一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置及方法

本发明涉及测量，更具体地，涉及一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置及方法。

背景技术：

1、悬浮法是常用的球体质心与形心偏离测量方法之一，通常包括静电悬浮法和气体悬浮法，其原理是将球体采用静电或者气浮的方式悬浮起来可自由转动，若球体的质心om与形心oo不重合，那么球体会绕其形心做单摆运动，通过测量该单摆运动的周期就可以得到球体的质心与形心的偏离量。如图1所示，为气浮法测球体偏心距的原理示意图。

2、现有气浮法测量球体偏心有以下两点缺陷，其一是球体可朝任意方向自由转动，运动复杂多变；其二是缺少对球体运动的高精度监测手段，使得摆动周期的测量精度低。

技术实现思路

1、本发明为克服上述气体悬浮法测量球体偏心存在球体可朝任意方向自由转动导致球体质心与形心偏离测量精度低的缺陷，提供一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置，以及基于图像识别的球体质心偏离测量方法。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置，包括气浮单元、运动限制单元、图像采集单元和数据处理单元，其中，所述气浮单元用于输出高压气体使待测球体悬浮于所述气浮单元的正上方；所述运动限制单元设置在所述气浮单元的一侧，用于对待测球体的侧面贴合接触，且所述运动限制单元与待测球体的接触点与待测球体的形心处于同一水平高度；所述图像采集单元设置在所述气浮单元的上方，用于对待测球体的摆动情况进行拍摄记录；所述数据处理单元的输入端与所述图像采集单元的输出端连接，用于对采集的待测球体摆动的图像数据进行图像识别分析，得到待测球体摆动的周期，再根据球体偏心距与球体摆动的周期关系得到待测球体的偏心距大小。

4、本技术方案中，采用气浮单元使待测球体在高压气体作用下悬浮，采用运动限制单元与待测球体的贴合接触限制待测球体的多自由度运动，设置在气浮单元上方的图像采集单元实时记录待测球体上标记点的运动，进一步通过数据处理单元对待测球体运动记录得到球体摆动的周期，最后根据周期计算得到待测球体的质心偏离大小。

5、作为优选方案，所述运动限制单元包括固定支架和量具，所述量具设置在所述固定支架顶部，且所述量具的测量端与待测球体的侧面贴合接触，用于测量由与待测球体接触产生的作用力。

6、作为优选方案，所述量具包括千分表。

7、作为优选方案，对待测球体进行质心偏离精确测量前，调节所述量具使其测量到最小变化的读数位置。

8、作为优选方案，所述气浮单元包括空压机、减压阀、气管和气浮台，所述气管的出气端设置在所述气浮台的上表面，所述气管的进气端与所述减压阀的输出端连接，所述减压阀的输入端与所述空压机的输出端连接。

9、作为优选方案，所述气浮台的上表面开设有半球形槽位，所述气管的出气端设置在所述半球形槽位的槽底。

10、作为优选方案，所述图像采集单元包括ccd相机。

11、一种基于图像识别的球体质心偏离测量方法，应用于上述任一技术方案提出的基于图像识别的球体质心偏离测量装置，包括以下步骤：

12、s1：在待测球体上设置标记点；

13、s2：采用气浮单元输出高压气体使待测球体悬浮于气浮单元上方，采用运动限制单元与待测球体的贴合接触，且所述运动限制单元与待测球体的接触点与待测球体的形心处于同一水平高度；

14、s3：采用图像采集单元采集待测球体的摆动图像，并传输至所述数据处理单元中进行数据处理；

15、s4：所述数据处理单元根据采集的待测球体的摆动图像提取待测球体摆动的周期，再根据球体偏心距与球体摆动周期的关系计算得到待测球体的偏心距大小。

16、作为优选方案，所述s4步骤中，计算待测球体的偏心距的表达公式如下：

17、

18、式中，e为球体偏心距，i为球体转动惯量，m为球体质量，g为重力加速度；θ0为球体摆动的摆角幅度，k(θ0)表示摆角修正系数；t为球体摆动的周期。

19、作为优选方案，还包括以下步骤：在所述气浮单元的外周作均匀的读数标记，得到球体摆动的摆角幅度θ0。

20、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过采用运动限制单元限制了待测球体的多自由度运动，从而减小多自由度运动耦合对球体质心与形心偏离测量造成的误差，且通过图像采集单元提高了球体运动周期的提取精度，进一步提高了球体偏心距的测量精度。

技术特征：

1.一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置，其特征在于，包括气浮单元(1)、运动限制单元(2)、图像采集单元(3)和数据处理单元(4)，其中：

2.根据权利要求1所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，所述运动限制单元(2)包括固定支架(201)和量具(202)，所述量具(202)设置在所述固定支架(201)顶部，且所述量具(202)的测量端与待测球体的侧面贴合接触，用于测量由与待测球体接触产生的作用力。

3.根据权利要求2所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，所述量具(202)包括千分表。

4.根据权利要求3所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，对待测球体进行质心偏离精确测量前，调节所述量具(202)使其测量到最小变化的读数位置。

5.根据权利要求1所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，所述气浮单元(1)包括空压机(101)、减压阀(102)、气管(103)和气浮台(104)，所述气管(103)的出气端设置在所述气浮台(104)的上表面，所述气管(103)的进气端与所述减压阀(102)的输出端连接，所述减压阀(102)的输入端与所述空压机(101)的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，所述气浮台(104)的上表面开设有半球形槽位，所述气管(103)的出气端设置在所述半球形槽位的槽底。

7.根据权利要求1所述的球体质心偏离测量装置，其特征在于，所述图像采集单元(3)包括ccd相机。

8.一种基于图像识别的球体质心偏离测量方法，应用于权利要求1～7任一项所述的基于图像识别的球体质心偏离测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的球体质心偏离测量方法，其特征在于，所述s4步骤中，计算待测球体的偏心距的表达公式如下：

10.根据权利要求9所述的球体质心偏离测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述气浮单元(1)的外周作均匀的读数标记，得到球体摆动的摆角幅度θ0。

技术总结
本发明为克服气体悬浮法测量球体偏心存在测量精度低的缺陷，提出一种基于图像识别的球体质心偏离测量装置及方法，其包括气浮单元、运动限制单元、图像采集单元和数据处理单元，其中，气浮单元输出高压气体使待测球体悬浮于气浮单元的正上方；运动限制单元设置在气浮单元的一侧，对待测球体的侧面贴合接触，且运动限制单元与待测球体的接触点与待测球体的形心处于同一水平高度；图像采集单元设置在气浮单元的上方，对待测球体的摆动情况进行拍摄记录；数据处理单元的输入端与图像采集单元的输出端连接，对采集的待测球体摆动的图像数据进行图像识别分析，得到待测球体摆动的周期，再根据球体偏心距与球体摆动的周期关系得到待测球体的偏心距大小。

技术研发人员：刘建平,薛超,胡少刚,杨山清
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13