一种饮水机水杯液位智能检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及高速公路收费和管理的技术领域，尤其是指一种饮水机水杯液位智能检测装置及其检测方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，越来越多的家庭拥有了饮水机，但智能程度不够，接水时需要不停的关注水杯内液位的变化，依靠人眼判断出水量，并手动控制阀门的开闭，判断精度较差，在光线较差的情况下，很难判断液位，稍微不注意就可能导致水的溢出，造成了水资源的浪费，溢出的热水也可能造成烫伤，而在接水的过程中，也无法腾出手做其它事情，一定程度上造成了时间的浪费，虽然目前有部分饮水机可设定一次出水量，但只试用于固定大小的水杯，无法为不同大小的水杯自动设定对应的出水量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种饮水机水杯液位智能检测装置及其检测方法，可自动识别水杯高度与液位，根据用户需求决定目标液位，当达到目标液位时关闭出水口，自动完成整个接水过程。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种饮水机水杯液位智能检测装置，包括电磁阀、摄像机、线激光发生器、人机交互界面模块、控制器和电源模块；所述饮水机的冷、热出水口分别安装有用于控制出水的电磁阀，并各配置有一组线激光发生器和摄像机，所述线激光发生器和摄像机位于相应出水口的两侧；所述线激光发生器安装在饮水机的置杯腔顶部，靠近相应出水口，其方向朝下并斜向出水口，其朝向能够调整，其发出的激光条纹应能够同时经过置杯腔中的水杯和水杯放置座；所述摄像机安装在置杯腔顶部，靠近相应出水口，其镜头方向朝下并斜向出水口，其朝向能够调整，所述摄像机应拍到水杯和水杯放置座上的激光条纹；所述人机交互界面模块安装在饮水机的正面，并分有两部分设在置杯腔的左、右两侧；所述控制器和电源模块安装在饮水机的内部，且所述控制器分别与电磁阀、摄像机、线激光发生器、人机交互界面模块相连接，所述电磁阀、摄像机、线激光发生器、人机交互界面和控制器由饮水机的主电源经电源模块转压后分别供电。

进一步，同一组的线激光发生器和摄像机与相应出水口处于同一直线，三者水平高度一致。

进一步，所述人机交互界面模块上设置有能够显示出摄像机拍摄画面的显示界面，方便调整摄像机角度，并且，在所述人机交互界面模块上能够在0至100间自由设置水占杯子容量的百分比，其包含满杯、半杯和1/3杯的快捷选项按钮。

本发明也提供了一种上述饮水机水杯液位智能检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)调整线激光发生器和摄像机至合适角度，以摄像机所在位置及水杯放置座上表面建立世界坐标系，取水杯放置座上表面四点，利用这四点的世界坐标及各自在像素坐标系里的像素坐标进行摄像机的标定，获得摄像机坐标系至世界坐标系的转换关系；

2)取激光条纹在水杯放置座上表面的两点，结合线激光发生器的世界坐标，获得世界坐标系下激光发射面的数学方程；激光条纹上一点的像素坐标经转换后得到该点在水杯放置座上表面的投影坐标，由该坐标与摄像机坐标求得过该点和摄像机的直线方程，该直线方程与激光发射面的方程联立求得此激光条纹点的三维世界坐标，同理求得激光条纹上任意一点的三维坐标，z轴坐标即为该点的高度；

3)水杯放置后，摄像机中的激光条纹将会由一条连续的直线变为多条高度不一的断续线段，从图像一侧开始进行逐列扫描，视第一个跳跃间断点与第二个跳跃间断点间、第三个跳跃间断点与第四个跳跃间断点间的线段为水杯杯口，第二个跳跃间断点与第三个跳跃间断点间的线段为水杯杯底，第一个跳跃间断点和第四个跳跃间断点两侧线段为水杯放置座上表面，以此确定杯口与杯底像素点并得到对应的三维坐标，以二者的高度之差确定水杯的内壁高度；

4)通过人机交互界面模块确定出水比例，结合水杯内壁高度确定目标液位，控制器控制电磁阀打开相应出水口；

5)注水过程中，处于线激光发生器和摄像机间的水柱会遮挡部分液面激光条纹，图像中第二个跳跃间断点与第三个跳跃间断点间的一条连续线段变为两条，取这两条线段上的点作为液面激光点，计算对应的三维坐标，得到实时液位高度，当实时液位高度达到目标液位后，控制器关闭相应出水口，接水完成。

进一步，当摄像机角度发生变化时需要对摄像机进行标定，以便在使用前建立像素坐标系与世界坐标系的转换关系，摄像机安装位置的x，y轴坐标为(0,0)，水杯放置座上表面的z轴坐标为0，坐标轴刻度单位为毫米，激光条纹点和摄像机连线的直线方程与激光发射面的方程联立求得该激光条纹点的高度，通过识别激光条纹的间断点，获取杯口、杯底、液面的高度。

进一步，激光条纹上任意一点高度的计算方法是：取激光条纹在水杯放置座上表面的两点p、q，p点坐标为(xp,yp,zp)，q点坐标为(xq,yq,zq)，结合线激光发生器的世界坐标(xn,yn,zn)来计算激光发射面的数学方程；取激光条纹上一点a的像素坐标经转换后得到该点在水杯放置座上表面的投影a’的坐标(x'a,y'a,z'a)，由该坐标与摄像机的坐标(xo,yo,zo)求得过该点和摄像机的直线方程；结合该激光发射面的方程和直线方程求得a的世界坐标(xa,ya,za)，za即为a点的高度。

进一步，为防止水杯过满导致端水杯时水溢出造成浪费和烫伤，若换算后的液面距杯口小于1cm时，目标液位重设为水杯内壁高度减去1cm，以控制液面高度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过线激光发生器和摄像机的配合，可以实现对激光条纹上任意点的高度检测，进而获得杯口、杯底、液面的高度。

2、可以设定水杯任意比例的用水量，方便不同的用水需求，出水控制更加精确。

3、通过图像处理，可以判定冷、热出水口下方是否有水杯，根据设定用水量自动完成出水，两个出水口可同时出水，更加方便快捷。

4、根据同一位置处的所有激光点高度计算该位置高度，这相比利用红外传感器等单点测量方案精度更高，如利用杯口处所有激光点高度的均值作为杯口高度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明各模块连接框图。

图3是本发明注水时液位检测原理图。

图4是本发明工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和图2所示，本实施例所提供的饮水机水杯液位智能检测装置，包括电磁阀3、摄像机4、线激光发生器6、人机交互界面模块7、控制器8和电源模块11；所述饮水机2的冷、热出水口1、5分别安装有用于控制出水的电磁阀3，并各配置有一组线激光发生器6和摄像机4，所述线激光发生器6和摄像机4位于相应出水口的两侧，同一组的线激光发生器6和摄像机4与相应出水口处于同一直线，三者水平高度一致；所述线激光发生器6安装在饮水机2的置杯腔10顶部，靠近相应出水口，其方向朝下并斜向出水口，其朝向可以调整，其发出的激光条纹应可以同时经过置杯腔10中的水杯(图中未画出)和水杯放置座9；所述摄像机4安装在置杯腔10顶部，靠近相应出水口，其镜头方向朝下并斜向出水口，其朝向可以调整，所述摄像机4应拍到水杯(图中未画出)和水杯放置座9上的激光条纹；所述人机交互界面模块7安装在饮水机2的正面，并分有两部分设在置杯腔10的左、右两侧，所述人机交互界面模块7上设置有能够显示出摄像机拍摄画面的显示界面，方便调整摄像机角度，并且，在人机交互界面模块7上能够在0至100间自由设置水占杯子容量的百分比，其包含满杯、半杯和1/3杯的快捷选项按钮；所述控制器8和电源模块11安装在饮水机的内部，该电源模块11位于控制器8上方，所述控制器8分别与电磁阀3、摄像机4、线激光发生器6、人机交互界面模块7相连接，所述电磁阀3、摄像机4、线激光发生器6、人机交互界面7和控制器8由饮水机的主电源经电源模块11转压后分别供电。

参见图3和图4所示，下面为本实施例上述饮水机水杯液位智能检测装置的检测方法，具体如下：

1)调整线激光发生器6和摄像机4至合适角度，以摄像机4所在位置及水杯放置座上表面12建立世界坐标系，其中摄像机4安装位置的x，y轴坐标为(0,0)，水杯放置座上表面12的z轴坐标为0，坐标轴刻度单位为毫米，取水杯放置座上表面12四点，将这四点的世界坐标(x,y,z)及各自在像素坐标系里的像素坐标(u,v)带入透视矫正坐标变换公式a11至a33为3*3大小的坐标变换矩阵中的各未知元素，求得这些各未知参数以进行摄像机4的标定，获得相机坐标系至世界坐标系的转换关系。

2)取激光条纹在水杯放置座上表面12的两点p、q，p点坐标为(xp,yp,zp)，q点坐标为(xq,yq,zq)，结合线激光发生器6的世界坐标(xn,yn,zn)，获得世界坐标系下激光发射面的数学方程a(x-xn)+b(y-yn)+c(z-zn)＝0，其中激光条纹上一点a的像素坐标经转换后得到该点在水杯放置座上表面12的投影a’的坐标(x'a,y'a,z'a)，由该坐标与摄像机坐标(xo,yo,zo)求得过该点和摄像机4的直线方程该直线方程与激光发射面方程联立求得此激光条纹点a的三维世界坐标：

同理可求得激光条纹上任意一点的三维坐标，z轴坐标即为该点的高度。

3)水杯13放置后，摄像机4中的激光条纹将会由一条连续的直线变为多条高度不一的断续线段，从图像一侧开始进行逐列扫描，视第一个跳跃间断点与第二个跳跃间断点间、第三个跳跃间断点与第四个跳跃间断点间的线段为水杯13杯口，第二个跳跃间断点与第三个跳跃间断点间的线段为水杯13杯底，第一个跳跃间断点和第四个跳跃间断点两侧线段为水杯放置座上表面12，以此确定杯口高度ho与杯底高度hb，以二者的高度之差确定水杯13的内壁高度hi＝ho-hb。

4)通过人机交互界面模块确定出水比例k，结合水杯13内壁高度确定目标液位hs＝hi*k，当hs-hi＞1cm时，hs＝hi+1，控制器控制电磁阀打开相应出水口。

5)注水过程中，处于线激光发生器6和摄像机4间的水柱14会遮挡部分液面激光条纹，图像中第二个跳跃间断点与第三个跳跃间断点间的一条连续线段变为两条，取这两条线段上的点作为液面激光点，计算对应的三维坐标，得到实时液位高度hw，当实时液位高度达到目标液位后，即hw-hb≥hs时，控制器关闭相应出水口，接水完成。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。