專利名稱：基于圖像識別定位的轉速測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種用于旋轉機械的轉速測量系統(tǒng)，具體的說是一 種基于圖像識別定位的轉速測量裝置，屬于轉速測量技術領域。
背景技術：
轉子速度大小和方向的測量一直是航空、航天、機械制造等工業(yè)領域中 的一個重要問題。目前對轉子速度的測量方法可分為接觸式和非接觸式。其 中接觸式主要是機械式測量，這種測量方法依賴于接觸壓力、安裝結構復雜， 其最大缺點是加載運動不連續(xù)。非接觸式測量轉速的方式有基于電感式傳感 器、電渦流傳感器及光電傳感測量等幾種。這些傳統(tǒng)的測量方法，主要有以 下幾個缺點
a) 通常只能測量轉速大小，如要進行方向判別將會使其結構復雜。
b) 在轉速比較高時效果是較好的，在轉速比較低時誤差就逐漸增大， 甚至于無法測速。
c) 不適用于微機電系統(tǒng)的轉速測量。
圖像識別定位是一門發(fā)展迅速的新興技術，該技術通過模擬人的視覺來 實現(xiàn)測量、定位、監(jiān)控等功能，目前該技術己經(jīng)廣泛應用于軍事、智能交通 及安檢等領域。其高端應用的典型是機器人的視覺導航技術，而低端應用的 典型則是光學定位鼠標。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN1888912A， 專利名稱為基于計算機視覺的轉速測量裝置，該專利自述為"采用CCD圖像采集卡采集安裝在測速平臺上被測物體的運動模糊圖像，并將所獲得的 模糊圖像信息傳送計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)的模糊圖像處理測速模塊通過對 得到的模糊圖像進行運動降維處理、時頻變換、頻譜分析、運動參數(shù)獲取后 實現(xiàn)對被測物體的轉速測量，若采用顯微攝像，也可應用于微機電系統(tǒng)的轉 速測量。"它的缺點在于結構復雜、設備成本高昂，難以作為一般的轉速測 量儀表或實驗儀器推廣使用。 發(fā)明內容
本實用新型的目的旨在克服現(xiàn)有技術所存在的不足，提出一種基于圖像 識別定位的轉速測量方法及其裝置，采用在光學鼠標中普遍應用的光學定位 芯片作為轉速測量的核心器件。其方法簡便，裝置結構簡單、成本低廉，能 同時測得轉速及轉向，并適用于微機電系統(tǒng)及低速轉動部件的轉速及轉向測
本實用新型的技術解決方案用光源照射轉軸被測表面，采用在光學 鼠標中普遍應用的光學定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系 統(tǒng)作為核心器件來測量轉軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計 算、判斷得到軸的轉速及轉向。
其裝置的結構包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學定位芯片、單片 機系統(tǒng)；其中測速平臺被測表面部分的正上方設有微距鏡頭及光學定位芯 片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側安裝作為光源的半 導體激光器，半導體激光器的激光束對準測速平臺的被測表面，光學定位 芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。
1)測速平臺設計如圖1所示，由于定位芯片能夠測得的最大線速度有 限，為了擴大測速范圍，當轉軸較粗時，需要在轉軸的末端延伸一段與原轉軸共軸的細端作為測量段，在轉動角速度速相同時，越靠近轉軸的中心
切向速度越小，這樣處理后能夠測量更高的轉速；此外，為了能讓光學定 位芯片準確、可靠地識別被測目標的運動信息，測速平臺的被測表面部分 需經(jīng)過紋理化處理，這與給光學鼠標增加鼠標墊以改善鼠標運動和捕捉效 果的目的一樣，如圖l中測量段的陰影部分。
2) 光源設計因為目前大多數(shù)用于光學鼠標的光學定位芯片內部的
CMOS圖像傳感器只對波長在650nm附近的光波敏感，所以必須采用發(fā)射波 長在650nm附近的光源照亮轉軸的被測表面部分。光學定位芯片是基于比較 特征點的位置變化來實現(xiàn)定位的，這個特征點在定位算法中表現(xiàn)為灰度信 息。當定位芯片選定特征點后，若光照強度變化則該特征點在下一張照片 內的灰度信息會發(fā)生變化。如果在測量范圍內光照條件變化過大，則定位 算法將無法準確地在相鄰兩張照片里找到同一個特征點，此時定位可能失 效。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，就要盡量保證光照強度在拍攝范圍內的一 致性，采用發(fā)射波長為在635nm-650nm之間的半導體激光器作為光源，且 發(fā)射光經(jīng)過透鏡調制變?yōu)辄c光源后照射到轉軸的被測表面。
3) 微距鏡頭的設計考慮到光學定位芯片工作時，其圖像獲取部分是 一個高速、微距拍照系統(tǒng)，因此應該采用短焦距、分辨率高、畸變像差小、 拍攝景深小的微距鏡頭作為物鏡，以獲得清晰的光學影像。為了消除雜光 影響還應在鏡頭表面鈹膜，這有利于光學定位芯片準確、可靠的測量位移 增量。
4) 定位芯片的選擇定位芯片的選擇主要考慮三個技術指標幀速率、 分辨率及CMOS圖像傳感器的有效面積。幀速率和CMOS圖像傳感器的面積 共同決定定位芯片所能夠測量的最大速度。光學定位芯片是基于比較特征
點的位置變化來對實現(xiàn)定位的，這個特征點在定位算法中表現(xiàn)為灰度信息， 當定位芯片在一張照片里選定特征點后，雖然在目標移動時該點在拍攝范 圍內的位置變化了，但在相臨的下一張照片里還可以找到該點，這時定位 芯片內部的微處理器可以計算出位移增量。但當目標表面速度過快時，定 位芯片在第一張圖片里捕捉到的特征點已經(jīng)移出了 CMOS圖像傳感器的拍攝 范圍，這時定位功能失效，這里稱之為丟幀。為了使本發(fā)明/實用新型能夠
測量更高的轉速，應該選用幀速率高、CMOS圖像傳感器有效面積大的定位
芯片。定位芯片的分辨率定義為被測量目標每移動一英寸光學定位芯片
所輸出的計數(shù)值，例如分辨率為400dpi，是指目標移動一英寸定位芯片累 計輸出的計數(shù)值為400，分辨率與靈敏度的意義是一樣的，分辨率越高，靈 敏度越高，越有利于測量低速運動的目標。
本實用新型的實際性能是由定位芯片和微距鏡頭共同決定的，上述定
位芯片的性能是在假設成像倍率(像高物高)為1時討論的。假設工作時
成像倍率為"1 ，定位芯片在成像倍率為l時能夠測量的最大速度為v1 ， 分辨率為rl，則理論估算指標為
允許的最大線速度V2 = Vl / "1 實際分辨率為= H x "1
5)采用單片機系統(tǒng)完成對定位芯片的初始化配置、圖像獲取、位移增
量數(shù)據(jù)讀取及轉向判斷、轉速計算、顯示、通信等功能。 本實用新型的優(yōu)點-
a)由于采用的光學定位芯片能夠同時測得轉軸轉動時其被拍攝表面 部分位移的大小和方向，因此在測得轉速的同時也能根據(jù)測得的位移方向 判斷轉軸的轉向。b)由于光學定位芯片的靈敏度很高，在測量低速轉動部件時，甚至可 以對轉軸的測量面進行顯微拍照，以獲得更高的靈敏度，適合于低速轉動 部件的轉速及轉向測量。
C)由于本測速裝置組成器件少、結構簡單及基于圖像識別定位的測速 原理，只需要用激光照射很小面積的轉軸的表面，即可實現(xiàn)對轉速及轉向 的非接觸測量，并沒有傳統(tǒng)測量方法用于微機電系統(tǒng)時測速器件難以安裝 及加工的問題，適用于微機電系統(tǒng)轉速和轉向的非接觸測量。
d)工作性能穩(wěn)定、使用壽命長，且價格便宜，低成本容易推廣。
下面從理論上分析測速效果。
a)測速范圍估計
被測轉軸直徑為^1，成像倍率為wl，當成像倍率為1時定位芯片的 分辨率為rl，能夠測量的最大線速度為vl 。
則本發(fā)明/實用新型理論上能夠測量的最大轉速為
A W/4A. = vl/(;r x"lxdl)設"1=1.0， "1=40英寸/秒=1.016米/秒， dl =2.0毫米=0.002米，則A = vl /(;r x "1 x dl) =161.78轉/秒=9707 轉/分鐘。此外在轉軸直徑不變時，通過縮小成像倍率(像高物高)也可以 擴大測速范圍。
理論上本實用新型可以測量的最小轉速是0轉/分，但由于定位芯片成 像系統(tǒng)的分辨率有限，當被測表面的位移在兩幀照片的拍攝時間間隔內 小于l/r2(r2 = Hx"l)英寸時，定位芯片在這兩幀拍攝時間間隔內將沒有
位移增量輸出，直到位移累加到Wr2時才會有輸出，但這只是靈敏度問題， 并不影響測速。在低轉速測量時可以增加單片機系統(tǒng)定時器的時間間隔，等 待較長時間單片機才去讀取定位芯片的位移增量數(shù)據(jù)。前面討論了在測量低
轉速時，應采用較低的幀速率，較高的分辨率及成像倍率，這樣能夠提高本 裝置工作時的靈敏度，適應更低的轉速測量。 b)測速精度估計
參考安捷倫公司公布的數(shù)據(jù)手冊，當定位芯片的直線位移測量小于
50mm時，其位移測量精度優(yōu)于1%，測量位移越短精度越高。在本發(fā)明/實 用新型中，單片機通過定時器中斷服務程序定時讀取定位芯片測到的位移增 量，在正常情況下定時時間間隔為5ms，在這段時間間隔內所發(fā)生的位移一 般遠小于50mm。因此，每次讀取的位移增量還是具有相當可信度的，若對 多次讀取的位移增量求平均值后再去計算轉速，則可以得到相當高的測速精 度。
附圖l是本實用新型的結構框附圖2是本實用新型實施例的硬件功能框圖
附圖3是本實用新型實施例轉速計算及轉向判斷的流程圖。
圖中的l是測速平臺、2是光源、3是微距鏡頭、4是光學定位芯片、5是
單片機系統(tǒng)。
具體實施方式
基于圖像識別定位的轉速測量方法是用光源照射轉軸被測表面，采 用在光學鼠標中普遍應用的光學定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集 與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片 機系統(tǒng)計算、判斷得到軸的轉速及轉向。
對照附圖l，其結構是包括測速平臺l、光源2、微距鏡頭3、光學定位 芯片4及單片機系統(tǒng)5;其中測速平臺l被測表面部分的正上方設有微距鏡頭
3及光學定位芯片4組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺l的一側安 裝作為光源2的半導體激光器，半導體激光器的激光束對準測速平臺l的被 測表面，光學定位芯片4通過SPI串行總線與單片機系統(tǒng)5相連。 下面詳細介紹各部分的實施方式
所述的測速平臺1為電機帶動的一根旋轉軸，在該轉軸末端延伸一段軸 徑dl = 2.0mw的測量段，沿測量段的圓周面貼一層寬度為3mm細砂紙作 為測量面，貼砂紙視為對測量面的紋理化處理。
所述的作為光源2的半導體激光器，最大功率5mw、發(fā)射波長 635nm-650nm，用該激光器照射被測表面，并通過透鏡調制投射到被測表 面的光斑直徑約為"2 = 3mm ，基本上可以保證在此光斑范圍內光照強 度一致。
所述的微距鏡頭3 (可選用美國安捷倫公司的ADNS-2120鏡頭)，該 鏡頭的主要技術參數(shù)為數(shù)值孔徑0.13，設計波長639nm，當放大率(像 高物高)為1:1時，拍攝景深為土0.5mm ，拍攝面積 1.8wwxl.8ww，本實施例調節(jié)放大率為1:1。
所述的光學定位芯片4 (可選用美國安捷倫公司的ADNS-3080),該定 位芯片的主要技術參數(shù)為數(shù)據(jù)接口標準SPI接口；幀速率可以用戶 配置在2000幀/秒 6469幀/秒之間；CMOS圖像傳感器30 x 30的像素 點陣，實際尺寸約為2x2mm ;分辨率可以通過操作其內部寄存器配置 為400dpi或1600dpi;能夠測量的速度范圍0 40英寸/秒(當放大率為1:1 時)；允許的最大加速度15g。
所述的單片機系統(tǒng)5，包括單片機、顯示、通信及電源模塊(單片機 可選擇美國Cygnal公司提供的C8051F021 )，該單片機指令運行速度高，
可靈活配置端口，集成了UART、 SPI、 SMBUS及CAN等總線接口。
對照附圖2，電源模塊為整個系統(tǒng)供電，單片機通過SPI總線接口與 光學定位芯片互連，半導體激光器的輸出功率受單片機輸出的PWM波控 制，轉速和轉向通過數(shù)碼管顯示并通過通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
對照附圖3，程序采用前后臺結構，在后臺主程序中完成單片機初始 化及硬件自檢測、定位芯片的初始化配置、圖像獲取、轉向判斷、轉速計 算、顯示以及向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，在前臺中斷服務程序中完成監(jiān) 控中心命令接收、位移增量數(shù)據(jù)讀取等功能。
具體測速過程是這樣的上電單片機系統(tǒng)初始化完成后，整個測速裝 置開始工作，首先，作為光源的半導體激光器照射測速平臺的被測表面部 分；然后，微距鏡頭與光學定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)對被 測表面連續(xù)拍照并計算出位移增量；最后，單片機系統(tǒng)通過SPI總線讀取 光學定位芯片輸出的位移增量數(shù)據(jù)，在其內部再對這些數(shù)據(jù)進行處理進而 得到轉軸的轉速和轉向，并通過顯示模塊顯示出來，還可根據(jù)需要將轉速 通過通訊模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
權利要求1、基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其特征是包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學定位芯片、單片機系統(tǒng)；其中測速平臺被測表面部分的正上方設有微距鏡頭及光學定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側安裝作為光源的半導體激光器，半導體激光器的光束對準測速平臺的被測表面，光學定位芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。
2、 根據(jù)權利要求l所述的基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其特征 所述的測速平臺為電機帶動的一根旋轉軸，在該轉軸末端延伸一段是測量 段，測量段的周面要經(jīng)過紋理化處理。
3、 根據(jù)權利要求1所述基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其特征是 作為光源照射被測表面的是半導體激光器，其光束通過透鏡調制為點光源， 發(fā)射波長635nm-650nm。
4、 根據(jù)權利要求1所述基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其特征是 微距鏡頭表面用鍍膜，微距鏡頭與光學定位芯片內部的CMOS圖像傳感器構 成一個用來獲得被測表面的清晰圖像的微距拍照系統(tǒng)。
5、 根據(jù)權利要求1所述基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其特征是 所述的單片機系統(tǒng)包括單片機模塊、顯示、通信及電源模塊，其中，電源模塊為整個系統(tǒng)供電，單片機通過串行總線與光學定位芯片互連，半導體 激光器的輸出功率受單片機輸出的PWM波控制，轉速和轉向通過數(shù)碼管 顯示并通過通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
專利摘要本實用新型是一種基于圖像識別定位的轉速測量裝置，其結構包括測速平臺、光源、微距鏡頭、光學定位芯片、單片機系統(tǒng)；其中測速平臺被測表面部分的正上方設有微距鏡頭及光學定位芯片組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)，在測速平臺的一側安裝作為光源的半導體激光器，半導體激光器的光束對準測速平臺的被測表面，光學定位芯片通過串行總線與單片機系統(tǒng)相連。用光源照射轉軸被測表面，采用在光學鼠標中普遍應用的光學定位芯片及微距鏡頭組成的數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)作為核心器件來測量轉軸被測表面的切向速度，最后經(jīng)過單片機系統(tǒng)計算、判斷得到轉軸的轉速及轉向。優(yōu)點結構簡單、成本低廉，能同時測得轉速及轉向，適用于微機電系統(tǒng)及低轉速旋轉部件。
文檔編號G01P3/36GK201069443SQ20072004009
公開日2008年6月4日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權日2007年6月26日
發(fā)明者劉冬冬, 張?zhí)旌? 黃向華 申請人:南京航空航天大學