一种电器三维动态特性自动测试系统及方法

摘要

本发明涉及一种电器三维动态特性自动测试系统及方法，采用一台高速摄像机和两面平面镜组成的成像系统对标记点和标定板分别进行拍摄，将标记点粘贴在被测电器的动作机构，照明光源使标记点清晰成像，标定板固定在旋转支架上，旋转支架带动标定板转动，通过触发电路控制高速摄像机，使之自动拍摄电器动作过程的标记点图像以及摄像机标定过程的标记板图像，利用OpenCV函数库对图像进行处理，得到电器动作过程中每个时刻的标记点图像坐标以及高速摄像机的内外部参数，根据坐标变换，通过摄像机参数将图像坐标转换为三维坐标，并绘制标记点三维坐标随时间的变化曲线，用于表征电器的三维动态特性。本发明能够减少人工干预带来的不确定性，提高试验效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电器测试领域，特别是一种电器三维动态特性自动测试系统及方法。

背景技术

电器动态特性的测试方法可以分为接触式和非接触式。接触式主要通过在运动部件上安装传感器等元件进行测试，对运动部件的动作过程产生一定的影响。利用高速摄像机对电器运动部件进行图像测试和图像处理是一种非接触式测试方法之一，无需与运动部件接触，不影响其动作过程，能有效还原电器动态特性。

触头系统和操作机构是电器的重要组成部分，其动作性能的好坏直接影响到电器的可靠运行。由于电器的动态过程受各种随机因素影响，使得动态特性呈现不确定性，一维或二维的动态特性测试能够反映当前位置的动作状态，但电器在装配和制作过程中，受机械加工和模具精度的制约，触头或机构的动作状态并非呈现平面运动，而存在一定的偏移，这种偏移运动对电器的电寿命和可靠性造成很大的影响，因此对电器三维动态特性进行研究可以为产品优化设计和生产制作提供理论依据。

利用高速摄像机对电器进行三维动态特性测试往往需要介入较多的人工干预，比如在图像测试过程中，需要手动寻找电器动作的起始位置、摄像机标定过程标定板的人工转动、摄像机的手动拍摄；在图像处理过程中，需要结合Image-Pro Plus图像处理软件和Matlab软件，对特征点进行手动检测和提取等，测试耗时较长，无法满足快速、准确测试的需求，因此设计一种电器三维动态特性自动测试系统，能够减少人工干预，提高测试效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种电器三维动态特性自动测试系统及方法，能够减少人工干预，提高测试效率。

本发明采用以下方案实现：一种电器三维动态特性自动测试系统，所述自动测试系统对电器三维动态特性进行测试，所述自动测试系统包括高速摄像机、平面镜、设置在被测电器的动作机构上的标记点、黑白棋盘格标定板、旋转支架、触发电路以及图像自动处理系统；

所述高速摄像机和两面呈一定角度的平面镜组成基本成像系统，高速摄像机通过两面平面镜的反射成像形成两台虚拟摄像机，分别对电器动作机构的运动过程进行高速自动拍摄以及对转动不同角度的标定板进行自动拍摄，在一张图像中形成两个虚像；调整高速摄像机的摆放位置使两个虚像成像清晰并在同一水平线上，以确保左、右两台虚拟摄像机拍摄的一致性；

所述黑白棋盘标定板固定在所述旋转支架上，以旋转支架带动标定板转动；

所述触发电路与被测电器、所述高速摄像机以及旋转支架电性相连，分别触发电器的动作、高速摄像机的动作以及旋转支架的动作；

所述图像自动处理系统基于OpenCV图像数据库对标定板图像进行处理得到摄像机的参数，对电器动作过程的图像进行处理得到标记点的当前位置，通过坐标变换自动生成标记点三维坐标，并自动绘制标记点三维坐标随时间的变化曲线，即得到相应电器的三维动态特性曲线。

进一步地，所述标记点粘贴在被测电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件上，以标记点的运动来表征电器的动作过程；所述标记点是圆形或方形或其他轴对称形状，其大小根据不同电器动作机构的尺寸和特征设置，以适合在高速摄像机中成像。

进一步地，还包括照明光源，所述照明光源照亮电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件位置，使得标记点成像清晰。

进一步地，当被测电器为小型电器时，采用电器固定台来固定所述电器；当被测电器为大型电器时，将电器直接安装在地面上。

进一步地，所述触发电路能够控制所述高速摄像机进行延时拍摄，其中延时时间可以根据实际需求自定义。

本发明还提供了一种基于上文所述的电器三维动态特性自动测试系统的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在被测电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件上粘贴标记点，设置照明光源，使标记点清晰可见；将拍摄模式设置为外部触发模式，启动摄像机拍摄后，由触发电路控制电器接通和分断，摄像机自动拍摄标记点随电器动作机构运动的图像，在被测电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件上粘贴标记点，当电器动作完成后摄像机停止拍摄，并将拍摄到的电器接通和分断过程的标记点图像，存储在同一个文件夹目录中；

步骤S2：所述图像自动处理系统对步骤S1采集到的标记点图像进行处理：在VisualStudio编程环境中利用OpenCV函数对图像进行滤波去噪预处理，并通过Rect截取左、右镜面中标记点所处的矩形区域；由于电器内部触头等金属部件反光造成电器运动过程中每一张图像二值化阈值不同，因此利用Otsu自适应阈值的最大类间方差算法计算每一张图像中的二值化阈值，得到二值图像；在Visual Studio环境下，遍历文件夹下的每一张图像，进行二值化处理并得到相对应的阈值，从二值化处理后的图像中查找并绘制标记点的轮廓，利用findContours()函数寻找图像中的所有轮廓边界并一一排序，根据标记点的实际尺寸，删去不必要的轮廓边界，并将标记点的位置标记出来；利用moments()函数计算特征点的轮廓矩，并按照重心公式，计算轮廓的重心坐标；遍历每一张图像，提取电器动作过程中标记点的重心坐标，通过每一张图像中重心坐标来表征标记点的当前位置。左、右镜面中的标记点图像通过重心坐标值一一特征匹配对应，得到标记点在每个时刻的图像坐标；

步骤S3：进行摄像机的标定：将标定板固定在旋转支架上，将电器移除，将旋转支架设置在原电器所在位置，保持高速摄像机和平面镜的位置不变，调节标定板至竖直位置，拍摄一张图像作为世界坐标系图像并保存在指定文件夹中；将摄像机触发模式设置为外部触发，利用触发电路控制旋转支架的转动频率，从而带动标定板每隔一段时间转动预设的一个角度；标定板每转动一个角度，触发摄像机拍摄一张标定板图像；根据实际需要，标定板自动旋转多个不同角度，分别拍摄图像并自动保存至指定文件夹中；

步骤S4：所述图像自动处理系统对步骤S3得到的标定板图像进行处理：将摄像机拍摄得到的平面镜中标定板的左、右虚像视为左、右虚拟摄像机的拍摄图像，为避免检测标定板的黑白棋盘格角点时左右两个镜面图像相互影响，对两个图像分别处理；摄像机标定的参数包含了内参数矩阵、旋转矩阵、以及平移向量；由于实际摄像机成像存在着一定的畸变效应，因而在标定过程中还应考虑畸变参数的影响；利用findChessBoardCorners函数和find4QuadCornerSubpix函数实现标定板角点的自动选取与亚像素角点的提取；令世界坐标系位于标定板平面，自动检测标定板的二维坐标和三维坐标，通过calibrateCamera函数对转动不同角度获得的多张标定板图像进行处理和计算，得到摄像机的内部参数和畸变参数；在此基础上，通过cvFindExtrinsicCameraParams2函数对世界坐标系下的图像进行处理，得到摄像机在世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量；

步骤S5：经图像处理提取了标记点的图像坐标和得到摄像机的内外部参数之后，在Visual Studio环境中，利用C++编程，通过坐标变换得到标记点的三维坐标并自动绘制电器动作过程中动作机构在x、y、z三个方向的位移随时间的变化曲线，即为电器三维动态特性曲线。

进一步地，步骤S2中利用Otsu自适应阈值的最大类间方差算法计算每一张图像中的二值化阈值得到二值图像具体包括以下步骤：

步骤S21：首先统计图像中灰度级的像素个数，将图像划分为背景和目标（标记点）两个部分；

步骤S22：采用遍历的方法对每张图像的灰度级进行搜索，计算每个像素在图像中的概率分布，计算背景与目标之间的类间方差，得到类间方差最大时目标和背景的分割阈值。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明在对于电器动态特性研究过程中或电器产品机械特性出厂试验时能够减少人工干预带来的不确定性，对提高试验效率具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的系统原理框图。

图2为本发明实施例的电器三维动态特性测试流程图。

图3为本发明实施例的标记点图像拍摄流程示意图。

图4为本发明实施例的标记点图像处理流程示意图。

图5为本发明实施例的标定板和旋转支架示意图。

图6为本发明实施例的电器三维动态特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种电器三维动态特性自动测试系统，所述自动测试系统对电器三维动态特性进行测试，所述自动测试系统包括高速摄像机、平面镜、设置在电器的动作机构上的标记点、黑白棋盘格标定板、用以固定所述黑白棋盘格标定板的旋转支架、触发电路、以及图像自动处理系统；

所述高速摄像机和两面呈一定角度的平面镜组成基本成像系统，高速摄像机通过两面平面镜的反射成像形成两台虚拟摄像机，分别对电器动作机构的运动过程进行高速自动拍摄以及对转动不同角度的黑白棋盘标定板进行自动拍摄，在一张图像中形成两个虚像；调整高速摄像机的摆放位置使两个镜面中的两个虚像成像清晰并在同一水平线上，以确保左、右两台虚拟摄像机拍摄的一致性；

所述黑白棋盘标定板固定在所述旋转支架上，以旋转支架带动标定板转动；

所述触发电路与被测电器、所述高速摄像机以及旋转支架电性相连，分别触发电器的动作、高速摄像机的动作以及旋转支架的动作，用以对电器的动作过程以及标定过程进行自动拍摄；

所述图像自动处理系统基于OpenCV图像数据库对标定板图像进行处理得到摄像机的参数，对电器动作过程的图像进行处理得到标记点的当前位置，通过坐标变换自动生成标记点三维坐标，并自动绘制标记点三维坐标随时间的变化曲线，即得到相应电器的三维动态特性曲线。

在本实施例中，所述标记点粘贴在被测电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件上，以标记点的运动来表征电器的动作过程；所述标记点是圆形或方形或其他轴对称形状，其大小根据不同电器动作机构的尺寸和特征设置，以适合在高速摄像机中成像。

在本实施例中，还包括照明光源，所述照明光源照亮电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件位置，使得标记点成像清晰。

在本实施例中，当被测电器为小型电器时，采用电器固定台来固定所述电器；当被测电器为大型电器时，将电器直接安装在地面上。

在本实施例中，所述触发电路能够控制所述高速摄像机进行延时拍摄，其中延时时间可以根据实际需求自定义。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于上文所述的电器三维动态特性自动测试系统的方法，包括以下步骤：

步骤S1：在被测电器的电磁机构或触头或与触头相连的可动部件上粘贴标记点，设置照明光源，使标记点清晰可见；将拍摄模式设置为外部触发模式，启动摄像机拍摄后，由触发电路控制电器接通和分断，摄像机自动拍摄标记点随电器动作机构运动的图像，当电器动作完成后摄像机停止拍摄，并将拍摄到的电器接通和分断过程的标记点图像，存储在同一个文件夹目录中；如图3所示；

步骤S2：如图4所示，所述图像自动处理系统对步骤S1采集到的标记点图像进行处理：在Visual Studio编程环境中利用OpenCV函数对图像进行滤波去噪预处理，并通过Rect截取左、右镜面中标记点所处的矩形区域；由于电器内部触头等金属部件反光造成电器运动过程中每一张图像二值化阈值不同，因此利用Otsu自适应阈值的最大类间方差算法计算每一张图像中的二值化阈值，得到二值图像；在Visual Studio环境下，遍历文件夹下的每一张图像，进行二值化处理并得到相对应的阈值，从二值化处理后的图像中查找并绘制标记点的轮廓，利用findContours()函数寻找图像中的所有轮廓边界并一一排序，根据标记点的实际尺寸，删去不必要的轮廓边界，并将标记点的位置标记出来；利用moments()函数计算特征点的轮廓矩，并按照重心公式，计算轮廓的重心坐标；遍历每一张图像，提取电器动作过程中标记点的重心坐标，通过每一张图像中重心坐标来表征标记点的当前位置。左、右镜面中的标记点图像通过重心坐标值一一特征匹配对应，得到标记点在每个时刻的图像坐标；

步骤S3：进行摄像机的标定：将标定板固定在旋转支架上，如图5所示，将电器移除，将旋转支架设置在原电器所在位置，保持高速摄像机和平面镜的位置不变，调节标定板至竖直位置，拍摄一张图像作为世界坐标系图像并保存在指定文件夹中；将摄像机触发模式设置为外部触发，利用触发电路控制旋转支架的转动频率，从而带动标定板每隔一段时间转动预设的一个角度；标定板每转动一个角度，触发摄像机拍摄一张标定板图像；根据实际需要，标定板自动旋转多个不同角度，分别拍摄图像并自动保存至指定文件夹中；

步骤S4：所述图像自动处理系统对步骤S3得到的标定板图像进行处理：将摄像机拍摄得到的平面镜中标定板的左、右虚像视为左、右虚拟摄像机的拍摄图像，为避免检测标定板的黑白棋盘格角点时左右两个镜面图像相互影响，对两个图像分别处理；摄像机标定的参数包含了内参数矩阵、旋转矩阵、以及平移向量；由于实际摄像机成像存在着一定的畸变效应，因而在标定过程中还应考虑畸变参数的影响；利用findChessBoardCorners函数和find4QuadCornerSubpix函数实现标定板角点的自动选取与亚像素角点的提取；令世界坐标系位于标定板平面，自动检测标定板的二维坐标和三维坐标，通过calibrateCamera函数对转动不同角度获得的多张标定板图像进行处理和计算，得到摄像机的内部参数和畸变参数；在此基础上，通过cvFindExtrinsicCameraParams2函数对世界坐标系下的图像进行处理，得到摄像机在世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量；

步骤S5：经图像处理提取了标记点的图像坐标和得到摄像机的内外部参数之后，在Visual Studio环境中，利用C++编程，通过坐标变换得到标记点的三维坐标并自动绘制电器动作过程中动作机构在x、y、z三个方向的位移随时间的变化曲线，即为电器三维动态特性曲线，如图6所示。

在本实施例中，步骤S2中利用Otsu自适应阈值的最大类间方差算法计算每一张图像中的二值化阈值得到二值图像具体包括以下步骤：

步骤S21：首先统计图像中灰度级的像素个数，将图像划分为背景和目标（标记点）两个部分；

步骤S22：采用遍历的方法对每张图像的灰度级进行搜索，计算每个像素在图像中的概率分布，计算背景与目标之间的类间方差，得到类间方差最大时目标和背景的分割阈值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。