一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置。
【背景技术】
[0002] 液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量。这种技术广泛应用于日常生 活、工业生产、石油运输、发电站及城市排污电机的节能控制等许多方面。
[0003] 现阶段的水位检测大致可分为接触式和非接触式两种方法。一是采用浮子式液位 计，浮子式液位计属于机械模式，易出故障。二是采用压阻式液位变送器，对液位进行检测， 这种检测方法是依据液面下某处的压强与其离液面的距离成正比关系的原理而设计。目前 使用的大多为进口产品，价格高、抗扰性较差，器件的非线性和液体中的杂质对测量精度影 响很大，例如对同一高度的清水与含泥沙的水进行检测时，检测结果却不一样。同时，由于 检测器与被测液体直接接触，造成检测器件本身被有害物质侵蚀、影响了检测精度和使用 寿命，从而一定程度上限制了其应用范围。
[0004] 在非接触式的检测装置中，目前有超声波，红外线、激光液位测量仪表等。其中超 声波具有代表性，超声波液位测量仪表具有非接触的特点，性能可靠，具有实用价值，因而 成为液位检测仪表的一个发展方向，在国内外均得到较为光泛而深入的研究和应用。但是， 受自身特点（如受温度变化影响较大、模拟量转换精度不足，受检测液面的波动影响较大） 等因素的制约，超声波液位测量仪表在大量程范围内难以达到高精度，安装要求高，需要专 业人员安装，而且当检测液面有悬浮物、泡沫、波动时，检测精度大幅降低。
[0005][0006] ①抗干扰能力不足：由于日照亮度的变化，以及白昼的变化，使得液位线的对比度 降低，导致液位线的提取存在一定难度，同时当环境周围存在其它干扰物体的投影时，会引 起液位线的误检，误将其他物体的投影当作液位线，从而检测错误；
[0007] ②安装不便：考虑到上面的因数，安装时要避免阳光的直射，以及避开其他突出的 遮挡物，需要增加安装一块白色背板；
[0008] ③维护周期短：由于安装时需加装一白色的背板，此白色的背板易受到液体的污 染而形成干扰，当液体比较脏时，在浸泡后易形成黑色的污渍线条，当液位下降后，容易被 误检为实际的液位线，因此需要定期清洗白色背板，此周期受液体的污染程度增强而变短。
[0009] 因此，有必要设计一种新型的液位检测方法和装置。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可见激光和图像处理的液位检测方 法和装置，该基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置易于实施，抗干扰能力强。 [0011] 发明的技术解决方案如下：
[0012] 一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤I :建立测量坐标系；
[0014] 沿竖直方向建立用于表征实际液位变化的液位一维坐标AB";-维坐标AB"位于 背景所在的平面中；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；
[0015] 摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向 下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为Θ ;
[0016] 建立投影一维坐标AB，投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"之间的夹角为Θ ;
[0017] 记摄像机所在位置为0点，激光头的扫描面为平面，该扫描面与0 AB"平面存在 一个非零的夹角；【即扫描面与〇 AB"平面不重合，这样就保证激光点的运动轨迹就不会是 一条直线】
[0018] A为投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"的公共原点；
[0019] 步骤2 :通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；
[0020] 将可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在所述的背景上形成激光点， 由摄像机捕捉激光点的运动轨迹图像；
[0021] 步骤3 :基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点 坐标求取实际的液位值；
[0022] 所述的角点坐标为投影一维坐标AB的坐标，角点的位置为C，角点在投影一维坐 标AB内C的坐标为AC ;
[0023] 基于以下公式求取液位值AC":
[0024] AC" = AC*sin( Z ACC" )/sin(180° - Θ - Z ACC");
[0025] 所述的*号为乘号；
[0026] ZACC"的计算方法为：
[0027] AOAC内，A0、AC、Z OAC已知，根据三角函数关系求出Z 0CA，于是有ZACC"= 180° -zocad【zoac=zoac" -Θ】
[0028] 在步骤1中，对摄像机的图像畸变进行校正，校正方法为：选择标准多色方格图 片，摄像头对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分 像素点偏移值，形成畸变校正表，对每幅液位图片处理前首先进行校正。
[0029] 在步骤1中，采用标尺对投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"进行标定。
[0030] 所述的激光头设置在云台上，由云台带动激光头实现扫描。
[0031] 一种基于可见激光和图像处理的液位检测装置，包括摄像头、激光头和用于实现 数值计算的数据处理模块；
[0032] 背景为存储液体的容器内壁；
[0033] 摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向 下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为Θ ;
[0034] 采用前述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法实现液位测量。
[0035] 所述的激光头设置在云台上。
[0036] 所述的数据处理模块采用ARM处理器。
[0037] ARM处理器与触摸显示屏相连。
[0038] ARM处理器与通信单元相连。
[0039] ARM处理器集成于UT6410CV05核心板上，液位检测装置还包括与数据处理模块相 连的网口，所述的通信单元为无线通信单元或串口。
[0040] 系统硬件由摄像机或相机、云台控制的可见激光发射器和嵌入式系统组成。嵌入 式系统包括有线、无线、控制接口以及人机接口。
[0041] 图像畸变校正：选择标准多色方格图片，每个应用摄像头或相机对标准图片垂直 成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校 正表，检测中每幅液位图片处理前首先进行校正。
[0042] 构造一维坐标：轴向为液位变化方向，即坐标轴最小刻度间为η像素，η取值为（0， 1，2,3,...）中的任意整数，数值越大表明坐标精度越高，但值太大在坐标变换时会引入舍 入误差以及测量范围小，根据摄像头的分辨率，η -般选取5-20个像素点，每刻度间的实际 间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小，然后对坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋 转0-90度，可得到相应各种角度下的坐标系；因现场安装时摄像头以一定的角度向下拍摄 液位图片，位置关系见附图4和附图3,液位变化方向为AB"方向，在镜头中成像的投影坐 标轴为AB方向而实际的坐标轴为AB"方向，AB"和AB之间的夹角为Θ，因此需要将投影 坐标轴向前方旋转Θ角度，得到现场的一维坐标轴，然后以旋转后的坐标轴来计算液位的 高度）。在实际测量过程中，先在室内预拍一张摄像头与标尺垂直的图片，并存储在系统存 储设备中，然后利用图像分割算法，计算得到标尺的投影坐标轴ΑΒ，因摄像头与标尺垂直， 所以投影坐标轴AB和实际坐标轴AB"重合。在现场安装设备时，将标