[发明专利]基于图像识别定位的转速测量方法及其装置

说明书

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。