一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取方法、装置及系统与流程

本发明属于燃料电池领域，具体的说，是涉及一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取方法、装置及系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池在汽车、轮船和空间动力装置上的广泛使用具有巨大的潜能，被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源技术之一。

2、燃料电池运行过程中，特别是在大电流密度工况下，大量的液态水在流道内聚集，流道中的水传输会对电池的性能产生重要的影响。研究液态水的动态特性，需要获取流道内液态水的实时图像，并提取关键信息，基于图像分析技术准确计算液滴的尺寸信息和接触角信息是关键途径。

3、在实际研究中，为了模拟燃料电池流道中水的运动，通常采用vof(有限体积法)的方法，然而，vof方法中对于液滴的重构精确性是需要准确的固液界面和气液界面的并通过实验的方法修正模拟仿真中vof模型参数是具有重大的意义。正因为这些原因，使得从实验的角度提取燃料电池运行过程中液滴生长和移动时液滴的关键物性参数成为科研的热点。建立一种分析和提取液态水的关键信息的方法用以调控水管理过程是非常重要的。

4、公开号为：cn107490769a、名称为一种燃料电池水分布可视化在线检测系统的公开文件中，根据燃料电池特性，通过图像采集与处理，提取燃料电池液态水分布数据，进而建立动态水分布图，实现燃料电池水分布可视化在线检测，这种方案虽然能反映出水流动的面积分布情况，但是不能获取单个液滴的关键信息，信息获取量较少。

5、公开号为：cn109886188a、名称为一种基于图像处理的pemfc阴极流道水可视化处理方法的公开文件中，利用3d打印技术打印出不同阴极流道形状的实际模型，先用添加染色剂的蒸馏水分别充满流道的不同高度，并用高速摄像机进行拍摄以及对未注水的空流道模型进行拍摄；得到的图像的灰度值，建立灰度值与流道液态水高度和流道高度之间的比值的对应函数关系，从而反映出性能，但是整体方案不能分析出液态水的关键信息。

6、综上所述，现有燃料电池的图像处理方法或技术存在以下问题：

7、1、适用于处理以液态水面积特征分布的装置，但未针对液滴进行关键信息提取；

8、2、获取的液态水的动态信息少，特别是对液滴成长过程中固液界面与气液界面形成的接触线移动速度没有提出实验计算方法；

9、3、对于液滴轮廓的处理没有提出差异性算法，关键算法选择性少。

技术实现思路

1、本发明提出了一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取方法、装置及系统，用于对液滴在流道中流动时的相关动态参数信息进行提取。

2、本发明的技术方案为：

3、本发明提供了一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取方法，包括：

4、获取燃料电池运行时所产生的液滴在流道中流动时的连续多帧图像；

5、针对液滴的连续多帧图像进行图像处理，得到液滴的连续多帧二值图像；

6、针对液滴的每一帧二值图像，均执行：

7、提取液滴的二值轮廓线和液滴与流道的固液接触线；基于所提取出的二值轮廓线，确定液滴的顶点坐标；

8、基于所提取出的二值轮廓线和固液接触线，确定二值轮廓线与固液接触线的左、右交点坐标；

9、以顶点坐标为分界点，将二值轮廓线进行左、右分段，再对两段分段轮廓线进行圆或椭圆拟合，以确定所拟合出的轮廓圆的圆心坐标、半径；以及确定液滴顶点到固液接触线的高度以及分段轮廓线的中点坐标；

10、根据所拟合出的轮廓圆的半径以及液滴顶点到固液接触线的高度，确定轮廓圆的角度。

11、优选地，所述方法还包括：

12、针对液滴的连续两帧二值图像，基于连续两帧二值图像中的左、右交点坐标，确定液滴的固液接触线增长速度和固液接触线移动速度。

13、优选地，针对液滴的连续多帧图像进行图像处理，得到液滴的连续多帧二值图像的步骤包括：

14、读取液滴的连续多帧图像中标号最小的图像，将标号最小的图像作为背景图像；

15、利用背景差分法将全部剩余图像与背景图像相减，以对全部剩余图像进行背景去除；

16、对背景去除的全部剩余图像进行灰度化处理；

17、对灰度化处理的全部剩余图像进行二值化处理，得到液滴的连续多帧二值图像。

18、优选地，提取液滴的二值轮廓线的步骤包括：

19、利用梯度下降法从液滴的二值图像中提取液滴的二值轮廓线；

20、提取液滴与流道的固液接触线的步骤包括：

21、从液滴的二值图像中提取出所有二值量为预设值的坐标点；

22、将纵坐标最大的坐标点作为起始点，以行或列最小遍历的方式，计算任意两坐标点间的斜率，从相邻两列中找到斜率小于预设标定值的两个坐标点，作为对应列上的目标点；

23、再将所有的目标点依次相连形成所需求的固液接触线。

24、优选地，利用公式组：

25、

26、计算所拟合出的轮廓圆的半径lr和所拟合出的轮廓圆的坐标(ox，oy)，其中，(lx，ly)为拟合出的轮廓圆上的分段轮廓线与固液接触线的交点坐标，(cx，cy)为液滴的顶点坐标，(mx，my)为拟合出的轮廓圆上的分段轮廓线的中点坐标；

27、利用公式：

28、h＝|cy-ly|

29、确定液滴顶点到固液接触线的高度h；

30、利用公式：

31、

32、确定拟合出的轮廓圆的半径r；

33、利用公式：

34、

35、确定轮廓圆的角度θ。

36、优选地，针对液滴的连续两帧二值图像，基于连续两帧二值图像中的左、右交点坐标，确定液滴的固液接触线增长速度和固液接触线移动速度的步骤包括：

37、计算连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的横坐标移动速率变化率；

38、判断连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的两个横坐标移动速率变化率是否为零；

39、若连续两帧二值图像中的左、右交点中有一个点对应的横坐标移动速率变化率为零，确定液滴的固液接触线移动速度为移动速度变化率为零的交点的横坐标移动速率，并确定液滴的固液接触线增长速度为移动速率变化率不为零的交点的横坐标移动速率；

40、若连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的两个横坐标移动速率变化率均不为零，则确定液滴的固液接触线移动速度为左、右交点的横坐标移动速率差值的绝对值，并确定液滴的固液接触线增长速度为两个交点的横坐标移动速率。

41、本发明还提供了一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取装置，包括：

42、图像获取模块，用于获取燃料电池运行时所产生的液滴在流道中流动时的连续多帧图像；

43、图像处理模块，用于针对液滴的连续多帧图像进行图像处理，得到液滴的连续多帧二值图像；

44、单帧二值图像信息提取模块，用于针对液滴的每一帧二值图像，均执行：

45、提取液滴的二值轮廓线和液滴与流道的固液接触线；基于所提取出的二值轮廓线，确定液滴的顶点坐标；

46、基于所提取出的二值轮廓线和固液接触线，确定二值轮廓线与固液接触线的左、右交点坐标；

47、以顶点坐标为分界点，将二值轮廓线进行左、右分段，再对两段分段轮廓线进行圆或椭圆拟合，以确定所拟合出的轮廓圆的圆心坐标、半径；以及确定液滴顶点到固液接触线的高度以及分段轮廓线的中点坐标；

48、根据所拟合出的轮廓圆的半径以及液滴顶点到固液接触线的高度，确定轮廓圆的角度。

49、优选地，所述装置还包括：

50、多帧二值图像信息提取模块，用于针对液滴的连续两帧二值图像，基于连续两帧二值图像中的左、右交点坐标，确定液滴的固液接触线增长速度和固液接触线移动速度。

51、优选地，图像处理模块包括：

52、读取单元，用于读取液滴的连续多帧图像中标号最小的图像，将标号最小的图像作为背景图像；

53、背景去除单元，用于利用背景差分法将全部剩余图像与背景图像相减，以对全部剩余图像进行背景去除；

54、灰度化处理单元，用于对背景去除的全部剩余图像进行灰度化处理；

55、二值化处理单元，用于对灰度化处理的全部剩余图像进行二值化处理，得到液滴的连续多帧二值图像。

56、优选地，单帧二值图像信息提取模块包括：

57、二值轮廓线提取单元，用于利用梯度下降法从液滴的二值图像中提取液滴的二值轮廓线；

58、固液接触线提取单元，用于：

59、从液滴的二值图像中提取出所有二值量为预设值的坐标点；

60、将纵坐标最大的坐标点作为起始点，以行或列最小遍历的方式，计算任意两坐标点间的斜率，从相邻两列中找到斜率小于预设标定值的两个坐标点，作为对应列上的目标点；

61、再将所有的目标点依次相连形成所需求的固液接触线。

62、优选地，单帧二值图像信息提取模块利用公式组：

63、

64、计算所拟合出的轮廓圆的半径lr和所拟合出的轮廓圆的坐标(ox，oy)，其中，(lx，ly)为拟合出的轮廓圆上的分段轮廓线与固液接触线的交点坐标，(cx，cy)为液滴的顶点坐标，(mx，my)为拟合出的轮廓圆上的分段轮廓线的中点坐标；

65、利用公式：

66、h＝|cy-ly|

67、确定液滴顶点到固液接触线的高度h；

68、利用公式：

69、

70、确定拟合出的轮廓圆的半径r；

71、利用公式：

72、

73、确定轮廓圆的角度θ。

74、优选地，多帧二值图像信息提取模块包括：

75、横坐标移动速率变化率计算单元，用于计算连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的横坐标移动速率变化率；

76、横坐标移动速率变化率判断单元，用于判断连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的两个横坐标移动速率变化率是否为零；

77、第一固液接触线信息确定单元，用于若连续两帧二值图像中的左、右交点中有一个点对应的横坐标移动速率变化率为零，确定液滴的固液接触线移动速度为移动速度变化率为零的交点的横坐标移动速率，并确定液滴的固液接触线增长速度为移动速率变化率不为零的交点的横坐标移动速率；

78、第二固液接触线信息确定单元，用于若连续两帧二值图像中的左、右交点分别对应的两个横坐标移动速率变化率均不为零，则确定液滴的固液接触线移动速度为左、右交点的横坐标移动速率差值的绝对值，并确定液滴的固液接触线增长速度为两个交点的横坐标移动速率。

79、本发明还提供了一种燃料电池流道中液滴状态信息的提取系统，包括：

80、图像采集装置，图像处理装置，模拟燃料电池阴极工作的可视化燃料电池模拟装置，气体供应装置，光源装置；

81、气体供应装置用于模拟燃料电池工作时的反应物质状态，并将所生成的液滴通入到可视化燃料电池模拟装置中；

82、所述光源装置用于调节进入可视化燃料电池模拟装置中的进光量；

83、所述图像采集装置用于对可视化燃料电池模拟装置中流动的液滴进行连续多帧图像采集；

84、图像处理装置用于获取燃料电池运行时所产生的液滴在流道中流动时的连续多帧图像；

85、针对液滴的连续多帧图像进行图像处理，得到液滴的连续多帧二值图像；

86、针对液滴的每一帧二值图像，均执行：

87、提取液滴的二值轮廓线和液滴与流道的固液接触线；基于所提取出的二值轮廓线，确定液滴的顶点坐标；

88、基于所提取出的二值轮廓线和固液接触线，确定二值轮廓线与固液接触线的左、右交点坐标；

89、以顶点坐标为分界点，将二值轮廓线进行左、右分段，再对两段分段轮廓线进行圆或椭圆拟合，以确定所拟合出的轮廓圆的圆心坐标、半径；以及确定液滴顶点到固液接触线的高度以及分段轮廓线的中点坐标；

90、根据所拟合出的轮廓圆的半径以及液滴顶点到固液接触线的高度，确定轮廓圆的角度。

91、本发明的有益效果为：

92、模拟燃料电池工作状态产生液态水，模从而拟液滴在流道中流动的运行状态，对液滴在流道中流动状态进行连续多帧图像采集，再经过图像处理得到多帧图像的二值图像，依靠二值图像进行二值轮廓线提取和固液接触线提取，以及通过对二值轮廓线分段拟合成圆或椭圆，得到液滴的每一帧图像中的关键信息以及对液滴的固液接触线的移动速度和增长速度进行提取。所提取出的液滴的这些关键信息能够用于后续分析燃料电池性能和寿命的相关分析试验或测试使用，从而帮助制定更合理的燃料电池水管理策略。