专利名称：基于图像识别定位的转速测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于旋转机械的转速测量系统，具体的说是一种基于图像识别定位的转速测量装置及其方法，属于转速测量技术领域。
背景技术：
转子速度大小和方向的测量一直是航空、航天、机械制造等工业领域中的一个重要问题。目前对转子速度的测量方法可分为接触式和非接触式。其中接触式主要是机械式测量，这种测量方法依赖于接触压力、安装结构复杂，其最大缺点是加载运动不连续。非接触式测量转速的方式有基于电感式传感器、电涡流传感器及光电传感测量等几种。这些传统的测量方法，主要有以下几个缺点a)通常只能测量转速大小，如要进行方向判别将会使其结构复杂。
b)在转速比较高时效果是较好的，在转速比较低时误差就逐渐增大，甚至于无法测速。
c)不适用于微机电系统的转速测量。
图像识别定位是一门发展迅速的新兴技术，该技术通过模拟人的视觉来实现测量、定位、监控等功能，目前该技术已经广泛应用于军事、智能交通及安检等领域。其高端应用的典型是机器人的视觉导航技术，而低端应用的典型则是光学定位鼠标。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN1888912A，专利名称为基于计算机视觉的转速测量装置，该专利自述为“采用CCD图像采集卡采集安装在测速平台上被测物体的运动模糊图像，并将所获得的模糊图像信息传送计算机系统。计算机系统的模糊图像处理测速模块通过对得到的模糊图像进行运动降维处理、时频变换、频谱分析、运动参数获取后实现对被测物体的转速测量，若采用显微摄像，也可应用于微机电系统的转速测量。”它的缺点在于结构复杂、设备成本高昂，难以作为一般的转速测量仪表或实验仪器推广使用。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术所存在的不足，提出一种基于图像识别定位的转速测量方法及其装置，采用在光学鼠标中普遍应用的光学定位芯片作为转速测量的核心器件。其方法简便，装置结构简单、成本低廉，能同时测得转速及转向，并适用于微机电系统及低速转动部件的转速及转向测量。
本发明的技术解决方案用光源照射转轴被测表面，采用在光学鼠标中普遍应用的光学定位芯片及微距镜头组成的数字图像采集与处理系统作为核心器件来测量转轴被测表面的切向速度，最后经过单片机系统计算、判断得到轴的转速及转向。
其装置的结构包括测速平台、光源、微距镜头、光学定位芯片、单片机系统；其中测速平台被测表面部分的正上方设有微距镜头及光学定位芯片组成的数字图像采集与处理系统，在测速平台的一侧安装作为光源的半导体激光器，半导体激光器的激光束对准测速平台的被测表面，光学定位芯片通过串行总线与单片机系统相连。
1)测速平台设计如图1所示，由于定位芯片能够测得的最大线速度有限，为了扩大测速范围，当转轴较粗时，需要在转轴的末端延伸一段与原转轴共轴的细端作为测量段，在转动角速度速相同时，越靠近转轴的中心切向速度越小，这样处理后能够测量更高的转速；此外，为了能让光学定位芯片准确、可靠地识别被测目标的运动信息，测速平台的被测表面部分需经过纹理化处理，这与给光学鼠标增加鼠标垫以改善鼠标运动和捕捉效果的目的一样，如图1中测量段的阴影部分。
2)光源设计因为目前大多数用于光学鼠标的光学定位芯片内部的CMOS图像传感器只对波长在650nm附近的光波敏感，所以必须采用发射波长在650nm附近的光源照亮转轴的被测表面部分。光学定位芯片是基于比较特征点的位置变化来实现定位的，这个特征点在定位算法中表现为灰度信息。当定位芯片选定特征点后，若光照强度变化则该特征点在下一张照片内的灰度信息会发生变化。如果在测量范围内光照条件变化过大，则定位算法将无法准确地在相邻两张照片里找到同一个特征点，此时定位可能失效。为了减少这种现象的发生，就要尽量保证光照强度在拍摄范围内的一致性，采用发射波长为在635nm-650nm之间的半导体激光器作为光源，且发射光经过透镜调制变为点光源后照射到转轴的被测表面。
3)微距镜头的设计考虑到光学定位芯片工作时，其图像获取部分是一个高速、微距拍照系统，因此应该采用短焦距、分辨率高、畸变像差小、拍摄景深小的微距镜头作为物镜，以获得清晰的光学影像。为了消除杂光影响还应在镜头表面镀膜，这有利于光学定位芯片准确、可靠的测量位移增量。
4)定位芯片的选择定位芯片的选择主要考虑三个技术指标帧速率、分辨率及CMOS图像传感器的有效面积。帧速率和CMOS图像传感器的面积共同决定定位芯片所能够测量的最大速度。光学定位芯片是基于比较特征点的位置变化来对实现定位的，这个特征点在定位算法中表现为灰度信息，当定位芯片在一张照片里选定特征点后，虽然在目标移动时该点在拍摄范围内的位置变化了，但在相临的下一张照片里还可以找到该点，这时定位芯片内部的微处理器可以计算出位移增量。但当目标表面速度过快时，定位芯片在第一张图片里捕捉到的特征点已经移出了CMOS图像传感器的拍摄范围，这时定位功能失效，这里称之为丢帧。为了使本发明/实用新型能够测量更高的转速，应该选用帧速率高、CMOS图像传感器有效面积大的定位芯片。定位芯片的分辨率定义为被测量目标每移动一英寸光学定位芯片所输出的计数值，例如分辨率为400dpi，是指目标移动一英寸定位芯片累计输出的计数值为400，分辨率与灵敏度的意义是一样的，分辨率越高，灵敏度越高，越有利于测量低速运动的目标。
本发明的实际性能是由定位芯片和微距镜头共同决定的，上述定位芯片的性能是在假设成像倍率(像高物高)为1时讨论的。假设工作时成像倍率为n1，定位芯片在成像倍率为1时能够测量的最大速度为v1，分辨率为r1，则理论估算指标为允许的最大线速度v2＝v1/n1实际分辨率为r2＝r1×n15)采用单片机系统完成对定位芯片的初始化配置、图像获取、位移增量数据读取及转向判断、转速计算、显示、通信等功能。
本发明的优点a)由于采用的光学定位芯片能够同时测得转轴转动时其被拍摄表面部分位移的大小和方向，因此在测得转速的同时也能根据测得的位移方向判断转轴的转向。
b)由于光学定位芯片的灵敏度很高，在测量低速转动部件时，甚至可以对转轴的测量面进行显微拍照，以获得更高的灵敏度，适合于低速转动部件的转速及转向测量。
c)由于本测速装置组成器件少、结构简单及基于图像识别定位的测速原理，只需要用激光照射很小面积的转轴的表面，即可实现对转速及转向的非接触测量，并没有传统测量方法用于微机电系统时测速器件难以安装及加工的问题，适用于微机电系统转速和转向的非接触测量。
d)工作性能稳定、使用寿命长，且价格便宜，低成本容易推广。
下面从理论上分析测速效果。
a)测速范围估计被测转轴直径为d1，成像倍率为n1，当成像倍率为1时定位芯片的分辨率为r1，能够测量的最大线速度为v1。
则本发明理论上能够测量的最大转速为RMAX＝v1/(π×n1×d1)设n1＝1.0，v1＝40英寸/秒＝1.016米/秒，d1＝2.0毫米＝0.002米，则RMAX＝v1/(π×n1×d1)＝161.78转/秒＝9707转/分钟。此外在转轴直径不变时，通过缩小成像倍率(像高∶物高)也可以扩大测速范围。
理论上本发明可以测量的最小转速是0转/分，但由于定位芯片成像系统的分辨率有限，当被测表面的位移在两帧照片的拍摄时间间隔内小于1/r2(r2＝r1×n1)英寸时，定位芯片在这两帧拍摄时间间隔内将没有位移增量输出，直到位移累加到1/r2时才会有输出，但这只是灵敏度问题，并不影响测速。在低转速测量时可以增加单片机系统定时器的时间间隔，等待较长时间单片机才去读取定位芯片的位移增量数据。前面讨论了在测量低转速时，应采用较低的帧速率，较高的分辨率及成像倍率，这样能够提高本装置工作时的灵敏度，适应更低的转速测量。
b)测速精度估计参考安捷伦公司公布的数据手册，当定位芯片的直线位移测量小于50mm时，其位移测量精度优于1％，测量位移越短精度越高。在本发明/实用新型中，单片机通过定时器中断服务程序定时读取定位芯片测到的位移增量，在正常情况下定时时间间隔为5ms，在这段时间间隔内所发生的位移一般远小于50mm。因此，每次读取的位移增量还是具有相当可信度的，若对多次读取的位移增量求平均值后再去计算转速，则可以得到相当高的测速精度。
附图1是本发明的结构框图；附图2是本发明实施例的硬件功能框图附图3是本发明实施例转速计算及转向判断的流程图。
图中的1是测速平台、2是光源、3是微距镜头、4是光学定位芯片、5是单片机系统。
具体实施例方式
基于图像识别定位的转速测量方法是用光源照射转轴被测表面，采用在光学鼠标中普遍应用的光学定位芯片及微距镜头组成的数字图像采集与处理系统作为核心器件来测量转轴被测表面的切向速度，最后经过单片机系统计算、判断得到轴的转速及转向。
对照附图1，其结构是包括测速平台1、光源2、微距镜头3、光学定位芯片4及单片机系统5；其中测速平台1被测表面部分的正上方设有微距镜头3及光学定位芯片4组成的数字图像采集与处理系统，在测速平台1的一侧安装作为光源2的半导体激光器，半导体激光器的激光束对准测速平台1的被测表面，光学定位芯片4通过SPI串行总线与单片机系统5相连。
下面详细介绍各部分的实施方式所述的测速平台1为电机带动的一根旋转轴，在该转轴末端延伸一段轴径d1＝2.0mm的测量段，沿测量段的圆周面贴一层宽度为3mm细砂纸作为测量面，贴砂纸视为对测量面的纹理化处理。
所述的作为光源2的半导体激光器，最大功率5mw、发射波长635nm-650nm，用该激光器照射被测表面，并通过透镜调制投射到被测表面的光斑直径约为d2＝3mm，基本上可以保证在此光斑范围内光照强度一致。
所述的微距镜头3(可选用美国安捷伦公司的ADNS-2120镜头)，该镜头的主要技术参数为数值孔径0.13，设计波长639nm，当放大率(像高∶物高)为1∶1时，拍摄景深为±0.5mm，拍摄面积1.8mm×1.8mm，本实施例调节放大率为1∶1。
所述的光学定位芯片4(可选用美国安捷伦公司的ADNS-3080)，该定位芯片的主要技术参数为数据接口标准SPI接口；帧速率可以用户配置在2000帧/秒～6469帧/秒之间；CMOS图像传感器30×30的像素点阵，实际尺寸约为2×2mm；分辨率可以通过操作其内部寄存器配置为400dpi或1600dpi；能够测量的速度范围0～40英寸/秒(当放大率为1∶1时)；允许的最大加速度15g。
所述的单片机系统5，包括单片机、显示、通信及电源模块(单片机可选择美国Cygnal公司提供的C8051F021)，该单片机指令运行速度高，可灵活配置端口，集成了UART、SPI、SMBUS及CAN等总线接口。
对照附图2，电源模块为整个系统供电，单片机通过SPI总线接口与光学定位芯片互连，半导体激光器的输出功率受单片机输出的PWM波控制，转速和转向通过数码管显示并通过通信模块发送到监控中心。
对照附图3，程序采用前后台结构， 在后台主程序中完成单片机初始化及硬件自检测、定位芯片的初始化配置、图像获取、转向判断、转速计算、显示以及向监控中心发送数据等功能，在前台中断服务程序中完成监控中心命令接收、位移增量数据读取等功能。
具体测速过程是这样的上电单片机系统初始化完成后，整个测速装置开始工作，首先，作为光源的半导体激光器照射测速平台的被测表面部分；然后，微距镜头与光学定位芯片组成的数字图像采集与处理系统对被测表面连续拍照并计算出位移增量；最后，单片机系统通过SPI总线读取光学定位芯片输出的位移增量数据，在其内部再对这些数据进行处理进而得到转轴的转速和转向，并通过显示模块显示出来，还可根据需要将转速通过通讯模块发送到监控中心。
权利要求
1.基于图像识别定位的转速测量方法，其特征是用光源照射转轴被测表面，采用在光学鼠标中普遍应用的光学定位芯片及微距镜头组成的数字图像采集与处理系统作为核心器件来测量转轴被测表面的切向速度，最后经过单片机系统计算、判断得到转轴的转速及转向。
2.基于图像识别定位的转速测量装置，其特征是包括测速平台、光源、微距镜头、光学定位芯片、单片机系统；其中测速平台被测表面部分的正上方设有微距镜头及光学定位芯片组成的数字图像采集与处理系统，在测速平台的一侧安装作为光源的半导体激光器，半导体激光器的光束对准测速平台的被测表面，光学定位芯片通过串行总线与单片机系统相连。
3.根据权利要求2所述的基于图像识别定位的转速测量装置，其特征所述的测速平台为电机带动的一根旋转轴，在该转轴末端延伸一段是测量段，测量段的周面要经过纹理化处理。
4.根据权利要求2所述基于图像识别定位的转速测量装置，其特征是作为光源照射被测表面的是半导体激光器，其光束通过透镜调制为点光源，发射波长635nm-650nm。
5.根据权利要求2所述基于图像识别定位的转速测量装置，其特征是微距镜头表面用镀膜，微距镜头与光学定位芯片内部的CMOS图像传感器构成一个用来获得被测表面的清晰图像的微距拍照系统。
6.根据权利要求2所述基于图像识别定位的转速测量装置，其特征是所述的单片机系统包括单片机模块、显示、通信及电源模块，其中，电源模块为整个系统供电，单片机通过串行总线与光学定位芯片互连，半导体激光器的输出功率受单片机输出的PWM波控制，转速和转向通过数码管显示并通过通信模块发送到监控中心。
全文摘要
本发明是一种基于图像识别定位的转速测量方法及其装置，其方法是用光源照射转轴被测表面，采用在光学鼠标中普遍应用的光学定位芯片及微距镜头组成的数字图像采集与处理系统作为核心器件来测量转轴被测表面的切向速度，最后经过单片机系统计算、判断得到转轴的转速及转向。其结构是包括测速平台、光源、微距镜头、光学定位芯片及单片机系统，其中测速平台被测表面部分的正上方设有微距镜头及光学定位芯片组成的数字图像采集与处理系统，在测速平台的一侧安装光源，其光束对准测速平台的被测表面，光学定位芯片通过串行总线与单片机系统相连。优点结构简单、成本低廉，能同时测得转速及转向，适用于微机电系统及低转速旋转部件。
文档编号G01P3/38GK101074965SQ20071002464
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者刘冬冬, 张天宏, 黄向华 申请人:南京航空航天大学