CC BY
33
f
X
м»
RL
ч
л
/4L
Z
-1 !
^inax k. •
J lJ XÍT tw
RL
fv- ^ma* M ? — J V'r» i i « mm a a.
I M*
U Хуп"4
RLV1
* a
\
Рис. 1. Обобщенный рангозкй фильтр (а) на ходоуправляш ых рейтерах (б)
Фильтр (рис.1,а) воспроизводит операцию
2
* «ттЦ,J при / =...=/„_, =!;
= 1; = 0, (/
f = = f -Ml
¿ = = f i\ •■■ /.'в
=2 Л
(г)
при
л
л
/дМ " /.V ••• ~~ Jу-\
' ~ Л(г-1) ~ -Ал ~ ] и
=ь .1 (,
-max (л, ври /, «... = 0, /я =... = Лчj=I;
л = - = л,.-о = 0» Л = 1 (* I «}: :•
л=0, (;=«нк)>
следовательно, его настройка на выделение из' тожества
сигнала *(Г) любого заданного ранга г € {1>...,?з} осуществляется с помощью цифровых сигналов /к [к{), frj (i - \J/\ j=Xñ) ж без казою-лнбо структурных изменений.
'М
Зостаик^УлГТУ 2/200 !
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волгин Л.й. Синтез устройств для обработки и преобразования информации в элементном базисе релятарсз. Таллинн: Валгус, 1989. 179 с.
2. Волгин ЛИ. Комплементарная алгебра и предикатная алгебра выбора. Ульяновск: ШЩ 1996. 67 с.
3. Левин В.И. Структурно-логические методы исследования сложкь*х систем с применением ЭВМ. М.: Наука, 1987. 3.06 с.
4. Андреев Д.В. Развитие элементного базиса предикатной алгебры выбора/У Научно-технический калейдоскоп. 2000. К°.1. С Л 5-20.
я Ф & # я в Ф
• <
Андреев Дмитрий Васильевич, кандидат технических наук,, доцент, окончил раОиотехнический факультет Ульяновского политехнического
института. Доцент кафедры «Проектирование и технология
_ ________ _
электронных средств» УлПУ. Имеет статьи и патенты в области вычислительной и кибернетической техники.
л
9 Ш
УДК.681.317
*
СХ КИСЕЛЕВ, Н.О. ГРАЧЕВА
• I
• » •• • • •« • * « * •• ' » » •• • » - * •» • ••• * - *
АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ШКАЛ СТРЕЛОЧНЫХ ПРИБОРОВ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОВЕРКИ
Рассматриваются средства получения и обработки показаний стрелочных электроизмерительных приборов в системах автоматизации поверки. Предложены алгоритмы обработки, позволяющие определять показания прибора по оцифрованному изображению его шкапы. Проанализированы погрешности разработанных алгоритмов и указаны пути повышения точности поверки с использованием этих алгоритмов.
Несмотря на большое разнообразие описанных в зткгературе автоматических невероятных установок для стрелочных приборов [1]} их сяожкость, недостаточные надежность и стабильность привели к тому, что широкого внедрения они не получили. Это объясняется наличием электромеханических устройств для перемещения оптоэлектрошшх преобразователей, невысоким уровнем использования серийко шгогавливаемой аппаратуры, введением в систему отдельных уникальных блоков, ориентацией таких систем на поверку приборов конфетного типа шга устройства, сложностью перенастройки на новый тип приборов, низким классом точности повфяемых приборов.
В области создания систем, обеспечивающих полную ала частичную автоматтшщю процесса поверки, в настоящее время олажявгоеь несколько
Вестник УлГТУ ?ЛОО 1 25
направлений, основное отличие которых состоит в использовании различных технических средств съема показания с аналогового прибора, тип которых определяет во многом и использование тех или иных способов и средств преобразования, передачи и обработки показаний.
Средство считывания показаний является наиболее ответственным блоком в системе АП, от которого в основном зависит качество поверки. Его конструкция, характеристики определяют возможность поверки приборов с различными шкалами, возможность реализации различных методов поверки.
Существующие системы автоматизации поверки можно, разделить по способу считывания показаний прибора на следующие три группы [8]:
1. С устройствами на неоптических физических эффектах.
2. С оптико-механическими следящими системами.
3. С устройствами, использующими в качестве датчиков положения стрелочного указателя поверяемого прибора телевизионные датчики изображения. .
Последнюю группу можно разделить на два класса:
1. Содержащий считывания показаний на базе телевизионных датчиков
со строчно-кадровой, круговой и специальной разверткой и
• в — ■ .
использованием спегщализированных вычислителей.
2. Содержащий считывания показаний на базе современных систем технического зрения (СТЗ), использующих полное или выборочное считывание изображения шкалы стрелочного прибора (СГ1), лрофаммяую его обработку, реализуемую на персональном компьютере, и выделение штрихов отметок и стрелочного указателя.
В последнее время одним из самых современных и доступных СТЗ является оптический планшетный сканер. Использование сканера в качестве средства считывания обеспечивает такие преимущества, как увеличение по сравнению с телевизионными датчиками разрешающей способности (до 4800 точек/дюйм), диапазона воспроизводимых яркостей изображения (256 градаций серого), возможность прямого ввода информации з ПК, в результате чего отпадает необходимость использования специальных блоков цифрового преобразования непрерывных изображений и блоков сопряжения с ПК, возможность реализации различных способов поверки.
Известно устройство для автоматической поверки стрелочных
измерительных приборов, содержащее блок обработки и управления, блок
• • •
формирования калиброванных сигналов и оптический сканер планшетного типа [4]. При программном управлении скоростью сканирования это устройство используется дня реализации способа автоматической поверки приборов £ динамическом режиме. Но на этом же устройстве можно реализовать способ поверки, использующий статический режим подвижной части шкалы прибора и динамическое считывание показаний
Вестник УлГТУ 2/200!
прибора, с последующим определением погрешности по методу отсчета показаний по шкале поверяемого прибора. По этому методу приведенная погрешность определяется как отношение разности между углом отклонения стрелки от нулевой отметки и углом поверяемой отметки, которая пропорциональна абсолютной погрешности прибора [2], и размаха шкалы.
Таким образом, задача определения погрешности прибора в этом случае сводится к определению углового положения стрелки прибора.
Определить угловое положение стрелки прибора можно путем аппроксимации стрелки прямой линией [8]. В качестве исходных данных для метода аппроксимации выступают координаты точек стрелки на изображении, причем для аппроксимации стрелки ее средней линией достаточно использовать лишь точки, находящиеся на границах стрелки, которые составляют ее контур. Таким образом, встает задача получения координат точек контура стрелки, т.е. отделения стрелки от отметок шкалы и другой сопутствующей информации, нанесенной на шкалу прибора.
В результате сканирования шкалы прибора оптическим сканером получается изображение, которое, как известно [6,7], представляет из себя матрицу распределения яркости на изображении прибора. На рис.1 представлено изображение прибора, имеющее в каждой точке яркость соответственно одной из 256 градаций серого цвета. Изображение может быть переведено в черно-белое путем пороговой обработки, а порог, определяющий границу между черным и белым цветом, подобран таким образом, чтобы сохранить максимальную информативность изображения и в то же время отсечь нежелательные тени и помехи.
Выделение стрелки прибора можно осуществить вычитанием двух черно-белых изображений прибора с разным положением стрелки на шкале. В этом случае получается результат, представленный на рис.2.
Присутствующий на изображении случайный шум объясняется нестабильностью встроенного аналого-цифрового преобразования сканера и легко убирается программной обработкой изображения по методу медианной фильтрации [5] (см. рис.3).
Таким образом, получается изображение, на котором присутствует только стрелка поверяемого прибора. Но как было сказано выше, для аппроксимации ее прямой линией необходимы координаты только точек контура стрелки на изображении.
Рис. 1 Изображение шкалы прибора, полученное с оптического планшетного сканера
{ г
\
4
9
I
1
1
Рис 2. Результат вычитания двух Рис 3 Результат медианной фильтрации
черно-белых изображений шкалы прибора изображения рис. 2
Большинство, методов подчеркивания контуров основано на высокочастотной фильтрации, причем может использоваться как классическая фильтрация, состоящая в преобразовании Фурье функции распределения яркости с последующим наложением фильтра и обратным преобразованием Фурье, так и всевозможные высокочастотные маски, наиболее распространенные из которых описаны в [5]. Однако высокочастотная фильтрация даст лишь увеличение перепадов яркости на границах объектов на изображении (рис.4,а), в то время как нелинейная локальная обработка изображения по формуле
- и )Г + [Лад) - , (1)
где - яркость точки исходного изображения; е(п[9п2) - яркость
точки полученного изображения, дает повышение яркости в точках, соответствующих контурам объекта на изображении. Формула (!) представляет собой дискретный аналог модуля градиента функции яркости [7]. Результат выделения контура стрелки с помощью градиентного метода представлен на рис.4,б.
¿д-
аозс
а б
Рис. 4. Результаты подчеркивания контуров на изображении рис. I с использованием высокочастотной дискретной фильтрации (а); градиентного метода (б)
Вестник УяГ ГУ 2/200!
После того как на изображении остались только точка, соответствующие контуру стрелки, можно определить ш координаты в системе координат, заданной строками и столбцами матрицы изображения прибора, и с помощью метода наименьших квадратов [3] шшрохсимиравать стрелку прямей лиашей. Причем, если в большинстве задач аппроксимации степень аппроксимирующего полинома не известна, то в данном случае четко стоит задача ашхроксимации прямой линией, т.е. полиномом первой степени, а коэффициент с. будет в этом случае
являться тангенсом угла наклона средней линии стрелки и может быть легко пересчитан в угловое положение стрелки на поверяемой отметке относительно оси абсцисс в системе координат, заданной строками и столбцами матрицы изображения. Угол отклонения стрелки от нулевой отметки может быть найден путем предварительного определения углового положения стрелки, находящейся на нулевой отметке, относительно оси абсцисс в системе координат, заданной строками и столбцами изображения. Разность между угловыми положениями стрелки на нулевой отметке к на поверяемой отметке даст угол отклонения стрелки на поверяемой отметке от нулевой. *
Достоинства такого метода определения погрешности заключаются в гом, что, во-первых, иет необходимости строго позжшонироватъ прибор в поле считывания сканера; во-вторых, он может быть использован для поверки приборов с разным размахом шкалы. Погрешность этого метода определяется несколькими составляющими: 1 - погрешностью от разброса углов положения отметок на шкале; 2 - погрешностью от разбросаразмаха шкалы у приборов одного типа.
Исключить одну ш составляющих погрешности можно, определяя угловые положения отметок шкалы на изображении. Решение этой задачи включает в себя определение геометрических характеристик шкалы прибора: координат центра шкалы (в системе координат, заданной строками и столбцами матрицы изображения) и радиуса шкалы. Координаты центра шкалы и ее радиус определяются исходя из того, что расстояние между крайними точками первой и последней отметок равно стороне квадрата, вписанного в окружность с центром в центре шкалы.
Путем программного сканирования изображения по дуге К1 (рис.5) определяются угловые положения всех поверяемых отметок шкалы, а сканирование по дуге Я2 позволяет определить угловое положение
стрелки.
~ Как следует из сказанного, данный способ предусматривает некоторые допущения при определении углового положения стрелки к отметок: размах шкалы равен 90°, ось вращения, стрелки совпадает с нешром- -шкалы. К недостаткам способа можно отнести, во-первых, то, размах шкалы должен быть точно известен (что для большинства стрелочных приборов яе выполняется); во-вторых,, дояашктельяую погрешность,
Вясгаих УяГТУ -/'2001
25
• - •• • «
т Л » »!••»• * «•
вызванную неточным определением центра кгкзлы по двум точкам и несовпадением оси вращения стрелки с определенным центром шкалы (рис.6). Достоинством данного способа является то, что, изображение прибора на каждой поверяемой отметке анализируется отдельно от всех остальных, и это повышает надежность функционирования программного обеспечения системы.
• *
Рис. 5. Изображение шкалы поверяемого прибора с построенными
дугами радиусов R1 и R2
.<1 Лг/»
лУгЧЫНг'
I ."Л
Большинство сбоев программного обеспечения в случае реализации первого описанного метода определения погрешности путем аппроксимации стрелки прямой линией происходило из-за смещения одного изображения относительно другого в результате нестабильности перемещения каретки сканера или из-за: несовпадения яркости одних и тех же точек на двух изображениях прибора, обусловленного погрешностью встроенного устройства аналого-цифрового преобразования сканера Причем даже незаметное или кажущееся незначительным при визуальном анализе несовпадение изображений приводит при программной обработке
• • «••*•• • - ' А •• • < • » Л • I J»» • JL - • » ■>.« • ««• /, т
к сбою в работе системы.
Экспериментаяыше исследования показали, что собственная погрешность системы при использовании метода аппроксимации стрелки прямой линией составляет 0.3-0.5%, и система в этом случае может быть использована .для поверки приборов класса точности 1.5 и ниже. Погрешность системы при использовании метода "определения углового положения стрелки по. геомэдтческим хара^сх^цстика^ шката. прибора составила 0.2-0.3%, что позволяет использовать ее для поверки приборов класса точности 1: Изображения шкал поверяемых приборов при этом вчитываются с разрешением 200 dpi. Для уменьшения погрешности системы можно предложить два пути; первый состоит б увеличении разрешения при сканировании прибора, что даст возможность точнее разделять объекты на изображении, но и приведет к значительному увеличению объема обрабатываемой шформацнк, а второй путь состоит в
• • %
« «• —
»• * »•
in
Ввсшик УлГТУ 2/20С4
--"С---->---
У в{хг,уг)
N
^Программно определенный р ХЛ([ V , ( центр шкалы х2~х
Л = V 1 г -XJ + Ь'2 -УIJ ) N *с = -—-1
Центр шкалы ' / ** =
Рис. 6. Определение геометрических характеристик шкалы прибора
СС - реальный угол отклонения стрелки;
программно определенный угол отклонения стрелки
совершенствовании алгоритмического обеспечения системы и применении других способов определения погрешности прибора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
, ! •
1. Безикович А.Я., Прицкер В.И., Эскин С.И. Автоматизшшя поверки электроизмерительных приборов. Л.: Энергия, 1976. 216 с.
2. Киселев С.К., Медведев Г.В., Мишин В.Д. Автоматическая позерка стрелочных электроизмерительных приборов в динамических режимах. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1996.120 с.
3. Носач В.8. Решение задач агшрокснмации с помощью персональных компьютеров. М.: МИКЛП, 1994. 382 с.
4. Патент РФ 2152047. Способ и устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов / Н.О. Грачева, С.К. Киселев, Е.В. Романова // Открытия. Изобретения. 2000. № 15.
5. • Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. Кн.1.
312 с. Кн. 2 540 с.
6. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Ч. 1. Математические модели // Собесовский образовательный журнал. 1996. № 2.
7. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Ч. 2. Методы и алгоритмы // Соросовскяй образовательный журнал. 1996. № 3.
1?. Удут Д.Л. Автоматизированные компьютерные комплексы .для поверки и контроля качества стрелочных измерительный приборов. Автореферат дис. ... канд. техк. паук. Томск: Томск, политехи. ун-т,1992.20 с.
W
• к ' I
Киселев Сергей Константинович, кандидат технических наук, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического института. Доцент кафедры «.Измерительно-вычислительные
Зесчтш* УдГТУ 2/2001 . 31
комплексы» УлГТУ\ Имеет научные работы в области автоматизации производства электроизмерительных приборов.
Грачева Наталья Олеговна, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ, имеет публикации по разработке систем автоматической поверки измерительных приборов.
• •
УДК 681.5183
В.И. СМИРНОВ, М. Г. ИЛЬИН
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЕА ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ
■
Рассмотрен новый способ преобразованы параметров электромагнитных датчиков, основанный па возбуждении в датчиках переходных процессов. Приведена структурная схема измерительного устройства, реализующего банный способ. Устройство является конструктивной • основой измерительных приборов, выполненных либо в виде специализированной платы расширения для персонального компьютера; либо в виде микропроцессорных устройств, управляемых однокристальными микроконтроллерами.
Современное состояние контрольно-измерительной техники характеризуется активным внедрением микропроцессоров и компьютеров в процесс измерений. При этом важное значение приобретает скорость получения измерительной информации и ее обработка. Для современных компьютеров и микроконтроллеров частота опроса датчиков порядка десятков мегагерц является достаточно обычной величиной, в то же время возможности самих датчиков в плане быстродействия много скромнее. Если, например, у резисторных .датчиков или датчиков генераторного типа быстродействие вполне удовлетворяет требованиям большинства задач, а коммутация измерительных каналов не вызывает особых сложностей, то у электромагнитных датчиков (ЭМД) ситуация, иная. Даже при использовании прямых методов преобразования параметров длительность однократного измерения у них обычно находится на уровне одной миллисекунды, а коммутация измерительных каналов вызывает переходные процессы, не позволяющие существенно повысить быстродействие датчиков. • *
В связи с зтим представляет интерес использовать для преобразования параметров непосредственно сам переходный процесс, возбуждаемый в индуктивных дяхчиках кратковременными электрическими импульсами. Как показано в [1], повысить чувствитежность и быстродействие можно, если яроизвести замену конденсатора в цепи зщцуктавного датчика на
нелинейный элемент - диод с большим временем восстановления обратного сопротивления. В этом случае воздействие кратковременного импульса тока на яараллельшлй ЬО - контур приводит к переходному процессу, длительность которого зависит от параметров катушки индуктивности датчика. Структурная схема шмерителъного устройства, осуществляющего преобразование «индуктивность датчика->длительность
• I
переходного процесса->напряжение->цяфровой код», представлена на
рис. 1.
Дахяжи
Г'
я
Много- ] канальный * усшшгевь
Ухфамеюю ^Йок форин-
1
рсзвакяг ЙИПТЛЪСОВ
А ярег. ш&па
Строб
Опврног пят
Запрос ярермвагая
О
V
Данные
И
усиленна я коррекция |
Схема
1
Интегратор'-
I
Схе&а исключающее ИЛИ
Рис. 1. Структурная схема измерительного устройства
Импульс Запуск возбуждает переходный процесс в датчике,
•
подключенному к измерительному каналу с установленным на данный момент адресом. Аналогичный процесс, возбуждается в опорном плече датчика. Компаратор определяет длительность переходного процесса, а схема «исключающее ИЛИ» выделяет разность этих длительностей в измерительном и опорном плечах, формируя на выходе импульс рассогласования, длшельность которого однозначно связана с изменением индуктивности датчика. Интегратор преобразует длительность импульса рассогласования в напряжение, которое в дальнейшем усиливается и преобразуется в цифровой код В зависимости от конструктивного исполнения показанный на рисунке структурный блок «Схема управления» реализован либо на однокристальном микроконтроллере, либо его роль выполняет центральный процессор персонального компьютера.
