（机械电子工程专业论文）基于数字图像处理技术的高精度仪表自动检定系统的研发.pdf

山东理t 人学坝：i j 学位论义摘要 摘要 指针式仪表是生产过程中应用非常普遍的测量仪表，种类多，数量大。目前，国 内对这类仪表的检定工作主要是采用人工观测读数的方法。受人为因素影响，检定效 率低、精度低，为了提高检定的效率及精度，本文对指针式仪表的自动检定技术方法 进行了研究。 本文以数字图像处理技术，以自动识别指示表示值为研究重点，对指针式仪表的 自动检定技术进行了研究与开发。通过对运动控制驱动系统的设计及反馈控制的设 计，实现了检定系统的闭环运动控制，从硬件上保证了高精度仪表检定的精度要求。 通过对图像的滤波技术，图像阂值分割算法，表盘图像的边缘检测算法，指示表表盘 图像的细化及仪表指针特征的提取等研究，实现了被检定仪表的示值自动判读。最后， 通过对实验数据与系统误差分析，系统误差来源的详细分析及计算等，对检定系统的 精度进行了估计。论文以百分表为例进行分析，通过试验及计算机编程处理，总结归 纳出了一种数字图像处理读数的方法，为各类指针式仪表自动检定技术的发展以及对 指示表的自动检测中视频图像数字化采集、数字图像处理技术的应用，提供了借鉴。 指针式仪表自动检定系统是机、光、电一体化的智能化仪器，由于采用了计算机 图像识别技术，免除了人工读数，不仅检定效率可大大提高。而且实现了检定过程的 自动化和智能化。实验证明本文研究的方法检定准确度高、分辨能力强、操作简便， 因此具有广泛的市场应用前景。 关键词：指针式仪表；数字图像处理；闭环运动控制；示值判读；h o u g h 变换； 阈值分割 山东理t 人学坝i j 学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t p o i n t e ri n s t r u m e n t ，w h i c hh a s l a 唱e n u m b e r so ft ) ，p e sa n dh u g eq u a i l t i 吼i s p r e v a j e n t l yu s e di nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s a tp r e s e n t ，t h ev e r i f l c a t i o nt ot h ei n s 仇m l e n t b a s i c a l l ya d o p t sh u m a no b s e r v a t i o nm e t h o d s o m ea n t h r o p o g e n i cf a c t o r si n f l u e n t st h e a c c u r a c ya n de m c i e n c yo fv e r i 矗c a t i o n 。i no r d e rt oi m p r o v et h o s ep r o b l e m s ，t h i sp 印e r m a k e sas t u d yo nt h ea u t o m a t i cv e r i n c a t i o nt e c h n i q u eo fp o i n t e ri n s t m m e n t b a s e do nd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c l m o l o g y ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nh o wt 0 a u t o m a t i c a l i yr e c o g n i z et h ei n d i c a t i n gv a i u eo fi n s t m 】m e n tp o i n t e r a n dr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p st h ea u t o m a t i cv e r i 矗c a t i o nt e c h n i q u eo fp o i n t e ri n s t r u m e n t t h r o u g ht h ed e s i g n s o fm o t i o nc o n t r o ld r i v i n gs y s t e ma n df e e d b a c kc o n t r o l ，t h es t u d yr e a l i z e st h ev e r i f i c a t i o n s y s t e mf o rc l o s e d l o o pm o t i o nc o n t r o l ，a n dr e a c h e st h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t so ft h e h i g h p r e c i s i o n i n s t n 】r n e n tv e r i 矗c a t i o n行o mh a r d w a r e n l r o u g hm ei m a g e f i l t e r i n g t e c h l i q u e ，i m a g et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na l g o r i t 胁，d i a li m a g ee d g ed e t e c t i o na l g o r i t 胁， m s t r u m e n td i a li m a g et m r m i n ga j l dr o g n i t i o nf o rt h ef - e a t u r e so ft h ei n s t m m e n tp o i l l t e r a n do t h e ra l g o r i t l l i l le t c ，i tr e a l i z e sa l i t o m a t i cr e c o g n i t i o nf o rm ei n d i c a t i o no fm e i n s t m m e n tp o i n t e r f i n a l i y ，t h r o u 曲t h ea i l a i y s i so ft h ee x p e r i m e n t a id a t aa n de r r o ra j l a l y s i s 赫dt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h es o u r c e so fs y s t e me 玎0 l r ，i tm a k e sae s t i m a t et ot h e a c c u r a c yo fv e r i f l c a t i o ns y s t e m t a k ed i a l i n d i c a t o ra sa ne x 锄p l et om a k et h ea n a l y s i s s o m em e t h o d so fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g a r es u m n l a r i z e db yp r o g r a m m i n ga n d p r o c e s s i n go fc o m p u t e r ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c e sf o ra l lk i n d so fp o i n t e ri n s t r u m e n t so n t h ed e v e l o p m e n t so fa u t o m a t i cv e r 浓c a t i o nt e c h n i q u e ，v i d e o - i m a g ea c q u i s i t i o nt e c h n i q u e ， a n da p p j i c a t i o n so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e a u t o m a t i cv e r i f i c a t i o ns y s t e mo fp o i n t e ri n s t r u m e n ti sao p t o e l e c t r i c a li m e g r a t e d a n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e m t h ea d o p t i o no fc o m p u t e ri m a g er e c o g n i t i o nt e c h n i q u ep r e v e n t s m 觚m a d er e a d i n gi nt h ev e r i 丘c a t i o n ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ee m c i e n c yo fv e r i 矗c a t i o n m o r e o v e r a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e a r ea c h i e v e di nt h ev e r i f i c a t i o np r o c e s s t h e e x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i sm e t h o do fv e r i 丘c a t i o nw i l lh a sab r o a dm a r k e tb e c a u s eo f i t s h i g ha c c u r a c y ，r e c o g n i t i o nc 印a b i l i t ya i l dc o n v e n i e n to p e r a t i o n k e yw o r d s ：p o i n t e ri n s t m m e n t ； d 追i t 烈i m a g ep r o c e s s i n g ： c l o o s e dl o o pm o t i o n c o n t r o l ： p o i n t e ri n d i c a t i n gv a l u er e c o g n i t i o n ； d i a li n d i c a t o r ； h o u 曲t r a i l s f b n n ； t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：节瓴蒂 时间： 弦9 多年月j 妇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：酷i 磋 导师签名： 秘卅 i 时间：讼确障多月j2 f 1 时间：川年月，8 日 第一章概述 1 ，1 指针式仪表自动检定系统研究的目的和意义 精密测量技术是机械工业发展的基础和条件，从生产发展历史来看，机械加工精 度的提高，是与测量技术的发展水平紧密相关的。精密测量技术的发展推进了服务于 各个部门的测量仪器的发展，在机械、电子、航天、冶金工业以及天文气象等，特别是 在自动化生产程度比较高的工业企业中。百分表、干分表等精密测量仪器是常用量具， 在科研生产部门、工矿企业及工程技术单位应用相当广泛。由于其使用频率高，很容 易产生误差，计量检定部门需周期性对其进行校验，同时仪表生产企业还需要对仪表 示值误差进行检定，以判断其是否合格。这是一项重复性的劳动强度大的工作。目前， 国内对这类仪表的检定工作主要是采用人工观测读数的方法。这种判别方法受人的主 观因素如人的观测角度、观测距离等影响，不稳定、可靠性不高。而且数据处理工作 量大，检定效率低。鉴于传统检定方法所存在的缺点，研究一种快速、准确、稳定的指 针式仪表自动检定系统，将有助于我国的仪表生产和检定。 近年来，随着传感器技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术和机器视觉技 术的迅猛发展，智能化仪器得到了快速发展，同时仪器的精度也越来越高。随着检测装 置和系统信息化、智能化、网络化程度提高，仪表读数的自动检定日益成为一个广泛 研究的课题。本文所研究的课题就是综合了光、机、电一体化的指针式仪表自动检定 系统，通过摄像头获取仪表表盘图像后对指针进行提取和识别，以获取需要的仪表示 值信息，并可通过标准接口输出，由计算机自动判读表盘示值，整个检定过程通过微机 控制并同步进行数据处理，实现了检定过程的自动化。本系统结合了光学技术( 光栅传 感器) ，机械技术( 检定仪的运动控制系统) ，计算机视觉技术( 表盘图像的采集、图像处 理系统) 等，为指针式仪表检定提供了一种快捷、准确、可靠的检定方法。该检定系统 精度高，回程误差小，操作简单，检定效率高，灵活性、通用性好，通过在软件上添加不 同的仪表识别处理模块，可检定百分表、千分表、压力表“1 、杠杆表、内径表等各种 类型的指示表。因此，其应用范围极为广泛。 本课题的研究是在采用光栅测量技术、步进电机闭环控制技术和数字图像处理技 术的基础上，为指针式仪表提供一种自动化程度更高、速度更快、更准确、更可靠的 检定方法。指针式仪表自动检定系统采用计算机视觉技术读取仪表示值，这无疑是把 因各种原因而不能方便、直接连接到自动化测试系统的指针式仪表，嵌入到自动化系 统中的最直接、最合适的途径，扩大综合自动测试系统采集物理量的范围，方便于实现 山东理t 人学硕j j 学位论文 第一章概述 管控一体化技术，提高智能化管理水平。仪表示值自动判读在工业和控制领域应用非 常广泛，无疑具有十分重要的实用价值和极其广阔的应用前景。所以本课题的研究具 有较高的实用价值。 1 2 国内外研究概况 数字图像处理学和计算机等现代技术的飞速发展给传统的电子测量与仪器带来 了革命性的影响，电子测量与仪器仪表和计算机的结合，促进了测量过程的自动化h 1 ， 同时对仪器仪表检定提出了更高的要求。 对指针式仪表的检定研究在国内外都有先例。但是由于机器视觉系统自身对客观 的真实物体的依赖性很强，机器视觉系统的设计是实现对某一类物体的识别，因此必 须根据自身研究条件和环境的特点研制适合自身条件的机器视觉系统。当然，已经研 制成功的系统会为后续的研究提供非常有益的借鉴。 1 2 1 国外发展现状 国外在仪器仪表机电一体化技术和数字图像处理技术等方面的研究较早，在指针 式仪表自动检定方面的研究和应用也比较成熟。例如，德国马尔( m a h r ) 公司的8 7 5 系列全自动指示表检定仪，采用了c c d 摄像机来摄取仪表表盘图像，运用数字图像处 理方法来进行仪表指针示值的分析与评定，它们能够实现快速、可靠、准确的检定， 但其价格昂贵，维修困难，很难被国内的广大用户所接受，因此有必要开发出具有自主 知识产权、精度高并且符合我国广大用户价位的产品。 c o r r aa 1 e g r i a 详细讲述了利用机器视觉系统对这类指示表的检定的过程哺1 。该 系统首先采用摄像头采集全局的表盘图像：然后将两个不同指针位置的图像相减，相 减之后，画面中的两个不同位置的指针的图像就保留了下来；再利用h o u g h 变换得到 指针的角度，然后得到指针的读数。 s a b l a t n i g 等人讲述了另一种指针表识别的方法1 。与c o r r a a l e g r i a 处理的指针 表不同的是，s a b l a t n i g 处理的是水表，这类指针表的指针旋转的角度范围是3 6 0 度， 因此s a b l a t n i g 可以在图像分割完成之后直接利用h o u g h 变换得到指针的角度，以此 来确定指针表的读数。 虽然仪表自动识别方法已经能够找到相关文献，但是这些方法抗干扰性还不能满 足实际系统的要求。自动识别时，识别率还不能满足高精度仪表的读数要求。 i 2 2 国内发展现状 目前，在国内的测量仪器仪表领域，有些项目已达到或接近国际先进水平，但在全 自动检定仪的研究上与国际先进水平相比，还有一定的差距。江苏锡山市电j l i 页仪表设 2 山东理丁人学坝j j 学位论义第一章概述 备厂生产的由单片机完成控制系统的s b j 一3 型的智能检定仪，其整体检定精度不高， 应用不广。宁夏回族自治区计量研究所设计的一种以光栅尺为测量部件，该仪器完善 了不同类型的单片机控制的检定仪的不足，即一是不直观；二是使用方法不人性化； 三是汜录存储不方便；四是对大量程的百分表的检定无能为力等。这种长度示值类自 动检定仪通过r s 2 3 2 串行接口将测量数据自动采集和处理，测量结果由屏幕显示或通 过打印机输出，全部采用菜单式人机对话方式，操作简单，功能较完善，精度较高。但是， 该仪器已不适用于新的指示表检定规程盱1 ，其软件界面不友好，检定的精度已不能满 足现状。西安特种仪表研究所研制的d s 系列光栅式指示表检定仪，适应国家检定规程 的变更，但该仪器只是半自动工作方式，仍不能实现全自动、智能化的检定。郑州三 同量仪有限公司的g z j 系列、深圳市精测科技有限公司的s j 2 0 0 0 和s j 3 0 0 0 系列、北 京德上科技有限公司的d s 系列。其原理、性能、价格基本相同。由于这些仪器可用 于检定国家规程规定的各种类型的百分表、千分表，从而得到我国广大事业单位计量 室的青睐。其中，郑州三同量仪有限公司的大量程( 0 5 0 聊聊) 仪表检定仪的问世，填补 了我国大量程指针式仪表检定仪的空白。目前，国内使用的国产指针式仪表检定仪， 据不完全统计，约有一千多台。但是这些检定仪均是利用计算机的串口进行光栅测量 信号的采集和电机的控制，这在一定程度上影响了检定仪的检定速度。上述这些检定 仪器在检定自动化程度、检定精度、检定效率( 主要是表盘数据的自动读取) 、性价 比等方面还不尽人意。因此有必要开发一种检定精度高，检定速度快、自动化程度高、 仪器适用性广、性价比高的检定系统。 本文主要研究的是针对百分表和千分表的机器视觉检定系统。系统首先严格限制 表与摄像头的相对位置，计算机控制步进电机移动装置输出位置改变量，采集到图像 后，系统利用图像处理技术采集并预处理表盘图像，然后用系统中的h o u g h 变换模块 提取指针的位置，分析表上的实际示值，通过比较由光栅传感器经计算机p c i 计数卡 读取的测杆的位移量与系统从仪表自动判读之间的差别来实现对仪表的检定。 1 3 本文的研究内容及主要工作 指针式仪表自动检定系统功能的实现是以精密光栅传感技术及机械传动技术等 为基础，采用运动控制技术、c c d 图像采集技术、数字图像处理技术等关键技术，通过 软件编程来实现系统的自动化。仪表识别及处理系统是通过表盘图像采集、识别并经 过数据处理转换检定结果，达到检定要求。 仪表识别及处理系统由c c d 摄像头、图像采集卡、计算机、光源、图像处理软件 模块、通讯接口组成。表盘的图像通过c c d 摄像头、图像采集卡，把采集的图像送存 储到计算机，在计算机管理控制下，通过快速图像处理算法处理，产生检定结果。其它 山东理丁人学颀1 ：学位论义第一章概述 的外部设备也可通过通讯接口来采集识别结果，以便组成各种仪表互联和集成视觉质 量检测系统。具体系统组成如图卜1 所示： lii i 图像采集卡hc c d 摄像头 上 i 计算机 h 通讯接口h 外部设备 十 l 图像处理模块 图1 1 表盘图像处理系统结构示意图 课题研究涉及的领域有光学、计算机技术、图像处理、模式识别、数控系统设计 等多种技术。内容广泛，工作量大。系统的研制成功将大大提高指针式仪表的自动化 程度，为下一步的研究奠定坚实的技术，因此具有十分重要的意义。 本课题在研究中涉及图像处理、模式识别、数字信号处理等诸多方面。实验表明 该程序可以提高指针式仪表检测的自动化程度。同时能推广到其他精密测量领域。， 1 。4 本文主要创新点 1 将数字图像处理技术与自动化控制技术相结合应用于仪器仪表的自动检定。 数字图像处理技术( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 y ) 是一门通过数字化 的方法利用计算机对图像进行处理( 包括图像的输入、输出，图像的增强、调整、变 换，图像的特征提取，图像的分析与识别等) 的新技术。 2 高精度仪表的自动化检定 系统在进给控制和检定设计上采用o 1 朋的精度。从而可以检定高精度的仪表如 千分表等。用数字图像处理技术自动读数，辅以光栅传感其标准值比较，即可解决指 针式仪表的自动检定问题。 3 ，开放式的软硬件系统体系结构 系统在硬件上通过面板上拨码开关可以调整进给速度的大小，实现了较宽的进 给速度开放式控制。软件上采用模块化结构，通过自动视觉检测指示表示值，实现不 同类别指针式仪表部件全自动检测的开放式系统。系统是采用多种特征模板与算法， 结合多种应用领域，开放式的检测控制系统，其开放式的核心在于将各种特征转化为 模板，提高精度与速度，可以方便地扩展到相关应用领域。 4 先进的计算机算法在图像处理中的应用 4 山东理丁人学颂j ：学位论义第一章概述 ( 1 ) 改进的h o u 曲变换算法针对于本课题的应用 通过改进后的h o u g h 变换算法，识别百分表读数的速度大大提高了，识别一个刻 度点读数的时i 白j 为0 3 秒左右，且识别精度保持与经典h o u g h 变换算法一样，能够满足 工程上的要求。 ( 2 ) 基于小波神经网络的图像识别 小波神经网络( w a o e l e tn e u r a ln e t w o r k s ，简称w n n ) 是近年来神经网络研究 中的一个新的分支，是结合小波变换理论与人工神经网络的思想而构造的一种新的神 经网络模型，结合了小波变换良好的时频局域化的性质及神经网络的自学习功能，因 而具有较强的逼近能力和容错能力。应用基于小波神经网络的图像识别方法可以更好 的确定图像分割的阈值。可以把经过预处理的图像二值化，从而进行更多必要的处理。 1 5 本文的章节安排 本文在查阅大量国内外文献的基础上，对指针式仪表自动识别的关键技术进行了 研究，以便提高仪表自动判读识别率和识别速度，从而组成一个仪表识别及处理系统， 以提高检测装置和系统信息化、智能化、网络化程度。 本文共分为七章，组织结构如下： 第一章介绍本课题研究目韵、意义、研究内容、主要工作、仪表自动检定技术国 内外研究动态。 第二章论述指针式仪表自动检定系统的工作原理及总体结构设计，对整个系统的 结构与设计提出了概括性的可行性分析，及初步实现方法。介绍了系统的基本结构和 主要功能。 第三章设计高精度闭环控制系统的结构及运动控制，主要包括运动控制系统和反 馈检测系统的设计。包括硬件的选择、参数计算设计及控制软件开发等。 第四章分析表盘数据图像的采集。分析了图像采集系统的结构设计，光源的分析、 选择和c c d 摄像头和图像采集卡的选择，以及相关软件设计。 第五章研究表盘图像的处理，进行图像处理模块的设计、分析及_ 丌发。研究了从 图像预处理到图像的阈值分割以及通过h o u g h 变换识别指针位置，读取仪表示值得方 法。以及改进的h o u g h 变换方法在指针识别过程中的特殊应用。论证了改进的h o u g h 变换方法的优越性。 第六章分析实验数据，从而进行系统的误差分析、精度分析。并找出影响指针式 仪表自动检定仪精度的误差因素及产生的原因，综合评定系统的精度。 第七章分析系统目前存在的问题，以及可能采取的改进方案。对尚待解决的问题 以及需要进一步研究的工作进行了展望。 山东理t 人学坝】：学位论义第二二章系统工作原理及总体结构设计 第二章系统工作原理及总体结构设计 2 1 系统方案设计的指导思想 现代机电一体化技术的进步，特别是计算机技术的发展，在测量仪器的设计和应 用中起到了不可替代的作用。本课题的设计就基于机器视觉技术。主要遵循以下的设 计原则： l 。测量精度的要求： 对于以检定为目的的精密仪器而言，精度要求是首先要达到的条件，没有了精度， 其他的设计就无从谈起。本系统的设计是为了实现对指针式仪表的全自动检定，所以， 系统的检定精度要符合国家指针式仪表检定规程的规定。 2 检定效率的要求： 本系统设计的一个主要目的就是提高对指针式仪表的检定效率。相对于效率较低 的人工检定，全自动的指针式仪表检定系统在采用了计算机执行检定过程后，效率得 到明显的提高。但是，在整个检定过程中，采用合理的方法或算法，还是会对系统的效 率产生很大的影响。其中，图像处理部分算法的优劣对整体效率的影响尤为明显。 3 性价比的要求： 在现代工业系统中，性价比也是一个衡量系统优劣的主要指标。本系统在权衡了 精度、效率以及经济性要求这三个方面之后，最终确定了在硬件设计上的方案，尽可能 提高系统的性价比。可以应用于生产实际。 2 2 两种方案比较 全自动式指针式仪表检定系统，应用计算机通过程序控制步进电机使其依次到达 各个被检点，并通过图像处理技术读取此时的表盘图像示值，将其与基准值相比较，给 出示值误差，从而完全省去了检定过程中的人为参与，既提高了检定的速度又提高了 检定的精度。根据以上要求可以提出两种检定方案： 方案一：上位机的控制程序包括两个线程，一个是主用户界面线程，一个是人工辅 助线程。主线程通过步进电机控制卡控制电机转动，同时使指示表与光栅传感器同步 移动；当电机转动时，启动另一个辅助线程，该线程负责图像的采集和指针式仪表读数 的识别，当识别的示值等于某个被检点的示值时，辅助线程给主用户界面线程发送一 个消息，当主线程收到消息之后，将辅助线程悬挂起来，并通过控制卡使电机停转，然 后通过p c i 接口来读取此时光栅传感器的示值，于是就得到了该被检点的示值误差； 山东理t 大学硕_ ：学位论文第一二章系统工作原理及总体结构设计 然后唤醒辅助线程，同时控制电机开始转动，到下一个被检点。重复以上步骤，直到所 有的被检点都被检定完，就得到各个被检点的示值误差。最后依据这组误差值按照相 关的检定规程来判定指针式仪表的精度等级，给出相关误差曲线。 方案二：上位机的控制程序同样包括两个线程，一个是主用户界面线程，一个是人 工辅助线程。主用户界面线程通过步进电机控制卡控制电机转动，步进电机带动卡具 使指针式仪表与光栅传感器同步移动；当电机转动时，在程序中启动辅助线程，该线程 从p c i 接口柬实时读取光栅传感器的示值，当示值等于某个被检点时，辅助线程给主 用户界面线程发送一个消息，当主线程收到这个消息之后，将辅助线程悬挂起来，并使 电机停转：同时通过c c d 摄像头和图像采集卡采集一帧指示表的图像到计算机内存， 然后采用相关算法对指针式仪表读数进行自动识别，可得到该被检点的示值误差：然 后唤醒辅助线程，同时让电机转动，到下一个被检点。重复以上步骤，直到所有的被检 点都检定完毕，就得到各个被检点的示值误差。最后依据这组误差值按照相关的检定 规程来判定指针式仪表的精度等级，给出相关误差曲线。 两种方案的比较与选择：对于第一种方案，人工辅助线程相当于半自动式检定系 统中人眼的作用，它通过不断的识别指针式仪表的读数，来判断指示表是否到达了被 检测的刻度点。而主用户界面线程相当于人手的作用，只要指针式仪表指针到达被检 点它立刻让电机停止转动，通过光栅传感器来得到指针式仪表的准确值，从而得到该 刻度点的误差。由于识别算法的速度相对来说是比较慢的，如果指针式仪表指针此时 正转到了一个需要检定的刻度点上，需要o 3 到0 5 秒的时间柬完成一幅图像的采集 和识别工作，此时才能够通知主线程让电机停止转动，可能此时指针式仪表指针已经 转过了待检测刻度点的位置，如果再采集此时光栅传感器的示值进行比较就没有什么 意义了。同时，如果每帧图像都进行图像处理，对内存的消耗也是巨大的。极大的浪费 了空间及时间资源。因此第一种方案是不可行的。 对于第二种方案，光栅传感器的读数可以说是实时进行的，由于是通过光栅传感 器的读数来确定对哪一帧图像进行图像处理，因此指针式仪表指针可以准确地定位在 被检点位置上，然后通过图像处理算法识别出指针对应的刻度，这个识别精度要高于 人眼的识别精度，然后得到示值误差。因此理论上这种方案是可行的。 2 3 指针式仪表全自动检定系统的设计原理 本系统主要的目的是检定指针式仪表。而判断仪表是否合格就在于该仪表的示值 读数误差是否超过了规定的标准，系统要想得到该仪表的示值误差就要取得一个准确 值和一个实际示值。系统是通过计算机控制步进电机的转动带动，驱使仪表指针匀速 变化的，通过光栅传感器得到向仪表输入的准确值。而与此同时，摄像头采集表盘图像， 山东理t 火学硕j j 学位论文第二章系统丁作原理及总体结构设计 经过数字图像处理以后，得到各个检定点的示值读数，将两者相比较的得到的值就是仪 表的误差【8 】。当被检表表针到达最大行程后，计算机控制驱动电机反向运转，实现反行 程检定。并由此来判断仪表是否合格。 对指针式仪表自动检定系统的研究，就是为了完成对指针式仪表各种精度的检 定。系统获得的误差是准确值与实际示值的差值。任何一个数值的偏差都会导致错误 的检定结果。在系统的总体设计过程中，要着重注意以下两点： 1 、基准值的获取。光栅读数是整个检定系统的基准，能否准确获取基准值是决定 系统精度至关重要的因素。光栅测量系统完成光栅信号的测量示值转化成计算机能够 识别的数字信号，也就是整个系统的基准示值读数。 2 、指示表示值的获取。由高精度c c d 摄像头进行图像采集，通过图像处理和计算 来获取指示表的实际示值，得到误差分析结果。 为了满足这两点，本系统采用了计算机控制步进电动机，并采用光栅传感器来获 取基准值。根据本系统的功能，设计整个系统，其工作原理示意图如图2 1 所示。 图2 1 指针式仪表自动检定系统原理图 本系统由一台计算机，i o 卡，步进电动机驱动器，步进电机，光栅传感器，计数 卡，c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e 电荷藕合器件) 摄像头和图像采集卡构成。计算机 用于实现表盘图像的采集、表盘图像的处理和光栅信号的采集。计算机通过i o 卡发 送脉冲给步进电动机驱动器，以控制迸电动机的方向和步数。步进电动机驱动指针式 仪表表针运动。指针式仪表的准确位移通过光栅传感器测量，通过计数卡把光栅传感 器测量后得到的光信号转换为计算机可以接收的数字信号。c c d 摄像头作为视觉传感 器，用于采集指针式仪表的表盘图像，图像采集卡与计算机p c i 总线相连，用于表盘图 像的采集。 根据国家指针式仪表类检定规程j j g 3 4 9 6 所规定的检定法，并依据所有被检点 的示值误差，计算出指针式仪表的其它各项精度指标，如工作行程误差、回程误差等。 8 山东理t 火学倾卜学位论文 第二章系统t 作原理发总体结构设汁 当更换不同规格的被检表时，可以选用不同的央具实现检定，因此本自动检定系统的 适应性很强。整个检定过程完全是在计算机的控制下完成的，因此本系统具有较高的 自动化和智能化程度。 2 4 系统软件结构设计 指示表自动检定系统的软件结构方案采用模块化，自顶向下的设计方案。本系统 的软件结构设计包括软件的模块化设计和软件的算法优化设计。软件包主要由以下几 个模块组成：用户界面模块、运动控制驱动模块、光栅尺的数据采集部分、表盘图像 的采集部分、表盘图像的图像处理部分、表盘精度计算部分和打印保存数据部分。系 统的程序功能模块关系如图2 2 所示。 计 算 机 主 程 序 模 块 步进也机运动控制模块 光栅数据采集模块 表盘图像采集模块 表盘图像处理模块 数据处理及数据库模 显示、打印模块 图2 2 系统程序功能模块关系 l 、主程序模块：控制各个功能模块，它包括系统初始化程序，系统自检程序，工作 循环程序，中断程序等。完成系统各种功能接口的可视化按钮，为用户提供友好的检定 界面，是检定人员能够容易的操作系统进行快速有效的检定。 2 、步进电机运动控制模块：控制步进电动机，完成脉冲信号的发生和分配，正、反 方向的运动控制，转动速度控制等。实现发送脉冲给步进电动机驱动器的功能，以控制 步进电动机的方向和步数。包括方向脉冲d i r 和步进脉冲信号c p 的发生。 3 、光栅数据采集模块：实时采集光栅尺的数据，进行信号转换，与计算机进行通信， 在检定点触发摄像头完成仪表表盘拍摄。 4 、表盘图像采集模块：基本功能是通过c c d 摄像头和图像采集卡实现表盘图像的 采集，保存被检点的图像信息。 5 、表盘图像处理模块：表盘图像的处理，包括滤波处理、阂值分割、边缘检测、 指针示值判读等。实现对采集到的仪表图像进行一系列数字图像处理和识别的功能。 6 、数据处理及数据库模块：完成对指示表示值误差、行程误差、回程误差等的 9 山东理工人学硕士学位论文 第二章系统工作原理及总体结构设计 计算。通过数据库实现仪表的规范化管理。 7 、显示、打印模块：将数据处理结果和相关质量报告显示、打印出来，对检定结 果并能以测量日志的形式存储，以备技术与管理、检定人员查用与决策。 系统软件开发采用模块化设计，各程序模块应该满足以下条件： ( 1 ) 透明性好。一个模块在完成指定功能后，不影响主程序现场，不影响其他程序 模块的调用。 ( 2 ) 相容性好。各模块的入口、出口条件应相容，可以直接调用一系列模块，而不 必做辅助准备工作。 ( 3 ) 功能性强。各模块能提供最常用的功能，以减轻程序的重复性开发。使模块运 行速度快，并能提供必要的出错信息。 ( 4 ) 质量问题。各模块尽量优化算法，提高运行速度，能提供必要的出错信息。 系统中对软件的设计主要是为了提高软件的处理速度和系统的实时性。指针式仪 表自动检定系统的软件设计选择c + + 编程语言，v i s u a lc + + 能够提供的各种函数、指 针操作及直接对硬件的操作使得数字图像处理速度更快。用v c + 十编写的应用软件无 论在处理速度，数字图像显示和用户界面设计等方面都表现出较高的效率，因此在编 写基于w i n d o w s 的各类数字图像处理程序时，v c + + 无疑是进行图像处理的最佳选择。 2 4 1 系统软件模块化设计 整个系统在软件结构设计，采用自上而下的结构。具体步骤如下： 1 ：软件初始化。包括选择采集图像的类型，设置采集图像的相关参数，设置光栅 数据采集地址。 2 ：选择待检表类型，确定被检点个数和被检点之间的分度间隔。根据国家指针式 仪表检定规程j j g 3 4 9 6 的规定，不同量程的指针式仪表和不同类型的指针式仪表，被 检点的分度间隔不同。因此，在检定的过程中，要选择指针式仪表类型，以百分表为例， 每l o 个分度为一个被检点； 3 ：打开图像获取设备，表盘图像可以预览，获得初始时刻的表盘图像。 4 ：控制步进电机做正向运动，使其推动指针顺时针运动，分别获得各个被检点的 表盘图像；控制步进电机做反向运动，使其推动指针逆时针运动，分别获得各个被检点 的表盘图像。 5 ：提取表盘圆心坐标。 6 ：根据各个被检点的表盘图像判读指示值。 7 ：确定每次示值读数的示值误差。 8 ：根据各个被检点的示值误差，计算指针式仪表的其它精度指标。 9 ：给出检定结果i 该指针式仪表是否合格；建立该仪表的误差数据库，确定仪表 1 0 些塑盔学顾_ j 二学位论文 第二帝系统工作原理及总体结构设计 精度等级，打印合格仪表的各项参数。系统软件结构流程图，如下图2 3 所示。 开始 软件初始化 0 被检表类型选择，被检点 个数和分度选择 上 打开图像没备，采集表盘幽像 j 确定表针初始时刻位置( 零刻度) | l 控制电机正向运动，拍卜一个受 检点的表盘图像并存储 读光栅传感器采集数据并储存 yp 控制电机反向运动，拍下一个受 检点的表盘图像，并存储 j r 读光栅传感器采集数据并储存 参 y 0 表盘图像处理确定中心及指针位置 计算各彼检点的示值误差并保存 士 根据各被检点的示值误差确定 被检表的精度 工 绘出误差分布曲线，给出检定结果 检定结束 幽2 3 软件总体结构设汁 山东理工大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体结构设计 指示表自动检定仪运动控制系统中的应用软件是为了完成对表杆的匀速微量进 给而编写的用户程序，要满足系统实时性、针对性、灵活性和通用性及可靠性的基本 要求。因此本系统软件设计主要采用v i s u a l c + + 6 o 编程。v c + + 具有面向对象、可视 化等w i n d o w s 程序风格和c + + 语言对数据快速的处理能力。如图2 4 程序采用 v i s u a l c + + 6 0 语言编程，满足了系统的基本要求。 圜墨匿盔墨墨窭i 圈匿冒罄睡罄露鞭参。ro到 颦垦兰望些；芝堕童! 塑曼兽坠垦璺墨墨坠绰果焦堑堕! 堑吐坌! ! 垦l 塑曼塑型i 堕堕! 一一 一 检定类型选择 l检定参数设置 开贻检定 l 互复检定 检定数据俱存 i 检定结果打印 f 且系统退出l 图像预览结果显示 瞧曲缵一一 【= = ：? 、 锡络 ，q ；多 j 寸二 韫嗣 、qj t 是毒 图2 - 4 系统用户界面 系统软件的各个模块功能通过系统界面模块与待检定的指针式仪表和检定人员 进行通信。系统的用户界面当然也是在v i s u a lc + + 6 o 平台上进行丌发。 “开始检定 按键实现整个检定功能，读取图像，表盘滤波处理，阈值分割，图像细 化，表盘圆心提取，指针识别等一系列处理，最终得到各个检点时刻的表盘示值读数， 并得到示值误差，计算出该仪表在工程上所需要的一系列相关参数。 “检定结果打印”按键实现的功能是：根据系统的检定设计规则和用户的需要， 及国家检定标准判断该仪表是否合格，并打印该仪表的各项检测指标，及相关参数。仪 表是否合格，要在报表中体现出来。 2 4 2 系统软件的算法优化设计 计算机对表盘图像进行实时采集处理。在对表盘图像进行处理的过程中，表盘图 像数据数据量大。因此整个图像处理过程的计算量较大。并且，指针式仪表的检定过 程是一个连续的过程，计算机要连续的处理相邻被检点的表盘图像，这就对系统的实 1 2 獭叮 o 铲钐 山东理t 人学硕f j 学位论文 第二章系统下作原理发总体结构改计 时性提出了较高的要求。因此，软件算法的优化对于本系统而言非常重要，关于系统的 实时性要求及软件算法设计，将在第五章做详细的论述。 2 5 系统设计指标 本系统设计的指示表自动检定仪是根据国家检定规程j j g 3 4 9 6 的要求，对系统 制订了如下技术指标。 1 百分表： ( 1 ) 工作行程误差( 2 ) 回程误差( 3 ) 任意1 0 聊所示值误差、任意l 肌肌示值误差、 任意5 研聊示值误差 2 技术指标要求： ( 1 ) 测量范围0 1 0 聊聊( 2 ) 分辨率o 0 l 垅垅 ( 3 ) 回程误差0 0 0 4 肌聊( 4 ) 精度0 0 0 5 m 所 3 系统工作条件： ( 1 ) 交流电源2 2 0 v l o ( 2 ) 环境温度2 0 8 摄氏度( 3 ) 环境湿度8 0 r h 4 、自动检定速度每点约0 4 秒 5 、电源交流、2 2 0 v 士l o 、5 0 h z 、1 0 w 总之，系统应具有操作简单，检定速度快，设置简便，显示直观等特点。 2 6 本章小结 本章详细论述了系统的工作原理和系统总体结构设计思路。介绍了系统的软件结 构设计方案。在讨论软件设计方案时，着重考虑了软件的模块化设计和处理速度。按 照国家规定检定标准，系统规范了设计指标，并设计了指针式仪表自动检定系统的总 体结构方案。该方案运用了c c d 高分辨率摄像头图像采集技术，精密光栅检测技术， 数字图像处理技术和步进机驱动控制卡技术，实现指针式仪表检定过程的自动化，具 有一定的创新性。 山东理t 人学坝 j 学位论文 第三章榆定系统的运动控制系统设计 第三章检定系统的运动控制系统设计 运动控制驱动系统是整个系统中非常重要的部分，主要的作用是控制仪表指针按 照检定规定的顺序进行微量匀速运动，使图像采集和指针运动相互配合，完成检定。 在这一部分，不仅涉及到运动驱动软件的设计，还有重要的硬件知识。系统对步进 电动机的控制是在w i n d o w s 平台下实现的，利用计算机和i o 卡实现对步进电动机的 控制。下面，主要介绍伺服系统的驱动部分设计和w i n d o w s 平台下如何实现对步进电 动机的运动控制。 控制系统是指示表自动检定仪的精度的保证，要使指示表自动检定仪的各组成部 件能够协调工作，完成其特定的功能，必须有良好的控制才能实现。指示表自动检定仪 控制系统采用计算机控制系统，计算机是整个系统的控制中心。 采用计算机控制比以往采用单片机控制结构简单，控制方便、灵活。本系统采用 具有很强的计算能力和较大的存储容量的计算机，能提供许多不同功能的接口，扩充 性好，灵活性强，实时性好，并能采用较好的软件丌发工具。同时，为了实现系统的自动 化，提高系统的检定效率，减少系统误差，提高检定精度，还要正确选择设计检测元件 ( 如光栅传感器) 、执行机构( 如步进电动机) 及其他元器件等，保证各元器件能与控制 系统性能相匹配。 指示表自动检定仪的控制系统是构成控制系统的重要组成部分，其特性直接影响 指示表自动检定仪的控制品质。为此，系统采用闭环控制，保证进给的精度。另外检测 元件及其精度要求也会直接影响系统的精度。因此，伺服控制系统的设计及检测元件 的正确选择是至关重要的。 3 1 指示表自动检定仪的伺服控制系统的组