歐陽(yáng)柏添 鄧潔虹

摘要：為解決水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定過(guò)程中人工檢定效率低、過(guò)程易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)可信度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)水準(zhǔn)標(biāo)尺全自動(dòng)檢定系統(tǒng)框架，從硬件系統(tǒng)搭建、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)等方面研制具有檢定距離與初始位置自動(dòng)調(diào)節(jié)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別等功能的水準(zhǔn)標(biāo)尺全自動(dòng)智能檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大提升檢定效率、減少勞動(dòng)成本、降低出錯(cuò)概率，實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定過(guò)程的自動(dòng)化與智能化。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定;自動(dòng)控制;智能識(shí)別;智能檢定

中圖分類號(hào)：P204? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）07-0181-04

Development of Full-Automatic Verification Device for Levelling Staff

OUYANG Baitian，DENG Jiehong

（Guangdong Jiangmen Supervision Testing Institute of Quality & Metrology，Jiangmen? 529000，China）

Abstract：In order to solve the problems of low manual verification efficiency，error prone process and low data reliability in the verification process of leveling staff，the full-automatic verification system framework of leveling staff is designed. From the aspects of hardware system construction，automatic control system design and verification data intelligent identification system development，a full-automatic intelligent verification system for leveling staff with the functions of automatic adjustment of verification distance and initial position，and intelligent identification of verification data is developed. The system can greatly improve the verification efficiency，reduce the labor cost，reduce the error probability，and realize the automation and intelligence of the verification process of leveling staff.

Keywords：leveling staff verification;automatic control;intelligent identification;intelligent verification

收稿日期：2021-03-09

0? 引? 言

水準(zhǔn)標(biāo)尺廣泛用于大地測(cè)量、建筑測(cè)量、野外測(cè)繪等。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，公共基礎(chǔ)設(shè)施和住宅建筑等基建迅猛發(fā)展，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺的測(cè)量需求也越來(lái)越大。同時(shí)水準(zhǔn)標(biāo)尺是測(cè)定高差的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，如果水準(zhǔn)標(biāo)尺的長(zhǎng)度有誤差，則對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)結(jié)果帶來(lái)系統(tǒng)誤差影響。如何能夠高效率、高精度實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)標(biāo)尺的檢定已經(jīng)迫在眉睫?；谌绱舜髷?shù)量、高精度的水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定需求，未來(lái)水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定系統(tǒng)必然要往自動(dòng)化、智能化、高精度、可靠性強(qiáng)的方向發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)象檢定裝置的研究都朝著自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，如照度計(jì)自動(dòng)化檢定裝置、鋼卷尺全自動(dòng)檢定裝置等。但關(guān)于水準(zhǔn)標(biāo)尺自動(dòng)檢定裝置的研究機(jī)構(gòu)很少，能查到的國(guó)內(nèi)對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺自動(dòng)化檢定裝置研究的單位目前主要有國(guó)家光電測(cè)距儀檢測(cè)中心和鄭州測(cè)繪學(xué)院，他們的研究?jī)?nèi)容只針對(duì)因瓦尺單一類型，然而各類型的普通水準(zhǔn)標(biāo)尺在日常使用中數(shù)量巨大，檢定工作量大，因此研制水準(zhǔn)標(biāo)尺全自動(dòng)檢定裝置（以下簡(jiǎn)稱水準(zhǔn)尺檢定裝置）具有重要意義。

1? 水準(zhǔn)尺檢定裝置框架

水準(zhǔn)尺檢定裝置的基本原理如圖1所示，其檢定流程為：

（1）用專門的夾具安裝、固定并調(diào)整好被檢水準(zhǔn)標(biāo)尺。

（2）電子顯微鏡采集被檢水準(zhǔn)標(biāo)尺的線紋的圖像信息。

（3）系統(tǒng)處理所采集的圖像信息并根據(jù)JJG 8-1991《水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定規(guī)程》的要求計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，作出被檢水準(zhǔn)尺是否合格的判定。

為實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)尺檢定過(guò)程的自動(dòng)化與智能化，本文提出基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的水準(zhǔn)尺檢定系統(tǒng)研制的總體方案，如圖2所示。

本方案主要包含3方面內(nèi)容：

（1）水準(zhǔn)尺檢定裝置硬件設(shè)計(jì)。

（2）位移自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)。

（3）水準(zhǔn)尺檢定數(shù)據(jù)視覺(jué)檢測(cè)及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)。

2? 水準(zhǔn)尺檢定裝置關(guān)鍵構(gòu)架分析

2.1? 水準(zhǔn)尺檢定裝置硬件設(shè)計(jì)

水準(zhǔn)尺檢定裝置硬件部分主要包括高精度直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（大理石基座、高精度直線導(dǎo)軌）、磁懸浮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別系統(tǒng)三大模塊。

在5.3 m長(zhǎng)的大理石基座（要求其直線度達(dá)到1級(jí)精度以上）上安裝高精度直線導(dǎo)軌和高精度的光柵尺，完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的搭建，配合磁懸浮電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)水準(zhǔn)尺線紋圖像進(jìn)行采集完畢后，系統(tǒng)再分析所采集到數(shù)據(jù)與光柵反饋位置信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可得出被檢水準(zhǔn)尺是否合格。

水準(zhǔn)尺檢定裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，電子顯微鏡（即工業(yè)數(shù)字相機(jī)）、顯微鏡、待檢水準(zhǔn)尺、直線電機(jī)系統(tǒng)、線性導(dǎo)軌和光柵尺測(cè)量系統(tǒng)安裝于大理石基座上，其中待檢的水準(zhǔn)尺固定不變，電子顯微鏡安裝在相機(jī)三維調(diào)節(jié)支架上，通過(guò)直線電機(jī)系統(tǒng)和光柵尺測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)尺線紋圖形讀取。為準(zhǔn)確讀取水準(zhǔn)尺線紋圖像，首先水準(zhǔn)尺的安裝固定位置應(yīng)滿足圖3中所示的安裝方式;其次電子顯微鏡安裝位置也應(yīng)滿足在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠在短時(shí)間內(nèi)抓拍清晰的線紋圖像，特別是當(dāng)水準(zhǔn)尺的線紋不在一個(gè)平面上，同時(shí)底平面也不在同一平面上的這種特殊情況時(shí)。

上述檢定過(guò)程中，通過(guò)直線電機(jī)系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)直線電機(jī)方向和速度的調(diào)控，讓電子顯微鏡采集水準(zhǔn)尺不同位置的線紋圖像，通過(guò)與光柵尺的示值進(jìn)行比較，得到水準(zhǔn)尺各檢定點(diǎn)的示值誤差。

2.2? 水準(zhǔn)尺檢定裝置位移自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)

水準(zhǔn)尺檢定裝置的位移自動(dòng)控制系統(tǒng)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和光柵尺位置反饋系統(tǒng)組成。水準(zhǔn)尺檢定裝置的位移自動(dòng)控制原理如圖4所示，包括水準(zhǔn)尺檢定位置自動(dòng)控制和光柵尺光柵信號(hào)自動(dòng)控制兩部分。自動(dòng)控制流程為：上位機(jī)通過(guò)RS232通信向直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令;驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)系統(tǒng)中的動(dòng)子滑塊按指令要求的步距、速度、加速度和方向等要求移動(dòng)，位移的具體位置和定位精度由光柵尺測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋。

上述流程中，通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光柵尺位置反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向、速度、步距和加速度的調(diào)控，達(dá)到水準(zhǔn)尺檢定裝置精確定位自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

2.3? 水準(zhǔn)尺檢定數(shù)據(jù)視覺(jué)檢測(cè)及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)

水準(zhǔn)尺檢定數(shù)據(jù)視覺(jué)檢測(cè)及記錄數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)由檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取系統(tǒng)、檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)組成。水準(zhǔn)尺示值的檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)讀數(shù)系統(tǒng)原理如圖5所示，通過(guò)電子顯微鏡拍攝待檢水準(zhǔn)標(biāo)尺示值圖像;通過(guò)USB數(shù)據(jù)線上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)電子顯微鏡所攝圖像識(shí)別待檢水準(zhǔn)尺線紋值。

水準(zhǔn)尺檢定數(shù)據(jù)視覺(jué)檢測(cè)及記錄數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)。水準(zhǔn)尺示值的檢定數(shù)據(jù)視覺(jué)檢測(cè)功能由檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取系統(tǒng)完成，系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖5所示。

為得到清晰、可靠、特征明顯的被測(cè)對(duì)象圖像，需要專門設(shè)計(jì)的視覺(jué)光源照射待檢水準(zhǔn)尺表面，待檢水準(zhǔn)尺的光學(xué)圖像通過(guò)顯微鏡頭成像在工業(yè)數(shù)字相機(jī)的CCD陣面上，工業(yè)數(shù)字相機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線上傳轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)工業(yè)相機(jī)所攝圖像識(shí)別待檢刻線示值。

上位機(jī)軟件對(duì)刻線圖像的軟件處理過(guò)程為：

（1）平滑濾波。通過(guò)平滑濾波，有效抑制圖像采集時(shí)隨機(jī)噪聲干擾，保障識(shí)別的可靠性。

（2）圖像灰度化。將采集到的彩色圖像，進(jìn)行灰度化預(yù)處理?；叶葓D像是R、G、B三個(gè)分量相同的一種特殊的彩色圖像，其一個(gè)像素點(diǎn)的變化范圍從黑到白為255種，所以在數(shù)字圖像處理中，為使后續(xù)圖像的計(jì)算量變得少一些，一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像?；叶葓D像的描述與彩色圖像一樣，仍然反映了整幅圖像整體和局部的色度和亮度等級(jí)的分布和特征。

（3）圖像二值化處理。圖像的二值化處理就是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255，也就是使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。二值化一般采用OSTU分割法，將圖像中特征明顯的刻線部分部分分割出來(lái)，如圖6所示。

（4）圖像形態(tài)學(xué)處理。經(jīng)過(guò)二值化處理后的刻線圖像，還可能殘存二值化處理沒(méi)有分割掉的雜點(diǎn)，或者刻線的像素連接部分不理想（斷裂或空洞），對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，腐蝕掉信息孤立的雜點(diǎn)，填補(bǔ)刻線像素之間的斷裂處或空洞部分，完善刻線的特征信息，便于后續(xù)刻線統(tǒng)計(jì)查找。

（5）圖像細(xì)化處理。進(jìn)一步加快刻線查找速度，對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化處理，使得圖像中只留有刻線的中心線。

（6）刻線長(zhǎng)度、寬度特征提取。對(duì)圖像從左到右，從上到下進(jìn)行像素掃描，按縱坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)像素?cái)?shù)量。在縱向的投影中，各刻線像素會(huì)堆積成一個(gè)個(gè)有一定寬度，一定高度的像素堆。其中像素堆像素?cái)?shù)量最大的就是被檢刻線，記錄下該刻線在刻線序列中的索引。繼續(xù)查找被檢刻線左側(cè)和右側(cè)刻線的位置。已知被檢刻線所在序列索引為i，那么左側(cè)刻線的索引為i-1，右側(cè)刻線的索引為i+1，則被檢刻線和左右兩側(cè)刻線的橫坐標(biāo)像素位置都可知。

（7）圖像像素的當(dāng)量計(jì)算。像素當(dāng)量就是測(cè)量單位像素與實(shí)際長(zhǎng)度單位之間的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，即確定圖像測(cè)量系統(tǒng)中每個(gè)像素代表的實(shí)際長(zhǎng)度值，實(shí)際檢定時(shí)，被檢刻線與兩側(cè)刻線的像素橫坐標(biāo)距離是A，對(duì)應(yīng)1 mm（1 000 μm）刻線距離，則像素當(dāng)量α=1 000/A。

（8）誤差值計(jì)算。在開始檢定時(shí)，將相機(jī)圖像中繪制的十字瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)被檢標(biāo)尺的零刻線，然后直線電機(jī)動(dòng)子移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)位移量，相機(jī)十字瞄準(zhǔn)線橫坐標(biāo)與被檢刻線橫坐標(biāo)必然產(chǎn)生像素差值N，則該刻線處的誤差值為δ=Nα。譬如：某像素橫坐標(biāo)距離A=59，某個(gè)檢定點(diǎn)實(shí)際像素差值N=17，則該刻線處的誤差值為δ=Nα=17×1 000/59≈288（μm）

（9）待檢刻線示值誤差視覺(jué)讀數(shù)實(shí)驗(yàn)。如圖7所示：被檢刻線讀數(shù)，軟件自動(dòng)識(shí)別讀數(shù)分別是-0.288 mm和-0.700 mm，與人工肉眼估讀結(jié)果一致，視覺(jué)讀數(shù)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

3? 結(jié)? 論

本文針對(duì)水準(zhǔn)尺檢定領(lǐng)域普遍存在的自動(dòng)化程度低、人工檢定效率低、人工檢定數(shù)據(jù)讀取與記錄易出錯(cuò)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)水準(zhǔn)尺檢定系統(tǒng)。從硬件系統(tǒng)搭建、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別等方面實(shí)現(xiàn)具有水準(zhǔn)尺檢定距離自動(dòng)調(diào)節(jié)、水準(zhǔn)尺初始位置自動(dòng)設(shè)置、水準(zhǔn)尺示值智能檢定等功能的水準(zhǔn)尺檢定裝置，最后通過(guò)待檢水準(zhǔn)尺示值預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該水準(zhǔn)尺檢定裝置的可行性。

后續(xù)將研究待檢水準(zhǔn)尺檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理，進(jìn)一步提高水準(zhǔn)尺檢定裝置的準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)柏添（1976—），男，漢族，廣東江門人，總工程師，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：計(jì)量測(cè)試;鄧潔虹（1976—），女，漢族，廣東三水人，室主任，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：機(jī)電一體化。