一種改進的燃油噴霧錐角測量算法

李楠 顧蘇菁 葉飛 卞光祥

摘要：在燃油噴霧圖像處理手段中，目前計算燃油噴射的錐角時大都采用Hough變換法，或者最小二乘法。本文將兩種方法相結合，提出了一種新的錐角測量算法，并通過MATLAB程序實現該算法。結果表明，本文測量得到的噴霧錐角對稱性更好，具有一定的應用價值。

Abstract： At present， In the fuel spray image processing methods， most of the current calculation of the cone angle of the fuel injection uses the Hough transform method or the least square method.In this paper， the two methods are combined， a new cone angle measurement algorithm is proposed， and the algorithm is relized by MATLAB program. The results show that the spray cone angle measured by the algorithm in this paper is more symmetrical and hs certain practicial value.

關鍵詞：噴霧錐角;Hough變換;最小二乘法;MATLAB

Key words： spray cone angle;Hough transform;least squares;MATLAB

中圖分類號：U664.81+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0014-03

0 ?引言

汽車工業的蓬勃發展帶動了一系列產業的高速興起，但同時也帶來了難以解決的問題。尤其是解決環境問題已迫在眉睫。環境污染問題在當今社會已然成為國家和社會的熱點問題，如何平衡環境保護與經濟發展一直以來人們都在積極的探尋答案。近年來，新能源汽車逐漸走進千家萬戶，新能源車的逐漸普及一定程度上可以緩解能源危機。當前，化石燃料屬于不可再生的能源，其獨特性使得我們必須尋找可替代的清潔能源。清潔能源主要來自海洋、生物質等。清潔能源也包括甲烷、二甲醚等可燃氣體，這些燃料一定程度上可以緩解能源危機，但除此之外，學者們一直致力于努力提高現有化石燃料的利用率。此外，由于直受國際形勢的影響，石油價格也是節節攀升，導致汽油等燃料價格一路上漲，一定程度上增加了人們的消費負擔。另外，隨著國五升國六的排放法規的升級，各大汽車廠商不得不更新技術，來適應現有的排放法規。據相關數據統計，各大城市的環境污染中，汽車尾氣占比約60～80%。由此可見，努力提高車輛的燃油經濟性顯得格外重要。

燃油噴霧過程是指將液體通過噴嘴噴射到氣體環境中，這個過程往往伴隨著液體的霧化現象 。設計結構合理的噴嘴，通過制造工藝提高其精密度，能夠使霧化更加充分，燃燒效果得以提升。燃油噴霧過程受多種因素的影響，油束的延伸也受到周圍環境的影響。在燃油霧化領域研究的初期階段，受當時技術水平的限制，獲得燃油霧化特性的一些關鍵參數是比較困難的。進入二十一世紀后，伴隨著測量儀器的高速發展，燃油霧化特性參數的測量準確程度得到了大幅度提升，為噴霧學的進一步研究奠定了科學基礎[1]。研究人員可以把精密測量儀器運用到噴霧場的測量中，無論是噴霧油束還是噴霧粒子，相關參數的測量都取得了巨大的跨越。測量水平的大幅度提升進一步提高了實驗精確度，研究者可以調節高速攝像機分辨率，調整其拍攝頻率。通過高壓油泵控制燃油噴射壓力來進行噴霧場的拍攝。通過拍攝噴霧場獲得燃油噴霧圖像，再通過計算機分析噴霧圖像，該方法成本低廉，而且不失精確性，一定程度上節省了大量的人力物力，為成本有限的高校及單位提供了一種可靠的研究方法。

發動機的燃油霧化效果直接影響發動機的經濟性、動力性以及排放性[2]。其中多個特征參數中，又以噴霧錐角的影響最為明顯。錐角反映的噴霧油束的發散程度，發散程度越高，燃油越松散，這時候很容易與氣缸壁接觸，影響燃燒;反之過小的噴霧錐角，油束聯系越緊密，將不能夠與空氣充分的混合，排放性變差。由此可見，設計合理的錐角對燃燒影響非常明顯。

拍攝到噴霧圖像后再將圖像導入MATLAB軟件中進行處理，RGB格式的彩色圖像導入MATLAB軟件后需要經過灰度化、濾波、二值化后等處理后方可進行特征參數的測量。本文重點在于對錐角測量方法的改進，而對前期圖像預處理不做贅述。在油束貫穿距離L的一半處做水平直線，與液束寬度邊緣交于兩點B、C，與噴嘴A處形成的角∠BAC即為噴霧錐角。錐角示意圖如圖1所示。

1 ?傳統錐角測量

霍夫變換最初是由Paul Hough提出，該方法最初的作用是用來提取直線;Duda等人提出了改進的Hough變化方法，將直角坐標改為極坐標，該方法能夠檢測任意傾斜角的直線[3]。Hough變換的優點是抗干擾，在環境復雜的場合應用較為廣泛。

提取油束邊緣后需要計算噴霧錐角，通常Hough變換根據點與線的對偶性原理。如圖2所示。霍夫變換擬合油束邊界線，進而根據兩直線斜率計算噴霧錐角。由于Hough變換的參數選擇不唯一，通常獲得多條目標直線，為了提高直線的可信度，我們通常選擇模長最長的直線，如圖2中的藍色直線，此時上半部分錐角為11.241°，下半部分錐角為9.012°，對稱性不理想。

最小二乘法是一種無限逼近的思想方法，該思想在工程技術領域內應用非常廣泛。它的數學原理是利用誤差平方和最小的獲得最終的目標直線，讓目標直線無限逼近所給的數據點[4]。該方法在背景復雜的場合下精度不高，如果環境背景復雜，周圍干擾較多的話，效果往往不夠理想 [5]。該方法的步驟如下：

噴霧油束在不斷延伸的過程中，由于受到環境背壓的影響，其輪廓不夠平滑，呈不規則形狀[5]，周圍干擾點較多。如圖3所示的邊界存在波動較大的干擾點，此時上半部分錐角11.285°，下半部分錐角8.951°。油束對稱性差，測量精度同樣不高。

2 ?本文錐角測量

基于上述兩種方法的優缺點，本文提出一種新的測量算法，將Hough變換與最小二乘法相結合。該測量算法抗干擾能力強，測量精度高。為了平滑數據，算法先通過Hough變去除波動較大的數據點，再用最小二乘法逼近剩下的數據點。算法的主要步驟為：

①首先獲得待擬合的數據點集M（xi，yi），（i=1，2，3，…s）s為數據點的總個數。

④對保留下來的數據點用最小二乘法擬合，最終獲得目標直線。

利用本文提出的算法分別擬合油束上下邊界數據，效果如圖4所示，最終的擬合直線用紅色細線標出。對比傳統的單一霍夫變換或者最小二乘法算法，利用本文算法能夠有效的去除干擾點的影響，擬合精度得到提高。

通過本文測量算法得到的上半部分錐角為9.8163°，下半部分錐角為9.4712°，總的錐角為19.2875°。對比三種測量算法可以知道，本文算法得到的測量結果更加合理。

3 ?進一步的工作

GUI是一種計算機圖形用戶界面，GUI最大的特性就是變化形式多樣，細節復雜，需要投入大量人力。所以適合GUI的語言，必然是符合節省人力的特性。從編程語言角度，越能更快給到編程者反饋，語言寫法就更接近最終成品的用戶界面。通過圖形方式顯示的計算機操作用戶界面， 用戶能夠通過窗口、按鍵、菜單等圖形對象向計算機等電子設備發送指命，其接受指令后，通過圖形反饋操作的結果。目前電子產品各式各樣，它們的設計趨勢也在不斷更新迭代，新潮流逐漸覆蓋了以前傳統的界面樣式，讓我們眼中的界面變得豐富多彩，很多設計師或者開發者開始注重界面的美觀性。大氣的外觀、簡約的操作過程、良好的視覺感受已成為影響用戶體驗的關鍵因素。GUI的最終目的是實現交互[6]。開發人員研究并設計出具體的用戶界面，將晦澀難懂的電腦語言包裝成簡單易懂的圖形，用戶通過對圖形的識別就可以對復雜的電腦語言背后所表達的問題有初步的了解。圖形化的操作方式方便了用戶使用，提高了使用效率。早期電子產品的圖形用戶界面采用字符界面，這時候往往需要操作人員具有較高的專業性。文字轉化為圖形后，相應的數據信息也被轉化為圖像。用戶操作、接收到的信息都是圖形對象，不再需要大量的命令符號，即使沒有專業知識和操作技能也可以輕松實現對電子產品的操作[7]。操作過菜簡化并不意味著技術的簡化，隱藏在圖形背后的是更高級的程序語言和技術操作，而這些都需要相關專業團隊的參與。專業團隊編寫和設計相關的代碼，將字符界面轉化為圖形界面，用戶可以利用圖形界面實現他們想要的相關操作[8]。圖像用戶界面使得新手也能夠根據相關提示，很快的熟練操作軟件系統，大大提升了研究的便利性。

進一步的工作將基于MATLAB/GUI模塊，開發噴霧圖像特征參數測量系統（以下簡稱“系統”）。系統各個模塊的處理結果均會顯示在GUI界面。方便用戶進行測量和分析試驗數據，用戶可以根據自身需求，選擇性的進行相關操作，只需要鼠標點擊相關命令按鈕，便可以進行相關圖像輸入、圖像處理以及參數測量操作。此外，用戶還可以將每次的測量數據進行保存，方便后續進行對比研究，可以節省大量的人力物力。

4 ?結論

針對噴霧錐角測量過程中，Hough變換法及最小二乘法的優劣性，本文將兩種方法相結合，提出了一種新的錐角測量算法，并通過MATLAB程序實現該算法。為了充分驗證算法的可行性及準確性，本文利用三種算法針對同一工況下拍攝的一個完整噴霧過程圖像進行錐角的測量。結果表明，本文算法測量得到的噴霧錐角油束對稱性更好，測量精度較高，對于噴霧學研究具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]王森，顧鵬，袁志遠，徐宏昌.直噴發動機燃油噴霧特性經驗公式定量研究[J].車用發動機，2021（05）：81-86.

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[3]茆邦國，謝有浩.基于改進概率霍夫變換的車道線檢測與跟蹤算法[J].滁州學院學報，2021，23（05）：42-45.

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[6]趙正旭，徐棚，張慶海.基于國產操作系統獨立GUI應用研究[J].計算機系統應用，2021，30（09）：98-103.DOI：10.15888/j.cnki.csa.008091.

[7]申海生，和衛紅，趙春洲，周文錚，劉雨竹.基于嵌入式GUI的礦用瓦斯檢測儀的研究[J].機械管理開發，2021，36（08）：3-5.DOI：10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2021.08.002.

[8]劉付桂蘭.基于Matlab GUI的常見圖像處理算法實現[J].電腦知識與技術，2021，17（24）：120-123.DOI：10.14004/j.cnki.ckt.2021.2306.