CN216791052U

CN216791052U - 一种基于机器视觉的三维位移传感器

Info

Publication number: CN216791052U
Application number: CN202220217181.3U
Authority: CN
Inventors: 戴靠山; 凌灼灼; 易佳欣; 衡俊霖; 刘峻豪; 唐超; 杨禧
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2032-01-26

Abstract

本实用新型公开了一种基于机器视觉的三维位移传感器，包括主尺、摄像头和数据处理单元，其特征在于：所述主尺滑动连接有副尺，所述副尺在主尺上滑动，用以指示径向位移的刻度读数；所述主尺的左端活动连接有连杆，所述连杆的顶部固定连接有表盘一，所述表盘一上的指针用于指示垂直平面内环向位移角度数据；所述连杆的后侧活动连接有表盘二；所述表盘二上的指针用于指示水平平面内环向位移角度数据；摄像头用以采集刻度读数和表盘指针图像；所述数据处理单元用于对采集到的读数和图像进行处理，输出三维位移数据。该基于机器视觉的三维位移传感器，具备在使用中测量误差小、外界干扰小以及后期维修简易的优点。

Description

一种基于机器视觉的三维位移传感器

技术领域

本实用新型涉及测量仪器技术领域，具体为一种基于机器视觉的三维位移传感器。

背景技术

目前国内外土木工程测试领域对位移的测量基本都是使用一维位移传感器，而被测点的位移大多产生在两个方向或者三个方向(即使用正交坐标进行测量)，而这种测量方式得到的位移数据会产生微小误差，因此需要进行测量方式的改进(即使用极坐标、球坐标或柱坐标进行测量)。

传统带刻度线的测量仪器，大多通过肉眼直接进行刻度读取，读数效率低且可能造成较大误差。特别是针对百分尺、千分尺等高精度量具，在现场环境下，肉眼读取极易受到环境因素和人为因素的影响，因此读数效率低且可能造成较大误差。目前市面上也出现了诸如数显游标卡尺、数显角度计等一系列支持数码显示的量具。然而，这些支持数码显示的量具多是通过容栅传感器、光栅传感器、电感等电子元件实现的，这些电子元件的使用寿命较短，且更换和维修极易导致测量数据的丢失；同时电子元件测量的准确度受外界因素的干扰比较严重，无法避免温度漂移等问题；为了解决温度漂移的问题，通常采用温度补偿的方式来减少干扰影响，然而温度补偿电路本身也存在故障隐患，也无法保证刻度读数结果的准确度。

利用机器视觉技术读取图像，首先通过图像采集装置采集图像，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布、亮度和颜色等信息，对其进行尺寸、形状等参数的测定；同时机器视觉不会产生肉眼的疲劳现象，且具有比肉眼更高的精度和速度，特别是在高危险场景的探测和不可视物体的测量等方面。目前机器视觉已部分应用于工业检测、医学、图像等领域，大幅提高了工作的效率和执行的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于机器视觉的三维位移传感器，具备在使用中测量误差小、外界干扰小以及后期维修简易的优点，解决了当前三维位移测量技术在使用中存在的测量误差大、外界干扰大以及后期维修繁杂的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于机器视觉的三维位移传感器，包括主尺、摄像头和数据处理单元，其特征在于：所述主尺滑动连接有副尺，所述副尺在主尺上滑动，用以指示径向位移的刻度读数；所述主尺的左端活动连接有连杆，所述连杆的顶部固定连接有表盘一，所述表盘一上的指针用于指示垂直平面内环向位移角度数据；所述连杆的后侧活动连接有表盘二；所述表盘二上的指针用于指示水平平面内环向位移角度数据；摄像头用以采集刻度读数和表盘指针图像；所述数据处理单元用于对采集到的读数和图像进行处理，计算出三维位移数据。

优选的，所述主尺和副尺的正表面均设置有刻度。

优选的，所述主尺的左端与连杆的连接处通过第一转轴活动连接，所述连杆的左端与表盘二的连接处通过第二转轴活动连接。

优选的，所述表盘一的顶部呈扇形，所述表盘二的正表面呈圆形。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型通过设置主尺、副尺、导杆、指针一、连杆、表盘一、表盘二、指针二、滑槽和和摄像头的配合使用，解决了当前三维位移测量技术在使用中存在的测量误差大、外界干扰大以及后期维修繁杂的问题，该三维位移传感器，具备在使用中测量误差小、外界干扰小以及后期维修简易的优点，值得推广。

2、本实用新型对目前国内外工程领域中三维位移测量采用一维位移传感器正交坐标组合的方式加以改良，并通过使用极坐标的计算方式来减小测量三维位移时产生的误差以获得准确的测量值；

本实用新型通过摄像头采集三维位移传感器的刻度图像，既可以实现在危险、恶劣环境下对数据的测量，又可以通过机器视觉来实现对刻度数值的准确获取；

本实用新型图像处理中的定位和识别的方法与传统方法相比具有读取速度快、识别精度高等优点，在识别效率上有较为出色的提升，为高精度的测量提供了较好的支持；

从仪器长期使用的角度上看，将装置中易于老化的电子摄像头部分和不易老化的机械三维位移传感器部分进行了分离，当恶劣天气、极端温度等外界因素使电子部分损坏时，可以进行更换，从而延长该装置的使用寿命并减少后期维修费用，同时不易造成因更换仪器而导致的测量前后数据的丢失，使得整个数据测量的过程更加稳定可靠且最终测得的数据更加准确。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型结构的俯视图；

图3为本实用新型三维位移计算原理示意图。

图中：1主尺、2副尺、3导杆、4指针一、5连杆、6表盘一、7表盘二、8指针二、9滑槽、10摄像头。

具体实施方式

请参阅图1-图3，一种三维位移传感器，包括主尺1和和摄像头10，主尺1的顶部滑动连接有副尺2，副尺2的后侧固定连接有导杆3，主尺1的正表面开设有与导杆3配合使用的滑槽9，主尺1的左端活动连接有连杆5，连杆5的顶部固定连接有表盘一6，主尺1左侧的顶部固定连接有指针一4，连杆5的后侧活动连接有表盘二7，连杆5的左侧固定连接有指针二8。

主尺1和副尺2的正表面均设置有刻度。

主尺1的左端与连杆5的连接处通过第一转轴活动连接，连杆5的左端与表盘二7的连接处通过第二转轴活动连接。

表盘一6的顶部呈扇形，表盘二7的正表面呈圆形。

摄像头10用以采集刻度读数和表盘指针图像。摄像头10与数据处理单元连接，将采集的读数和图像传输给数据处理单元。其中，数据处理单元为计算机内置的算法模块，用于对读数和图像进行处理、计算得出三维位移数据。通过计算机输出计算结果。

使用时，主尺1和副尺2用以读取测量径向位移Δr的读数，主尺和副尺的刻度之间的对应关系参照游标卡尺。以准确到0.1毫米的游标卡尺为例，主尺身上的最小分度是1毫米，副尺上有10个小的等分刻度，总长9毫米，每一分度为0.9毫米。

表盘一6用以读取测量环向角度θ的指针一4的读数，表盘二7用以读取测量环向角度γ的指针二8的读数；测量导杆3的径向伸缩带动副尺2沿主尺1的移动，测量导杆3与指针一4固定，在平面内环向绕转轴转动带动指针一4的转动；同时表盘一6通过连杆5与指针二8固定，在xoy平面内环向绕转轴转动带动指针二8的转动；摄像头10采集读数和图像，通过数据线传输给计算机内的数据处理单元，进行图像处理和数据的计算。

三维位移传感器可测量径向位移和环向角度两部分的数据，通过摄像头10采集读数和图像、经计算机可识别转换为坐标系中的三维位移量，从而达到测量目的，即摄像头10采集读数和图像并传输到电脑端，再由电脑端识别进而转化为位移数据，从而得出准确有效的三维位移量△x、△y和△z。

三维位移量的计算原理为：

(1)令OB＝a，BA₀＝b，则初始点A₀的空间直角坐标为(0，a+b，0)；

(2)由结构的转动情况知平面OB₁A₂垂直平面yoz，且记∠B₁OA₂＝∠1，于是经过一定三维位移后A₂的(x，y，z)坐标可表示为：

x＝OA₂cosγsin1

y＝OA₂cosγcos1

z＝OA₂sinγ

故仅需用已知量a，b，Δr，γ，θ表示出OA₂，cos1，sin1；

(3)在三角形OB₁A₂中，

OB₁＝OB＝a，B₁A₂＝B₁A₁＝b-Δr,∠OB₁A₂＝π-θ

由余弦定理：

由正弦定理：

(4)将OA₂，cos1，sin1带入原式可得A₂坐标：

x＝(b-Δr)cosγsinθ

y＝acosγ+(b-Δr)cosγcosθ

其中，数据处理单元在进行基于机器视觉的图像处理时，使用但不局限于Faster-RCNN算法对仪表位置进行定位，并采用卷积神经网络LeNet-5、openCV等方式识别表盘刻度值。图像识别算法部分为计算机领域的现有技术，并非本实用新型改进的内容。

例如：选用Caffe作为算法框架，利用图像识别技术，对摄像头采集到的图像进行处理。识别的具体流程如下。(1)利用Faster-RCNN算法从摄像头采集的图像中迅速定位仪表区域，并且去除图像的干扰信息。(2)通过灰度化和二值化标记出表盘刻度线和指针的连通域，找到表盘中心圆的圆心，根据连通域提取指针并细化。(3)对刻度线和表盘数字进行分割，利用卷积神经网络LeNet-5识别表盘刻度值，结合刻度线的处理和刻度值的确定，计算出偏移度数。(4)进行多次偏移度数采集后，对数值进行组织并计算平均值，将其转换得到正确的位移数值Δr，γ，θ。

还可以采用另一种方案进行基于机器视觉的图像处理：(1)利用openCV中的canny算法先对原图进行边缘提取，一方面滤掉部分干扰，另一方面将原图转换为边缘图后只剩下主要线条信息。(2)用霍夫方法找到的圆中半径最大且整个圆都在当前图片中的那个圆作为表盘。(3)运用霍夫方法找指针线段，并将其与X轴正方向的夹角从小到大进行排序，然后每次遇到相邻两个线段的夹角存在较大的跳变就进行切割，最后所有的线段被分割为一些组，再重新计算这组所代表指针的长度。(4)进行多次指针位置采集后，对数值进行组织并计算平均值，将其转换得到正确的位移数值Δr，γ，θ。

将图像处理后的数据位移数值Δr，γ，θ，

利用数据处理单元中内置的算法公式：x＝(b-Δr)cosγsinθ，y＝acosγ+(b-Δr)cosγcosθ，

通过计算处理，可得出x、y、z三维位移值。

综上所述：本实用新型提供的基于机器视觉的三维位移传感器，通过设置主尺1、副尺2、导杆3、指针一4、连杆5、表盘一6、表盘二7、指针二8、滑槽9和和摄像头10的配合使用，解决了当前三维位移测量技术在使用中存在的测量误差大、外界干扰大以及后期维修繁杂的问题。

Claims

1.一种基于机器视觉的三维位移传感器，包括主尺、摄像头和数据处理单元，其特征在于：所述主尺滑动连接有副尺，所述副尺在主尺上滑动，用以指示径向位移的刻度读数；所述主尺的左端活动连接有连杆，所述连杆的顶部固定连接有表盘一，所述表盘一上的指针用于指示垂直平面内环向位移角度数据；所述连杆的后侧活动连接有表盘二；所述表盘二上的指针用于指示水平平面内环向位移角度数据；摄像头用以采集刻度读书和表盘指针图像；所述数据处理单元用于对采集到的读数和图像进行处理，输出三维位移数据。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的三维位移传感器，其特征在于：所述主尺和副尺的正表面均设置有刻度。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的三维位移传感器，其特征在于：所述主尺的左端与连杆的连接处通过第一转轴活动连接，所述连杆的左端与表盘二的连接处通过第二转轴活动连接。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的三维位移传感器，其特征在于：所述表盘一的顶部呈扇形，所述表盘二的正表面呈圆形。