CN114049310B - 一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，首先基于转子和保护轴承的具体尺寸以及摄像机的分辨率建立数学图像模型和相应的数据库；然后使用相机拍摄转子和其保护轴承的图像，并对图像进行处理，使用图像增强的方法将转子和保护轴承区域灰度值置成0，两者中间间隔区域置成1；最后处理图像对应矩阵，统计出在图像的右侧和上侧区域值为1的个数，根据1的个数，来通过对数据库数据的检索，再由单个像素与实际尺寸的关系，确定转子和其保护轴承的相对位置。本发明方法简单，计算便捷，有利于实现转子的高精度位置测量。

Description

一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承位置分析方法。
背景技术
磁悬浮轴承稳定运转时无机械接触，转子转速上限高，且具备机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。而且磁悬浮轴承的刚度、阻尼可调节，因此在旋转机械领域的应用前景良好。磁悬浮转子的位置是反馈控制中的反馈量，其精度直接影响到磁悬浮系统的稳定性和稳态精度，所以位置测量技术在磁悬浮控制系统中至关重要。当前磁悬浮控制轴承位置测量手段主要基于电涡流位移传感器、光电传感器、磁敏传感器、电感式传感器和电容式传感器等，但这些传感器的精度都存在局限性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，首先基于转子和保护轴承的具体尺寸以及摄像机的分辨率建立数学图像模型和相应的数据库；然后使用相机拍摄转子和其保护轴承的图像，并对图像进行处理，使用图像增强的方法将转子和保护轴承区域灰度值置成0，两者中间间隔区域置成1；最后处理图像对应矩阵，统计出在图像的右侧和上侧区域值为1的个数，根据1的个数，来通过对数据库数据的检索，再由单个像素与实际尺寸的关系，确定转子和其保护轴承的相对位置。本发明方法简单，计算便捷，有利于实现转子的高精度位置测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：基于磁悬浮轴承转子与其保护轴承的尺寸以及摄像机的分辨率建立数学图像模型和相应的数据库；
步骤1-1：根据相机所拍摄照片的分辨率m×n定义矩阵E，矩阵E的大小为m×n；矩阵E中每个元素对应一个像素点；
步骤1-2：设定磁悬浮轴承转子的半径为r1个像素，保护轴承的半径为r2个像素；
步骤1-3：以矩阵E的中心O点建立x-y直角坐标系，每一个像素的长度为1；
步骤1-4：以O点为中心、r2为半径建立一个轴承圆，将轴承圆区域以外的矩阵E元素值全部置成0；在轴承圆内随机选取一点，以该点为圆心、r1为半径建立一个转子圆，将转子圆区域内的矩阵E元素值全部置成0；矩阵E中剩余元素值置成1；转子圆的圆心在以O为圆心、r2-r1为半径的圆D内移动；
步骤1-5：以过矩阵E的中心O点的水平线为界，将矩阵E分为上半侧和下半侧；以过矩阵E的中心O点的竖直线为界，将矩阵E分为左半侧和右半侧；
步骤1-6：将转子圆的圆心遍历圆D中每一个点；转子圆圆心的每一个横坐标x1都对应一个矩阵E右半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个横坐标数组；转子圆圆心的每一个纵坐标y1都对应一个矩阵E上半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个纵坐标数组；横坐标数组和纵坐标数组构成数据库；
步骤2：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像建立与步骤1中矩阵对应的图像矩阵；
步骤2-1：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像，使图像中心为保护轴承的中心点；
步骤2-2：相机拍摄的图像的实际尺寸l毫米×k毫米，则图像中每一个像素值对应的实际长度c＝l/m；
步骤2-3：将图像中保护轴承以外区域和磁悬浮轴承转子区域的像素灰度值全部置位0，磁悬浮轴承转子和保护轴承之间的区域像素灰度值全部置位1；生成一个大小m×n的矩阵F；
步骤3：确定磁悬浮轴承转子实际位置；
步骤3-1：分别统计矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数；
步骤3-2：使用矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数在步骤1建立的数据库中进行查询，得到磁悬浮轴承转子的圆心像素坐标值(x，y)；
步骤3-3：计算磁悬浮轴承转子的圆心的实际坐标位置X＝x×c，Y＝y×c，得到磁悬浮轴承转子相对于其保护轴承的相对位置。
优选地，所述磁悬浮轴承转子上涂抹高亮度涂料，方便后期图像处理。
优选地，所述统计矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数采用软件自动统计。
本发明的有益效果如下：
本发明方法相比传统采用传感器测量的方法，使用图像处理，实施简单，计算便捷，有利于实现转子的高精度位置测量。
附图说明
图1为本发明实施例经过步骤2处理后相机拍摄图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，包括如下步骤：
步骤1：基于磁悬浮轴承转子与其保护轴承的尺寸以及摄像机的分辨率建立数学图像模型和相应的数据库；
步骤1-1：根据相机所拍摄照片的分辨率m×n定义矩阵E，矩阵E的大小为m×n；矩阵E中每个元素对应一个像素点；
步骤1-2：设定磁悬浮轴承转子的半径为r1个像素，保护轴承的半径为r2个像素；
步骤1-3：以矩阵E的中心O点建立x-y直角坐标系，每一个像素的长度为1；
步骤1-4：以O点为中心、r2为半径建立一个轴承圆，将轴承圆区域以外的矩阵E元素值全部置成0；在轴承圆内随机选取一点，以该点为圆心、r1为半径建立一个转子圆，将转子圆区域内的矩阵E元素值全部置成0；矩阵E中剩余元素值置成1；转子圆的圆心在以O为圆心、r2-r1为半径的圆D内移动；
步骤1-5：以过矩阵E的中心O点的水平线为界，将矩阵E分为上半侧和下半侧；以过矩阵E的中心O点的竖直线为界，将矩阵E分为左半侧和右半侧；
步骤1-6：将转子圆的圆心遍历圆D中每一个点；转子圆圆心的每一个横坐标x1都对应一个矩阵E右半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个横坐标数组；转子圆圆心的每一个纵坐标y1都对应一个矩阵E上半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个纵坐标数组；横坐标数组和纵坐标数组构成数据库；
步骤2：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像建立与步骤1中矩阵对应的图像矩阵；
步骤2-1：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像，使图像中心为保护轴承的中心点；
步骤2-2：相机拍摄的图像的实际尺寸l毫米×k毫米，则图像中每一个像素值对应的实际长度c＝l/m；
步骤2-3：使用图像增强的方法将图像中保护轴承以外区域和磁悬浮轴承转子区域的像素灰度值全部置位0，磁悬浮轴承转子和保护轴承之间的区域像素灰度值全部置位1；生成一个大小m×n的矩阵F；
步骤3：确定磁悬浮轴承转子实际位置；
步骤3-1：使用软件分别统计矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数；
步骤3-2：使用矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数在步骤1建立的数据库中进行查询，得到磁悬浮轴承转子的圆心像素坐标值(x，y)；
步骤3-3：计算磁悬浮轴承转子的圆心的实际坐标位置X＝x×c，Y＝y×c，得到磁悬浮轴承转子相对于其保护轴承的相对位置。
具体实施例：
假设m＝1024，n＝1024，l＝40cm，k＝40cm，计算得到c＝l/m＝0.39mm。基于m和n的数值，生成1024×1024矩阵，然后按照步骤1生成该范例模型下的数据库。其中设定r2长度对应100像素，r1长度对应80像素。
用相机拍摄实际图像，经过步骤2方法处理后得到附图1；然后记录其右半侧和上半侧元素值为1的个数，得到上半侧值为1的个数为4533，右半侧值为1的个数为4096，然后在检索数据库，可以找到在数据库中，上半侧数据中为4533的数据对应纵坐标为-7，右半侧数据中为4096的数据对应横坐标为10,。得到输出转子圆心的坐标(10，-7)，再经过计算从而得到具体的坐标为(3.90，2.73)，单位为毫米。

Claims (3)

1.一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：基于磁悬浮轴承转子与其保护轴承的尺寸以及摄像机的分辨率建立数学图像模型和相应的数据库；
步骤1-1：根据相机所拍摄照片的分辨率m×n定义矩阵E，矩阵E的大小为m×n；矩阵E中每个元素对应一个像素点；
步骤1-2：设定磁悬浮轴承转子的半径为r1个像素，保护轴承的半径为r2个像素；
步骤1-3：以矩阵E的中心O点建立x-y直角坐标系，每一个像素的长度为1；
步骤1-4：以O点为中心、r2为半径建立一个轴承圆，将轴承圆区域以外的矩阵E元素值全部置成0；在轴承圆内随机选取一点，以该点为圆心、r1为半径建立一个转子圆，将转子圆区域内的矩阵E元素值全部置成0；矩阵E中剩余元素值置成1；转子圆的圆心在以O为圆心、r2-r1为半径的圆D内移动；
步骤1-5：以过矩阵E的中心O点的水平线为界，将矩阵E分为上半侧和下半侧；以过矩阵E的中心O点的竖直线为界，将矩阵E分为左半侧和右半侧；
步骤1-6：将转子圆的圆心遍历圆D中每一个点；转子圆圆心的每一个横坐标x1都对应一个矩阵E右半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个横坐标数组；转子圆圆心的每一个纵坐标y1都对应一个矩阵E上半侧值为1的元素总数，由此对应关系建立一个纵坐标数组；横坐标数组和纵坐标数组构成数据库；
步骤2：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像建立与步骤1中矩阵对应的图像矩阵；
步骤2-1：使用相机拍摄磁悬浮轴承转子与其保护轴承的图像，使图像中心为保护轴承的中心点；
步骤2-2：相机拍摄的图像的实际尺寸l毫米×k毫米，则图像中每一个像素值对应的实际长度c＝l/m；
步骤2-3：将图像中保护轴承以外区域和磁悬浮轴承转子区域的像素灰度值全部置位0，磁悬浮轴承转子和保护轴承之间的区域像素灰度值全部置位1；生成一个大小m×n的矩阵F；
步骤3：确定磁悬浮轴承转子实际位置；
步骤3-1：分别统计矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数；
步骤3-2：使用矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数在步骤1建立的数据库中进行查询，得到磁悬浮轴承转子的圆心像素坐标值(x，y)；
步骤3-3：计算磁悬浮轴承转子的圆心的实际坐标位置X＝x×c，Y＝y×c，得到磁悬浮轴承转子相对于其保护轴承的相对位置。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，其特征在于，所述磁悬浮轴承转子上涂抹高亮度涂料，方便后期图像处理。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承转子与其保护轴承相对位置图像分析方法，其特征在于，所述统计矩阵F中右半侧和上半侧值为1的元素个数采用软件自动统计。
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