作者：周江華 ， 烏建中 ， 徐鳴謙

通過人眼觀察進(jìn)行識(shí)讀的傳統(tǒng)水準(zhǔn)器式傾斜儀表，直觀但精度不高、靈活性不強(qiáng)。通過引入CCD圖像傳感器采集水準(zhǔn)器中氣泡圖像并結(jié)合圖像識(shí)別算法分析計(jì)算氣泡圖形邊緣，研究開發(fā)了具備傾斜角度數(shù)值輸出能力的新型傾斜傳感器。并進(jìn)一步通過采用DSP處理器并應(yīng)用嵌入式設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了該類型傾斜傳感器的小型化原型，從而顯著地提高了測(cè)量精度和應(yīng)用的靈活性，克服了傳統(tǒng)儀表的不足。

傾斜傳感器（又稱為水平儀）是測(cè)量微小傾斜角的一種測(cè)量器具，主要用于測(cè)量或檢驗(yàn)相對(duì)于水平位置的傾斜角、表面的水平度、垂直度等，因此在機(jī)械制造、設(shè)備安裝和維修中，傾斜傳感器是最基本的測(cè)量器具之一。根據(jù)工作原理，傾斜傳感器一般可以分為水準(zhǔn)器式傾斜傳感器、光學(xué)傾斜儀和電子傾斜傳感器等幾大類別。

基本原理

微型傾斜傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)合了水準(zhǔn)器式傾斜傳感器和電子傾斜儀表的優(yōu)點(diǎn)，通過采用CCD傳感器采集水準(zhǔn)器中氣泡的圖像，再通過圖像處理來獲取氣泡的位置，進(jìn)而計(jì)算傾斜參數(shù)。

圖1是傳統(tǒng)水平儀示意圖。當(dāng)水平儀傾斜時(shí)，玻璃管中的氣泡移動(dòng)，偏離中心位置。偏離中心位置的大小與水平傾角相關(guān)。在這種情況下，水平儀只能測(cè)量相對(duì)水平方向的傾角，測(cè)量的傾角范圍相對(duì)較小、測(cè)量精度不高。因而它通常只能用來判斷是否水平，而不能用來測(cè)量具體的傾斜角度。

將上面的管狀水準(zhǔn)泡改變成圓盤形后，如圖2 所示，則可以通過氣泡的位置來測(cè)量二維平面的傾斜角度。為了進(jìn)一步提高傾角的測(cè)量范圍，可將盤形水準(zhǔn)泡變?yōu)榍蛐?，可以通過計(jì)算投影平面上氣泡的位置來獲得球面上氣泡相對(duì)于鉛垂線的角度。

如圖3所示，通過CCD攝像頭采集水準(zhǔn)泡圖像，再利用圖像處理獲取氣泡邊緣并計(jì)算氣泡中心點(diǎn)的坐標(biāo)，從而可以計(jì)算出相對(duì)于水準(zhǔn)泡中垂線的方位和傾角。

原型設(shè)計(jì)

硬件方案

在實(shí)驗(yàn)階段，根據(jù)現(xiàn)有的器材，先采用如圖3所示的“快速原型”方式，即通過連接電腦的攝像頭來采集水準(zhǔn)泡的圖像，并在PC機(jī)上進(jìn)行圖像處理和氣泡位置識(shí)別，進(jìn)而計(jì)算出傾斜數(shù)值。在調(diào)試驗(yàn)證了方案的可行性之后，再采用DSP處理器，重新設(shè)計(jì)電路板，將圖像采集和圖像處理集成，從而將其小型化，實(shí)現(xiàn)傾斜傳感器的樣品。

軟件方案

數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集處理主要包括：

① 攝像頭中的處理器通過AD采樣獲取了CCD傳感器中各點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，通過USB傳送到PC機(jī)。

② PC機(jī)一方面將USB 傳來的數(shù)據(jù)按幀顯示到屏幕上;另一方面將每幀圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)矩陣，交給由MATLAB語言編制的邊緣檢測(cè)函數(shù)處理。

③ 處理邊緣檢測(cè)函數(shù)輸出的二值圖像，計(jì)算出邊緣對(duì)象的中心位置，并顯示到屏幕上。

④ 由于圓盤形水準(zhǔn)器表面不能是完全水平的或者由于水準(zhǔn)泡是球形的，故需要根據(jù)成像模型進(jìn)行適當(dāng)修正，方能計(jì)算出實(shí)際的傾斜程度和方位。

圖像處理算法

在設(shè)計(jì)中，需要從圖像中找到氣泡邊緣，因而要選擇合理的邊緣檢測(cè)算法。目前常用的邊緣檢測(cè)主要有Roberts算子、Sobel算子、Lap lace 差分算子、Prewitt算子、Marr算法等?？紤]本設(shè)計(jì)中的成像圖像比較簡(jiǎn)單、干擾信息較少，而且可以通過調(diào)整背景和光照增強(qiáng)氣泡圖形，所以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中采用了最簡(jiǎn)單常用的Sobel算子。同時(shí)利用Matlab作為程序設(shè)計(jì)語言，應(yīng)用其工具箱中成熟的圖像處理算法。

通過編程實(shí)現(xiàn)的邊緣檢測(cè)效果如圖5所示。CCD攝像頭采集到的水準(zhǔn)泡的圖形，經(jīng)過預(yù)處理之后顯示在左邊圖片框中，右邊為處理結(jié)果，包括氣泡的邊緣、邊緣對(duì)象的中心（表示為圓點(diǎn)）以及表示相對(duì)參考點(diǎn)（表示為方塊）偏離角度和距離的直線。

系統(tǒng)功能模塊及硬件設(shè)計(jì)

功能模塊結(jié)構(gòu)

在PC機(jī)上驗(yàn)證之后，接下來的是設(shè)計(jì)專門的電路板，實(shí)現(xiàn)小型化的要求。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)電路板的功能模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

功能模塊主要包括了4個(gè)部分： ①CCD傳感器，用于采集水準(zhǔn)泡圖像。②DSP處理器，用于讀取CCD傳感器數(shù)據(jù)并處理讀取數(shù)據(jù)，完成圖像邊緣識(shí)別及傾斜角度計(jì)算功能。另外，還需輸出數(shù)據(jù)，顯示到屏幕上和發(fā)送到RF芯片。③RF模塊，用于發(fā)送傳感器的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器的安裝位置比較特殊時(shí)，采用無線方式將減少線纜的麻煩，提高應(yīng)用的靈活性。④LCD模塊，主要用于顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)需要，設(shè)計(jì)成可選模塊。

電路板設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)要求，選擇元件繪制原理圖并生成電路板PCB圖。在電路板的布局上，注意以下幾點(diǎn)：

① 電路板的大小和水準(zhǔn)器圓盤的相互匹配。

② 核心元件CCD傳感器芯片和DSP處理芯片布局。將其中的CCD芯片布置在電路板的中心，同時(shí)在CCD芯片四周留出鉆孔位置，方便安裝鏡頭。為減少電路板的面積，將DSP芯片放置在反面中間位置。再在四周布置必要的分立元件及用于連接RF發(fā)送模塊的接插件，顯示單元也做成模塊式，方便顯示單元的拆裝。

嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

核心算法的代碼移植

由于在前面的方案驗(yàn)證中，采用的是Matlab高級(jí)語言編制的邊緣檢測(cè)算法，因此需要將其轉(zhuǎn)化為DSP開發(fā)工具環(huán)境支持的C語言，利用Matlab 中的MCC編譯工具將M函數(shù)轉(zhuǎn)換為C語言。

代碼集成

將邊緣檢測(cè)算法轉(zhuǎn)化為開發(fā)工具所支持的語言之后，將編制的CCD芯片的讀寫操作函數(shù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出函數(shù)集成起來，通過調(diào)試排除基本的語法及邏輯錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)編譯通過，生成機(jī)器代碼。

在線調(diào)試

完成上面的代碼集成之后，通過聯(lián)機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

① 監(jiān)視程序中的變量，按照數(shù)據(jù)的流向，從數(shù)據(jù)源（即從CCD中讀取的數(shù)據(jù)）開始檢查排除錯(cuò)誤一直到最后輸出結(jié)果。

② 在輸出結(jié)果基本正確之后，通過測(cè)量出的實(shí)際的傾斜數(shù)值和系統(tǒng)輸出數(shù)值的比較，修正校驗(yàn)直到達(dá)到滿意結(jié)果。

結(jié)束語

微型傾斜傳感器的設(shè)計(jì)，目前還存在以下幾個(gè)方面問題需要繼續(xù)研究：

① 系統(tǒng)的精度：由于高的系統(tǒng)精度需要CCD有較高的分辨率，同時(shí)要求水準(zhǔn)器需要有足夠的面積，但這會(huì)和系統(tǒng)的成本和體積相矛盾。

② 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間：由于采用了水準(zhǔn)泡，而液體有一定的粘度，從而影響了水泡的流動(dòng)速度，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

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