指針式電學二表自動檢定系統研制

曾舒帆 李亞娟 朱自科 陳萬才 張自長 張穎超

摘要：針對指針式電學三表無法實現全自動檢定這一問題，該文設計并實現一套電學三表自動檢定系統，通過一系列自動控制機制實現自動檢定的硬件控制需求，提出應用幀間差值剪影法、Hough變換以及閾值逐次逼近法實現的實時動態指針識別算法，將指針信息轉換為角度的方法可以滿足準確快速的實時指針識別需求。建立的自動檢定系統可以代替傳統的檢定方式，建立數據庫以及數據處理系統用于數據的處理，整體實現指針式儀表的全自動檢定，系統測試的綜合誤差優于0.03%。

關鍵詞：指針式儀表;自動檢定;幀間差值剪影法;Hough變換;閾值逐次逼近法

中圖分類號：TP274.4文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0104-05

0引言

指針式儀表應用十分廣泛，因此國內外一直都在持續對指針式儀表的自動化檢定方法進行研究。葡萄牙里斯本大學通過幀間圖像相減和Hough變換以及圖像變換法實現指針式儀表的自動檢定。美國韋恩州立大學應用Hough變換計算指針旋轉角度實現對固定表盤水表和百分表的自動檢定。韓國研究人員提出過采用閾值及區域劃分后進行位置和角度投影的方法進行自動測量。我國的研究人員提出了建立極坐標系進行角度對應、Hough變換識別指針角度、提取圓心圓盤坐標構成三角形后進行數學處理以及建立指針儀表數據庫進行比對等方式進行指針式儀表的自動測量。但是，上述研究多針對靜止的指針或者固定形態特征的表盤進行分析，而電學三表檢定中主要的識別方式是動態實時識別指針，如何快速準確地將指針信息反映到控制系統中是研究的關鍵，因此本文提出了針對動態指針的測試及識別系統。

1系統構成原理

研制的自動檢定系統由測量系統、控制管理系統以及自動圖像采集系統組成，系統框圖如圖l所示，其中測量系統為標準裝置的核心。

1.1測量系統

測量系統由交直流標準表、自動量程切換器、直流穩壓源以及交流音頻程控電源構成。標準表、自動量限切換器以及各信號源通過RS232接口根據制定的通信協議與主控計算機進行信息交換。測量系統中9080A型交直流標準表是核心，針對被檢表可能達到的最高精度0.1%，其準確度設定為0.01%，在檢定0.1級的表時引入的誤差僅有最大允許誤差的1/10，完全可以忽略不計。針對自動檢定讀數時需要信號源輸出穩定，因此上述信號源設計穩定度優于0.01%/min。針對自動檢定過程中需要精確調節輸出信號，信號源的調節細度均設計滿足0.01%x輸出量程。對于不同類型的被檢表需要使用不同的信號源配合標準表對應的輸人量程，本文設計了自動量程切換器切換信號源功能，測量系統整體結構如圖2所示。

1.2自動圖像采集系統

自動圖像采集系統硬件主要由計算機、高分辨率工業CCD數字攝像頭、三維可程控電動滑臺、LED環形光源、光源隔離腔體、通信接口、穩壓電源等構成，如圖3所示。

工業CCD數字攝像頭用于將指針讀數信息轉換為圖片數據后通過控制軟件提取指針動態角度信息，最后將信息傳送至系統管理軟件，本文選用MV-500UC系列高分辨率工業數字攝像頭。

為滿足自動圖像采集系統對于光源光效能高、光通量穩定、顯色性好、外界影響低的要求，保證采集的圖像背景和目標邊界分明、圖像背景淡化均勻、圖像亮度適中，本文設計了LED環形光源作為檢定系統中的唯一光源，直流穩壓電源供電提供穩定的光照輸出環境，設計了光源隔離腔體將圖像采集部分與外界隔離消除外界光源不穩定造成的波動影響。

由于指針式儀表相對于攝像頭的位置直接影響到識別的準確度，因此本文設計了三維可程控電動滑臺用于精密調整被檢儀表相對于攝像頭的初始位置。針對暗腔腔體的尺寸設計了x軸方向行程為300mm、y軸方向行程為150mm、旋轉角度為360°的三維移動系統;針對儀表相對位置調節細度的需求設計的滑臺水平移動細度為0.1mm，旋轉細度為0.1°。

1.3控制及管理系統

控制及管理系統由主控計算機和圖像分析軟件以及系統控制軟件構成。圖像分析軟件運用OpenCV庫中的算法擬合出指針對應的曲線，并計算出該曲線的角度信息，從而計算出指針位置。系統控制軟件采用C++Builder6進行開發，該開發環境屬于可視化快速開發工具，使程序員能夠將精力更多集中在如數據處理、程序可靠性等方面。控制及管理系統通過USB以及RS232接口將所有硬件連接在一起，采集圖像數據以及控制硬件系統完成自動化檢定。

2指針識別算法

本文研究的電學三表表盤刻度是圓弧形，因此識別方法的核心是將指針所在位置對應圓弧區域的角度值計算出來與期望角度進行比較。首先應用幀間差值剪影法分割運動的指針圖像將運動中的指針軌跡識別出來;然后應用Hough變換檢測并擬合直線，將直線的角度、長度信息提取出來;之后算法濾除不符合要求的直線，剩下的直線角度信息作為識別出的指針角度。

式中T是預先設定好的閾值。通過改變閾值保證能夠檢測出指針運動的最小位移。提取指針直線邊緣點，使用最小中值二乘濾波算法濾除和指針直線不相關的雜點，存儲邊緣點信息。

Hough變換的基本原理是將影像空間中的曲線（包括直線）映射到參數空間中，通過檢測參數空間中的極值點，確定出該曲線的描述參數，從而提取影像中的規則曲線。首先采用極坐標將直線描述出來：

p=XCOSθ+ysinθ（2）

其中p是原點到直線的垂直距離，θ是直線的斜率。直線上的不同點對應參數空間中的不同正弦曲線，如果這些點在同一條直線上，則在參數空間中的曲線可相交于一點（p，θ）。

當指針位置發生變化的時候，指針位置可以應用上述方法識別，首先對圖像進行二值化處理，將圖像轉換為二值化像素的圖像，使用幀間差值剪影分割出運動指針圖像，濾除雜散點，應用Hough檢測并擬合指針直線，提取直線角度信息用于下一步計算和判斷。控制每一幀圖像間的時間差距可以改變幀采樣速率，達到一定采樣速率可以保證響應指針的微小變化;但是采樣速率過高也會導致過于靈敏，識別出不必要的直線。因此選取適當的幀間采樣速率可以達到預期的效果。

3表盤識別以及映射數據庫建立

開始自動檢定流程初期需要識別表盤信息并建立刻度對應角度信息映射關系數據庫，在檢定開始后僅需要識別指針位置以及從數據庫中提取檢定點信息和映射的角度關系，這樣可以最大限度地降低運算處理時間，提高動態識別的實時性。因此在自動識別初期，程序會自動遍歷數據庫，確定是否記錄過該類型儀表信息，如果記錄過則僅需要提取信息開始檢定過程;如果沒有該類新儀表信息，則需要對表盤信息進行識別以及對應關系進行映射并存儲到數據庫中。

本文研究的電學三表表盤刻度是圓弧形，指針的旋轉支點為圓弧的圓心，可以將指針指向的位置信息映射為對應該圓心位置的角度信息，所以儀表表盤圓心位置數據的提取，是圖像識別程序模塊最基本的部分。選用Hough變換檢測圓，根據圓的位置關系和篩選條件準確計算出指針表圓弧所對應的圓心位置。Hough變換識別表盤圓位置如圖4所示。

識別出圓心位置后，建立通過圓心位置長度略大于圓半徑的直線，相對于圓心旋轉直線，按照0.05°的掃描細度對有刻度部分表盤進行掃描，如圖5所示。由圖5中間圖可以看出需要作為檢定點記錄進入數據庫的刻度線明顯長于其他刻度，因此在掃描的過程中僅需要判斷掃描線位于圖中虛線框部分是否檢測到刻度線邊緣;將直線對應位置部分二值化結果進行累加，當累加值變化形態呈現圖5右圖所示正態分布變化規律，掃描過程中找到峰值點位置就是對應的刻度線位置，記錄掃描線的角度并存人數據庫中作為該點的映射信息。重復上述步驟，直到所有刻度均掃描完畢。

4自動檢定流程

自動檢定流程如圖6所示，運用Hough變換識別指針表圓盤并計算圓心位置，調整三維滑臺初始化被測儀表位置，程序啟動檢定線程讀取當前數據庫中檢定點信息（檢定點信息為之前識別方式或手動記錄至儀表庫中），運用幀間差值剪影法和Hough變換識別指針并計算當前角度，根據角度對應數據庫中預設角度信息，粗調信號源并根據程序中設定的閾值判斷是否進入細調區域，未進入則繼續粗調直至進入細調區域。根據設定的閾值信息角度誤差是否滿足記錄條件，不滿足則根據角度值調節直至滿足條件為止，滿足條件則計算并記錄數據并再次執行此流程直至執行到檢定點數據庫最后一條信息。

整個流程采用的是閾值逼近法，當被測值滿足閾值條件時進行下一步流程，不滿足閾值條件時，則控制信號源回退指針位置重新進行逼近運算逐漸逼近閾值，直至滿足閾值條件。

5測試及誤差分析

本文研制的是電學三表自動檢定系統，所以需要對自動檢定系統自動檢定以及手動檢定分別進行比較實驗。選擇一塊D61型0.2級的指針式電流表，進行誤差實驗、重復性實驗以及自動檢定可靠性實驗。

實驗一選擇有代表性的3個指針位置給定指針所對應的期望角度值，用自動檢定系統按照規程對檢定過程的要求讓指針逼近該角度，讀出最終角度值，結果如表1所示，角度誤差最大點出現在輸入電流為3A時，角度換算誤差為0.028%。

實驗二選取3個不同的指針位置，分別給定指針所對應的標準角度值，按照自動檢定流程另指針逼近該位置，重復上述步驟10次記錄結果并計算重復性誤差，實驗結果如表2以及圖7所示。從結果可以看出，誤差波動誤差可以忽略不計，最大標準偏差值優于最大允許誤差的1/10，測試結果具有較好的重復性。

實驗三使用常規人為手動檢定方法以及自動檢定系統分別對同一被測對象進行測量，記錄結果。分析比較兩組結果之間的誤差，結果如表3以及圖8所示，最大誤差為0.15格，換算為引用誤差僅為0.0015%，兩組檢定結果具有較好的一致性。

6結束語

本文提出并實現了一套基于機器視覺原理的電學三表自動檢定系統，系統硬件包括交直流標準表、信號源、自動量程切換器、三維程控滑臺、CCD工業攝像頭、光源隔離暗腔等，自動識別算法運用了幀間差值剪影法和Hough變換相結合的動態指針識別算法，之后應用閾值逐次逼近法保證指針位置的準確性。自動識別系統在對0.2級儀表進行測試的過程中引入的系統綜合誤差優于0.029%，滿足自動檢定的需求。