Алгоритмы определения показаний профильных приборов Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

2 канала изм тока 4.-20 мА "Давление" _

4 канала изм частоты "Объем расход'

4 канала изм.

сопротивления

"Температура"

Микроконтроллер ATrr.egal 28L

128кВ ПЗУ программ

Фильтр 2 16-'/» раза

1 счетчик

4кБ ОЗУ

и

Кнопки управл

Тепловычислитель

4кБ ПЗУ данных

Часы реальн.

времени.

календарь

Строжевой таймер

i__

ЖКИ 2 стр 16 символ.

512 кБ ПЗУ данных

и

Драйвер RS232 или USB

Интерфейс

клавиатуры

PS/2

Принтер

ПК

Устройство

переноса

данных

Клавиатура

персонального

компьютера

Рис. 2. Структура тепловычислителя Сравнение вариантов программирования тепловычислителя

Таблица 1

Вариант программирования Недостатюгварианта Достоинства варианта

Использование встроенной клавиатуры Большое время программирования из-за ошибок - от 10 до 25 минут Не нужны дополнительные средства

Использование внешней клавиатуры Требуется дополнительная клавиатура с 101 клавишей (например, Keyboard Win95 PS/2) стоимостью 100 рублей Время программирования 5-10 минут. Практически исключены ошибки

Использование персонального компьютера Требуется переносной компьютер с операционной системой WindowsXX Время программирования 4-7 минут. Практически исключены ошибки за счет наглядности

Последний вариант привлекателен еще и тем, что позволяет в одной компьютерной программе совместить и наглядное программирование прибора, и работу с его архивами, и поверку.

Благодаря использованию микроконтроллера АУЯ, интегрирующего всю необходимую периферию, схема ТВ состоит всего из 5 микросхем, размещенных на печатной плате 85x80 мм. Корпус ТВ имеет размеры 110x85x55 мм. Проведенная работа

показала высокую эффективность процесса проектирования устройств на основе микроконтроллеров АУЯ и высокое качество получаемых решений. Описанный тепловычислитель проходит сертификацию.

Виноградов Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» (ИВК) УлГТУ.

УДК 681.327

С. К. КИСЕЛЕВ, Д. Г. ШАБАЕВ

АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРОФИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Рассмотрены алгоритмы подготовки изображений искал и определения показаний профильных приборов, учитывающие искажения шкалы на изображении при оптическом считывании. Результаты предназначены для автоматизации поверки стрелочных электроизмерительных приборов с профильными шкалами.

В настоящее время известно большое количество способов автоматической поверки стрелочных электроизмерительных приборов (СЭП) и устройств для их реализации [1]. Однако все они ориентированы на стрелочные приборы обычной конструкции с квадратным наличником. В то же время, если проанализировать, например, продукцию ОАО «Элек-

троприбор» г. Чебоксары - одного из лидеров в области производства аналоговых электроизмерительных приборов в России, - то данным предприятием массово выпускается около 90 вариантов приборов с профильными шкалами, автоматизация поверки которых также необходима.

При автоматизации поверки С')П для считывания показаний используются системы технич-сского фения на основе видеокамер либо оптических сканером (2.3] Показание поверяемого прибора в пом случае определяется путем ал! оритмическои обработки оцифрованного изображения шкалы по координатам стрелочного указателя и поверяемой отметки.

При отсчитываннн показании прибора профильного типа возникнет рял технических и алгоритмических сложностей. Во-первых, в силу того, что шкапа профильного прибора имеет значительную кривизну, не все устройства оптического считывания могут быть успешно применены, во-вторых, при

::- .г :• . • :

проецировании шкалы поверяемого С')П профильного типа на плоскость оптического считывания получается искаженное изображение шкалы, что ведет к возникновению дополнительной погрешности определения координат отсчитывающих теменгов Следовательно, при разработке алгоритмов определения координат отсчитывающих "элементов необходимо учитывать наличие данной методической погрешности.

Если для считывания показаний профильного прибора использовать оптический сканер, то поверяемый прибор помещается в специальную технологическую маску, фиксирующую его на планшете сканера, рис. I.

Поверяемый прибор Оптическая

головка .у Маска /

/

/

Планшета сканера

1_1

Механизм перемещения

Рис. I. Положение поверяемого профильного прибора на планшете оптического сканера

Наиболее распространенные планшетные сканеры. производимые в настоящее время, по типу считывающих элементов делятся на две группы: на основе CCD (Charge Coupled Device, прибор с зарядовой связью - ПЗС) и CIS (Contact Image Sensor, контактный сенсор изображения).

Основное отличие двух данных типов сканеров заключается в том, что в CCD-сканерах в качестве источника света используется лампа с холодным ка-то дом, а для передачи света, отраженного от оригинала, к фотоприемнику используется оптическая система, включающая в себя объектив и систему

зеркал. В ОБ-сканерах источником света служит линейка светодиодов, а прием ведется непосредственно фотоэлементами, плотно прилегающими к стеклу планшеты. Отсутствие фокусирующей оптической системы у С18-сканеров уменьшает их габариты и вес, но значительно снижает глубину резкости. Поэтому уже при незначительном удалении считываемого объекта от плоскости оптического считывания теряется резкость передачи деталей, что значительно снижает качество получаемых изображений шкалы прибора профильного типа, рис. 2.

а б

Рис. 2. Отсканированное изображение шкалы прибора а - полученное при помощи ОБ-сканера; б - полученное при помощи ССО-сканера.

Очевидно, что при автоматизации поверки профильных приборов для считывания показаний необходимо применять ССО-сканеры.

Алгоритмы определения показаний поверяемого прибора по полученном) изображению можно разбить на 2 группы:

- алгоритмы предварительной обработки изображения. назначение которых преобразовать исходное изображение, полученное со сканера, к виду наиболее удобному для дальнейшей обработки;

- алгоритмы определения показания.

Для предварительной обработки изображений шкал приборов профильного типа был разработан алгоритм, состоящий из следующих операций:

1. Сегментация - выделение области изображения для последующей обработки. Выделяется прямоугольная область, размеры которой соответствую! передней панели прибора, что позволяет исключить фоновую часть изображения, сократить объем обра-

батываемой информации и гем самым повысить быстро де ист вис л ал ь ней \ не й обработк 11.

2. Бинаризация преобразование полутонового или цветного изображения в двухцветное. Заключается в разделении изображений элементов на панеми прибора на два класса по признаку яркости. Реализуется за три этапа:

- алгоритмический перевод цветного изображения в серое:

- повышение контраста серого изображения;

- пороговое разделение.

3. Фильтрация - подавление шумов на полученном бинарном изображении панели прибора.

Для данной группы операций можно использовать стандартные алгоритмы обработки оцифрованных изображений {4.5]. Результаты реализации данных ал!оритмов применительно к изображениям приборов с профильными шкалами приведены в таблице 2 и на рис. 3.

1

Предварительная обработка изображении iикал

Таблица I

Изображение шкалы прибора

Диаграмма распределения яркостей точек на изобра- • женин

11еревод изображения в оттенки серого Gray =

213-/? + 715-G + 72-Д

1 ООО

1е,М 15WQ

Г! JM.ч?Л ЙЗ .^-rv-

П, п. п, п П п п тДз LI Li 1_

_

-

й

8 Э 1С И 12 13 14 15

О 16

Контрастирование серого изображения

/

\ •

Conirastdmvl = 60 •

Gray

80000 60000 -j— 40000 ¿1— 20000 0

62Э

72\П

1 п 0

О О О О О fi о

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

ООО

1Л sr гЛ

и i 1. 1 xjlJ-JL-L

а

О _

<4 -Г4 . С

1 1

-l i ! м 1 ! i ! 1 i l

А

О 1Л

-LI

I—

о

о

Сч|

О

1 1

1 1 1 1 « I 1 fill] ! 1 !

й

о

L

Рис. 3. Изображения, получаемые в ходе предварительной обработки

I

а - после бинаризация изображения (порог бинаризации равен 120 , т. е. 8 интервалу на диаграмме распределения яркостей контрастированного серого изображения); б - после фильтрации единичной матрицей 8x8 элементов

Показание поверяемого прибора пропорционально расстоянию от нулевой отметки шкалы до середины стрелочного указателя:

(КоординатаНулевойОпьметки - КоордииатаУказателя)

Показание = -----^ • МаксЗначение ,

\КоордииатаНулевогЮпшетки - КоордияатаПоследнейОпшетки)

где МаксЗиачение - предел измерения поверяемого прибора.

Однако при этом, как отмечалось выше, остается не учтенной погрешность, возникающая из-за кривизны лицевой панели прибора, т. е. не учитывается искажение изображения при оптическом считывании. Его можно учесть при известном радиусе кривизны передней панели прибора, рис. 4.

Ь — Я - агсБш

Я

V ^ J

Рис. 4. Коррекция проекции шкалы

При пересчете координат отсчитывающих элементов шкалы фактически производится «растяжение» проекции шкалы до ее реальных размеров, рис. 5.

Но очевидным недостатком такого алгоритма является его высокая чувствительность к отклонениям реального положения прибора на планшете сканера от вертикального, что приводит к снижению точности алгоритма.

0 о с 1 1 » 1 1 11)1 > о о "> <М О 1 1 1 1 1 1 1 1 • 1 1 1 1 1

1

О О С 1/1 -т ^ I 1 1 I 1 1 1 1 1 > о о ч <м о 1 Г 1 1 1 1 1 1 1 .1 J }_1

1

Рис. 5. Изображение шкалы прибора до и после коррекции

Другой алгоритм определения показаний основан на определении положения стрелочного указателя относительно двух ближайших отметок. Показание прибора в этом случае определяется как

_ гггг гл ^ РасстояниеОтОтметки ГТ1Г Показание - ЦД • Количествоитметок +--ЦЦ ,

РасстояниеМежду Отметками

где ЦД- цена деления шкалы в единицах измерения; КоличествоОтметок - количество отметок, расположенных между стрелочным указателем и нулевой отметкой, включая саму нулевую отметку; РасстояниеОтОтметки - расстояние между стрелочным индикатором и предыдущей отметкой; РасстояниеМежду Отметками - расстояние между предыдущей и следующей отметками.

Учитывая малость интервалов шкалы, погрешность, возникающая при проецировании шкалы из-за кривизны лицевой панели, становится достаточно малой. С уменьшением расстояния между отметками шкапы алгоритм дает более точные результаты. Поэтому при его использовании желательно определять координаты не только поверяемых отметок, но и координаты вспомогательных промежуточных отметок.

ДлияаИзобразюгпия

Рис. 6. Поиск отсчетных элементов шкалы при помощи маски

В обоих алгоритмах необходимо определять координаты отметок шкалы и стрелочного указателя. Поиск данных элементов на изображении шкалы прибора осуществляется следующим образом. На изображении выделяется область размером Длина И-зображенияхп, где п - ширина области поиска. На эту область накладывается маска размером тхп, которая сопоставляется с соответствующей частью на выделенной области изображения, а затем поэлементно сдвигается в заданном направлении, рис. 6. Условием нахождения отметки или стрелочного индикатора является достаточное количество черных точек, попавших в окно маски. Это количество определяется некоторой пороговой величиной, которая может принимать значения от 0 до т-п.

Проверка работоспособности разработанных средств для АП проводилась на вольтметрах типа М4243 класса точности 1.0 и М.42200 классов 1.5 и 2.5 производства ОАО «Электроприбор г. Чебоксары. В качестве образцовых использовались усредненные результаты десятикратной ручной поверки методом совмещения. Значения входного сигнала при ручной поверке контролировались электронным вольтметром В7-38. Автоматическая поверка проводилась методом калиброванных сигналов с использованием в качестве источника образцового сигнала калибратора П320. Показания контрольных приборов определялись программно при помощи каждого из разработанных алгоритмов.

Результаты экспериментальной проверки разработанных средств показали, что алгоритм определения показаний, основанный на определении положения стрелочного указателя относительно крайних отметок шкалы с последующей корректировкой полученного значения через радиус кривизны передней панели прибора, не обеспечивает требуемой точности для поверки приборов класса 2,5 и выше, т. к. разница в результатах образцовой и автоматической поверки достигала 1.3%.

Алгоритм определения показаний, основанный на определении положения стрелки относительно двух соседних с ним отметок, показал гораздо лучшие результаты. При его использовании разница в результатах образцовой и автоматической поверки не превысила 0,4%, что позволяет поверять приборы класса точности 1,5 и ниже.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Безикович А. Я. Автоматизация поверки электроизмерительных приборов / А. Я. Безикович, В. И. Прицкер, С. Г1. Эскин - Л.: Энергия, 1976 -216 с.

2. А.с. СССР 1383242 Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов и устройство для его осуществления / Ю. П. Свинолупов, В. П. Войтко, Н. М. Степаненко, Д. Л. Удут Опубл. Б.И.- 1988. -№11.

3. Киселев С.К. Система автоматизации поверки электроизмерительных приборов // Датчики и системы. - 2003. - №6. - С. 33-37.

4. Абламейко С. В. Обработка изображений: технология , методы, применение / С. В. Абламейко, Д. М. Лагуновский. - Ми.: Амалфея, 2000. - 304 с.

5. Сойфер В. А. Компьютерная обработка изображений. 4.2. Методы и алгоритмы // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - №3.

Киселев Сергеи Константинович, кандидат технических наук. Доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области автоматизации производства электроизмерительных приборов.

Шибаев Дмитрий Геннадьевич, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы » УлГТУ\ имеет публикации по разработке систем автоматической поверки измерительных приборов.