一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法技术

本发明专利技术公开一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法，先在拍摄范围内的电磁铁侧表面周围设置网格化区域，电磁铁下边界对应一条网格线，图像采集单元通过高速工业相机采集光源照射下悬浮球的悬浮间隙图像，所拍摄图像包含电磁铁上网格化区域和悬浮间隙区域，电磁铁下边界和底面成像为一条直线，并将图像信号传输到图像处理单元；图像处理单元参照所拍摄到的网格化区域对悬浮间隙图像进行处理和分析，得到悬浮球的悬浮间隙值.本发明专利技术的悬浮间隙检测方法通过网格化区域横纵网格线分布规律实现图像畸变情况下准确预测悬浮间隙值大小，该方法抗干扰能力强、无温度漂移且线性度高，成本低廉，安装工艺简单，对测量环境要求较低，且速度快，精度高。

A detection method of suspension gap of maglev ball based on image sensing

The invention discloses a method for detecting the suspension gap of a magnetic suspension ball based on image sensing. Firstly, a grid area is set around the electromagnet side surface within the shooting range, and the lower boundary of the electromagnet corresponds to a grid line. The image acquisition unit collects the suspension gap image of the suspension ball under the illumination of a light source through a high-speed industrial camera, and the captured image includes the grid area and suspension area of the electromagnet In the gap area, the lower boundary and the bottom surface of the electromagnet are imaged as a straight line, and the image signal is transmitted to the image processing unit; the image processing unit processes and analyzes the image of the suspension gap with reference to the photographed grid area, and obtains the suspension gap value of the suspension ball. The method of suspension gap detection in this paper realizes image distortion through the distribution law of the horizontal and vertical grid lines in the grid area This method has the advantages of strong anti-interference, no temperature drift, high linearity, low cost, simple installation process, low requirements for the measurement environment, fast speed and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法
本专利技术涉及磁悬浮
，具体为一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法。
技术介绍
磁悬浮球系统主要由电磁铁、悬浮球、间隙传感器、悬浮控制电路以及斩波器组成。磁悬浮球控制系统只能在竖直方向进行单自由度的控制，系统是非线性、开环不稳定的，必须对悬浮球进行闭环控制提高鲁棒性。磁悬浮系统控制器大多都是以悬浮间隙偏差信号作为输入信号进行闭环控制，悬浮球作为磁悬浮系统的被控对象，悬浮间隙信号检测的精确度及实时性直接影响到控制器性能及整个控制系统的性能好坏。悬浮球控制系统通过间隙传感器检测计算出悬浮间隙距离进行反馈，根据反馈信号与参考信号的偏差使电磁绕组的电流大小适量变化改变电磁力，当电磁力与悬浮球重力平衡时，悬浮球能够稳定在平衡状态，间隙传感器的间隙检测精度直接影响了控制系统的控制性能。常见的间隙检测传感器主要有：电涡流式传感器和光电传感器等。间隙传感器除具有非接触、灵敏度高、实时性强的特点，还存在抗干扰能力差、温度漂移和线性度低等缺点。如电涡流传感器测量精度受温度和被测物体表面粗糙度影响很大，使用成本高，安装工艺复杂，输出值为模拟量需要进行模数转换才能接入数字控制系统。光电传感器是根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位移，最大的缺点是对测量的环境条件要求较高，易受光源干扰，环境适应性差。图像传感技术是一门以图像处理为基础涉及到人工智能、计算机科学、图像处理学、模式识别等诸多领域的新兴交叉学科，在交通、运输、农业、工业在线检测等领域得到广泛的应用。利用图像传感进行图像测量，是建立在机器视觉理论基础上的非接触式新型测量技术，是一种通过工业高速相机获取图像，然后进行相关图像处理与分析来获取测量结果的一种测量方法，其主要特点是灵敏度和测量精度高、速度快、噪声低、抗电磁干扰能力强及应用方便灵活，能够在恶劣环境下长时间工作，便于进行数字化处理和计算机连接。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种抗干扰能力强、无温度漂移且线性度高，成本低廉，安装工艺简单，对测量环境要求较低，且速度快，精度高的基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法。技术方案如下：一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法，包括以下步骤：步骤1：在电磁铁表面拍摄范围内设置一边与电磁铁下边界平齐网格区域，采集光源照射下悬浮球的悬浮间隙图像；步骤2：对采集到的悬浮间隙图像进行预处理，得到包括网格化区域的待测区域的边缘图像；步骤3：根据边缘图像通过霍夫变换圆弧检测定位悬浮球上顶点P0，并通过霍夫变换检测确定网格区域的网格线；步骤4：根据定位到的悬浮球上顶点P0，在网格线中确定P0点所在铅锤线左右两侧横向距离最近的竖直标线l左和l右，以及所有距P0点由远至近的水平标线l0，l1，…，ln；步骤5：确定竖直标线l左和l右被水平标线l0，l1，…，ln分割的每条线段对应的像素距离yi，i＝0，…，n-1；得到分别对应竖直标线l左和l右的两组像素距离数据；步骤6：根据单个网格的实际尺寸hmm×hmm，计算线段的像素距离与实际长度的对应关系值单位mm/pixel，i＝0，…，n-1；得到分别对应竖直标线l左和l右的两组关系值数据；步骤7：令为自变量，令Yi＝di为因变量，得一组数据(X0,Y0)，(X1,Y1)，…，(Xn-1,Yn-1)；利用最小二乘法对这组数据进行一元线性回归分析，得到一元线性回归模型表达式：Y＝α+βX，α和β是回归系数；竖直标线l左和l右分别对应一元线性拟合方程Y＝α1+β1X和Y＝α2+β2X；步骤8：根据得到的一元线性拟合方程Y＝α1+β1X和Y＝α2+β2X，依据竖直标线l左和l右延长线被水平标线ln和P0点所在水平线分割的线段对应的像素距离yn，通过公式计算得到竖直标线l左和l右延长线被水平标线ln和P0点所在水平线分割的线段中点位置数据Xn，代入一元线性拟合方程计算Xn对应的Yn，得到分别对应竖直标线l左和l右的两个数据(Xn1,Yn1)和(Xn2,Yn2)，其中Yn1和Yn2即竖直标线l左和l右延长线被水平标线ln和P0点所在水平线分割的线段上像素距离与实际长度的对应关系值dn1和dn2；步骤9：确定P0点到电磁铁下边界在图像中所占的最短像素距离ygap，分别根据dn1和dn2计算最短像素距离ygap对应的实际距离：Dn1＝ygap*dn1和Dn2＝ygap*dn2；步骤10：确定P0点到竖直标线l左和l右延长线与P0点所在水平线交点的像素距离a和b，计算Dn1和Dn2各自所占权重和其中ω1和ω2为权重系数；步骤11：计算最终悬浮间隙值：D＝ω1Dn1+ω2Dn2。进一步的，所述步骤2具体包括：步骤a：对原始图像中感兴趣的关键区域进行截取，再对截取后的图像进行灰度化，得到原始图像关键区域的灰度图像；步骤b：对原始图像关键区域的灰度图像进行滤波操作获得增强灰度图像，再对得到的增强灰度图像进行最佳阈值二值化；步骤c：识别二值图像中的边界，对图像边缘进行提取，得到待测区域的边缘图像。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术在电磁铁上网格化区域的网格线实际尺寸已知，通过网格化区域横纵网格线分布规律实现图像畸变情况下准确预测悬浮间隙值大小，提高悬浮间隙的定位和检测精度。2)本专利技术在悬浮间隙距离测量过程中不需要固定位置安装摄像头，拍摄角度可自由选取，只要保证镜头正对电磁铁，所拍摄图像包含电磁铁上网格化区域和悬浮间隙区域，电磁铁下边界和底面成像为一条直线。通过图像处理和分析即可进行实时在线标定，不受安装误差和摄像头调整影响，可方便实现悬浮间隙距离动态测量。3)本专利技术的方法抗干扰能力强、无温度漂移且线性度高，成本低廉，安装工艺简单，对测量环境要求较低，且速度快，精度高。附图说明图1是采用图像传感的磁悬浮球闭环控制系统结构示意图。图2是本专利技术的悬浮间隙检测整体结构框图。图3是悬浮间隙检测图像处理单元的图像处理流程图。图4是悬浮间隙值测量方法的示意图。图中：1-高速工业相机；2-光源；3-悬浮球；4-图像处理单元；5-控制单元；6-斩波器；7-电磁铁。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提出的基于图像传感的磁悬浮球系统悬浮间隙检测方法，采用图像传感的磁悬浮球闭环控制系统结构示意图如图1所示。由高速工业相机1采集光源2照射下悬浮球3的悬浮间隙图像，所采集图像信号传输到图像处理单元4，在图像处理单元上对悬浮间隙图像进行处理和分析，测量出悬浮球的悬浮间隙值，悬浮间隙值发送至控制单元5，控制单元将实际悬浮间隙值与给定的悬浮间隙值比较，确定需要增大还是减小电磁铁电流，再通过斩波器6调节电磁铁7绕组电流，调节电磁吸力，从而调节悬浮球的悬浮间隙大小。图2是本专利技术的悬浮间隙检测整体结构框图，主要包括悬浮球和电磁铁、图像采集单元和控制系统。控制系统又可分为存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：在电磁铁表面拍摄范围内设置一边与电磁铁下边界平齐网格区域，采集光源照射下悬浮球的悬浮间隙图像；/n步骤2：对采集到的悬浮间隙图像进行预处理，得到包括网格化区域的待测区域的边缘图像；/n步骤3：根据边缘图像通过霍夫变换圆弧检测定位悬浮球上顶点P

【技术特征摘要】
1.一种基于图像传感的磁悬浮球悬浮间隙检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在电磁铁表面拍摄范围内设置一边与电磁铁下边界平齐网格区域，采集光源照射下悬浮球的悬浮间隙图像；
步骤2：对采集到的悬浮间隙图像进行预处理，得到包括网格化区域的待测区域的边缘图像；
步骤3：根据边缘图像通过霍夫变换圆弧检测定位悬浮球上顶点P0，并通过霍夫变换检测确定网格区域的网格线；
步骤4：根据定位到的悬浮球上顶点P0，在网格线中确定P0点所在铅锤线左右两侧横向距离最近的竖直标线l左和l右，以及所有距P0点由远至近的水平标线l0，l1，…，ln；
步骤5：确定竖直标线l左和l右被水平标线l0，l1，…，ln分割的每条线段对应的像素距离yi，i＝0，…，n-1；得到分别对应竖直标线l左和l右的两组像素距离数据；
步骤6：根据单个网格的实际尺寸hmm×hmm，计算线段的像素距离与实际长度的对应关系值单位mm/pixel，i＝0，…，n-1；得到分别对应竖直标线l左和l右的两组关系值数据；
步骤7：令为自变量，令Yi＝di为因变量，得一组数据(X0,Y0)，(X1,Y1)，…，(Xn-1,Yn-1)；利用最小二乘法对这组数据进行一元线性回归分析，得到一元线性回归模型表达式：Y＝α+βX，α和β是回归系数；竖直标线l左和l右分别对应一元线性拟合方程Y＝α1+β1X和Y＝α2+β2X；
步骤8：根据得到的一元线性拟合方程Y＝α1+β1X和Y＝α2+β2X...

【专利技术属性】
技术研发人员：靖永志，孔杰，郝建华，龚倩文，钱程，张晨昊，彭涛，廖珍贞，张昆仑，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51