一种基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法 |
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| 申请号 | CN201611112404.5 | 申请日 | 2016-12-07 | 公开(公告)号 | CN106483330A | 公开(公告)日 | 2017-03-08 |
| 申请人 | 中南大学; 中车青岛四方机车车辆股份有限公司; | 发明人 | 周伟; 丁叁叁; 梁习锋; 田爱琴; 熊小慧; 唐明赞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于反光丝线 姿态 角 视觉识别二维 风 速风向测试方法，此方法创新性在于结合 机器视觉 与 流体 力 学 相关知识，使用反光丝线这一固体控 制模 型来传递视觉信息，根据CCD面阵相机所获的视觉信息对丝线的 位置 和姿态进行非 接触 式测量，主要通过二维图像、三维笛卡尔空间信息的映射和视觉测量系统来建立固体控制模型的空间位置变化与流体流速之间的关系，从而通过视觉识别间接测量了风速风向。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法，其特征在于：采用CCD面阵相机获取反光丝线空间位置和姿态的视觉信息，建立反光丝线姿态角与风速风向的关系；所述方法包括风洞标定与实际测量两部分: |
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| 说明书全文 | 一种基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法技术领域[0001] 本发明涉及一种基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法，该方法具体可应用于：工程技术中低风速风向测量。 背景技术[0002] 风速的测量作为工程技术测量领域的重要组成部分，在气流体和空气动力方面的工程试验中的重要性不言而喻，对列车空气动力学的研究亦起着至关重要的作用。目前针对气流速度的测试手段主要包括热线测试技术，超声测试技术，压差测试技术，机械式测风技术等。 [0003] 热线风速仪所采用的热线探头很细，本身处于高温，所以容易损坏。另外，由于丝的形变和氧化，影响其性能的稳定性，因而需要经常校准。在恶劣环境中工作的探头，其丝的表面可能被沙、尘、油等污染而引起测量不精准。 [0004] 超声测风是超声波检测技术在气体介质中的一种应用，它是利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风) 的影响来测量风速的。超声波风速仪的缺点就是易受电磁波等外界环境干扰，不适合应用于工况较复杂的设备仓。 [0005] 压差测试技术要求有启动风速，响应速度慢，适合精度要求较低的场合。皮托管在低风速段灵敏度低，且不适合含烟尘气体的风速测量，容易堵塞管口。在使用皮托管或靠壁管测风速的时候需要正对来流，在不清楚气流来向的情况下，动压与静压的差值与实际压差值存在较大误差，因此测试的误差较大。 [0006] 机械式测风技术常使用的仪器有常规的风杯或旋翼式风速仪，机械式测量要求有启动风速，响应速度慢，适合精度要求较低的场合。 [0007] 在具体测量工况需求下，为测试设备仓内低速絮乱气流的流速与流向，需要选用一套适合于该环境状态的设备进行风速风向的测量，或是建立一套切实可行的测量方案。结合现有的风速风向测量技术，认真分析了各技术在此环境下的实用性，发现现有的测量技术都存在一些不可忽视的问题，那么开发一种新的测量技术应用于该环境的风速风向测量是有必要的。在结合机器视觉与流体力学相关知识的背景下，探索出一种新颖的风速风向测量方法: 基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法。应用于工程测量技术中低风速风向测量、设备舱内低风速测量与风向识别、低速气流流速定性定量分析。 发明内容[0008] 本发明公开了一种基于反光丝线姿态角视觉识别二维风速风向测试方法,发明目的在于使用一种新的测试方法来适应特殊环境下的风速风向的测量。应用机器视觉的原理，并结合流体力学与机器视觉相关知识，使用丝线这一固体控制模型来传递视觉信息，根据相机获得视觉信息对目标的位置和姿态进行的非接触式测量，主要通过二维图像或三维笛卡尔空间信息的映射和视觉测量系统来建立固体控制模型的空间位置变化与流体流速之间的关系，从而间接测量了风速风向。是机器视觉测量学在风工程测量领域的一种创新性应用。 [0009] 所述方法在具体实施过程中包括风洞标定与实际测量两部分：1）、风洞标定部分步骤包括： （A）CCD面阵相机与反光丝线的安装，CCD面阵相机与反光丝线位置固定安装，悬挂的反光丝线静止时竖直向下，CCD面阵相机安装在反光丝线正下方，反光丝线静止状态在CCD面阵相机中成像于一点； （B）将上述步骤中的CCD面阵相机和反光丝线放入风洞中进行标定，调节风洞风速，通过CCD面阵相机拍摄存储的反光丝线图像，在反光丝线投影长度不再变化后获得多组在不同风速下的反光丝线的投影长度数据，其中CCD面阵相机图像拍摄反光丝线是一个连续过程，在投影长度逐渐变长过程中，当反光丝线投影长度达到 后，则后续测量反光丝线投影长度值失效，L为反光丝线长度，f为CCD面阵相机焦距，d为反光丝线固定点与CCD面阵相机光心的距离； （C）根据有效反光丝线投影长度计算姿态角Φ(t)， （D）然后根据计算得到的多组姿态角数据Φ(t)，得到V(t)=f(Φ(t))的函数关系； 2）、实际测量部分： （1）将上述步骤（A）中固定安装的CCD面阵相机与反光丝线放置于所需测量的空气流体区域内； （2）视觉图像识别:（a）通过CCD面阵相机拍摄存储的反光丝线图像，得到的反光丝线投影长度，当反光丝线投影长度达到 后，则后续测量反光丝线投影长度值失效，根据有效反光丝线投影长度计算姿态角Φ(t)；（b）根据反光丝线投影在CCD面阵相机成像平面坐标系中的坐标位置，可获得空间二维风向； （3）根据步骤（a）所得反光丝线姿态角Φ(t)，代入步骤（C）中的风洞标定所建立的函数式V(t)=f(Φ(t))中，计算得到风速。 [0010] 其中，步骤（B）中的风洞风速的调节，是按照风速梯度依次逐渐提升的。 [0011] 其中，所述反光丝线的姿态角，是通过机器视觉测量学中成像平面坐标与笛卡尔空间坐标的映射变换，得到反光丝线摆前与摆后的位置关系，根据三角函数关系式求出反光丝线的姿态角。 [0012] 该发明方法为姿态外测法(视觉姿态测量法)，根据摄像机获得视觉信息对目标的位置和姿态进行的非接触式测量。该方法优点如下等:（a）反光丝线姿态角视觉识别风速风向测试方法，可应用于许多场合且适合一些复杂工况条件下的测量，测试所用的反光丝线抗破坏性强于热丝风速仪所使用的铂丝或钨丝，可克服热线风速仪、超声波风速仪等测试手段不能应用于较复杂工况的缺点。 [0013] （b）该发明与超声波风速仪同样具有能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分的能力，且克服了超声波风速仪易受电磁波等外界环境干扰的不足，可适用于工况较复杂的环境。 [0014] （c）反光丝线姿态角视觉识别风速风向测试方法可直接识别风向来流，通过机器视觉图像处理技术读出风速大小，并不需要像压差测试技术那样，在正对来流的技术条件下才能准确测量。 [0015] （d）该发明方法与常规的风杯或旋翼式风速仪相比特点在于整个测风系统没有机械转动，根据相机获得视觉信息对目标的位置和姿态进行的非接触式测量。这种测量方法较机械式测风技术响应速度快，且无机械磨耗。可适应于工况较复杂的流场，简单直观。 [0016] 反光丝线姿态角视觉识别风速风向测试方法，根据摄像机获得视觉信息对目标的位置和姿态进行的非接触式测量，此测量方法具有技术先进，结构简单，现场安装使用方便，也具有必要的独立性，准确性，可靠性以及信息完整性等优势。视觉测量按照所用视觉传感器数量可以分为单目视觉测量，双目视觉测量和多目视觉测量等。 [0017] 附图说明：图1是像素坐标系转换为物理单位表示的图像坐标系示意图； 图2 是相机小孔成像原理与计算模型示意图； 图3是本发明实施例中相机与丝线实物安装示意图； 图4是本发明实施例中测量流程图； 图中：1-支架杆，2-反光丝线，3-CCD面阵相机，4-支架底座。 [0018] 具体实施方式：所述方法在具体实施过程中包括风洞标定与实际测量两部分： 1）、风洞标定部分步骤包括： （A）、CCD面阵相机与反光丝线位置固定安装，悬挂的反光丝线静止时竖直向下，CCD面阵相机安装在反光丝线正下方，反光丝线静止状态在CCD面阵相机中成像于一点； （B）、将上述步骤中的CCD面阵相机和反光丝线放入风洞中进行标定，调节风洞风速，通过CCD面阵相机拍摄存储的反光丝线图像，获得多组在不同风速下的反光丝线的有效投影长度数据； 其中CCD面阵相机成像：相机采集的图像以标准电视信号的形式经高速图像采集系统变换为数字图像，并输入计算机。每幅数字图像在计算机内为M×N数组，M行N列的图像中的每一个元素（像素）的数值即是图像点的亮度（灰度）。在图1中的图像坐标系uoOv上，每一像素的坐标（u，v）分别是该像素在数组中的列数与行数，所以，（u，v）是以像素为单位的图像坐标系坐标。在该坐标系中建立以物理单位（mm）表示的图像坐标系，以图像内某一点O1为原点，x轴、y轴分别与u轴、v轴平行。其中（u，v）表示以像素为单位的图像坐标系坐标，（x，y）表示以mm为单位的图像坐标系的坐标。设x，y坐标系的原点O1的初始坐标为（u0，v0），且原点O1为反光丝线静止时，竖直丝线在成像平面的投影点。每一个像素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为dX，dY。如图1所示，图像坐标系建立像素点坐标与图像坐标的关系： 1-1 由此，即可将反光丝线在成像平面的灰度长度转化成以mm为单位的物理长度，并将此物理长度称为反光丝线的投影长度。 [0019] 图2为丝线与相机的安装位置。点O为相机光心，坐标轴uoOv平面为等效成像坐标轴平面，且uoOv平面与空间立体坐标中的XOWY坐标平面平行，两坐标平面处于水平位置；OO1 为相机焦距，用f表示；点OW为反光丝线的固定点位置，点P为反光丝线运动端的端点，点P′为点P运动后位置点，任何点P在图像中的投影位置点P1，为光心O与点P的连线OP与图像平面的交点，这种关系也称为中心射影或透视投影； OWO为反光丝线固定点与相机光心的距离，用d表示；OWP为反光丝线的长度，用L表示；反光丝线在相机成像平面上的投影为O1P1，用L′表示。下面介绍了计算模型中参数标定的示例和确定该模型的测量范围，即规定测量的量程。 [0020] （B1）、标定参数f、d，将丝线处于水平位置OWP0取图，换算投影长度，读数用L1表示，得关系式： 1-2 上式投影长度L1可由图像读取，丝线长度L已知。 [0021] 将相机沿着Z轴负方向竖直向下移动定值a，将丝线再次处于水平位置OWP0时取图，换算投影长度，读数用L2表示，得关系式： 1-3 上式投影长度L2可由图像读取，丝线长度L已知，a是确定已知的。由上式1-2和1-3即可标定相机的焦距与相机光心离丝线固定端的距离，由此确定参数f、d。 [0022] （B2）、确定反光丝线有效投影长度的范围，由于图2计算模型可知当反光丝线摆到P点以上区域，则图像上的点会对应于两个不同的空间位置，导致无法计算得到确定的摆角，从而需要确定反光丝线有效投影长度的范围；如图2所示，当点P与光心O连线相切与反光丝线运动的球面时，反光丝线在成像平面的投影长度L′最长，得关系式： 1-4 由上式1-4可得最大投影长度L′= 。 [0023] 在该方法中，设定丝线动点P在此相切处以下为实际有效测量范围，此时图像中的投影长度L′为 。 [0024] 由式1-4可知该几何模型所测量的最大角量程与丝线长度L、丝线到光心距离d有关。丝线固定端OW距离相机光心O距离越远所测量的角度越大。 [0025] （C）、根据反光丝线投影长度计算姿态角Φ(t)；反光丝线在有效量程内运动时角度的换算关系：设动点P运动到P′时，反光丝线的投影长度为O1P1′，反光丝线由静止的竖直向下位置摆到OWP′位置，偏摆角∠DOWP′为θ，反光丝线在成像平面的投影长度为L′由此可建立方程： 1-5 由上式1-5可得： 1-6 由上式1-6解得： 1-7 由上式1-7建立了摆角θ与丝线投影长度L′的关系式，根据此计算模型来进行该发明方法实施过程中的计算，计算偏摆角的范围即实际测量的偏摆角范围，为上面所述θ∈[0，]，偏摆角的测量范围与丝线长度L、丝线到光心距离d有关。 [0026] （D）然后根据计算得到的多组姿态角数据Φ(t)，通过线性拟合得到V(t)=f(Φ(t))的线性函数关系；2）、实际测量部分：（1）将上述步骤（A）中固定安装的CCD面阵相机与反光丝线放置于所需测量的空气流体区域内；（2）视觉图像识别:（a）通过CCD面阵相机拍摄存储的反光丝线图像，得到的反光丝线投影长度，当反光丝线投影长度达 后，则后续测量反光丝线投影长度值失效，根据有效反光丝线投影长度计算姿态角Φ(t)；（b）根据反光丝线投影在CCD面阵相机成像平面坐标系中的坐标位置，可获得空间二维风向；（3）根据步骤（a）所得反光丝线姿态角Φ(t)，代入步骤（C）中的风洞标定所建立的函数式V(t)=f(Φ(t))中，计算得到风速。 |
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