CN102095469A - 一种利用摄像头的储罐液位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用摄像头的储罐液位测量方法，它通过三个激光光源发射三束可视的光束照射液面，通过摄像头采集液面图像传输至计算机，由图像处理技术求取激光束在液面上三个交点形成的面积，并据此计算液面的高度。本发明的优点：实现非接触测量，测量成本低，除用于储罐液体测量外，还可以用于油箱内燃油的测量。

Description

一种利用摄像头的储罐液位测量装置及方法

技术领域：本发明涉及一种液位的测量装置及方法，尤其是一种利用摄像头的储罐液位测量装置及方法，属于传感器和测量技术领域。

背景技术：目前在工业、农业、医疗等行业的储罐液位自动化测量应用相当广泛。其测量原理和方法众多，按照与液体接触与否，分为接触式液位测量和非接触式测量两类。接触式测量有：浮球式，电容式等，前者的缺点是需要灵敏可靠的机械结构，而后者不适用于液体粘稠等场合；非接触式测量有：超声波式，雷达波式，它们通过测量发射脉冲波与接收反射波之间的时间差来计算液位深度，它们的缺点是不适合液面变化晃动较大的场合，否则反射回波将有可能接收不到，且安装精度一定要准确保证，否则所带来的测量偏差很难加以消除。此外，如果被测量液体是带腐蚀性或易爆的，其测量过程传感装置必须是防腐防爆的。由此种种原因导致了整个测量装置成本高，也制约了众多自动化领域的进程。

发明内容：本发明的目的是为解决上述问题而提供的一种测量方法及装置。结合软件技术，能够校正因安装偏差而带来的测量误差，在液面具有较大变化晃动的场合仍能够保证较高的测量精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用摄像头的储罐液位测量方法，它通过三个激光光源发射三束光束照射液面(激光光源波长位于可见光波段，光源发出的光经过凸透镜汇聚后形成光束)，通过摄像头采集储罐液体图像传输至计算机，由软件技术求取激光束在液面上三个交点所形成的面积，并据此计算液面的高度。

一种利用摄像头的储罐液位测量装置，包括一个摄像头和三个激光光源。摄像头朝向液面垂直安装。三个激光光源对称地安装在摄像头周围，其所发出的激光束分别与摄像头透镜光轴在同一个平面，三个激光光束La，Lb，Lc与光轴的夹角为分别为α₁，α₂，α₃，其中夹角大小可进行调节，以使其适应不同的储罐形状，夹角调整的范围最大不超过摄像头的视场角，以确保激光束落在摄像头采集的图像范围内，夹角最小调整到0°，即：激光束与液面垂直。

本发明的优点：实现非接触测量，测量成本低，除用于储罐液体测量外，还可以用于油箱内燃油的测量。

附图说明：

图1是本发明的结构原理框图。

图2是摄像头和激光光源的安装示意图。

图3是摄像头和激光光源的位置关系示意图。

图4是储罐液位测量示意图。

图5是光束La在液面上形成光点A’示意图。

图6是液面上三个光点A’，B’，C’位置关系示意图。

具体实施方式：

如图1所示，一种利用摄像头的储罐液位测量方法，它通过三个激光光源发射三束可视的光束照射液面，通过摄像头采集储罐液体图像传输至计算机，求取激光束与液面的交点A’，B’，C’(光点)在图像上形成的面积，并据此计算液面的高度。

如图2和图3所示：摄像头1朝向液面垂直安装，光轴要尽量垂直于液面。激光光源LA，LB和LC对称地安装在摄像头1周围，其发射的激光束与摄像头1透镜光轴在同一个平面，设光束La，Lb，Lc与光轴的夹角为分别为α₁，α₂，α₃，其中夹角大小可进行调节，以使其适应不同的储罐形状，夹角调整的范围最大不超过摄像头1的视场角，以确保激光束落在摄像头采集的范围内，夹角最小调整到0°，即：激光束与液面垂直，夹角最佳的调整方法是：在储罐没有液体的情况时，在夹角不超过摄像头视场角的前提下，尽量使光束照射到罐底边缘，以获取最佳的测量精度；设摄像头透镜的焦距为f，激光光源间的距离分别为d，d通常选取为5f～15f。

在储罐液体图像中提取液面光点的方法原理有二：a)当激光光束在空气中传播时，一般不会形成可视的入射光线，而在透明液体中传播时，由于液体对光束的散射作用，光束将在液体中形成可视的折射光线，此折射光线的起点即为液面光点；b)当液面上有尘埃时，由于尘埃对光束的漫反射作用，在图像上将会形成一亮光斑，光斑的质心即为液面光点。

装置的测量模型如下：即利用图像中三个光点形成的面积s，求取液面高度h；如图4所示，设H为摄像头透镜到罐底的垂直距离，h为液面到罐底的距离(即液位)，h’为摄像头透镜到液面的距离，有h’＝H-h。利用三角形的相似关系有：

$\frac{s}{S1}=\frac{f^2}{h^{\′2}}............\left(1\right)$

其中S1为三个光点在液面上所形成的三角形面积。

由于激光光源以摄像头的光心O按等边三角形进行安装，光心O在液面上的投影为O’，激光光束在液面上投影之间的夹角为120°，液面上三个激光点形成的面积为S1。如图5和图6所示，可求出 $O^{\′}{A}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_1,$ $O^{\′}{B}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_2,$ $O^{\′}{C}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_3.$

故液面三光点(A’，B’，C’)所形成的面积为：

$S1=\frac{\sqrt{3}}{4}(O^{\′}{A}^{\′}\·O^{\′}{B}^{\′}+O^{\′}{B}^{\′}\·O^{\′}C+{O^{\′}{C}^{\′}\·O}^{\′}{A}^{\′})=$

$\frac{\sqrt{3}}{4}{d}^2+\frac{\sqrt{3}}{4}{h}^{\′2}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)+\frac{1}{2}{\mathrm{dh}}^{\′}({\tan \mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)$

$....\left(2\right)$

为了求取液位高度h(或者是h’)，我们必须对参数f，α₁，α₂，α₃进行标定。

参数标定

考虑到安装过程中摄像头成像平面与液面不严格平行，特引入一个新的参数β表征其夹角，以减少安装中对摄像头位置的垂直安装精度要求，同时它的引入还可以提高***测量的精度，此时(1)式变成：

$\frac{s\·\cos \mathrm{\β}}{S1}=\frac{f^2}{h^{\′2}}.........\left(3\right)$

当测量装置安装好后，当给定不同的液位为h₁，h₂，...h_n时(或是h₁’，h₂’，...h_n’)，获取相应的储罐液体图像中三个光点所形成的面积s₁，s₂，...，s_n，采用最小均方差法，计算参数f，α₁，α₂，α₃与β。

具体标定过程如下：

将(2)式带入(3)式，有：

$s=\frac{\sqrt{3}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)f^2}{4\cos \mathrm{\β}}+\frac{1}{2\cos \mathrm{\β}}d(\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)f^2\frac{1}{h^{\′}}+\frac{\sqrt{3}{f}^2{d}^2}{4\cos \mathrm{\β}}\·\frac{1}{h^{\′2}}$

$....\left(4\right)$

令： $m=\frac{\sqrt{3}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)f^2}{4\cos \mathrm{\β}};$

$n=\frac{1}{2\cos \mathrm{\β}}d({\tan \mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)f^2;$ $u=\frac{\sqrt{3}{f}^2{d}^2}{4\cos \mathrm{\β}}$

将(4)式写成矩阵形式有： $\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{1}{h^{\′}}& \frac{1}{h^{\′2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}m\\ n\\ u\end{array}\right]=s...\left(5\right)$

进行标定时，我们将(5)可简化成MX＝p；其中，

$M=\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1}{{h_1}^{\′}}& & \frac{1}{{h_1}^{\′2}}\\ 1& \frac{1}{{h_2}^{\′}}& & \frac{1}{{h_2}^{\′2}}\\ & & ...& \\ 1& \frac{1}{{h_n}^{\′}}& & \frac{1}{{h_n}^{\′2}}\end{array}\right],$ $p=\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ ...\\ s_n\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}m\\ n\\ u\end{array}\right],$

即X＝M^-1p，为求上述标定参数，利用最小均方差方法，使即可求取超定矩阵X参数，即获取定参数m，n和u。在标定时不必求取出每个具体参量，只需知道这5个数据之间的关系即可。

进行液位测量时，公式(5)可化简为二元一次方程：

(m-s)·h′²+n·h′+u＝0  .......(6)

带入图像处理获取的光点面积s，便求解出h’，液位高度h＝H-h’即可求出。在求二元一次方程中，我们保留其中的正根作为液面高度参数。

实施例

1)测量***的安装

我们选用摄像头的焦距为f＝7.0mm，图像传感器靶面有效面积为4.8×3.6mm，采集图像分辨率为640×480，，水平视场为24°，垂直视场为18°。测试时，我们选用罐桶高为2m，直径为0.5m。首先将测量装置安装在罐桶的上端盖中心位置，测量装置中激光光源间距d选取5.7f，即d≈4cm。

为了保证测量***具有最佳的测量精度，我们将使激光束尽可能照射到罐桶底边缘，参考图2及图3的位置关系，这时有：

2)***参数标定

安装完成后，我们必须对参数f，α₁，α₂，α₃，β等进行精确标定，标定时利用连通器测量罐桶液位，利用摄像头采集图像，获取图像中液面上的三个光点，并计算光点所围成的面积。我们获取的11组数据如下：

(因为摄像头靶面面积为s₀＝4.8×3.6mm²＝0.1728cm²；图像分辨率为：640*480；所以当利用图像像素点数s’进行表示时有： $s=s^{\′}\×\frac{s_0}{640\×480}$ )

根据公式(5)

我们可获取标定的参数为：m＝0.0093；n＝0.5383；u＝7.8404。

实际测试时，我们获图像三个光点所围成的面积中像素的个数为s’＝29536，将其换算成s有：s＝0.0166cm²将其带入式(6)有：可解得：h’＝86.20cm(负根舍去)，即h＝113.8cm。

Claims (4)

1.一种利用摄像头的储罐液位测量装置，包括摄像头和三个激光光源，摄像头朝向液面垂直安装，三个激光光源对称地安装在摄像头周围，其发出的激光束分别与摄像头透镜法线在同一个平面，三个激光光束与光轴的夹角调整的范围最大不超过摄像头的视场角，夹角最小调整到0°。

2.如权利要求1所述的一种利用摄像头的储罐液位测量装置，其特征在于：摄像头透镜的焦距为f，激光光源间的距离为d，d＝5f～15f。

3.采用如权利要求1所述的装置的储罐液位测量方法，其特征在于，通过三个激光光源发射三束可视的光束照射液面，通过摄像头采集液面图像传输至计算机，由软件技术求取激光束在液面上三个交点形成的面积，并据此计算液面的高度。

4.如权利要求3所述的储罐液位测量方法，其特征在于：设H为摄像头透镜到罐底的垂直距离，h为液面到罐底的距离，h’为摄像头透镜到液面的距离，有h’＝H-h，利用三角形的相似关系有：

$\frac{s}{S1}=\frac{f^2}{h^{\′2}}............\left(1\right)$

其中S1为三个光点在液面上所形成的三角形面积，所采集图像中三个光点形成的面积为s；

由于激光光源以摄像头的光心O按等边三角形安装，光心O在液面上的投影为O’，激光光束在液面上投影之间的夹角为120°，液面上三个激光点形成的面积为S1，可求出 $O^{\′}{A}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_1,$

$O^{\′}{B}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_2,$ $O^{\′}{C}^{\′}=\frac{\sqrt{3}}{3}d+h^{\′}\tan {\mathrm{\α}}_3;$

故液面三光点(A’，B’，C’)形成面积为：

$S1=\frac{\sqrt{3}}{4}(O^{\′}{A}^{\′}\·O^{\′}{B}^{\′}+O^{\′}{B}^{\′}\·O^{\′}C+{O^{\′}{C}^{\′}\·O}^{\′}{A}^{\′})=$

$\frac{\sqrt{3}}{4}{d}^2+\frac{\sqrt{3}}{4}{h}^{\′2}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)+\frac{1}{2}{\mathrm{dh}}^{\′}({\tan \mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)$

$....\left(2\right)$

为了求取液位高度h(或者说是h’)，我们必须对参数f，α₁，α₂，α₃进行标定；

考虑到安装过程中摄像头成像平面与液面不严格平行，特引入一个新的参数β表征其夹角，以减少安装中对摄像头位置的垂直安装精度要求，同时还可以提高***测量的精度，此时(1)式变成：

$\frac{s\·\cos \mathrm{\β}}{S1}=\frac{f^2}{h^{\′2}}.........\left(3\right)$

当安装好测量装置后，在储罐中当给定不同的液位为h₁，h₂，...h_n时(或是h₁’，h₂’...h_n’)，液面图像三个光点形成的面积s₁，s₂，...，s_n，采用最小二乘法，获取参数f，α₁，α₂，α₃与β；

具体标定过程如下：

将(2)式带入(3)式，有：

$s=\frac{\sqrt{3}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)f^2}{4\cos \mathrm{\β}}+\frac{1}{2\cos \mathrm{\β}}d(\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)f^2\frac{1}{h^{\′}}+\frac{\sqrt{3}{f}^2{d}^2}{4\cos \mathrm{\β}}\·\frac{1}{h^{\′2}}$

$....\left(4\right)$

令： $s=\frac{\sqrt{3}({\tan \mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2+{\tan \mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_3+\tan {\mathrm{\α}}_3\tan {\mathrm{\α}}_1)f^2}{4\cos \mathrm{\β}};$

$n=\frac{1}{2\cos \mathrm{\β}}d({\tan \mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\α}}_3)f^2;$ $u=\frac{\sqrt{3}{f}^2{d}^2}{4\cos \mathrm{\β}}$

将(4)式写成矩阵形式有： $\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{1}{h^{\′}}& \frac{1}{h^{\′2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}m\\ n\\ u\end{array}\right]=s...\left(5\right)$

进行标定时，我们将(5)可简化成MX＝p；

$M=\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1}{{h_1}^{\′}}& & \frac{1}{{h_1}^{\′2}}\\ 1& \frac{1}{{h_2}^{\′}}& & \frac{1}{{h_2}^{\′2}}\\ & & ...& \\ 1& \frac{1}{{h_n}^{\′}}& & \frac{1}{{h_n}^{\′2}}\end{array}\right],$ $p=\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ ...\\ s_n\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}m\\ n\\ u\end{array}\right],$

即X＝M^-1p，为求上述标定参数，利用最小均方差方法，使

即可求取超定矩阵X参数，即获取定参数m，n和u，在标定时不必求取出每个具体参量，只需知道这5个数据之间的关系即可；

进行液位测量时，公式(5)可化简为二元一次方程：

(m-s)·h′²+n·h′+u＝0     .......(6)

带入图像处理获取的光点面积s，便求解出h’，液位高度h＝H-h’即可求出；在求二元一次方程中，我们保留其中的正根作为液面高度参数。

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