本發明涉及軸體轉速測量，尤其涉及一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統及方法。

背景技術：

1、軸體轉速測量是旋轉機械中常見的測量任務，廣泛應用于發動機、渦輪、傳動系統等領域。根據測量原理與技術的不同，轉速測量方法大體可以分為傳感器方法與機器視覺方法兩大類。

2、傳統的轉速測量方法主要采用傳感器方法，包括光電式傳感器、霍爾效應傳感器、電渦流傳感器、激光傳感器、靜電傳感器等，大多數方法都需要對軸體進行一定改造（如附加磁鐵或反射標記），還要根據不同的測量環境設計相應的傳感器安裝支架。隨著機器視覺技術的發展，國內外學者們基于機器視覺技術開發了很多新的轉角測量方法，機器視覺方法具有更高的靈活性和非接觸優勢，特別適用于復雜和動態的轉速測量。視覺方法雖然能夠提供更好的系統集成性和適應性，但對圖像質量、計算處理能力和實時性要求較高。

3、公開號為cn113447670a的專利申請公開了一種單目線陣視覺追蹤條紋編碼標志的轉速測量方法及系統,該方案采用線性密度變化的直線條紋沿旋轉方向首尾相接粘貼于軸體表面，通過傅里葉變換分析采集到的圖片中的條紋序列相對頻率的變化間接算出角度變化，條紋序列首尾相接處會存在頻率突變，所以還需要單獨計算出除去突變部分的頻率和角度的變化關系值。

4、公開號為cn106443046a的專利申請和公開號為cn106680529a的專利申請分別公開了一種基于變密度正弦條紋和雙正弦變密度條紋的轉軸轉速測量裝置及方法，這兩個方案將線性變密度正弦條紋粘貼于所測轉軸表面，不同條紋密度與轉軸0-2π轉角內的不同角度一一對應。通過傅里葉變化獲得不同幀圖像的條紋密度從而間接計算得到轉角和轉速值。

5、公開號為cn118091177a的專利申請公開了一種基于視覺的高精度轉速測量裝置及其測量方法，將一直角三角形作為測量標志粘貼于軸體表面，三角形長直角邊長等于軸體周長，當軸體轉到不同角度時，圖像中的虛擬中線與三角形的相交線長不同，從而間接算得軸體轉角和轉速值，此方案需要選取虛擬中線，選取的不同會導致角度信息的不同；同時，需要兩個攝像機，其次安裝兩個攝像機前需要測量出其安裝位置的徑向夾角，利用兩個攝像機在不同時間下采集到的兩條虛擬相交線的長度差計算轉角，且要求兩個攝像機的安裝精度要高，若軸體轉速較高時，要求兩個攝像機之間拍攝的時間間隔要斷，否則可能出現轉動超過一圈，所以對攝像機的協同控制提出了更高的要求。

6、綜上，前述現有基于視覺的轉速測量方案，前三個方案存在需要進行傅里葉變換等復雜運算，計算開銷大，實時性差的問題；最后一個方案的角度測量值來自于虛擬相交線長度的反算，計算成本高，實時性差，而且需要兩個攝像機，難以適用于空間受限難以安裝兩個攝像機的場景，且對攝像機的協同控制要求高，整體實現成本大。

技術實現思路

1、鑒于現有技術中的不足，本發明提供了一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統及方法，以解決計算開銷大導致實時性差的問題。

2、第一方面，提供了一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統，包括：

3、編碼條帶，其上的編碼圖案采用多位二進制二維編碼，在寬度方向為多位二進制編碼，在長度方向將編碼條帶劃分為若干行，且每一行都具有唯一編碼值；編碼條帶的長度等于軸體周長，其用于纏繞粘貼待測軸體圓周表面一周；

4、高速相機，用于對待測軸體圓周表面的編碼條帶進行連續圖像采集；

5、編碼視覺計算模塊，通過數據傳輸模塊與所述高速相機通信連接，用于獲取高速相機采集的編碼圖像并進行預處理，提取并解析每一幀編碼圖像的編碼值，進而計算出軸體轉速。

6、進一步地，所述編碼條帶上的編碼圖案采用4～8位的二進制二維編碼。

7、進一步地，所述二進制二維編碼方式采用二進制格雷碼。

8、進一步地，還包括相機支架，用于固定和調節高速相機的位置。

9、第二方面，提供了一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，利用如前所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統實現，包括如下步驟：

10、將編碼條帶粘貼并纏繞待測軸體圓周表面一周；

11、利用高速相機連續采集覆蓋整個編碼軸段的編碼圖像，并傳輸至編碼視覺計算模塊；

12、編碼視覺計算模塊對獲取的每一幀編碼圖像進行預處理，提取編碼圖像的編碼值，并根據編碼值解析出對應編碼圖像的行數信息，以得到對應的絕對轉角值，進而計算相鄰兩幀編碼圖像的轉角差值并計算軸體的瞬時轉速。

13、進一步地，所述提取編碼圖像的編碼值，并根據編碼值解析出對應編碼圖像的行數信息，具體包括：

14、提取預處理后的編碼圖像中位于水平中心線上的編碼值；

15、基于編碼值，參照編碼條帶上編碼圖案對應的編碼矩陣，確定當前編碼圖像對應的行數信息。

16、進一步地，若當前編碼圖像的編碼值在編碼矩陣中未尋找到匹配的行，則利用漢明距離從編劇矩陣中找出距離最近的行，以該行的行數信息作為當前編碼圖像的行數信息。

17、進一步地，相鄰兩幀編碼圖像的轉角差值通過如下方法得到：

18、通過下式確定第 i幀編碼圖像對應的軸體絕對轉角值：

19、；

20、式中，為第 i幀編碼圖像解碼后得到的行數，為第1幀編碼圖像解碼后得到的行數，為第 i幀編碼圖像相對于第1幀編碼圖像的軸體旋轉的整圈數；

21、相鄰兩幀編碼圖像的轉角差值為。

22、進一步地，軸體的瞬時轉速通過如下方法得到：

23、計算相鄰兩幀編碼圖像對應的軸體瞬時角速度：

24、；

25、式中，為高速相機的拍攝間隔時間， ?為高速相機的拍攝幀率；

26、；

27、進一步地，采用插值算法推算出非采樣時刻軸體的瞬時轉速，從而得到軸體連續的瞬時轉速。

28、本發明提出了一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統及方法，具有如下有益效果：

29、（1）本發明的編碼條帶采用多位二進制二維編碼方式，是同時具有寬度和長度方向的二維編碼，對應的編碼矩陣的每一行都具有唯一多位二進制編碼值，使得采集的編碼圖像具有絕對編碼，從而可通過識別采集的編碼圖像的編碼值，以得到其對應的行數，并計算得到對應的絕對轉角值，進而計算軸體的瞬時轉速，相比于現有計算條紋密度變化或虛擬相交線長度獲得轉速的方法，對算法的依賴不大，具有更加穩定的測量性能，能更好地適用于變速測量場景；

30、（2）基于機器視覺的非接觸式軸體旋轉測量，采用質量可以忽略的輕薄編碼條帶，不對軸體本身產生任何負載，結合高速相機和編碼視覺計算模塊組成的簡易測量系統即可實現軸體的非接觸測量，可以適用于軸體沒有安裝或不好安裝轉速測量傳感器裝置的場景。

技術特征：

1.一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統，其特征在于，所述編碼條帶上的編碼圖案采用4～8位的二進制二維編碼。

3.根據權利要求1或2所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統，其特征在于，所述二進制二維編碼方式采用二進制格雷碼。

4.根據權利要求1所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統，其特征在于，還包括相機支架，用于固定和調節高速相機的位置。

5.一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，利用如權利要求1至4任一項所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統實現，包括如下步驟：

6.根據權利要求5所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，所述提取編碼圖像的編碼值，并根據編碼值解析出對應編碼圖像的行數信息，具體包括：

7.根據權利要求6所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，若當前編碼圖像的編碼值在編碼矩陣中未尋找到匹配的行，則利用漢明距離從編劇矩陣中找出距離最近的行，以該行的行數信息作為當前編碼圖像的行數信息。

8.根據權利要求5所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，相鄰兩幀編碼圖像的轉角差值通過如下方法得到：

9.根據權利要求8所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，軸體的瞬時轉速通過如下方法得到：

10.根據權利要求5所述的基于視覺和編碼的軸體轉速測量方法，其特征在于，采用插值算法推算出非采樣時刻軸體的瞬時轉速，從而得到軸體連續的瞬時轉速。

技術總結
本發明公開了一種基于視覺和編碼的軸體轉速測量系統及方法，其中系統包括：編碼條帶，其上的編碼圖案采用多位二進制二維編碼，在長度方向將編碼條帶劃分為若干行，每一行具有唯一編碼值；編碼條帶的長度等于軸體周長，纏繞粘貼待測軸體圓周表面一周；高速相機，用于對待測軸體圓周表面的編碼條帶進行連續圖像采集；編碼視覺計算模塊，與所述高速相機通信連接，用于獲取高速相機采集的編碼圖像并進行預處理，提取并解析每一幀編碼圖像的編碼值，進而計算出軸體轉速。本發明的編碼條帶采用二進制二維編碼方式，通過高速相機采集每一幀編碼圖像的編碼值，進而獲得絕對轉角值，從而計算出軸體轉速，對算法依賴不大，測量性能穩定。

技術研發人員：譚建平,劉堯,黃瀟軒,張警文
受保護的技術使用者：中南大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28