运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法

摘要

本发明公开了一种运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法，该系统包括高速CMOS成像装置，断路器触头，触头传动杆，多目标条纹测试标签和数据处理装置，触头传动杆与断路器触头连接，标定用的多目标条纹测试标签粘贴在触头传动杆的外露部分上，高速CMOS成像装置用于拍摄触头传动杆的高速运动图像，图像处理装置用于处理拍摄到的高速运动图像，并进行图像识别、分析和数据处理，并进行速度及行程的测试，同时显示最终的测试结果。与现有方法相比，由于使用了多目标条纹测试标签标定运动目标，可以自动追踪递补条纹获得断路器触头的运动位移信息，因此对断路器动触头的行程及速度测量快速、准确，适应测试对象多样。

说明书

技术领域

本发明涉及高压断路设备的非接触式测试技术领域，特别涉及一种运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法，可获得待追踪目标的位置信息，并通过图像处理系统和数据分析结果绘制目标的位移和时间的关系曲线，进而获得断路器运动行程与速度信息。

背景技术

电力系统变电站高压断路器的行程与速度的测试，是高压断路器机械特性实验的重要实验项目和指标。高压断路器的行程与速度影响开关的灭弧特性、分合闸同期性以及设备的可靠性，而且这些项目是高压断路器大修、交接、周期性检修必须要进行的测试项目。

电力系统6.6KV及以上高压断路器是电力系统主设备，传统的行程和速度测试传感器主要是利用接触式的电阻位移传感器以及光电编码传感器。此类传感器相对笨重，影响被测运动体的速度；传感器与运动体的连接困难，甚至无法连接等。而非接触式测量方法能较好的解决这些缺点，使用高速CMOS/CCD成像原理的非接触式测量系统逐步成为可靠的断路器测试系统。

专利CN202793771U一种运用高速CCD成像原理的断路器测试系统，采用的是双条纹标定断路器传动杆的外露部分，这种方法有以下几点不足：

1、 系统在计算最终实际运动距离时的换算公式为：

倍率 = 条纹实际宽度/图像中条纹占的像素

实际位移量= 倍率×移动的像素点数

如附图3所示，单条纹占的像素=（b-a）/条纹数目，由于实际使用的条纹宽度为定值，而在CCD成像的视场中，在聚焦最优的情况下也会由于条纹边缘模糊，导致图像中条纹占的像素会有一定误差。对于边缘像素点的误差，对双黑条纹系统来说为，误差 = 边缘像素点/条纹数目（3条），而对多条纹系统（用5条纹来举例）来说，误差= 边缘像素点/条纹数目（9条）。多条纹标定的精度明显高于双条纹标定，因此可以减小系统误差。

2、部分断路器的传动杆被固定的金属包围，因此可利用CCD追踪的断路器传动杆视场窗受到限制，若追踪的标定目标物尺寸（条纹总宽度）小于传动杆实际的运动位移，追踪目标物就会脱离可测量的视场窗范围，造成CCD丢失追踪的目标物信息，导致测量出现错误。

3、基于这种双条纹标定，现有的目标追踪方法始终追踪视场中最左侧条纹的左边界（传动杆向右运动时），或者最右侧条纹的右边界（传动杆向左运动时）。当追踪目标运动超出可测量的视场窗范围时，会造成CCD丢失追踪的目标物信息，导致测量出错。或者当测量视场中进入了新条纹时，系统会追踪新进入条纹的边界，新追踪目标的运动信息会覆盖进入新条纹之前的运动信息，导致测量出错（如附图4、5所示）。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法，该系统用于断路器机械特性参数测试，目标为标定断路器传动杆的多个等距排列的黑白条纹，并提供一种自动追踪目标条纹的方法，由此解决由于可测量视场窗过小而引起的测量错误的问题。

本发明一种运用高速CMOS成像的断路器测试系统，包括高速CMOS成像装置，断路器触头，触头传动杆，多目标条纹测试标签和数据处理装置，触头传动杆与断路器触头连接，标定用的多目标条纹测试标签粘贴在触头传动杆的外露部分上，高速CMOS成像装置用于拍摄触头传动杆的高速运动图像，图像处理装置用于处理拍摄到的高速运动图像，并进行图像识别、分析和数据处理，并进行速度及行程的测试，同时显示最终的测试结果。

所述多目标条纹测试标签由多个等距排列的黑白条纹组成。

所述高速CMOS成像装置的镜头与多目标条纹测试标签的位置相适应，进行对准。

所述运用高速CMOS成像的断路器测试系统中，将由多个等距排列的黑白条纹组成的多目标条纹测试标签，粘贴在触头传动杆的外露部分上，用于标定目标。由于传动杆外露部分尺寸有限，因此使用等距多目标条纹的测试标签进行标定，在传动杆被遮挡的位置也保证有条纹覆盖，这样可以确保当传动杆运动结束时，传动杆外露部分窗口仍有条纹，确保高速CMOS成像装置仍然能够拍摄条纹，不会丢失追踪的条纹信息。

本发明运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法，首先应用高速CMOS成像装置拍摄触头传动杆的高速运动图像；其次，图像处理装置处理拍摄到的高速运动图像，并进行图像识别、分析和数据处理；最后，进行速度及行程的测试，显示最终的测试结果。

所述的图像分析和数据处理，具体包括如下步骤：

（1）分析图像，判断标定目标的运动方向；

（2）选定第一个目标记录条纹，并保存其在不同时刻的位置数据；

（3） 判断是否有新条纹进入视场；

（4）进行递补条纹累加；

（5）选定新条纹为目标记录条纹，并记录其在不同时刻的位置数据；

（6）根据保存的位置数据，计算出目标记录条纹的位移—时间曲线，反映与之相连接的触头运动状态。

在测试过程中，若有新进入的条纹运动到正在追踪条纹的运动初始状态位置，则记录此时追踪条纹的位置信息，并以新进入的条纹为新的追踪目标，继续记录运动信息。在每次更换追踪的目标时都需要累加之前条纹的位置信息，新追踪目标的运动信息就不会覆盖进入新条纹之前的运动信息。

本发明的断路器测试系统及多目标追踪方法与现有方法相比，由于使用了多目标条纹测试标签标定运动目标，对于许多机械结构复杂、触头运动位移过大的断路器，该方法可以自动追踪递补条纹获得断路器触头的运动位移信息，因此对断路器动触头的行程及速度测量快速、准确，适应测试对象多样。

附图说明

图1为本发明运用高速CMOS成像的断路器测试系统的结构示意图；

图中，1.高速CMOS成像装置 2.断路器触头 3.断路器触头传动杆 4.多目标条纹测试标签 5.数据处理装置。

图2 为本发明多目标条纹测试标签的结构示意图。

图3 为多目标条纹测试标签与双条纹标签的示意图。

图4为采用现有的目标追踪方法追踪测试标签视场窗范围图。

图5为现有追踪方法的位移示意图。

图6 为本发明实施例追踪递补条纹方法的流程图。

图7为本发明实施例追踪递补条纹测试标签的示意图。

图8为本发明实施例追踪递补条纹方法的位移示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限定。

实施例

参照图1-2，一种运用高速CMOS成像的断路器测试系统，包括高速CMOS成像装置1，断路器触头2，触头传动杆3，多目标条纹测试标签4和数据处理装置5，触头传动杆3与断路器触头2连接，标定用的多目标条纹测试标签4粘贴在触头传动杆3的外露部分上，高速CMOS成像装置1用于拍摄触头传动杆3的高速运动图像，图像处理装置5用于处理拍摄到的高速运动图像，并进行图像识别、分析和数据处理，并进行速度及行程的测试，同时显示最终的测试结果。

所述多目标条纹测试标签4由多个等距排列的黑白条纹组成。

所述高速CMOS成像装置1的镜头与多目标条纹测试标签的位置相适应，进行对准。

运用高速CMOS成像的断路器测试系统的多目标追踪方法，首先应用高速CMOS成像装置拍摄触头传动杆的高速运动图像，设定高速CMOS相机的行频为10KHz，同时定义一幅图像为1000行，即CMOS相机采集0.1s时间对应的图像信息，按照断路器系统要求的时间进行图像采集，本实施例以0.3s的三幅图像为例；其次，图像处理装置处理拍摄到的高速运动图像，并进行图像识别、分析和数据处理；最后，进行速度及行程的测试，显示最终的测试结果。

参照图6-8，所述的图像分析和数据处理，具体包括如下步骤：

（1）分析图像，判断标定目标的运动方向；

（2）选定第一个目标记录条纹，并保存其在不同时刻的位置数据；

（3）判断是否有新条纹进入视场；

（4）进行递补条纹累加；

（5）选定新条纹为目标记录条纹，并记录其在不同时刻的位置数据；

（6）根据保存的位置数据，计算出目标记录条纹的位移-时间曲线，反映与之相连接的触头运动状态。

其中，判断运动方向，首先记录第一幅图像第1行视场中所示条纹的左边界位置P1与右边界位置P2，然后从第2行开始依次记录所示条纹的左边界位置P3与右边界位置P4，将P3与P1，P4与P2进行对比，直到在某一行获得P3>P1且P4>P2，判断条纹向右运动，或P3<P1且P4<P2，判断条纹向左运动。

其中，记录目标条纹的不同时刻位置，包含以下步骤：

（2.1） 通过运动方向确定追踪的目标条纹，当整体目标向右运动时，以视场中最左端条纹的左边界作为追踪目标；当整体目标向左运动时，以视场中最右端条纹的右边界作为追踪目标；

（2.2）通过运动方向，依次从第一幅图的第一行到第三幅图的最后一行记录追踪条纹边界的具体像素点位置，此步骤中需要结合判断是否有新条纹进入视场进行记录，若有条纹进入视场则需要进行位移累加。

其中，判断是否有新条纹进入视场的方法是，标定目标时确定测试标签黑条纹在视场中实际所占的像素点数为N，由于使用的是等间距黑白条纹，因此白条纹所占的像素点数也为N，确定目标运动方向后，以记录的左条纹的左边界P1或右条纹的右边界P2为基础；

向右运动时，当追踪目标边界的像素点位置变为P1+2N时，对此运动行重新记录视场中最左端条纹的左边界为P1-1，取P1与P1-1的差值记为X，当X=2N时则进入了新条纹，若X=0则未进入新条纹；

向左运动时，当追踪目标边界的像素点位置变为P2-2N时，取P2-2与P2的差值记为Y，当Y=2N时则进入了新条纹，若Y=0则未进入新条纹。

其中，进行递补条纹累加，包含以下步骤：

（4.1）每当判断P1与P1-1的差值或P2与P2-2的差值为2N，判断为进入新条纹时，则记录新进入的条纹数NUM+1，为进行条纹的递补累加做准备，保证最终记录的位移—时间曲线的准确性；

（4.2）对三幅图像进行处理时，记录每行的追踪目标条纹边界位置为A，当进入新条纹后，记录追踪的目标条纹边界位置为B，但实际条纹运动位置为B+NUM*2N，由于在采集时间上是连续的，每行间隔为1/10000s，由此可以在条纹递补进入视场后，仍然可以反应整体目标的运动位移而不受追踪目标丢失的影响。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。