基于圖像處理的發(fā)動(dòng)機(jī)單次噴油量檢測系統(tǒng)

劉雪松，王金華，王 瑤，吳靜靜,尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)逐漸成為了日常生活中必不可少的交通工具。在給人們帶來便利的同時(shí)，汽車產(chǎn)生的有害排放污染物如固體懸浮顆粒、CO、NOx、HC、PM等越來越多，對人類生存環(huán)境造成了日益嚴(yán)重的危害，直接影響到了人們的健康生活。

發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，燃油狀況，以及汽車尾氣中污染物的排放量。對發(fā)動(dòng)機(jī)單次噴油量進(jìn)行高精度檢測以及有效控制不僅可以降低油耗，提高燃油利用率，減少廢氣排放，同時(shí)也是噴油器及發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)重要的質(zhì)量保證手段[1]。因此，對發(fā)動(dòng)機(jī)單次噴油量檢測技術(shù)的研究具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值[2]。

本文在對傳統(tǒng)的噴油量檢測方法進(jìn)行分析對比的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對光學(xué)成像，圖像處理等技術(shù)的研究提出了新的檢測方法，構(gòu)建了一種新型的基于圖像處理方法的單次噴油量檢測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對單次油量的測量。

1 系統(tǒng)檢測方案

1.1 檢測方案的提出

目前對于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)噴油量的檢測，常用的檢測方法有3種：容積法、位移法和W.Zeuch法[3]。

容積法測量方便，所需要的傳感器和檢測電路簡單，但只能測量平均噴油量，難以滿足精確檢測要求；位移法可以對發(fā)動(dòng)機(jī)的單次噴油量進(jìn)行檢測，也是現(xiàn)在最常用的檢測方法，屬于接觸式測量，對檢測裝置的加工精度要求高，國內(nèi)的加工精度難以達(dá)到要求；W.Zeuch法通過間接測量可以計(jì)算得到單次噴油量的多少，但是中間過程轉(zhuǎn)換容易產(chǎn)生誤差，且不能保證高速測量的要求。

為了避免接觸式檢測方法帶來的誤差，可以采用非接觸式檢測方法進(jìn)行檢測，本文在位移法檢測原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用圖像處理的方法來對發(fā)動(dòng)機(jī)的單次噴油量進(jìn)行檢測，圖1為檢測系統(tǒng)框圖。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Working principle diagram of the test system

1.2 檢測原理

圖2 是檢測裝置的工作原理圖，檢測原理介紹如下：設(shè)計(jì)一個(gè)固定容積的密閉容積腔，容積腔有3個(gè)接口，分別為進(jìn)油口，出油口和排油口。容積腔的進(jìn)油口連接和固定噴油器，出油口接有一個(gè)半徑為R的細(xì)長玻璃管，排油口接有一個(gè)高速排油電磁閥，整個(gè)裝置形成了一個(gè)密封的油路。在燃油噴射過程中，燃油噴入預(yù)先充滿燃油的密閉容積腔中。在噴油壓力的作用下，燃油噴入密閉容積腔中，出油口一側(cè)玻璃管內(nèi)液面高度由于密閉容積腔內(nèi)油量增多上升，通過相機(jī)拍攝采集得到噴油前后液面高度的圖像，經(jīng)過圖像處理和分析之后可以求得此次噴油液面的高度變化，即可計(jì)算得到單次噴油量。

圖2 檢測裝置工作原理圖Fig.2 Workingdevice diagram of the test device

2 圖像采集系統(tǒng)

2.1 光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光源是圖像采集系統(tǒng)的重要組成部分，不僅起到照明的作用，還要盡量使被測對象的特征突出，抑制與被測對象無關(guān)的特征。光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇將會(huì)直接對采集到圖像的質(zhì)量造成影響。在進(jìn)行光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行考慮：

1）光與被測對象的相互作用形式。從光學(xué)的角度來說，光與被檢測對象之間存在多種作用方式，有漫反射，鏡面反射，背反射，定向透射，漫透射等[4]。

2）光源的顏色。不同波長的光顯示出來的顏色不同，每一種顏色的LED光源都有其獨(dú)特的光譜，且相機(jī)的傳感器元件對每一種顏色的光的敏感程度都不同。

3）光源的位置和照射方向。光源按照位置可以分為正面光，背面光以及斜射光[5]。

4）根據(jù)待測物的大小，待測物越小則波長越短越好。

由于本文被測對象為玻璃管內(nèi)液面高度，發(fā)生在玻璃管表面上的鏡面反射和漫反射可能會(huì)使光線發(fā)生偏振。為了避免或者減少光線偏振造成的干擾，在相機(jī)前面增加偏振濾鏡來對偏振光進(jìn)行抑制。由于相機(jī)傳感器對紅色光源最敏感，因此本處選擇紅色LED燈作為光源。通過對比，選擇OPT公司的OPT-RIU球狀分布式對稱漫射光源進(jìn)行打光。這種光源采用特制漫射板將光散射到不同方向，可以有效去除反光造成的干擾，能夠達(dá)到精確測量的要求。

2.2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括相機(jī)和鏡頭的設(shè)計(jì)和選擇，通過成像系統(tǒng)來獲取玻璃管內(nèi)液面高度的圖像。在進(jìn)行相機(jī)的選擇時(shí)，主要考慮兩個(gè)因素：相機(jī)的最大幀率和分辨率。然后通過所選相機(jī)的參數(shù)來選擇與之相匹配的鏡頭。

圖3為系統(tǒng)控制時(shí)序圖，在本系統(tǒng)中，噴油器噴油間隔為20 ms，需要在兩次噴油之間完成對圖像的采集和處理，要求所選擇相機(jī)的幀率至少要達(dá)到100 FPS。

圖3 檢測系統(tǒng)時(shí)序圖Fig.3 Test system timing diagram

在圖像采集的范圍內(nèi)，圖像采集區(qū)域按照40 mm×50 mm來計(jì)算，用V，H分別代表要采集圖像的區(qū)域的最大橫向尺寸和最大縱向尺寸，即V=40，H=50。系統(tǒng)要求的檢測精度為0.01 mm，為了保證精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這里選擇2個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)0.05 mm，可以根據(jù)公式計(jì)算得到橫向和縱向的像素要求m，n:

計(jì)算得到相機(jī)的像素要求：

根據(jù)計(jì)算可知，對40 mm×50 mm的矩形區(qū)域進(jìn)行圖像采集，需要選擇像素至少為320萬的攝像相機(jī)。綜合考慮檢對檢測精度，幀率以及分辨率的要求，選擇DALSA公司的Falcon24M相機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)。Falcon2面陣相機(jī)的最大幀率可以達(dá)到168 fps，最高分辨率為2 432×1 728，最高像素400萬，能夠同時(shí)滿足高分辨率和高幀率的要求，相機(jī)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對被測物進(jìn)行精確的圖像采集。

相機(jī)到被測物的距離L為100～200 mm，由式(4)計(jì)算可知：鏡頭的最小焦距f1=100/(1+0.025/0.006)=19 mm，f2=200/(1+0.025/0.006)=38 mm，選擇COMPUTAR公司的M2518-MPW鏡頭，鏡頭的焦距為 25 mm，靶面尺寸為 2/3”，最小物距為0.15 m，鏡頭可以滿足使用要求。

3 圖像處理系統(tǒng)

通過光電開關(guān)的控制，圖像采集系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的得到玻璃管液面高度的圖像，并通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。圖像處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過圖像預(yù)處理，閾值分割，邊緣提取等方法對采集到的圖像進(jìn)行處理。

3.1 圖像預(yù)處理

對于本系統(tǒng)來說，圖像預(yù)處理主要包括圖像濾波和灰度變換。圖像濾波是為了抑制圖像中的各種噪聲；灰度變換則是為了把圖像變?yōu)橐子谔幚淼幕叶葓D[6]。

3.1.1 圖像濾波

對于圖像來說，噪聲不僅僅會(huì)對圖像的特征識別精度造成影響，還會(huì)增加處理時(shí)間，降低效率。要對噪聲進(jìn)行消除，主要需要考慮兩個(gè)方面的問題：1）去除噪聲的影響。2）盡量保證圖像特征的完整和清晰。

噪聲點(diǎn)相對于數(shù)字圖像來說一般是孤立點(diǎn)，因此可以對像素點(diǎn)鄰域內(nèi)的點(diǎn)求取平均值，用來代替中心像素點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)，這種方法能夠很好地消除噪聲。

3.1.2 灰度處理

對于本系統(tǒng)來說，由于選擇的相機(jī)是黑白相機(jī)，所以灰度處理主要需要做的工作是灰度映射，灰度映射是為了增大動(dòng)態(tài)范圍和圖像的對比度，使獲得的圖像更加清晰。

灰度處理的運(yùn)算方法可以用下式來表示：

其中，f、g分別表示原圖和變換后的灰度級。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)選取，可以實(shí)現(xiàn)圖像部分的變暗和加亮操作，使圖像對比更加明顯。

3.2 閾值分割

為了得到感興趣的區(qū)域，在對圖像進(jìn)行預(yù)處理之后，對圖像進(jìn)行分割。這里我們使用閾值分割算法，閾值分割被定義為:

根據(jù)系統(tǒng)檢測要求，物體的灰度值和背景的灰度值不發(fā)生變化，使用固定閾值分割算法，將固定閾值范圍設(shè)置如下：gmin設(shè)置為30，gmax設(shè)置為70，這樣可以把感興趣的區(qū)域分割出來。

3.3 邊緣提取

閾值分割不能保證得到的圖像完全符合我們的要求，為了得到更加清晰的液位圖像，我們對閾值分割后的圖像進(jìn)行邊緣提取。為了能更好的抑制圖像中的噪聲，使提取的液位邊緣圖像更加清晰，這里使用效果相對較好的Sobel算子和Canny算子來進(jìn)行邊緣提取并進(jìn)行對比：

圖4 使用Sobel算子和Canny算子得到的邊緣圖像Fig.4 Edge picture based on Sobel operator and Canny operator

通過圖4的對比可以看到，使用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測得到的邊緣圖像產(chǎn)生的噪點(diǎn)少，效果好，所以本文采用canny算子來進(jìn)行邊緣檢測。對噴油前后計(jì)算機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理之后可以得到玻璃管內(nèi)液位線的圖像，通過計(jì)算兩次液位高度之差，即可計(jì)算得到此次噴油量的多少。

4 結(jié)論

本文在研究光學(xué)成像和圖像處理的基礎(chǔ)上提出新的噴油量檢測方法，對單次噴油量檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用Halcon軟件對得到的圖像進(jìn)行圖像處理，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)單次噴油量的檢測。

[1]王旭，郗大光，楊延相，等，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器噴油量多通道檢測儀的研制[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2004(1):21.WANG Xu,XI Da-guang,YANG Yan-xiang,et al.Research and development of mult-i channel fuel meter for free armature injector of motor engine.[J]Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2004(1):21.

[2]蔣德明，陳長佑，楊嘉林,等，高等車用內(nèi)燃機(jī)原理[M]，西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[3]魏列江，胡曉敏，張振華,等，柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)噴油量測量現(xiàn)狀概述[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2012(6):39.WEI Lie-jiang,HU Xiao-min,ZHANG Zhen-hua,et al.Present status of injection quantity measurement for high pressure common rail fuel injection system in diesel engines[J].Tractor&Farm Transporter,2012(6):39.

[4]Carsten Steger,Markus Ulrich,Christian Wiedemann.Machine Vision Algorithms and Applications[M].Tsinghua University Press,2008.

[5]朱虹.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[6]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.