專利名稱：基于機器視覺的全方位傾斜傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水平檢測設(shè)備，屬于物理學(xué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、LED技術(shù)、嵌入式 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、水平面可視化技術(shù)和機械設(shè)計技術(shù)在水平檢測方面的應(yīng)用，主要適用 于橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動化、智能平臺、機械加工等 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前水平儀主要可分為傳統(tǒng)的水平儀、電子式的水平儀兩種；傳統(tǒng)的水平儀主要 由載體、直條水平管組成。將水平儀放在被測量的物體表面，直條型水平管中的氣泡將會跑 到處于高水平位置的一端，從而顯示物體的水平/傾斜狀態(tài)。這種氣泡型水平儀有以下幾 個不足之處1)氣泡型水平儀對溫度很敏感，隨著溫度的升高，氣泡長度發(fā)生變化，氣泡管 內(nèi)腔的尺寸也同時發(fā)生變化，導(dǎo)致儀器測量誤差增大；2)氣泡型水平儀各工作面要在使用 前需根據(jù)氣泡的位置來判斷水平儀的零位是否準(zhǔn)確，而且無法全方位同時測量平面的水平 度，難以得到傾斜的方位角；3)只能通過肉眼來觀察水準(zhǔn)氣泡相對與零位的偏離程度，難 以得到準(zhǔn)確的傾斜角度數(shù)據(jù)。電子水平儀是測量物體傾斜方向和傾斜角度值的電子傳感 器。電子水平儀一般利用光電原理，以平靜液體面為水平面，測量出物體偏離水平面方向和 角度值并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給計算機或顯示出來。電子水平儀的測量系統(tǒng)主要由機械結(jié) 構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集、微處理器、數(shù)碼顯示或輸出5部分構(gòu)成。電子水平儀根據(jù)所選擇的傳 感器不同可分為位移式電子水平儀和激光式電子水平儀等，根據(jù)三點成一面的原理，測量 點的數(shù)目必須在三個或三個以上，也就是說電子水平儀中所選擇的傳感器必須為三個或三 個以上，同樣數(shù)據(jù)采集接口也必須配備相同數(shù)目。目前的電子水平儀有以下幾個不足之處 1)由于讀入的數(shù)據(jù)是相對位移數(shù)據(jù)，與氣泡型水平儀相比顯得不太直觀，不太容易發(fā)現(xiàn)電 子水平儀的故障；2)采用的電子元器件和傳感器多，不但會增加水平儀的成本，同時也會 降低水平儀的可靠性；3)從動力學(xué)角度考慮，從檢測對象發(fā)生傾斜到傳感器檢測到傾斜， 由于電子水平儀中的機械結(jié)構(gòu)存在，這必定會影響電子水平儀的動態(tài)檢測指標(biāo)；如果設(shè)計 不當(dāng)可能會造成讀入的數(shù)據(jù)并非反映物體實際傾斜方向和傾斜角度值。實用新型專利號為03222423.0發(fā)明了一種全方位數(shù)字式電子水平儀，該發(fā)明在 水平儀框體的頂部均勻分布三個或三個以上的非接觸式位移傳感器，框體中央懸掛一個水 平感應(yīng)板，水平感應(yīng)板下方吊一掛重，以保證水平感應(yīng)板自然水平，同時，設(shè)置數(shù)據(jù)處理與 顯示系統(tǒng)，處理傳感器發(fā)出的電信號。通過三個位移傳感器可測出框體相對于水平感應(yīng)板 的傾角和傾斜的方位角，從而測出被測工件相對于水平面的傾角和傾斜方位。可將非接觸 位移傳感器感應(yīng)出來的電信號通過電平轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離等處理轉(zhuǎn)換為可供微處理 器處理的數(shù)字信號，通過微處理器處理以數(shù)字顯示的形式給出傾斜角度和傾斜的方位角。 中國發(fā)明專利號為01137724. 0發(fā)明了一種電子水平儀與電子水平儀標(biāo)尺涉及一種將標(biāo)尺 圖譜像變換為電信號，并對該信號作傅里葉變換，來實現(xiàn)對焦控制和異常檢測功能的電子 水平儀。上述標(biāo)尺將第1、第2圖譜和有時需要的第3圖譜沿測長方向等間隔順序排列，第
61、與第2圖譜的寬度變化周期不同，第3圖譜則等寬。上述水平儀做成光電變換器接收望 遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)來的光并將圖譜變換為電信號，信號處理部對此信號作傅里葉變換后，進行 對焦控制和異常檢出。中國發(fā)明專利號為200810065105. X發(fā)明了一種可讀取傾斜角度數(shù) 值的水平儀，包括一個容器，所述容器嵌于一帶刻度的載體內(nèi)或嵌于一帶刻度的載體之上 且容器為透明體，還包括密封于容器內(nèi)的指示液，當(dāng)容器隨帶有刻度的載體一起傾斜時，容 器內(nèi)的指示液的液面保持水平狀態(tài)，此時指示液的液面在帶刻度的載體上所指示的刻度為 帶有刻度的載體傾斜的角度，即為被測物體的水平偏離量。本發(fā)明最佳實施例采用環(huán)行的 液面顯示讀取裝置，并配以傾斜刻度，就可以方便直觀地讀出被測面的傾斜角度，且不管傾 斜角度有多大，均可以讀出。中國發(fā)明專利號為200610005173. 8發(fā)明了一種激光水平儀， 其包括外殼、可轉(zhuǎn)動地安裝到所述外殼的擺體、和設(shè)置在所述擺體上的激光二極管組件。采 用萬向節(jié)組件將所述擺體可轉(zhuǎn)動地安裝到外殼。萬向節(jié)組件包括連接到外殼的框、設(shè)置在 所述框上的第一對軸承、通過該第一對軸承延伸的軸、設(shè)置在所述軸上并可轉(zhuǎn)動地支撐擺 體的主體、和設(shè)置在所述主體與擺體之間的第二對軸承，所述第一對軸承設(shè)置在第二對軸 承的一側(cè)。船舶、艦艇上有許多設(shè)備需要實時并同時檢測水平傾斜和水平傾斜方位角然后來 控制船舶的水平狀態(tài)，因此，對水平檢測裝置的質(zhì)量性能要求極高。優(yōu)良的水平檢測裝置應(yīng) 具有如下特性(1)分辨力高、檢測范圍廣，需要全方位的水平檢測。(2)測量精度高，必須達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求的測量誤差。(3)在惡劣外部環(huán)境的影響下(如高溫、高濕、沙塵、雷電等)能長期可靠工作。(4)能同時測量傾斜角、傾斜方位角、傾斜角的變化率、傾斜方位角的變化率、甚至 傾斜角的角速度的變化率(傾斜角的加速度)、傾斜方位角的角速度的變化率(傾斜方位角 的加速度)。(5)低功耗型。(6)安裝、調(diào)整簡單方便。(7)誤差檢定所需設(shè)備簡單，現(xiàn)場檢定操作簡便易行。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的電子水平儀的制造成本高、機構(gòu)比較復(fù)雜、可視性和可維護性差、 使用環(huán)境要求高、測量參數(shù)單一等的不足，本發(fā)明提供一種維護調(diào)整簡單、測量精度高、測 量范圍廣、制造成本低、實時性和安全可靠性強的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光 源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、微處理器、電源和指南針，所述的電源與所述的 照明光源和所述的嵌入式系統(tǒng)連接，所述的嵌入式系統(tǒng)與攝像頭連接，所述的透明圓錐體 容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜 傳感器外殼中部固定著所述的透明圓錐體容器，上部固定著所述的LED照明光源，下部固 定著所述的攝像頭；所述的LED照明光源朝下正對著所述的透明圓錐體容器中心發(fā)出白色 光，所述的攝像頭朝上所述的透明圓錐體容器中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器后的透射光；
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所述的全方位傾斜傳感器外殼呈圓柱型，圓柱型有兩個平面，其中一個平面內(nèi)側(cè) 固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向內(nèi)； 圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；全方位傾斜傳感器外殼采用不透光的材料，圓柱型 的內(nèi)壁采用吸光性的材料；圓柱型的外壁上標(biāo)有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該 直線作為方位角的始點；所述的不透光液體注入到所述的透明圓錐體容器中，在所述的透明圓錐體容器中 的所述的不透光液體的狀態(tài)與全方位傾斜檢測的水平傾斜角和傾斜方位角對應(yīng)；當(dāng)全方位 傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源由于受到在所述的透明圓錐體容器中的所述 的不透光液體遮光作用，所述的攝像頭無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透 明圓錐體容器透射光；當(dāng)全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài)時，所述的不透光液體在所述的 透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述的照明光源和所述的攝像頭之間的 所述的透明圓錐體容器有一部分區(qū)域處于非遮擋狀態(tài)，所述的攝像頭接收到從所述的照明 光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器部分透射光。作為優(yōu)選的一種方案所述的不透光液體，根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的 粘度，對于在垂直方向存在作用力的情況，采用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測 水平狀態(tài)情況，采用用粘度系數(shù)低的不透光液體；對不透光液體，選擇能很好吸收光的、沒 有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足粘度范圍的液體作為不透光液體。進一步，所述的微處理器包括圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊和圖 像讀取模塊；系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)， 如透明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的分辨 率、傾斜角θ與透光部分的寬度值S的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù)圓柱 型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角；圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲單元 內(nèi)；傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與傾斜方 位角β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜方位角 β變化率計算模塊；傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方位角的 定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測傾斜方 位角是從X軸開始以順時針方向用β X角度值進行表示；因此在傾斜方位角β與檢測傾斜 方位角β χ之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示，β = βχ+βΟ(1)式中β為傾斜方位角，β χ為檢測傾斜方位角，β 0為初始方位角；初始方位角β 0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與 所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，并將初始方位角β 0寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存 儲單元中；檢測傾斜方位角β χ是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定
8的，檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用β X角度值進行表示；在被測物體發(fā)生傾 斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓的 組合，橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短 軸數(shù)據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則發(fā)生在橢圓短軸的負(fù)方向；這時在成像平 面上將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像 圖像上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向 進行檢索，具體算法如下步驟1 從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢 索，如果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針 旋轉(zhuǎn)方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確 定為該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β ;步驟2 接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β 2 ；然后跳轉(zhuǎn)到步驟5，步驟3 接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β2 ；步驟4:接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β ；步驟5 通過公式(2)計算橢圓短軸的角度β c,β c = (β 1+β 2)/2(2)而檢測傾斜方位角β χ必定出現(xiàn)在橢圓短軸的負(fù)向，傾斜方位角β χ計算方法用 公式(3)表示，β χ = β C- π(3)所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；傾斜角θ可以通過公式 (4)計算得到θ = ctg"1 [(R/ δ -1) Xctg(a )](4)上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的 月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角；這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù) 存儲單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值δ是通過對圖像的分析 算法得到的，即通過成像圖形中心點為放射線進行順時針掃描，獲得在軸心線方向上的最 大透光值，具體算法如下根據(jù)公式⑵所得到的橢圓短軸的角度β c和圖像的圓心為中心為直線穿越透光 的月牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640X480、透明圓錐體容器的半 徑R為200mm、每個像素代表0. 83mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的 月牙型的中部的寬度值S為4. 15mm;傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相
9關(guān)，根據(jù)公式(4)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器 的圓錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝 像頭的視覺范圍確定，在本發(fā)明中透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240 個像素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，對于小的傾斜角θ 具有較高的分辨率；根據(jù)實際檢測精度的需要選擇或者設(shè)計透明圓錐體容器的圓錐角α。再進一步，所述的傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊，用于計算傾斜角速 度、傾斜角加速度、傾斜方位角速度和傾斜方位角加速度；計算傾斜角θ和傾斜方位角β 是建立在對圖像的分析和處理的基礎(chǔ)上的，攝像頭獲取圖像是一個離散化的過程，采用每 秒采集處理10幀圖像，因此兩幀圖像處理間隔為At = 1/6秒，用公式(5)來計算傾斜角 速度和傾斜方位角速度，Δ θ (t) = ( θ (t)- θ (t-l))/At(5)Δ β (t) = (β (t)-^ (t-l))/At式中，θ (t)為t幀時的傾斜角度，θ (t-1)為t_l幀時的傾斜角度，β (t)為t幀 時的傾斜方位角度，β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角度，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度， Δ β (t)為t幀時的傾斜方位角速度；同樣道理用公式(6)來計算傾斜角加速度和傾斜方位角加速度，Δ2 θ (t) = (Δ θ (t)-A θ (t-1))/At (6)Δ2β (t) = (Δ β (t)-A β (t-1))/At式中，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度，Δ θ (t-1)為t-1幀時的傾斜角速度， Δ β (t)為t幀時的傾斜方位角速度，Δ β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角速度，Δ2 θ (t) 為t幀時的傾斜角加速度，Δ2β (t)為t幀時的傾斜方位角加速度。所述微處理器為三星S3C2410X為嵌入式微處理器，所述微處理器包括嵌入式 Linux操作系統(tǒng)；三星S3C2410X為嵌入式微處理器是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微 處理器，采用了叫做AMBA的新總線架構(gòu)，S3C2410X內(nèi)部的資源有內(nèi)存管理單元MMU、系統(tǒng) 管理器、各為16KB的指令和數(shù)據(jù)緩存、LCD控制器、NAND FLASHBoot Loader、3通道UART、 4通道DMA、4個PWM時鐘、1個內(nèi)部時鐘、8通道10為ADC、觸摸屏接口、多媒體卡接口、I2C 和I2S總線接口、2個USB主機接口、1個USB設(shè)備接口、SD主接口、2SPI接口、PLL時鐘發(fā) 生器以及通用I/O端口 ；所述的三星S3C2410X為嵌入式微處理器內(nèi)部包含一個叫MMU的內(nèi)存管理單元，實 現(xiàn)虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射，嵌入式系統(tǒng)的程序存放在ROM/FLASH中；所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208V0M ；SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用來運行操作系統(tǒng)和存儲程序運行過程中 所需要的數(shù)據(jù)，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量為32MB，用兩片K4S561632C實現(xiàn)位 擴展，使數(shù)據(jù)總線寬度為32bit。所述的檢測結(jié)果顯示單元，用于實時顯示被測物體水平傾斜角度和傾斜方位角度 等測量結(jié)果；對于計算好的傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度△ β (t)、傾斜方位角加 速度Δ2β (t)、傾斜角度θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、傾斜角加速度Δ2 θ (t)、當(dāng)前的系統(tǒng) 時間t以及視頻圖像等數(shù)據(jù)提交給檢測數(shù)據(jù)存儲單元進行保存，同時加工成顯示頁面送交給檢測結(jié)果顯示單元進行顯示；在顯示頁面上即有實時的視頻圖像，又有各種檢測數(shù)據(jù)以 及全方位傾斜傳感器的系統(tǒng)參數(shù)，以便于使用者能直觀的確認(rèn)檢測結(jié)果。用于顯示被測物體水平傾斜角度和傾斜方位角度等測量過程的變化曲線；由于保 存在檢測數(shù)據(jù)存儲單元的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)是按照時間序列進行存儲的，有時為了觀察傾斜方 位角度β α)、傾斜方位角速度△ β α)、傾斜方位角加速度α)、傾斜角度θ (t)、傾 斜角速度△ θ α)、傾斜角加速度δ2θ (t)的變化過程，使用者通過頁面上的選擇菜單)來 顯示傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度△ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)的變化曲 線和傾斜角度θ (t)、傾斜角速度△ θ (t)、傾斜角加速度δ2θ (t)的變化曲線。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在(1)分辨力高、檢測范圍廣，實現(xiàn)了全方位的水平 檢測；(2)適應(yīng)面廣，測量精度和量程范圍能定制；(3)在惡劣外部環(huán)境的影響下(如高 溫、高濕、沙塵、雷電等)能長期可靠工作；(4)檢測參數(shù)多，能同時測量傾斜角度、傾斜角速 度、傾斜角加速度、傾斜方位角度、傾斜方位角速度、傾斜方位角加速度；(5)低功耗型；(6) 具有遠(yuǎn)程訪問能力，容易實現(xiàn)遠(yuǎn)程水平控制；(7)誤差檢定所需設(shè)備簡單，現(xiàn)場檢定操作簡 便易行；(8)人機界面友好，能將視頻數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)同時顯示在用戶界面上，使得檢測結(jié) 果更直觀、確認(rèn)故障更容易。


圖1為基于機器視覺的全方位傾斜傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為當(dāng)被測物體發(fā)生傾斜時檢測傾斜角度的示意圖。
圖3為檢測傾斜方位角的示意圖。
圖4為不同圓錐角度構(gòu)成的透明圓錐體容器示意圖。
圖5為計算傾斜角的示意圖。
圖6為基于機器視覺的全方位傾斜傳感器的軟件結(jié)構(gòu)框圖。
圖7為初始方位角確認(rèn)示意圖。
圖8為不同圓錐角情況下透光寬度與傾斜角的關(guān)系曲線。
圖9為基于機器視覺的全方位傾斜傳感器的人機用戶界面。
圖10為基于機器視覺的全方位傾斜傳感器的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。實施例1參照圖1 圖10，一種基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，包括全方位傾斜傳感器外殼1、LED照明 光源2、透明圓錐體容器3、不透光液體4、攝像頭5、嵌入式系統(tǒng)6、電源7和指南針8，所述 的電源7給所述的照明光源2和所述的嵌入式系統(tǒng)6供電，所述的嵌入式系統(tǒng)6通過USB 接口給所述的攝像頭5供電，所述的透明圓錐體容器3是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠 背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜傳感器外殼1中部固定著所述的透明圓 錐體容器3，上部固定著所述的LED照明光源2，下部固定著所述的攝像頭5 ；所述的LED照 明光源2朝下正對著所述的透明圓錐體容器3中心發(fā)出白色光，所述的攝像頭5朝上所述的透明圓錐體容器3中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器3后的透射光，所述的攝像頭5通過USB 接口從所述的攝像頭5中讀取圖像數(shù)據(jù)；如圖1所示，當(dāng)被測物體處于水平狀態(tài)時，攝像頭 所拍攝到的是一個無光點的圖像，9為攝像頭的成像平面，10為拍攝的透明圓錐體容器部 分的圖像；所述的不透光液體4注入到所述的透明圓錐體容器3中，在所述的透明圓錐體容 器中的所述的不透光液體的狀態(tài)將決定全方位傾斜檢測的水平傾斜角和傾斜方位角；當(dāng)全 方位傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源2由于受到在所述的透明圓錐體容器3 中的所述的不透光液體4遮光作用，所述的攝像頭5無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的 并經(jīng)所述的透明圓錐體容器3透射光，如附圖1所示；當(dāng)全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài) 時，所述的不透光液體4在所述的透明圓錐體容器3中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述 的照明光源2和所述的攝像頭5之間的所述的透明圓錐體容器3有一部分區(qū)域處于非遮擋 狀態(tài)，如附圖2所示，所述的攝像頭5接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐 體容器3部分透射光；所述的不透光液體，需要根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的粘度，對于在垂直 方向存在作用力的情況，就需要采用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測水平狀態(tài) 情況則希望采用粘度系數(shù)低的不透光液體；對不透光液體選擇范圍就更廣，只要能很好吸 收光的、沒有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足一定粘度范圍的液體都能作為不透光液體；所述的全方位傾斜傳感器外殼，形狀為圓柱型，圓柱型的兩個平面，其中一個平面 內(nèi)側(cè)固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向 內(nèi)；圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；為了屏蔽外界光的干擾，全方位傾斜傳感器外 殼采用不透光的材料，圓柱型的內(nèi)壁采用吸光性的材料，以避免在圓柱型內(nèi)壁出現(xiàn)光的折 射所產(chǎn)生的干擾光；圓柱型的外壁上標(biāo)有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該直線作 為方位角的始點；使用全方位傾斜傳感器時需要轉(zhuǎn)動全方位傾斜傳感器將指南針的指北的 方向與該直線重合；所述的嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式硬件和嵌入式軟件，所述的嵌入式軟件包括系統(tǒng) 軟件和用戶軟件，所述的用戶軟件包括圖像獲取單元、傾斜角與傾斜方位角檢測單元、系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲單元、檢測數(shù)據(jù)存儲單元和檢測結(jié)果顯示單元，如圖6所示；所述的圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模 塊和圖像讀取模塊；所述的系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng) 數(shù)據(jù)，如透明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的 分辨率、傾斜角θ與透光部分的寬度值δ的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù) 圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角，如圖7所示；所述的圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲 單元內(nèi)；所述的傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與 傾斜方位角β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜 方位角β變化率計算模塊；所述的傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方
12位角的定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測 傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βχ角度值進行表示，如圖3所示；因此在傾斜方 位角β與檢測傾斜方位角β Χ之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示，β = βχ+βΟ(1)式中β為傾斜方位角，β χ為檢測傾斜方位角，β 0為初始方位角；初始方位角β 0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與 所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，如圖7所示，并將初始方位角β 0寫入到 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中；檢測傾斜方位角β χ是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定 的，如圖3所示，檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用β χ角度值進行表示；根據(jù) 物理學(xué)的原理，在被測物體發(fā)生傾斜時，不透光液體在透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水 平狀態(tài)，由于透明圓錐體容器是由兩個相同大小的圓錐體構(gòu)成的，流出某一個圓錐體的不 透光液體量必定等于流入另一個圓錐體的不透光液體量，且水平面必定通過透明圓錐體容 器的中心點，如圖2所示，換句話說，傾斜狀態(tài)下的不透光液體量水平面是圍繞著Y軸進行 旋轉(zhuǎn)的；從攝像頭拍攝的角度來看，原來沒有發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透 光液體在圖像平面上的形狀為一個園，在發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液 體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓，橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的 短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短軸數(shù)據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則 發(fā)生在橢圓短軸的負(fù)方向；這時在成像平面上將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角 度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像圖像上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公 式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向進行檢索，具體算法如下步驟1 從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢 索，如果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針 旋轉(zhuǎn)方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確 定為該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β ;步驟2 接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β 2 ；然后跳轉(zhuǎn)到步驟5，步驟3 接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β2 ；步驟4:接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索， 如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方 向的夾角為β ;步驟5 通過公式(2)計算橢圓短軸的角度β c,β c = (β 1+β 2)/2(2)而檢測傾斜方位角β χ必定出現(xiàn)在橢圓短軸的負(fù)向，傾斜方位角β χ計算方法用 公式(3)表示，β χ = β C- π(3)
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所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；如圖2和圖5所示，傾斜 角θ可以通過公式(4)計算得到θ = ctg"1 [(R/ δ -1) Xctg(a )](4)上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的 月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角；這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù) 存儲單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值δ是通過對圖像的分析 算法得到的，即通過成像圖形中心點為放射線進行順時針掃描，獲得在軸心線方向上的最 大透光值，具體算法如下根據(jù)公式⑵所得到的橢圓短軸的角度β c和圖像的圓心為中心為直線穿越透光 的月牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640X480、透明圓錐體容器的半 徑R為200mm、每個像素代表0. 83mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的 月牙型的中部的寬度值S為4. 15mm;傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相 關(guān)，根據(jù)公式(4)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器 的圓錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝 像頭的視覺范圍確定，在本發(fā)明中透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240 個像素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，圖8是在透明圓錐 體容器的半徑R為200mm、圓錐角α分別為15°、30°、45°、60°和75°情況下，透光月牙 型的中部的寬度值S和傾斜角θ的曲線圖；從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在圓錐角a =15°的情 況下，對于小的傾斜角θ具有較高的分辨率；因此，要根據(jù)實際檢測精度的需要選擇或者 設(shè)計透明圓錐體容器的圓錐角α ；所述的傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊，用于計算傾斜角速度、傾斜角 加速度、傾斜方位角速度和傾斜方位角加速度；本發(fā)明計算傾斜角θ和傾斜方位角β是建 立在對圖像的分析和處理的基礎(chǔ)上的，攝像頭獲取圖像是一個離散化的過程，比如每秒獲 取25幀圖像，而嵌入式系統(tǒng)處理圖像也需要一定的時間，綜合這些因素，在本發(fā)明中采用 每秒采集處理10幀圖像，因此兩幀圖像處理間隔為At= 1/6秒，用公式(5)來計算傾斜 角速度和傾斜方位角速度，Δ θ (t) = ( θ (t)- θ (t-l))/At(5)Δ β (t) = (β (t)-3 (t_l))/At式中，θ (t)為t幀時的傾斜角度，θ (t-1)為t_l幀時的傾斜角度，β (t)為t幀 時的傾斜方位角度，β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角度，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度， Δ β (t)為t幀時的傾斜方位角速度；同樣道理用公式(6)來計算傾斜角加速度和傾斜方位角加速度，Δ2 θ (t) = (Δ θ (t)-A θ (t-1))/At(6)Δ2β (t) = (Δ β (t)-A β (t-1))/At式中，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度，Δ θ (t-1)為t-1幀時的傾斜角速度， Δ β (t)為t幀時的傾斜方位角速度，Δ β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角速度，Δ2 θ (t) 為t幀時的傾斜角加速度，Δ2β (t)為t幀時的傾斜方位角加速度；
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對于計算好的傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度△ β (t)、傾斜方位角加速度 Δ2β (t)、傾斜角度θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、傾斜角加速度Δ2 θ (t)、當(dāng)前的系統(tǒng)時間t 以及視頻圖像等數(shù)據(jù)提交給檢測數(shù)據(jù)存儲單元進行保存，同時加工成顯示頁面送交給檢測 結(jié)果顯示單元進行顯示；顯示頁面如圖9所示，在顯示頁面上即有實時的視頻圖像，又有各 種檢測數(shù)據(jù)以及全方位傾斜傳感器的系統(tǒng)參數(shù)，以便于使用者能直觀的確認(rèn)檢測結(jié)果；進一步，保存在檢測數(shù)據(jù)存儲單元的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)是按照時間序列進行存儲的， 有時為了觀察傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度△ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)、 傾斜角度θ (t)、傾斜角速度△ θ (t)、傾斜角加速度Δ2Θ (t)的變化過程，使用者可以 通過頁面上(圖9)的選擇菜單(顯示)來顯示傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度 Δ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)的變化曲線和傾斜角度θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、 傾斜角加速度Δ2 θ (t)的變化曲線；所述的嵌入式硬件系統(tǒng)，具體選擇三星S3C2410X為嵌入式微處理器，結(jié)合局域網(wǎng) 技術(shù)，設(shè)計基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)采集和傳輸。嵌入式系統(tǒng)中包 括了軟件與硬件技術(shù)，其中嵌入式Linux軟件是核心技術(shù)，它能實現(xiàn)視頻服務(wù)器的功能。所述的嵌入式微處理器S3C2410X是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入 式微處理器，該處理器是為手持設(shè)備以及高性價比、低功耗微控制器而設(shè)計的。它采用了一 種叫做AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)的新總線架構(gòu)。S3C2410X 內(nèi) 部的主要資源有內(nèi)存管理單元MMU、系統(tǒng)管理器、各為16KB的指令和數(shù)據(jù)緩存、LCD控制器 (STN& TFT)、NAND FLASH Boot Loader、3 通道 UART、4 通道 DMA、4 個 PWM 時鐘、1 個內(nèi)部時 鐘、8通道10為ADC、觸摸屏接口、多媒體卡接口、I2C和I2S總線接口、2個USB主機接口、 1個USB設(shè)備接口、SD主接口、2SPI接口、PLL時鐘發(fā)生器以及通用1/0端口等，如圖10所示 ο所述的嵌入式微處理器S3C2410X內(nèi)部包含一個叫MMU的內(nèi)存管理單元，可以實現(xiàn) 虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射。通常嵌入式系統(tǒng)的程序存放在ROM/FLASH中，系統(tǒng) 斷電后程序能夠得到保存，但ROM/FLASH與SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系統(tǒng)中 通常把異常中斷向量表存放在RAM中，利用內(nèi)存映射機構(gòu)可以解決這種需要。所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208V0M。它可進行10萬次的編程/ 擦除，數(shù)據(jù)保存長達(dá)10年，被用來裝載操作系統(tǒng)鏡像和大容量的數(shù)據(jù)。所述的SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用來運行操作系統(tǒng)和存儲程序運行 過程中所需要的數(shù)據(jù)，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量為32MB。用兩片K4S561632C 實現(xiàn)位擴展，使數(shù)據(jù)總線寬度為32bit。所述的嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議的移植、驅(qū)動程序的安裝 以及用戶應(yīng)用程序的編寫等。本發(fā)明中采用了 Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，Linux是從UNIX發(fā)展而來，繼承 了 UNIX大多數(shù)的優(yōu)點，Linux公開的內(nèi)核源代碼使得它成為目前最流行的操作系統(tǒng)，并且 Linux可以從應(yīng)用出發(fā)裁剪其硬件軟件，這對面向基于機器視覺的全方位傾斜傳感器這種 特殊需要來說十分必要，這里我們將其稱為定制操作系統(tǒng)，定制步驟如下(1)編寫板基支 持包BSP ；⑵裁剪和配置操作系統(tǒng)的各個部件，并修改相應(yīng)的配置文件；(3)編譯Kernel、 組件和BSP，生成操作系統(tǒng)鏡像文件；(4)將鏡像文件下載到目標(biāo)板上，進行調(diào)試。
進一步，視頻信息是要通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)局域網(wǎng)以數(shù)據(jù)打包、發(fā)送的方式來進行 傳輸?shù)?，因此要在操作系統(tǒng)支持下實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，就需要進行任務(wù)劃分，可以將TCP/IP 的實現(xiàn)劃分為4個任務(wù)來實現(xiàn)①IP任務(wù)，主要用來解決IP分片的重組；②TCP輸入任務(wù)， 主要用來處理接收到的TCP報文段；③TCP輸出任務(wù)，主要用來將要輸出的數(shù)據(jù)打包、發(fā)送； ④TCP定時器任務(wù)，主要用來為各種時延事件(如重發(fā)事件)提供時鐘。更進一步，基于機器視覺的全方位傾斜傳感器中需要有兩個USB接口，其中一個 USB接口是將攝像頭與S3C2410X進行連接，另一個USB接口是將網(wǎng)卡與S3C2410X進行連 接，由于S3C2410X自帶USB主從接口，不需要專門的USB芯片支持，只要對其安裝驅(qū)動程序 即可進行USB傳輸數(shù)據(jù)。所述的USB驅(qū)動程序包含如下幾個部分(1)創(chuàng)建設(shè)備，創(chuàng)建設(shè)備函數(shù)帶兩個參數(shù) 調(diào)用，一個參數(shù)是指向驅(qū)動程序?qū)ο蟮闹羔?，另一個參數(shù)是指向物理設(shè)備對象的指針；(2) 關(guān)閉設(shè)備；(3)讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶應(yīng)用程序有讀取設(shè)備數(shù)據(jù)的要求時，系統(tǒng)將此要求以 IRP_MJ_READ的IRP形式傳遞給功能驅(qū)動程序，由設(shè)備的D12Meter_Read程序執(zhí)行，然后再 由D12Meter_Read指定USB總線驅(qū)動程序直接與設(shè)備實現(xiàn)信息交互；(4)對設(shè)備寫入數(shù)據(jù)， 當(dāng)客戶應(yīng)用程序有寫設(shè)備數(shù)據(jù)的要求時，系統(tǒng)將此要求以IRP_MJ_WRITE的IRP形式傳遞給 功能驅(qū)動程序，并由D12Meter_Write執(zhí)行，然后再由D12Meter_Write指定USB總線驅(qū)動程 序直接與設(shè)備實現(xiàn)信息交互。USB驅(qū)動程序通過安裝文件Cinf文件)中PID (產(chǎn)品鑒別 號)和VID(廠商鑒別號)鑒別USB設(shè)備。當(dāng)嵌入式操作系統(tǒng)裝載完成后，就可以安裝網(wǎng)卡的驅(qū)動程序和其他相應(yīng)的應(yīng)用程 序。將網(wǎng)卡的驅(qū)動程序作為一個模塊打包到操作系統(tǒng)中，可避免系統(tǒng)掉電后每次都要重裝 網(wǎng)卡驅(qū)動程序。基于機器視覺的全方位傾斜傳感器具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，只要連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備 都能通過網(wǎng)絡(luò)接口訪問存儲在檢測結(jié)果存儲單元內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)。所述的攝像頭為帶有USB接口 CMOS攝像頭。
權(quán)利要求
一種基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、微處理器、電源和指南針，所述的電源與所述的照明光源和所述的嵌入式系統(tǒng)連接，所述的嵌入式系統(tǒng)與攝像頭連接，所述的透明圓錐體容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜傳感器外殼中部固定著所述的透明圓錐體容器，上部固定著所述的LED照明光源，下部固定著所述的攝像頭；所述的LED照明光源朝下正對著所述的透明圓錐體容器中心發(fā)出白色光，所述的攝像頭朝上所述的透明圓錐體容器中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器后的透射光；所述的全方位傾斜傳感器外殼呈圓柱型，圓柱型有兩個平面，其中一個平面內(nèi)側(cè)固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向內(nèi)；圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；全方位傾斜傳感器外殼采用不透光的材料，圓柱型的內(nèi)壁采用吸光性的材料；圓柱型的外壁上標(biāo)有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該直線作為方位角的始點；所述的不透光液體注入到所述的透明圓錐體容器中，在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體的狀態(tài)與全方位水平檢測的水平傾斜角和傾斜方位角對應(yīng)；當(dāng)全方位傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源由于受到在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體遮光作用，所述的攝像頭無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器透射光；當(dāng)全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài)時，所述的不透光液體在所述的透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述的照明光源和所述的攝像頭之間的所述的透明圓錐體容器有一部分區(qū)域處于非遮擋狀態(tài)，所述的攝像頭接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器部分透射光。
2.如權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于所述的不透 光液體，根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的粘度，對于在垂直方向存在作用力的情況，采 用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測水平狀態(tài)情況，采用用粘度系數(shù)低的不透光 液體；對不透光液體，選擇能很好吸收光的、沒有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足粘度范圍的液 體作為不透光液體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于所述的 微處理器包括圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊和圖像讀 取模塊；系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如透 明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的分辨率、傾 斜角θ與透光部分的寬度值δ的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù)圓柱型的 外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角；圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與傾斜方位角 β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜方位角β變 化率計算模塊；傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方位角的定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測傾斜方位角 是從X軸開始以順時針方向用β X角度值進行表示；因此在傾斜方位角β與檢測傾斜方位 角β χ之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示， β = βχ+βΟ(1)式中β為傾斜方位角，β χ為檢測傾斜方位角，β 0為初始方位角； 初始方位角β 0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲 得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，并將初始方位角β 0寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單 元中；檢測傾斜方位角β χ是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定的，檢 測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用β χ角度值進行表示；在被測物體發(fā)生傾斜狀 態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓的組合， 橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短軸數(shù) 據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則發(fā)生在橢圓短軸的負(fù)方向；這時在成像平面上 將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像圖像 上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向進行 檢索，具體算法如下步驟1 從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如 果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn) 方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確定為 該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β ;步驟2:接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果 旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的 夾角為β 2;然后跳轉(zhuǎn)到步驟5，步驟3 接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果 旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的 夾角為β2;步驟4:接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果 旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的 夾角為M ；步驟5 通過公式(2)計算橢圓短軸的角度β c,Pc = ^P2Y2 ⑵而檢測傾斜方位角β X必定出現(xiàn)在橢圓短軸的負(fù)向，傾斜方位角β X計算方法用公式 (3)表示，β X = β C- 31(3)所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；傾斜角θ可以通過公式(4) 計算得到Γ D/ ⑷d = ctg-][(ys-l)xctg(a)上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙3型的中部的寬度值，θ為傾斜角；這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲 單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值S是通過對圖像的分析算法 得到的，即通過成像圖形中心點為放射線進行順時針掃描，獲得在軸心線方向上的最大透 光值，具體算法如下根據(jù)公式(2)所得到的橢圓短軸的角度β c和圖像的圓心為中心為直線穿越透光的月 牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640 X 480、透明圓錐體容器的半徑R為 200mm、每個像素代表0. 83mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的月牙型 的中部的寬度值S為4. 15mm；傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相關(guān)， 根據(jù)公式(4)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器的圓 錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝像頭 的視覺范圍確定，在本發(fā)明中透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240個像 素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，對于小的傾斜角θ具有 較高的分辨率；根據(jù)實際檢測精度的需要選擇或者設(shè)計透明圓錐體容器的圓錐角α。
4.如權(quán)利要求3所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于所述的傾斜 角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊，用于計算傾斜角速度、傾斜角加速度、傾斜方位角 速度和傾斜方位角加速度；計算傾斜角θ和傾斜方位角β是建立在對圖像的分析和處理 的基礎(chǔ)上的，攝像頭獲取圖像是一個離散化的過程，采用每秒采集處理10幀圖像，因此兩 幀圖像處理間隔為At = 1/6秒，用公式(5)來計算傾斜角速度和傾斜方位角速度，Δ θ ⑴=(θ ⑴-θ (t-l))/At (5)Δ β (t) = (β α)-β (t-l))/At式中，θ (t)為t幀時的傾斜角度，θ (t-1)為t-1幀時的傾斜角度，β (t)為t幀時 的傾斜方位角度，β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角度，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度， Δ β (t)為t幀時的傾斜方位角速度；同樣道理用公式(6)來計算傾斜角加速度和傾斜方位角加速度，Δ2 θ (t) = (Δ θ (t)-A θ (t-1))/At (6)Δ2β (t) = (Δ β (t)-A β (t-1))/At式中，Δ θ (t)為t幀時的傾斜角速度，Δ θ (t-1)為t-1幀時的傾斜角速度，Δ β (t) 為t幀時的傾斜方位角速度，Δ β (t-1)為t-1幀時的傾斜方位角速度，Δ2 θ (t)為t幀時 的傾斜角加速度，Δ2β (t)為t幀時的傾斜方位角加速度。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于所述微 處理器為三星S3C2410X為嵌入式微處理器，所述微處理器包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)；三星S3C2410X為嵌入式微處理器是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理 器，采用了叫做AMBA的新總線架構(gòu)，S3C2410X內(nèi)部的資源有內(nèi)存管理單元MMU、系統(tǒng)管理 器、各為16KB的指令和數(shù)據(jù)緩存、LCD控制器、NAND FLASHBoot Loader、3通道UART、4通道 DMA,4個PWM時鐘、1個內(nèi)部時鐘、8通道10為ADC、觸摸屏接口、多媒體卡接口、I2C和I2S 總線接口、2個USB主機接口、1個USB設(shè)備接口、SD主接口、2SPI接口、PLL時鐘發(fā)生器以 及通用I/O端口 ；所述的三星S3C2410X為嵌入式微處理器內(nèi)部包含一個叫MMU的內(nèi)存管理單元，實現(xiàn)虛 擬存儲空間到物理存儲空間的映射，嵌入式系統(tǒng)的程序存放在ROM/FLASH中；所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208V0M ；SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用來運行操作系統(tǒng)和存儲程序運行過程中所需 要的數(shù)據(jù)，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量為32MB，用兩片K4S561632C實現(xiàn)位擴 展，使數(shù)據(jù)總線寬度為32bit。
6.如權(quán)利要求3所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于所述的檢測 結(jié)果顯示單元，用于實時顯示被測物體水平傾斜角度和傾斜方位角度等測量結(jié)果；對于計 算好的傾斜方位角度β (t)、傾斜方位角速度△ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)、傾斜角 度θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、傾斜角加速度Δ2Θ (t)、當(dāng)前的系統(tǒng)時間t以及視頻圖像等 數(shù)據(jù)提交給檢測數(shù)據(jù)存儲單元進行保存，同時加工成顯示頁面送交給檢測結(jié)果顯示單元進 行顯示；在顯示頁面上即有實時的視頻圖像，又有各種檢測數(shù)據(jù)以及全方位傾斜傳感器的 系統(tǒng)參數(shù)，以便于使用者能直觀的確認(rèn)檢測結(jié)果。
7.如權(quán)利要求3所述的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，其特征在于用于顯示被 測物體水平傾斜角度和傾斜方位角度等測量過程的變化曲線；由于保存在檢測數(shù)據(jù)存儲單 元的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)是按照時間序列進行存儲的，有時為了觀察傾斜方位角度β (t)、傾斜 方位角速度Δ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)、傾斜角度θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、 傾斜角加速度Δ2 θ (t)的變化過程，使用者通過頁面上的選擇菜單)來顯示傾斜方位角 度β (t)、傾斜方位角速度Δ β (t)、傾斜方位角加速度Δ2β (t)的變化曲線和傾斜角度 θ (t)、傾斜角速度Δ θ (t)、傾斜角加速度Δ2 θ (t)的變化曲線。
全文摘要
一種基于機器視覺的全方位傾斜傳感器，包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、嵌入式系統(tǒng)、電源和指南針，透明圓錐體容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器，容器中注入了容器體積的二分之一不透光液體；用機器視覺的方式對攝像頭以正面體拍攝透明圓錐體容器的透光部分進行分析、判斷和計算，得到被測物體的傾斜角度和傾斜方位角等測量參數(shù)；本發(fā)明提供了一種維護調(diào)整簡單、測量精度高、測量范圍廣、制造成本低、實時性和安全可靠性強的基于機器視覺的全方位傾斜傳感器。
文檔編號G01C9/06GK101900548SQ201010110039
公開日2010年12月1日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者俞立, 宋鉷, 湯一平, 湯曉燕, 王穎 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)