非接觸式物體形狀和尺寸自動測量系統的設計

陶曾杰，熊 宇，任錦錦，王馨逸

（湖南信息學院 電子科學與工程學院，長沙 410151）

近幾年隨著人工智能的飛速發展，非接觸測量在其中扮演著極其重要的角色，圖像識別是人工智能的一個重要階段[1]。在接觸式和非接觸式測量技術之間做出正確選擇可能是一項艱巨的任務。第1個應用程序利用機器人作為設備的載體，以執行自動檢查測量技術。第2 個非接觸測量是以光電、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數信息的測量方法[2]。隨著科技的不斷進步與發展，圖形圖像處理技術也有著突飛猛進的發展，并且越來越多地應用于人們生活的各個領域，圖形圖像處理擁有直觀性和準確性的特點，并且有著非常多的關鍵技術，通過這些技術的運用，在制造業、動畫設計、醫學圖像、氣象方面都有了很大的提升[3]。作為一般的經驗法則，如果可以通過接觸方法進行測量，那么這樣做會比較準確。但是，特別是在涉及到小的特征，那些太小而無法由接觸傳感器探測到，或可能因接觸方法，而使物體變形，那么非接觸式測量方法則尤為重要。

1 系統設計框架

在本系統的設計中，通過對目標顏色識別、形狀識別以及邊緣檢測，將獲取到目標物體基本信息發送給微處理器單元以進行后續的運算與處理[4]?；诩す鉁y距、攝像頭數據采集、云臺舵機控制設計的非接觸式物體形狀和尺寸測量系統，主要由激光測距、圖像識別、按鍵控制、光電提示、云臺舵機控制模塊、MCU 控制器、OLED 顯示模塊共7 個部分組成，系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Block diagram of overall system

按鍵模塊作為人機控制模塊，進行相應的按鍵操作，系統控制激光模塊獲取測量裝置與被測物體之間的相對距離，通過串口發送給單片機，利用圖像識別模塊獲取被測物體在攝像頭中的像素點，將數據通過串口發送給單片機，單片機將所獲得的數據進行運算、處理之后，控制舵機的轉動并尋找目標。在結束測量后，以蜂鳴器發聲和發光二極管的點亮作為提示信號，并在OLED 屏中顯示相應信息。

2 系統硬軟件設計

非接觸式物體形狀和尺寸自動測量系統的操作過程主要包括以下幾個步驟：①對每個模塊進行初始化；②選擇待識別物體的種類（固定物體、移動物體以及立體物體）；③激光管完成對目標物體的距離測量；④單片機進行聲光提示。系統通過設計硬件電路和軟件程序編程編譯來完成上述操作步驟，從而實現無接觸自動測試與識別。

2.1 電路硬件設計

2.1.1 激光測距電路

通過激光測距與圖像采集得到單片機的輸入信號，再經過單片機對數據運算與處理之后，控制舵機的轉動并在OLED 中進行顯示。在激光測距儀的硬件系統中，激光信號的接收十分關鍵，直接影響到激光測距儀精度的優劣，圖像識別采用VGG網絡模型。VGG 網絡是一種經典的卷積神經網絡，卷積神經網絡是一種建立在傳統人工神經網絡的深度學習算法[5]，主要包含卷積層、池化層、全連接層、softmax 分類器。

激光測距的基本原理為半導體激光器對被測目標發射一個激光信號，并接收該信號的反射波，測定該激光信號的往返時間，從而計算出被測目標的距離[6]，激光具有方向性強、相干性好等優點，被引入到測距儀的光源中，產生了激光測距儀[7]，普通的激光測距傳感器難以達到要求。本項目所選的MyAntenna 激光測距模塊為工業應用等級，具有測量精度高、誤差范圍較小且通信協議較多等優點。激光測距電路如圖2 所示。

圖2 激光測距電路圖Fig.2 Circuit diagram of laser ranging

2.1.2 顯示電路

本項目所選的顯示模塊為1.3 寸OLED 顯示屏，能耗較低且設置數據較為簡單，便于操作。在完成題目規定功能的前提下，選擇此模塊完全符合要求。顯示電路圖如圖3 所示。

圖3 顯示電路圖Fig.3 Display circuit diagram

2.1.3 控制電路

本設計的人機控制電路為按鍵模塊，程序通過查詢按鍵的狀態，判斷是否對目標物體進行測量。按鍵1 啟動后能夠自動在OLED 上顯示被測對象的形狀、尺寸及攝像頭與被測目標之間的距離；按鍵2 啟動后能夠實現在擺放區域任意擺放被測目標，自動尋找目標并測量目標距離、形狀、尺寸及激光標識幾何中心，立體物體測量方法與平面測量方式相似，測量后顯示球形種類及與球表面的最近距離。按鍵電路圖如圖4 所示。

圖4 按鍵電路圖Fig.4 Key circuit diagram

2.2 系統軟件設計

本系統以STC8A8K 為MCU，程序開始執行時，先將各個功能函數進行初始化，再在程序中循環查詢按鍵的狀態。

K1 按下，系統進行平面圖形的識別任務，包括識別出被測物體的形狀、尺寸和顏色；K2 鍵按下，系統執行自動巡查任務，在舵機的控制下轉動攝像頭，進而識別相關物體，包括識別球類物體。識別任務完成之后，通過蜂鳴器、LED 發光二極管做出提示，將所測得的數據經OLED 屏顯示。系統主流程如圖5 所示。

圖5 系統主流程Fig.5 Main flow chart of system

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

測試開始時，按下按鍵會有光電提示并開始進行測試。首先以激光測距模塊獲取測量裝置與被測物體的相對距離，并進行圖像識別，MCU 通過串口獲取各個測試模塊的數據并對其進行分析處理，隨后在OLED 顯示屏上顯示測量數據；其次測量任意位置的目標物體，攝像頭模塊獲取被測物體與背景板的相對位置，激光模塊獲取測量裝置與背景板的相對距離，隨后數據經串口發送至單片機，單片機進行數據處理，以PWM 波的形式控制舵機轉向，直至激光筆點在被測物體幾何中心，并在OLED 顯示屏上顯示測量數據，測試完成。

3.2 測試結果完整性分析

（1）平面測量

本次測試將圓形固定中心點后，分別對形狀、顏色、距離以及邊長進行3 次測試，并將測量值與實際值進行比較。

平面圖形測量顯示與實際結果均相同，平面圖形顏色識別與實際顏色均相符，距離測量誤差分別為23 mm、42 mm、17 mm，相對誤差平均為96.8%；邊長誤差為2.1 mm、1 mm、2.2 mm，相對誤差平均為96.3%。對于平面圖形的測量誤差控制在較小范圍內，能夠完成平面側面設計任務，結果如表1 所示。

表1 圓形中心平面測量Tab.1 Circular center plane measurement

（2）自尋目標測量

將被測對象移動至偏離激光中心點，按鍵2 啟動后，舵機自動轉向實現對被測平面目標的形狀、顏色、激光與平面的距離、邊長。根據3 次測量結果顯示自動追尋目標能夠準確識別平面目標的形狀及顏色，被測目標與攝像頭距離誤差分別為56 mm、30 mm、21 mm，平均相對誤差為98.5%，圖形尺寸邊長誤差分別為23 mm、31 mm、5 mm，平均相對誤差為94.3%。根據測量結果，滿足自動追尋目標的設計任務要求，結果如表2 所示。

表2 自尋目標測量Tab.2 Self-targeting measurement

（3）立體目標測量

將足球至于背景板前，分別對其進行3 次測量，每次均能夠正確識別球形種類。激光與球表面最近距離誤差分別為21 mm、68 mm、15 mm，直徑誤差分別為7 mm、20 mm、30 mm。根據測量結果，該項目測試能夠準確判斷球類品種與球表面最近距離，并在2 min 內完成，結果如表3 所示。

表3 立體目標測量Tab.3 Three-dimensional target measurement

4 成品及使用說明

按下K1 鍵，進行定點平面圖像識別，經過5 s左右，OLED 屏顯示平面圖形的顏色、形狀、尺寸、測量頭與目標的距離；K2 鍵短按實現尋找平面圖形中心點與尋找立體圖形中心點的功能切換，長按則實現該功能，如第1 次長按K2，3 s 后會進入尋找平面圖形中心點的功能，尋找完成后會對目標形狀進行識別，并在OLED 屏上顯示信息。實物圖如圖6所示。

圖6 實物圖Fig.6 Physical drawings

5 結語

經過系統設計，建立了圖形像素與檢測雙方的函數關系，以求解出實際物體的尺寸。在單次測量目標物體邊長、幾何形狀和表與測量頭距離的基礎上，實現了自動尋找目標的測量和立體目標的測量。各項測試均在設計任務中所規定時間內，基本達到了相應的設計目標和設計要求。本文的設計可以在工業工件測量領域大展身手，具有快速穩定、智能化程度較高、造價低等特點，對于大量工件尺寸檢測具有重要的現實意義。