S3.对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
S4.提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
S5.根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
S6.绘制扭摆曲线；
S7.计算转动惯量。
优选地，所述对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓，包括：
对所述对采集到的扭摆台图像进行高斯模糊处理，高斯模糊即为用高斯分布权值矩阵与原始图像矩阵做卷积运算，有利于减少由照相机及环境产生的噪音；
然后对经过高斯模糊处理后的扭摆台图像进行二值化处理，二值化处理即在原图像的基础上按照某一阈值，得到灰度图只为0或255的图像，便于后续操作及保留和突出被测物轮廓特征；
进而再对经过二值化处理的扭摆台图像进行形态学操作，形态学操作是根据图像形状进行的简单操作，如膨胀、腐蚀、开操作和闭操作，该操作需要获取结构化元素；
最后利用Canny边缘处理算法处理得到被测主体轮廓，Canny边缘处理即多级边缘检测算法，用于尽可能多地标识出图像地实际边缘。
优选地，所述提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标，包括：
运用OpenCV中的Findcontours()函数提取出每一个轮廓的像素点集；
为避免可能存在的环境或相机因素导致的部分噪音被Opencv中的getStructuringElement()函数捕捉影响到形态学操作；
调用Opencv中的contourArea()函数计算轮廓面积，根据面积判断是否为正确轮廓，若是，则保存正确轮廓，若否，则释放错误轮廓；
调用opencv中的minAreaRect()函数对得到的矩形轮廓进行拟合，拟合后，返回左边轮廓坐标平均值。minAreaRect()函数是根据给出轮廓返回最小矩形的拟合函数；
返回标记点坐标。
优选地，所述根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移，包括：引入世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系、像素坐标系，建立标记点位置与实际运动位移的关系模型，通过坐标变换计算实际运动位移。
在一个实施例中，根据相机小孔成像模型可知，成像面上的一个像点对应于视野范围内的每一个物点，因此根据图像处理后得到的标记点位置变化可推知其实际运动位移，为建立两者的关系模型，引入世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系、像素坐标系，如图2所示。
世界坐标系Ow-XwYwZw，是客观三维世界的绝对坐标系，也称为测量坐标系，令相机光轴经过原点OE；
相机坐标系Oc-XcYcZc，以相机光心Oc为原点，Xc和Yc轴分别与世界坐标系的Xw和Yw轴平行，且正方向一致，Zc轴与光轴重合；
像平面坐标系Oi-XiYi，原点O为光轴与像面的交点，即图像的中心点，X和Y轴分别与世界坐标系的Xw和Yw轴平行，且正方向一致；
像素坐标系O0-UV，原点O0位于图像的一角，该坐标系没有物理单位，表示图像中像素的排列情况，U和V轴分别与图像两边平行，正方向与像平面坐标系中X轴和Y轴一致。
设物点A的世界坐标为(xw，yw),其对应相机坐标为(xc,yc)，像平面坐标为(xi,yi),像素坐标为(u,v)。根据上述4个坐标系的关系可知：
世界坐标(xw，yw)与相机坐标(xc,yc)的转化关系式为：
设镜头焦距为f，物距即物点到镜头光心的距离为U，根据相机小孔成像模型和三角形相似定理可知，相机坐标(xc,yc)与像平面坐标(xi,yi)的转化关系式为：
设像素坐标系原点O0的坐标为(u0，v0)，单一像素块沿X轴和Y轴的长度分别为dx、dy，可由相机分辨率计算得到，则像平面坐标(xi,yi)和像素坐标(u,v)的转换关系式为：
联合公式(5)-(7)可得物点世界坐标A(xw，yw)与像素坐标A’(u,v)的最终转换公式为：
优选地，所述绘制扭摆曲线，包括：计算扭摆角θ；
结合每帧图像的拍摄时间t拍摄时间最终得到(t，θ)数据组，用平滑曲线连接完成扭摆曲线绘制。
在一个实施例中，如图3所示，为求得扭摆角θ，以测量台圆心为原点O，建立二维坐标系O-xy，其中y轴穿过镜头光心Oc，且与像平面交于中心点O0。
圆O为转动惯量测量台，其半径为r，圆O的直线方程为：
x2+y2＝r2 (8)
将图像处理后的像点A’(u,v)进行坐标转换得到物点A的坐标为(xw，yw)，又已知镜头光心坐标为Oc(0,y1),其中y1＝U+r，物距U可由实验测量得到，因此A’Oc直线方程为：
直线A’Oc与圆O的交点，其中远离光心Oc的交点不符合实际，予以舍弃，从而筛选出实际物点坐标A”(x,y)。
因此根据A”(x,y)、O(0,0)和Ow(0,r)三点坐标，可计算扭摆角θ，计算公式如下：
记实际物点横坐标x为负数时扭摆角θ为负，反之为正。
结合每帧图像的拍摄时间最终得到大量(t，θ)数据组，用平滑曲线连接即得扭摆曲线。
优选地，所述计算转动惯量，包括：
寻找扭摆曲线的极大值点；
计算每个极大值点的主频平均值ωp和阻尼比平均值ξ；
依据下述公式计算转动惯量I：
其中，主频平均值ωp，阻尼比平均值ξ，转动惯量I，扭簧刚度系数k。
如图4所示，本发明实施例还提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统，包括：
标定模块：用于标定扭摆台扭簧刚度系数k；
图像采集模块：用于在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
图像处理模块：用于对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
坐标变换模块：用于根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
曲线绘制模块：用于绘制扭摆曲线；
转动惯量计算模块：用于计算转动惯量。
如图5所示，本发明实施例还提供一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统终端，所述终端包括处理器30和存储器31，所述存储器31中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器30加载并执行以实现如前任一项所述的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如前任一项所述一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
综上所述，本发明提供的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法及系统，为了解决普通轴承摩擦阻尼等影响转动惯量测量精度的问题，利用线性模型修正系统阻尼比以提高测量精度。
通过机器视觉方法记录被测物体在扭振运动下的影像得到扭摆曲线，通过提取扭振运动阻尼比、扭振主频实现了被测物体转动惯量的精确测量。
本发明提出的方法可实现被测物转动惯量的高效、高精度测量。测量结果重复性好、准确度高，满足转动惯量测量的工程需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，包括：
标定扭摆台扭簧刚度系数k；
在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
绘制扭摆曲线；
计算转动惯量。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，所述对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓，包括：
对所述对采集到的扭摆台图像进行高斯模糊处理；
然后对经过高斯模糊处理后的扭摆台图像进行二值化处理；
进而再对经过二值化处理的扭摆台图像进行形态学操作；
最后利用Canny边缘处理算法处理得到被测主体轮廓。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，所述提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标，包括：
运用OpenCV中的Findcontours()函数提取出每一个轮廓的像素点集；
调用Opencv中的contourArea()函数计算轮廓面积，根据面积判断是否为正确轮廓，若是，则保存正确轮廓，若否，则释放错误轮廓；
调用opencv中的minAreaRect()函数对得到的矩形轮廓进行拟合，拟合后，返回左边轮廓坐标平均值。minAreaRect()函数是根据给出轮廓返回最小矩形的拟合函数；
返回标记点坐标。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，所述根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移，包括：引入世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系、像素坐标系，建立标记点位置与实际运动位移的关系模型，通过坐标变换计算实际运动位移。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，所述绘制扭摆曲线，包括：计算扭摆角θ；
结合每帧图像的拍摄时间t拍摄时间最终得到(t，θ)数据组，用平滑曲线连接完成扭摆曲线绘制。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法，其特征在于，所述计算转动惯量，包括：
寻找扭摆曲线的极大值点；
计算每个极大值点的主频平均值ωp和阻尼比平均值ξ；
依据下述公式计算转动惯量I：
其中，主频平均值ωp，阻尼比平均值ξ，转动惯量I，扭簧刚度系数k。
7.一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统，其特征在于，包括：
标定模块：用于标定扭摆台扭簧刚度系数k；
图像采集模块：用于在扭摆台的载物圆盘侧面放置竖直标记线作为特征点族，经高分辨率工业相机成像于光电检测单元；
图像处理模块：用于对采集到的扭摆台图像信息进行图像预处理，得到被测主体轮廓；
提取每一个轮廓的像素点集，得到优化后的被测主体轮廓，对所述优化后的轮廓进行拟合，返回标记点坐标；
坐标变换模块：用于根据标记点坐标通过坐标变换计算实际运动位移；
曲线绘制模块：用于绘制扭摆曲线；
转动惯量计算模块：用于计算转动惯量。
8.一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量系统终端，其特征在于，所述终端包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至6任一项所述的一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述一种基于机器视觉和扭摆法的刚体转动惯量测量方法。
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