基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法

摘要

本发明公开一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置，包括计算机和kinect传感器，kinect传感器采集待测低转速系统的深度图像数据，并将采集的数据传输至计算机；计算机中设有kinect数据采集模块和数据分析处理模块，kinect数据采集模块采集低转速系统的深度图像和彩色图像，在彩色图像中选择多个旋转区域的点，在深度图像中计算对应点的深度数据，采用定时器定时输出多个点的深度数据，并保存为文本文件；数据分析处理模块对采集的深度图像数据进行分析处理，以获取低转速系统的转动速度。本发明使用维护方便，根据其原理即可实现旋转系统转速测量，又可实现平动系统平移速度的测量。

说明书

技术领域

本发明属于一种机电检测技术，具体涉及一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法。

背景技术

基于图像的测量技术在车辆行驶速度，船舶行驶速度，真空开关分闸速度，和烟丝测速开始部分应用，其都是利用了彩色图像通过对移动目标位移和相应时间的检测，完成了速度的检测。也有人利用彩色图像对无人机发动机转速检测进行了研究，其将减速后的旋转部件贴上反光标志，通过对反光标志的检测完成转速的测量。

Kinect传感器能同时获取目标的彩色图像和深度图像，能够进行动态捕捉、影像识别、声音输入识别等功能。Kinect一经问世，便凭借其卓越的性能，在手势识别、三维重建和路面不平度检测等领域得到广泛的应用。现有技术中，机电系统转速的测量有光电传感器、霍尔转速传感器、涡流传感器、磁电传感器等等，在某些低转速的场合。

低转速系统的转速一般由kinect图像采样频率决定的。例如，Kinect采样频率，即帧率可设为30HZ，被采集数据变化的频率根据采样定理最高是15Hz，若风扇有三个叶片，能检测最高转速是每秒钟5转，即每分钟300转(理论最高)。

现有的针对低转速系统的测量方法均根据光电信号的差分，无法实现同时测量多个旋转系统的转速。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法，能实现图像成像区域内多个转动系统的转速的同时测量(固定时间内的次数)。

技术方案：本发明的一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置，包括计算机和kinect传感器，所述kinect传感器采集待测低转速系统的深度图像数据，并将采集的数据传输至计算机；所述计算机中设有kinect数据采集模块和数据分析处理模块，kinect数据采集模块采集低转速系统的深度图像和彩色图像，在彩色图像中选择多个旋转区域的点，在深度图像中计算对应点的深度数据，采用定时器定时输出多个点的深度数据，并保存为文本文件；数据分析处理模块对采集的深度图像数据进行分析处理，以获取低转速系统的转动速度。

此处的深度数据是距离数据，即设定某一点后，例如由于风扇在旋转，有叶片时距离小，没叶片时光线到达叶片后面的墙面，距离大，这样根据距离的变化可推算转过的叶片数量。

进一步的，所述数据分析处理模块根据待测低转速系统的旋转部件和背景距离kinect传感器的不同，选择相应阈值(例如kinect传感器距离风扇约1m，kinect距离风扇后面的墙是3.39m，则此时的理论阈值大于1m小于等于3.39m即可，较为合适的可选2m)，采集的深度数据大于2m的设为1，小于2m的设为0，将每一个点的深度数值转化为1或0，然后求取该0，1序列的差分，统计差分数据中等于1的次数；根据采样频率和每一个点的采集数据个数计算数据采集所用时间，以计算低转速系统的转速。

例如采样频率即帧率为30HZ，数据个数为60，则用的时间是2s，差分为1的次数为N，叶片或齿轮的个数为3，则转速为N/(3*60/30)，单位为转/每秒，乘以60后得到转/分钟。

进一步的，所述选择的多个点若属于相同转速的多个旋转部件，则将多个点得到的转速求取平均值，消除随机误差；若选择的多个点属于不同的转速的旋转部件，则分别独立测量不同转速部件的转速。

本发明还公开了一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置的测速方法：包括以下步骤：

(1)初始化kinect传感器和计算机中数据分析模块的参数，设定彩色图像和深度图像的分辨率和帧率，设定数据保存的定时器时间间隔参数，设定完成后当程序启动后kinect传感器向计算机传送彩色图像和深度图像，并在计算机界面显示；

(2)深度数据采集和保存；在彩色图像中，根据旋转部件所在区域，按下鼠标左键选择若干个监测点，选择完成后点击选点完成按钮，然后分别定义鼠标左键按下事件响应事件和完成按钮点击响应事件，在鼠标左键按下事件响应事件中记录当前鼠标的坐标信息，在完成按钮点击响应事件中根据彩色图像中监测点的坐标在深度图像中获取对应点的深度信息，创建.txt文件，将检测点的深度图像数据以添加模式写入文件；

(3)转动系统转速统计分析；将保存的文件读入到matlab中保存为矩阵行驶，矩阵中每列为一个点的深度数据序列；对每一列数据作0、1二值化处理，深度数据转变为0和1的时间序列，求取该序列的一阶差分，统计差分数值为1的点的次数NUM；根据每一个点深度数据的个数和图像的采样频率，计算采集深度数据对应的时间以及转速部件的转速。

有益效果：本发明通过kinect传感器的深度图像获取旋转部件运动区域点的深度信息，根据深度信息计算旋转系统的转速。具体包括以下优点，

1.不对旋转系统的运动产生电磁干扰，只是通过采集旋转部件的彩色图像和深度图像完成转速的检测。

2.能够完成成像区域内多个旋转系统的转速检测。

3.确定测量点后，深度图像通过散斑解算得到，深度数据不再受外部光照变暗等环境的影响(光照不能太强，太强不能形成有效激光散斑图像)；

4.数据分析模块中由于统计的只是深度数据上升沿的次数，所以旋转部件深度变化区域只需要采集一次图像，即可完成转速的有效检测。

5.硬件只需要计算机和kinect传感器，结构简单，操作方便，成本低，测量精度能满足一定需要。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例中由计算机完成的图像数据采集和数据分析模块的流程图；

图3为实施例中原始深度数据以及转化后数据的对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置包括计算机、kinect传感器以及待测试的低转速系统；kinect传感器采集低转速系统的深度图像数据，并传递给计算机；计算机完成深度图像数据采集，并调用数据分析模块对深度图像进行分析，得到视野范围内的多个低转速系统的转速。由于本发明是非接触式测量，不对运动系统产生干扰，同时只要在一个成像区域内，可以通过多点深度测试，完成多个低转速系统的同时测量。

实施例：

本实施例中基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置硬件部分包括计算机、kinect传感器，软件部分包括计算机中的kinect数据采集模块和数据分析处理模块。低转速旋转系统以微风扇为例进行测试。

本实施例中数据采集采用VC#2013结合SDK开发包和样例程序实现完成，数据分析处理模块由matlab r2012b完成，流程如图2所示，步骤如下：

(ⅰ)初始化kinect传感器和数据分析模块的参数。设定彩色图像和深度图像的分辨率、帧率、设定数据保存的定时器时间间隔等等参数。设定完成后当程序启动后kinect传感器向计算机传送彩色图像和深度图像，并在计算机界面显示。

(ⅱ)深度数据采集和保存。采集在彩色图像中，根据旋转部件所在区域，按下鼠标左键选择监测点。可以选择多个监测点，选择完成后点击选点完成按钮。分别定义鼠标左键按下事件响应事件和完成按钮点击响应事件。在鼠标左键按下事件响应事件中记录当前鼠标的坐标信息。在完成按钮点击响应事件中根据彩色图像中监测点的坐标在深度图像中获取对应点的深度信息。创建.txt文件，将检测点的深度图像数据以添加模式写入文件。

(ⅲ)转动系统转速统计分析。将保存的文件读入到matlab中保存为矩阵行驶，矩阵中每列为一个点的深度数据序列。对每一列数据作0、1二值化处理，由于风扇距离kinect传感器为965mm，背景距离kinect传感器3390mm，故采用1500为二值化阈值(因为风扇叶片有扭曲，风扇叶片上不同点到kinect传感器的数据有变化)。深度数据转变为0和1的时间序列，如图3所示。求取该序列的一阶差分，统计差分数值为1的点的次数NUM。根据每一个点深度数据的个数N和图像的采样频率(30Hz)，可计算采集深度数据对应的时间t＝N/30。采用风扇有三个叶片，可计算风扇的转速为60*NUM/(3t)，即为风扇的转速，单位为r/min。如果帧率过低或系统转速过快，无法在每个叶片转过时完成深度变化的检测，就会出现转速检测错误。

通过上述实施例可以看出，本发明是非接触式测量，不对运动系统产生干扰，同时只要在一个成像区域内，可以通过多点深度测试，完成多个低转速系统(例如风扇和齿轮等等)的同时测量。本发明使用维护方便，根据其原理即可实现旋转系统转速测量，又可实现平动系统平移速度的测量。