CN114719784B - 一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置和方法，属于计量技术领域。所述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括距离传感器组和信号采集器；信号采集器包括信号调理电路、核心控制电路和通信电路，核心控制电路通过圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型，对圆柱形称重传感器的倾角进行计算；还包括用于建立圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型的采样装置；并且提出一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测方法。本发明的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置具有占用空间小的特点，实现了对具有圆柱形外观的称重传感器的倾角进行实时、非接触检测，可用于对倾角超限的称量动作提出预警。

Description

一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置和方法

技术领域

本发明涉及计量技术领域，特别涉及一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置和方法。

背景技术

汽车衡是一种广泛应用于冶金、矿山、发电、交通等行业的称量装置，汽车衡提供的重量信息是交易的重要依据。称重传感器是汽车衡的核心部件之一，一般汽车衡都配备多个称重传感器，称重传感器是否正常工作决定了汽车衡输出的准确性。汽车衡正常工作时一般要求称重传感器垂直于水平面，若倾斜角度超过一定范围则将产生较大的称重误差。称重传感器在汽车衡上的安装位置一般都在汽车衡秤台的下方，受秤台遮挡，称重传感器不易被观察和检测，同时受车辆上、下秤时的冲击影响，又很容易发生称重传感器倾斜导致称量不准的情况，影响正常的生产作业，因此对称重传感器倾斜角度的实时自动化检测就显得尤为重要。

目前还没有针对汽车衡称重传感器倾斜角度检测的装置和方法，在实际生产过程中，一般是通过对该类衡器进行定时校秤的方法发现衡器称量偏差，待报告衡器出现较大称重误差后再通过人工方法进行检修，以确定是否是由于称重传感器倾斜过大问题导致的故障。但这种方式必然导致故障发现滞后、部分产品需重新称量、对错误称量导致的经济损失不易追回的问题，因此有必要研究用于实时检测称重传感器倾斜角度的装置和方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置和方法，解决安装在汽车衡秤台下方狭小空间内，且具有金属外壳和圆柱形外观的称重传感器的倾斜角度的实时检测问题，以便对倾角过大的称量动作给出预警，及时发现汽车衡的故障。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括距离传感器组和信号采集器；

所述距离传感器组包括沿被测圆柱形称重传感器周向均匀布置的第一距离传感器、第二距离传感器、第三距离传感器和第四距离传感器，四个距离传感器完全相同，四个距离传感器的感应面的中心点在同一个水平面上，每个所述感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器的外壳的距离均相等，并且圆柱形称重传感器的外壳在每个距离传感器的感应范围内；

所述信号采集器包括信号调理电路、核心控制电路和通信电路，所述距离传感器组的四个距离传感器采集其到圆柱形称重传感器的外壳的距离信号，并将采集到的四路距离信号输入信号采集器的信号调理电路，所述信号调理电路将四路以模拟信号表达的距离信号量进行信号调理后，输入核心控制电路进行模拟/数字转换，核心控制电路通过圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型，对圆柱形称重传感器的倾角进行计算；核心控制电路通过通信电路将计算得到倾角数据输出。

进一步的，所述圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型基于采样装置建立，所述采样装置包括相机、线结构光激光器A、线结构光激光器B、万向节、万向节连接板、计算机、所述距离传感器组、所述信号采集器和结果接收设备；

所述圆柱形称重传感器通过万向节连接板连接在万向节上；万向节安装在工作台上；所述距离传感器组包括沿被测圆柱形称重传感器周向均匀布置的第一距离传感器、第二距离传感器、第三距离传感器和第四距离传感器，四个距离传感器完全相同，距离传感器组中每个距离传感器的感应面的中心点在同一个水平面上，每个感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器的外壳的距离相等，并且圆柱形称重传感器的外壳在每个距离传感器的感应范围内，四个距离传感器和圆柱形称重传感器的相对位置与它们在所述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置中的相对位置相同；线结构光激光器A、线结构光激光器B和相机均通过支架固定在工作台上，所述线结构光激光器A安装在线结构光激光器B的上方，线结构光激光器A投射出水平的光平面A，线结构光激光器B投射出水平的光平面B，相机与计算机电连接；

所述信号采集器包括信号调理电路、核心控制电路和通信电路，所述距离传感器组的每个距离传感器采集其到圆柱形称重传感器的外壳的距离信号，并将采集到的四路距离信号输入信号采集器的信号调理电路，所述信号调理电路将四路以模拟信号表达的距离信号量进行信号调理后，输入核心控制电路进行模拟/数字转换，核心控制电路通过通信电路将转换后的四路距离信号量输出到结果接收设备。

进一步的，所述光平面A和光平面B之间的垂直距离大于20mm。

进一步的，基于所述采样装置建立圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型的具体过程，包括如下步骤：

步骤1：对相机、线结构光激光器A和线结构光激光器B进行标定；

步骤1.1：拆下圆柱形称重传感器，保留万向节连接板，通过调整万向节角度将万向节连接板调成水平；关闭线结构光激光器A和线结构光激光器B；

步骤1.2：通过标定板对相机进行标定，标定板为平面棋盘格标定板，以标定板上的棋盘格角点作为特征点；标定板上棋盘格角点的走向与标定板的边缘平行；计算机控制相机拍摄标定板在3个以上不同位置和角度的平面空间姿态的图像，要求拍摄最后一个位置的图像时标定板垂直摆放在万向节连接板上，标定板特征点所在面朝向相机，通过最后一个位置标定平面上的特征点定义世界坐标系；利用所拍摄的标定板图像，应用张氏标定方法进行标定，得到相机的内参数、相机坐标系与世界坐标系间的变换关系及镜头畸变参数；

步骤1.3：启动线结构光激光器A，对线结构光激光器A标定，得到光平面A的平面方程；

步骤1.4：关闭线结构光激光器A，启动线结构光激光器B，对线结构光激光器B标定，得到光平面B的平面方程；

步骤1.5：计算光平面A和光平面B间的距离；

步骤2：获取圆柱形称重传感器倾角与距离传感器输出信号量对应关系样本；

步骤2.1：将圆柱形称重传感器安装到万向节连接板上；

步骤2.2：通过万向节调整圆柱形称重传感器，使其按照一定方向的倾角摆放，开启线结构光激光器A，关闭线结构光激光器B，线结构光激光器A在圆柱形称重传感器外壳上投射出椭圆弧光条A；计算机控制相机拍摄此时椭圆弧光条A的图像；对拍摄的椭圆弧光条A的图像进行畸变校正；对校正后的图像进行二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图中的所有光斑点的图像坐标，通过计算每个光斑点在标定平面上的透视投影点世界坐标，获取光斑点在光平面A上的二维坐标；以所有的光斑点在光平面A上的坐标为样本点，进行椭圆拟合，得出椭圆方程，计算拟合椭圆弧光条A所在的椭圆的中心点坐标；

步骤2.3：关闭线结构光激光器A，开启线结构光激光器B，线结构光激光器B在圆柱形称重传感器外壳上投射出椭圆弧光条B；计算机控制相机拍摄此时椭圆弧光条B的图像；对椭圆弧光条B的图像进行畸变校正；对校正后的图像进行二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图中的所有光斑点的图像坐标，通过计算每个光斑点在标定平面上的透视投影点世界坐标，获取光斑点在光平面B上的二维坐标；以所有的光斑点在光平面B上的坐标为样本点，进行椭圆拟合，得出椭圆方程，计算拟合椭圆弧光条B所在的椭圆的中心点坐标；

步骤2.4：根据椭圆弧光条A所在的椭圆的中心点坐标和椭圆弧光条B所在的椭圆的中心点坐标，以及光平面A和光平面B间的距离，计算当前圆柱形称重传感器的倾角；

步骤2.5信号采集器获得的四路距离传感器的输出信号量与计算得到的圆柱形称重传感器的倾角形成对应，构成五元组；

步骤2.6：重复步骤2.2到步骤2.5，调整并改变圆柱形称重传感器的倾斜方向和倾角，保证每次圆柱形称重传感器的倾斜方向和倾角均不同，获取至少10组圆柱形称重传感器倾角与四路距离传感器输出的信号量对应关系五元组，形成五元组样本；

步骤3：对于每个五元组，从四路距离传感器输出信号量中取出表达距离最小和距离次小的两个距离信号量，用二元三次代数多项式表达圆柱形称重传感器的倾角与这两个信号量间的函数关系，该函数有十个参数；利用步骤2采样得到的五元组样本，利用最小二乘法估计所述十个参数的值，从而得到圆柱形称重传感器倾角与四个距离传感器输出信号量间的函数关系。

进一步的，所述步骤1.3中，对线结构光激光器A标定的具体过程如下：

线结构光激光器A在标定板的标定平面上投射出直线光条A；计算机控制相机拍摄直线光条A的图像，对直线光条A的图像进行畸变校正、二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图像中所有的光斑点图像坐标，计算每个图像中的光斑点对应的标定平面上的透视投影点世界坐标；利用直线拟合方法获取直线光条A的直线方程，根据直线光条A的直线方程得到线结构光激光器A的光平面A的平面方程。

进一步的，所述骤1.4中，对线结构光激光器B标定的具体过程如下：

线结构光激光器B在标定板的标定平面上投射出直线光条B；计算机控制相机拍摄直线光条B的图像，对直线光条B的图像进行畸变校正、二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图像中所有的光斑点图像坐标，计算每个图像中的光斑点对应的标定平面上的透视投影点世界坐标；利用直线拟合方法获取直线光条B的直线方程，根据直线光条B的直线方程得到线结构光激光器B的光平面B的平面方程；

一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测方法，采用上述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括如下步骤：

所述距离传感器组中每个距离传感器均采集其感应面到圆柱形称重传感器外壳的距离信号，并输入信号采集器中的信号调理电路，四路距离信号经过信号调理电路调理后，传输给核心控制电路，所述核心控制电路对调理后的四路距离模拟信号进行模拟/数字转换，得到四路距离信号量，计算出表达距离最小的信号量和表达距离次小的信号量，再通过圆柱形称重传感器的倾角与这两个信号量间的函数关系模型，计算出圆柱形称重传感器的倾角，最后通过通信电路将计算得到圆柱形称重传感器的倾角数据输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.圆柱形称重传感器倾角检测装置结构简单，占用空间小，便于安装；

2.实现针对圆柱形称重传感器的倾角的非接触测量方法，具有客观性和实时性，不影响圆柱形称重传感器正常工作。

附图说明

图1是本发明提供的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置的结构示意图；

图2是本发明提供的信号采集器的结构图；

图3是本发明提供的建立圆柱形称重传感器倾角与距离传感器输出信号量间函数关系模型的采样装置的结构示意图；

图4是本发明提供的相机和线结构光激光器标定过程的示意图；

图5是本发明提供的圆柱形称重传感器的圆柱面上光斑点的坐标计算及圆柱倾角计算的原理图。

其中，

1-圆柱形称重传感器，2-底座，3-距离传感器支架，4-距离传感器组，401-第一距离传感器，402-第二距离传感器，403-第三距离传感器，404-第四距离传感器；5-信号采集器，501-信号调理电路，502-核心控制电路，503-通信电路，6-结果接收设备，7-万向节连接板，8-万向节，9-工作台，10-线结构光激光器A，11-线结构光激光器B，12-相机，13-支架，14-光平面A，15-光平面B，16-计算机，17-椭圆弧光条A，18-椭圆弧光条B，19-标定板，20-直线光条A，21-直线光条B。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括距离传感器组4和信号采集器5。

如图1所示，距离传感器组4包括沿被测圆柱形称重传感器1周向均匀布置的第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404，第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404完全相同，四个距离传感器的感应面的中心点在同一个水平面上，每个感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器1的外壳的距离均相等，并且圆柱形称重传感器1的外壳在每个距离传感器的感应范围内。

具体地，距离传感器组4安装在被测的圆柱形称重传感器1工作时所在底座2上；距离传感器组4通过距离传感器支架3固定，第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404在被测圆柱形称重传感器1的外部呈十字形分布，保证安装距离应在距离传感器探测范围以内，第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404的感应面的中心点在同一个水平面上，每个感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器1的外壳的距离均相等；距离传感器支架3为L形。

如图2所示，信号采集器5包括信号调理电路501、核心控制电路502和通信电路503，距离传感器组4的四个距离传感器采集其到圆柱形称重传感器1的外壳的距离信号，并将采集到的四路距离信号输入信号采集器5的信号调理电路501，信号调理电路501将四路以模拟信号表达的距离信号量进行信号调理后，输入核心控制电路502进行模拟/数字转换，实现信号采集。核心控制电路502通过圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型，对圆柱形称重传感器1的倾角进行计算；核心控制电路502通过通信电路503将计算得到倾角数据输出。

也就是说，核心控制电路502根据距离传感器组4采集结果对圆柱形称重传感器1的倾角进行计算；核心控制电路502通过通信电路503将采集得到的数字信号量传输给结果接收设备6，结果接收设备6根据用户的实际需求设置，比如，结果接收设备6对得到的倾角的结果和四路距离传感器输出的信号量进行显示，对倾角的大小进行判断后进行报警。

具体地，距离传感器组4的四个距离传感器均可采用具有4-20mA电流输出的电感式距离传感器，用于探测距离传感器感应面到与圆柱形称重传感器1金属外壳间的距离信号。信号调理电路501实现将四路4-20mA信号转换成0-5V的信号。核心控制电路502采用ATmega328P作为核心芯片，实现对四路模拟信号的模拟/数字转换、倾角计算和结果输出。通信电路503采用以太网接口电路，为信号采集器5提供以太网输出接口。

如图3所示，圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型基于采样装置建立，采样装置包括相机12、线结构光激光器A10、线结构光激光器B11、万向节8、万向节连接板7、计算机16、距离传感器组4、信号采集器5和结果接收设备6，圆柱形称重传感器1通过万向节连接板7连接在万向节8上；万向节8安装在工作台9上；距离传感器组4包括沿被测圆柱形称重传感器1周向均匀布置的第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404，无论是实际应用，还是采样装置中，四个距离传感器完全相同，采用相同的型号；也就是说，距离传感器组4的每个距离传感器通过距离传感器支架3固定在工作台9上，呈十字形布置在圆柱形称重传感器1周围；并且距离传感器组4中每个距离传感器的感应面的中心点在同一个水平面上，每个感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器1的外壳的距离相等，并且圆柱形称重传感器的外壳在每个距离传感器的感应范围内，保证第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403和第四距离传感器404与垂直状态下的圆柱形称重传感器1的相对位置，与它们在圆柱形称重传感器1倾斜角度检测装置中的相对位置相同。

距离传感器组4与线结构光激光器A10、线结构光激光器B11和相机12均通过支架13固定在工作台9上，线结构光激光器A10安装在线结构光激光器B11的上方，线结构光激光器A10和线结构光激光器B11投射出的光平面距离大于20mm。线结构光激光器A10投射出的光平面A14水平，线结构光激光器B11投射出的光平面B15水平，光平面A14位于光平面B15的上方，光平面A14和光平面B15间的距离大于20mm，光平面A14和光平面B15均位于第一距离传感器401、第二距离传感器402、第三距离传感器403、第四距离传感器404和距离传感器支架3的上方，不受任意一个距离传感器和距离传感器支架3的遮挡，线结构光激光器A10和线结构光激光器B11能分别在圆柱形称重传感器1的外壳上投射出椭圆弧光条A17和椭圆弧光条B18；相机12通过网线连接到计算机16的以太网接口，相机12的视场能覆盖相机标定阶段的标定板棋盘格所在的平面，以及线结构光激光器A10和线结构光激光器B11分别在圆柱形称重传感器1的外壳上投射出椭圆弧光条A17和椭圆弧光条B18。信号采集器5包括信号调理电路501、核心控制电路502和通信电路503，距离传感器组4的四个信号线接入信号采集器5的信号调理电路501，距离传感器组的每个距离传感器采集其到圆柱形称重传感器的外壳的距离信号，并将采集到的四路距离信号输入信号采集器的信号调理电路，信号调理电路501将四路以模拟信号表达的距离信号量进行信号调理后，输入核心控制电路502进行模拟/数字转换，实现信号采集。核心控制电路502通过通信电路503将转换后的四路距离信号量输出到结果接收设备6，结果接收设备6显示四路距离传感器输出的信号量。

具体地，相机12采用具有以太网接口的黑白工业相机，配定焦镜头。计算机16采用配置酷睿i7 CPU，至少具有一个千兆以太网接口，用于控制相机12拍照并接收相机12拍摄的图像，进行后续相关的图像处理和计算。

基于上述采样装置建立圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型的具体过程，包括如下步骤：

步骤1：对相机、线结构光激光器A和线结构光激光器B进行标定；

步骤1.1：拆下圆柱形称重传感器1，保留万向节连接板7，利用水平仪通过调整万向节8的角度将万向节连接板7调成水平；关闭线结构光激光器A10和线结构光激光器B11；

步骤1.2：通过标定板19对相机12进行标定，标定板19为平面棋盘格标定板，标定板19上棋盘格角点的走向与标定板19的边缘平行。计算机16控制相机12拍摄标定板19在3个以上不同位置和角度的平面空间姿态的图像，要求最后一个位置如图4所示，标定板19垂直摆放在万向节连接板7上，标定板上的棋盘格角点为特征点，标定板特征点所在面朝向相机12，记此时标定平面为Π_C。通过最后一个位置标定板19上的特征点定义平面世界坐标系O_W-xy，使x坐标轴沿标定板19上特征点分布方向指向右，y坐标轴指向下，这样x坐标轴平行于水平面，y坐标轴垂直于水平面，再按右手法则建立三维的世界坐标系O_W-xyz。利用所拍摄的标定板19的图像，应用张氏标定方法进行相机标定，得到相机12的内参数、相机坐标系与世界坐标系间的变换关系及镜头畸变参数；

记空间点在相机坐标系下的坐标表示为在世界坐标系下坐标表示为(x,y,z)，则两个坐标系间的变换关系为

其中R和T为坐标变换的旋转矩阵和平移向量，由于相机12已完成标定，R和T均已知。计算相机光心在世界坐标系下的坐标O_C(x_C,y_C,z_C)为

步骤1.3：启动线结构光激光器A10，对线结构光激光器A10标定，得到光平面A15的平面方程；

对线结构光激光器A10标定。如图4所示，维持步骤1.2中最后一个标定板19位置不变，启动线结构光激光器A10；线结构光激光器A10投射出的光平面A14记为Π_A，线结构光激光器A10在标定平面Π_C上投射出直线光条A20，直线光条A20是光平面Π_A与标定平面Π_C的交线，记为L_A；由于光平面Π_A水平，则L_A平行于水平面，也平行于世界坐标系的x坐标轴；由于标定平面Π_C垂直于水平面，则L_A垂直于世界坐标系的y坐标轴。

计算机16控制相机12拍摄直线光条A20的图像；利用步骤1.2得到的相机内参数和镜头畸变参数标定结果，根据镜头畸变模型对图像进行畸变校正；设校正后图像点(u,v)对应的标定平面Π_C上的透视投影点世界坐标为(x,y)，则它们之间存在以下关系

其中t为比例因子，K为相机内参数矩阵，r₁和r₂为R的左2列，H＝K·(r₁,r₂,T)为像平面Π_I与标定平面Π_C间的单应矩阵。由于相机12已完成标定，这里单应矩阵H为已知。

公式(3)也可表示为

其中t'为比例因子。

对校正后图像进行二值化处理，满足

其中B(i,j)为所得的二值图中坐标点(i,j)的灰度值，I(i,j)为畸变校正后图像中像素点(i,j)的灰度值，T_B为预先人为设定的阈值。由于光斑点比背景亮，二值化后图像中光斑点表现为白色，背景表现为黑色；对二值图进行中值滤波去除噪声点；记滤波后二值图中所有白色光斑点图像坐标为N_LA为白色光斑点总数，利用公式(4)计算所有像点/>在Π_C上的透视投影点世界坐标/>由于在平面世界坐标系O_W-xy下直线L_A平行于x轴，其直线方程具有如下形式：

L_A:y＝y_A (6)

其中y_A为参数，以所有的作为L_A的样本点，对L_A进行直线拟合，计算y_A的估计值为

由于光平面Π_A水平，Π_A在三维世界坐标系下的平面方程为

Π_A:y＝y_A (8)

步骤1.4：关闭线结构光激光器A10，启动线结构光激光器B11，对线结构光激光器B11标定，得到光平面B15的平面方程；

线结构光激光器B11标定，如图4所示，仍然维持步骤1.2中最后一个标定板19位置不变，关闭线结构光激光器A10，启动线结构光激光器B11；线结构光激光器B11投射出的光平面B15记为Π_B，线结构光激光器B11在标定平面Π_C上投射出直线光条B21，直线光条B21是光平面Π_B与标定平面Π_C的交线，记为L_B；可知L_B平行于水平面，也平行于世界坐标系的x坐标轴，也垂直于世界坐标系的y坐标轴。

计算机16控制相机12拍摄直线光条B21图像；利用步骤1.2得到的相机内参数和镜头畸变参数标定结果，根据镜头畸变模型对图像进行畸变校正；利用公式(5)对校正后图像进行二值化处理，得到二值图；对二值图进行中值滤波去除噪声点；记滤波后二值图中所有白色光斑点图像坐标为N_LB为白色光斑点总数，利用公式(4)计算所有像点/>在Π_C上的透视投影点世界坐标/>设直线L_B在平面世界坐标系O_W-xy下的直线方程为

L_B:y＝y_B (9)

其中y_B为参数，以所有的作为L_B的样本点，对L_B进行直线拟合，计算y_B的估计值为

由于光平面Π_B水平，其在三维世界坐标系下的平面方程为

Π_B:y＝y_B (11)

步骤1.5：计算两个光平面Π_A与Π_B间的距离。由于Π_A//Π_B，Π_C⊥Π_A，则Π_A与Π_B间的距离d_AB为

d_AB＝y_B-y_A (12)

步骤2：获取圆柱形称重传感器1倾角与距离传感器输出的信号量对应关系样本；

步骤2.1：将圆柱形称重传感器1安装到万向节连接板7上；

步骤2.2：通过万向节8手工调整圆柱形称重传感器1，使其按照一定方向的倾角摆放，开启线结构光激光器A10，关闭线结构光激光器B11，由于平面与圆柱面的交线为椭圆，线结构光激光器A10在圆柱形称重传感器1外壳上投射出椭圆弧光条A17；计算机16控制相机12拍摄此时椭圆弧光条A17的图像；

利用步骤1.2得到的相机12内参数和镜头畸变参数标定结果，根据镜头畸变模型对椭圆弧光条A17的图像进行畸变校正；对校正后的图像根据公式(5)进行二值化处理，得到光斑的二值图像，由于光斑比较亮，二值化图中光斑表现为白色，其他区域表现为黑色；对二值图进行中值滤波去除噪声点；如图5所示，对于滤波后的二值图中的每一个白色的光斑点图像坐标q_i(u_i,v_i)，i＝1,2,...,N_E，N_E为白色光斑点总数，利用公式(4)计算每个白色的光斑点在Π_C平面上对应的透视投影点Q_i'(x_i',y_i')的世界坐标，可得Q_i'的三维世界坐标为Q_i'(x_i',y_i',z_i')＝(x_i',y_i',0)；由于真实的光斑点Q_i、相机12的光心O_C、Q_i'三点共线，直线O_CQ_i'的方程为

通过求解由公式(8)和(13)构成的方程组，求得Π_A平面上的真实的光斑点Q_i的二维坐标Q_i(x_i,z_i)为

由于光平面Π_A与圆柱形称重传感器1外壳的交线为椭圆弧光条A17，椭圆弧光条A17所在的椭圆为E_A，设E_A在光平面Π_A上的方程为

e₁x²+e₂xz+e₃z²+e₄x+e₅z+e₆＝0 (15)

其中e₁,e₂,...,e₆为椭圆的参数，满足e₁＞0且以所有的光斑点在光平面Π_A上的坐标Q_i(x_i,z_i)，i＝1,2,...,N_E为样本点，利用椭圆拟合方法估计参数e₁,e₂,...,e₆的值，得出椭圆E_A的方程，计算光平面Π_A上该椭圆E_A的中心点坐标O_A(x_A,z_A)为

步骤2.3：维持圆柱形称重传感器1的倾角不变，关闭线结构光激光器A10，开启线结构光激光器B11，线结构光激光器B11在圆柱形称重传感器1外壳上投射出椭圆弧光条B18；计算机16控制相机12拍摄此时椭圆弧光条B18的图像；记椭圆弧光条B18所在的椭圆为E_B，其中心点坐标为O_B(x_B,z_B)。对椭圆弧光条B18的图像进行畸变校正；对校正后的图像进行二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图中的所有光斑点的图像坐标，对于二值图中的每个白色的光斑点，根据公式(4)计算每个白色的光斑点在Π_C平面上对应的透视投影点世界坐标，再计算每个白色的光斑点在Π_B平面上对应的真实光斑点的坐标，以这些光斑点坐标为样本点，拟合光斑点所在的椭圆E_B在光平面Π_B上的方程，计算出拟合椭圆弧光条B18所在的椭圆的中心点坐标O_B(x_B,z_B)的坐标值；

步骤2.4：根据椭圆弧光条A17所在的椭圆的中心点坐标和椭圆弧光条B18所在的椭圆的中心点坐标，以及光平面A14和光平面B15间的距离，计算当前圆柱形称重传感器1的外壳所在圆柱的倾角。如图5所示，过O_A作Π_B的垂线，记垂足为S，则S点在平面Π_B上的坐标与O_A在Π_A上的坐标相同，为S(x_A,z_A)，且|O_AS|＝d_AB，此时圆柱的柱轴线为O_AO_B，O_AO_B与O_AS的夹角θ即为当前圆柱形称重传感器1的倾角，为

步骤2.5：利用结果接收设备6显示的结果，记录信号采集器5获得的四路距离传感器401、402、403、404的输出信号量，分别记为α,β,γ,λ，四路距离传感器的输出信号量与步骤2.7计算得到的圆柱形称重传感器1的外壳所在圆柱的倾角θ形成对应，构成一个五元组(θ:α,β,γ,λ)；

步骤2.6：重复步骤2.2到2.5，调整并改变圆柱形称重传感器1的倾斜方向和角度，保证每次圆柱形称重传感器的倾斜方向和倾角均不同，获取N_S组圆柱形称重传感器1倾角与四个距离传感器输出信号量对应关系五元组，形成五元组样本，记为(θ_i:α_i,β_i,γ_i,λ_i)，i＝1,2,...,N_S，N_S为五元组样本总数，要求N_S至少为10。

步骤3：建立圆柱形称重传感器1倾角与四个距离传感器输出信号量间的函数关系：

对于五元组(θ:α,β,γ,λ)，记d₁,d₂分别为α,β,γ,λ四个距离信号量中表达距离最小和距离次小的两个量，考虑到距离传感器安装的对称性，用如式(18)的二元三阶代数多项式表达倾角θ与d₁,d₂间的函数关系。

其中c₁,c₂,...,c₁₀为参数。利用步骤2采集到的样本对函数(18)进行最小二乘拟合，获得参数c₁,c₂,...,c₁₀的估计值，得到圆柱形称重传感器1倾角与四个距离传感器输出信号间函数关系θ＝F(α,β,γ,λ)＝F(d₁,d₂)的表达式。

一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测方法，采用上述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括如下步骤：

在圆柱形称重传感器1工作现场的检测过程中，距离传感器组4中每个距离传感器均采集其感应面到圆柱形称重传感器1外壳的距离信号，并将四路距离信号经过信号调理电路501调理后，传输给信号采集器5中的核心控制电路502，核心控制电路502采集得到四路距离传感器的输出信号量α,β,γ,λ，核心控制电路502根据采集得到的四路距离信号量，计算出表达距离最小的信号量d₁和表达距离次小的信号量d₂，再通过步骤3得到的圆柱形称重传感器1的倾角与这两个信号量间的函数关系模型，计算当前圆柱形称重传感器1的倾角，最后通过通信电路503将计算得到的倾角数据输出给结果接收设备6，实现对圆柱形称重传感器1倾斜角度的实时检测。

本发明提供的一种圆柱形称重传感器1倾斜角度检测装置和方法，该装置利用安装在圆柱形称重传感器1周围的四个距离传感器，实时采集圆柱形称重传感器1金属外壳到距离传感器感应面的距离信号量，再根据圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器输出的信号量间的函数关系，计算得到圆柱形称重传感器1的倾斜角度。为了确定圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器信号量间的函数关系模型，本发明提出了一种用于建立圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器输信号量间的函数关系模型的采样装置，同时提出一种确定圆柱形称重传感器1的倾角与距离传感器信号量间的函数关系模型的方法。该装置和方法利用线结构光平面与圆柱面的交线是椭圆弧的原理，通过计算机16控制相机12分别采集两台线结构光激光器投射在圆柱形称重传感器1外壳上的椭圆弧光条图像，再分别计算出每幅图像中所有光斑点在对应的光平面上的坐标并进行椭圆拟合，获取两个光条所在的椭圆的方程，并分别计算出两个椭圆的中心点坐标，利用两个椭圆中心点的连线为圆柱轴的特点计算出圆柱的倾角；利用采样装置，反复调整并改变圆柱形称重传感器1的倾斜方向和角度，通过上述方法获取圆柱形称重传感器1的倾角，同时记录采集到的距离传感器输出信号量数据，获取多组称重传感器1倾角与距离传感器信号量的对应关系样本；利用获取的样本数据，对圆柱形称重传感器1倾角与四个距离传感器信号量间的函数关系进行建模，用于圆柱形称重传感器1倾斜角度检测装置根据四个距离传感器的实时输出信号量计算圆柱形称重传感器1的倾角。本发明实现了对具有金属外壳和圆柱形外观的称重传感器1的倾斜角度的自动化非接触检测，该检测方法结果客观，并且具有实时性，可用于对圆柱形称重传感器1倾角超限的称量动作提出预警。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，其特征在于，包括距离传感器组和信号采集器；

所述距离传感器组包括沿被测圆柱形称重传感器周向均匀布置的第一距离传感器、第二距离传感器、第三距离传感器和第四距离传感器，四个距离传感器的感应面的中心点在同一个水平面上，每个所述感应面到垂直状态下的圆柱形称重传感器的外壳的距离均相等，四个距离传感器和圆柱形称重传感器的相对位置与它们在所述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置中的相对位置相同；并且圆柱形称重传感器的外壳在每个距离传感器的感应范围内；

圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型基于采样装置建立，所述采样装置包括相机、线结构光激光器A、线结构光激光器B、万向节、万向节连接板、计算机、所述距离传感器组、所述信号采集器和结果接收设备；所述圆柱形称重传感器通过万向节连接板连接在万向节上；万向节安装在工作台上；线结构光激光器A、线结构光激光器B和相机均通过支架固定在工作台上；所述线结构光激光器A安装在线结构光激光器B的上方，线结构光激光器A投射出水平的光平面A，线结构光激光器B投射出水平的光平面B，相机与计算机电连接；

所述信号采集器包括信号调理电路、核心控制电路和通信电路，所述距离传感器组的四个距离传感器采集其到圆柱形称重传感器的外壳的距离信号，并将采集到的四路距离信号输入信号采集器的信号调理电路，所述信号调理电路将四路以模拟信号表达的距离信号量进行信号调理后，输入核心控制电路进行模拟/数字转换，核心控制电路通过圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型，对圆柱形称重传感器的倾角进行计算，核心控制电路通过通信电路将计算得到倾角数据输出,核心控制电路通过通信电路将转换后的四路距离信号量输出到结果接收设备。

2.根据权利要求1所述的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，其特征在于，所述光平面A和光平面B之间的垂直距离大于20mm。

3.根据权利要求1所述的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，其特征在于，基于所述采样装置建立圆柱形称重传感器的倾角与距离传感器输出信号量间的函数关系模型的具体过程，包括如下步骤：

步骤1：对相机、线结构光激光器A和线结构光激光器B进行标定；

步骤1.1：拆下圆柱形称重传感器，保留万向节连接板，通过调整万向节角度将万向节连接板调成水平；关闭线结构光激光器A和线结构光激光器B；

步骤1.2：通过标定板对相机进行标定，标定板为平面棋盘格标定板，以标定板上的棋盘格角点为特征点，标定板上棋盘格角点的走向与标定板的边缘平行；计算机控制相机拍摄标定板在3个以上不同位置和角度的平面空间姿态的图像，要求最后一个位置的图像为标定板垂直摆放在万向节连接板上，标定板特征点所在面朝向相机，通过最后一个位置标定平面上的特征点定义世界坐标系；利用所拍摄的标定板图像，应用张氏标定方法进行标定，得到相机的内参数、相机坐标系与世界坐标系间的变换关系及镜头畸变参数；

步骤1.3：启动线结构光激光器A，对线结构光激光器A标定，得到光平面A的平面方程；

步骤1.4：关闭线结构光激光器A，启动线结构光激光器B，对线结构光激光器B标定，得到光平面B的平面方程；

步骤1.5：计算光平面A和光平面B间的距离；

步骤2：获取圆柱形称重传感器倾角与距离传感器输出信号量对应关系样本；

步骤2.1：将圆柱形称重传感器安装到万向节连接板上；

步骤2.2：通过万向节调整圆柱形称重传感器，使其按照一定方向的倾角摆放，开启线结构光激光器A，关闭线结构光激光器B，线结构光激光器A在圆柱形称重传感器外壳上投射出椭圆弧光条A；计算机控制相机拍摄此时椭圆弧光条A的图像；对拍摄的椭圆弧光条A的图像进行畸变校正；对校正后的图像进行二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图中的所有光斑点的图像坐标，通过计算每个光斑点在标定平面上的透视投影点世界坐标，获取光斑点在光平面A上的二维坐标；以所有的光斑点在光平面A上的坐标为样本点，进行椭圆拟合，得出椭圆方程，计算拟合椭圆弧光条A所在的椭圆的中心点坐标；

步骤2.3：关闭线结构光激光器A，开启线结构光激光器B，线结构光激光器B在圆柱形称重传感器外壳上投射出椭圆弧光条B；计算机控制相机拍摄此时椭圆弧光条B的图像；对椭圆弧光条B的图像进行畸变校正；对校正后的图像进行二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图中的所有光斑点的图像坐标，通过计算每个光斑点在标定平面上的透视投影点世界坐标，获取光斑点在光平面B上的二维坐标；以所有的光斑点在光平面B上的坐标为样本点，进行椭圆拟合，得出椭圆方程，计算拟合椭圆弧光条B所在的椭圆的中心点坐标；

步骤2.4：根据椭圆弧光条A所在的椭圆的中心点坐标和椭圆弧光条B所在的椭圆的中心点坐标，以及光平面A和光平面B间的距离，计算当前圆柱形称重传感器的倾角；

步骤2.5信号采集器获得的四路距离传感器的输出信号量与计算得到的圆柱形称重传感器的倾角形成对应，构成五元组；

步骤2.6：重复步骤2.2到步骤2.5，调整并改变圆柱形称重传感器的倾斜方向和倾角，保证每次圆柱形称重传感器的倾斜方向和倾角均不同，获取至少10组圆柱形称重传感器倾角与四路距离传感器输出的信号量对应关系五元组，形成五元组样本；

步骤3：对于每个五元组，从四路距离传感器输出信号量中取出表达距离最小和距离次小的两个距离信号量，用二元三次代数多项式表达圆柱形称重传感器的倾角与这两个信号量间的函数关系，该函数有十个参数；利用步骤2采样得到的五元组样本，利用最小二乘法估计所述十个参数的值，从而得到圆柱形称重传感器倾角与四个距离传感器输出信号量间的函数关系。

4.根据权利要求3所述的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，其特征在于，所述步骤1.3中，对线结构光激光器A标定的具体过程如下：

线结构光激光器A在标定板的标定平面上投射出直线光条A；计算机控制相机拍摄直线光条A的图像，对直线光条A的图像进行畸变校正、二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图像中所有的光斑点图像坐标，计算每个图像中的光斑点对应的标定平面上的透视投影点世界坐标；利用直线拟合方法获取直线光条A的直线方程，根据直线光条A的直线方程得到线结构光激光器A的光平面A的平面方程。

5.根据权利要求3所述的圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，其特征在于，所述步骤1.4中，对线结构光激光器B标定的具体过程如下：

线结构光激光器B在标定板的标定平面上投射出直线光条B；计算机控制相机拍摄直线光条B的图像，对直线光条B的图像进行畸变校正、二值化和中值滤波处理；提取滤波后二值图像中所有的光斑点图像坐标，计算每个图像中的光斑点对应的标定平面上的透视投影点世界坐标；利用直线拟合方法获取直线光条B的直线方程，根据直线光条B的直线方程得到线结构光激光器B的光平面B的平面方程。

6.一种圆柱形称重传感器倾斜角度检测方法，采用权利要求1所述圆柱形称重传感器倾斜角度检测装置，包括如下步骤：

所述距离传感器组中每个距离传感器均采集其感应面到圆柱形称重传感器外壳的距离信号，并输入信号采集器中的信号调理电路，四路距离信号经过信号调理电路调理后，传输给核心控制电路，所述核心控制电路对调理后的四路距离模拟信号进行模拟/数字转换，得到四路距离信号量，计算出表达距离最小的信号量和表达距离次小的信号量，再通过圆柱形称重传感器的倾角与这两个信号量间的函数关系模型，计算出圆柱形称重传感器的倾角，最后通过通信电路将计算得到圆柱形称重传感器的倾角数据输出。