陶曾杰，熊 宇，任錦錦，王馨逸

（湖南信息學(xué)院 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410151）

近幾年隨著人工智能的飛速發(fā)展，非接觸測量在其中扮演著極其重要的角色，圖像識別是人工智能的一個重要階段[1]。在接觸式和非接觸式測量技術(shù)之間做出正確選擇可能是一項艱巨的任務(wù)。第1個應(yīng)用程序利用機(jī)器人作為設(shè)備的載體，以執(zhí)行自動檢查測量技術(shù)。第2 個非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法[2]。隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，圖形圖像處理技術(shù)也有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并且越來越多地應(yīng)用于人們生活的各個領(lǐng)域，圖形圖像處理擁有直觀性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，并且有著非常多的關(guān)鍵技術(shù)，通過這些技術(shù)的運(yùn)用，在制造業(yè)、動畫設(shè)計、醫(yī)學(xué)圖像、氣象方面都有了很大的提升[3]。作為一般的經(jīng)驗法則，如果可以通過接觸方法進(jìn)行測量，那么這樣做會比較準(zhǔn)確。但是，特別是在涉及到小的特征，那些太小而無法由接觸傳感器探測到，或可能因接觸方法，而使物體變形，那么非接觸式測量方法則尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計框架

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，通過對目標(biāo)顏色識別、形狀識別以及邊緣檢測，將獲取到目標(biāo)物體基本信息發(fā)送給微處理器單元以進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算與處理[4]?；诩す鉁y距、攝像頭數(shù)據(jù)采集、云臺舵機(jī)控制設(shè)計的非接觸式物體形狀和尺寸測量系統(tǒng)，主要由激光測距、圖像識別、按鍵控制、光電提示、云臺舵機(jī)控制模塊、MCU 控制器、OLED 顯示模塊共7 個部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of overall system

按鍵模塊作為人機(jī)控制模塊，進(jìn)行相應(yīng)的按鍵操作，系統(tǒng)控制激光模塊獲取測量裝置與被測物體之間的相對距離，通過串口發(fā)送給單片機(jī)，利用圖像識別模塊獲取被測物體在攝像頭中的像素點(diǎn)，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理之后，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動并尋找目標(biāo)。在結(jié)束測量后，以蜂鳴器發(fā)聲和發(fā)光二極管的點(diǎn)亮作為提示信號，并在OLED 屏中顯示相應(yīng)信息。

2 系統(tǒng)硬軟件設(shè)計

非接觸式物體形狀和尺寸自動測量系統(tǒng)的操作過程主要包括以下幾個步驟：①對每個模塊進(jìn)行初始化；②選擇待識別物體的種類（固定物體、移動物體以及立體物體）；③激光管完成對目標(biāo)物體的距離測量；④單片機(jī)進(jìn)行聲光提示。系統(tǒng)通過設(shè)計硬件電路和軟件程序編程編譯來完成上述操作步驟，從而實現(xiàn)無接觸自動測試與識別。

2.1 電路硬件設(shè)計

2.1.1 激光測距電路

通過激光測距與圖像采集得到單片機(jī)的輸入信號，再經(jīng)過單片機(jī)對數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理之后，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動并在OLED 中進(jìn)行顯示。在激光測距儀的硬件系統(tǒng)中，激光信號的接收十分關(guān)鍵，直接影響到激光測距儀精度的優(yōu)劣，圖像識別采用VGG網(wǎng)絡(luò)模型。VGG 網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種建立在傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法[5]，主要包含卷積層、池化層、全連接層、softmax 分類器。

激光測距的基本原理為半導(dǎo)體激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個激光信號，并接收該信號的反射波，測定該激光信號的往返時間，從而計算出被測目標(biāo)的距離[6]，激光具有方向性強(qiáng)、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，被引入到測距儀的光源中，產(chǎn)生了激光測距儀[7]，普通的激光測距傳感器難以達(dá)到要求。本項目所選的MyAntenna 激光測距模塊為工業(yè)應(yīng)用等級，具有測量精度高、誤差范圍較小且通信協(xié)議較多等優(yōu)點(diǎn)。激光測距電路如圖2 所示。

圖2 激光測距電路圖Fig.2 Circuit diagram of laser ranging

2.1.2 顯示電路

本項目所選的顯示模塊為1.3 寸OLED 顯示屏，能耗較低且設(shè)置數(shù)據(jù)較為簡單，便于操作。在完成題目規(guī)定功能的前提下，選擇此模塊完全符合要求。顯示電路圖如圖3 所示。

圖3 顯示電路圖Fig.3 Display circuit diagram

2.1.3 控制電路

本設(shè)計的人機(jī)控制電路為按鍵模塊，程序通過查詢按鍵的狀態(tài)，判斷是否對目標(biāo)物體進(jìn)行測量。按鍵1 啟動后能夠自動在OLED 上顯示被測對象的形狀、尺寸及攝像頭與被測目標(biāo)之間的距離；按鍵2 啟動后能夠?qū)崿F(xiàn)在擺放區(qū)域任意擺放被測目標(biāo)，自動尋找目標(biāo)并測量目標(biāo)距離、形狀、尺寸及激光標(biāo)識幾何中心，立體物體測量方法與平面測量方式相似，測量后顯示球形種類及與球表面的最近距離。按鍵電路圖如圖4 所示。

圖4 按鍵電路圖Fig.4 Key circuit diagram

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以STC8A8K 為MCU，程序開始執(zhí)行時，先將各個功能函數(shù)進(jìn)行初始化，再在程序中循環(huán)查詢按鍵的狀態(tài)。

K1 按下，系統(tǒng)進(jìn)行平面圖形的識別任務(wù)，包括識別出被測物體的形狀、尺寸和顏色；K2 鍵按下，系統(tǒng)執(zhí)行自動巡查任務(wù)，在舵機(jī)的控制下轉(zhuǎn)動攝像頭，進(jìn)而識別相關(guān)物體，包括識別球類物體。識別任務(wù)完成之后，通過蜂鳴器、LED 發(fā)光二極管做出提示，將所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)OLED 屏顯示。系統(tǒng)主流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主流程Fig.5 Main flow chart of system

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 測試方案

測試開始時，按下按鍵會有光電提示并開始進(jìn)行測試。首先以激光測距模塊獲取測量裝置與被測物體的相對距離，并進(jìn)行圖像識別，MCU 通過串口獲取各個測試模塊的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析處理，隨后在OLED 顯示屏上顯示測量數(shù)據(jù)；其次測量任意位置的目標(biāo)物體，攝像頭模塊獲取被測物體與背景板的相對位置，激光模塊獲取測量裝置與背景板的相對距離，隨后數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以PWM 波的形式控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，直至激光筆點(diǎn)在被測物體幾何中心，并在OLED 顯示屏上顯示測量數(shù)據(jù)，測試完成。

3.2 測試結(jié)果完整性分析

（1）平面測量

本次測試將圓形固定中心點(diǎn)后，分別對形狀、顏色、距離以及邊長進(jìn)行3 次測試，并將測量值與實際值進(jìn)行比較。

平面圖形測量顯示與實際結(jié)果均相同，平面圖形顏色識別與實際顏色均相符，距離測量誤差分別為23 mm、42 mm、17 mm，相對誤差平均為96.8%；邊長誤差為2.1 mm、1 mm、2.2 mm，相對誤差平均為96.3%。對于平面圖形的測量誤差控制在較小范圍內(nèi)，能夠完成平面?zhèn)让嬖O(shè)計任務(wù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 圓形中心平面測量Tab.1 Circular center plane measurement

（2）自尋目標(biāo)測量

將被測對象移動至偏離激光中心點(diǎn)，按鍵2 啟動后，舵機(jī)自動轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)對被測平面目標(biāo)的形狀、顏色、激光與平面的距離、邊長。根據(jù)3 次測量結(jié)果顯示自動追尋目標(biāo)能夠準(zhǔn)確識別平面目標(biāo)的形狀及顏色，被測目標(biāo)與攝像頭距離誤差分別為56 mm、30 mm、21 mm，平均相對誤差為98.5%，圖形尺寸邊長誤差分別為23 mm、31 mm、5 mm，平均相對誤差為94.3%。根據(jù)測量結(jié)果，滿足自動追尋目標(biāo)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)果如表2 所示。

表2 自尋目標(biāo)測量Tab.2 Self-targeting measurement

（3）立體目標(biāo)測量

將足球至于背景板前，分別對其進(jìn)行3 次測量，每次均能夠正確識別球形種類。激光與球表面最近距離誤差分別為21 mm、68 mm、15 mm，直徑誤差分別為7 mm、20 mm、30 mm。根據(jù)測量結(jié)果，該項目測試能夠準(zhǔn)確判斷球類品種與球表面最近距離，并在2 min 內(nèi)完成，結(jié)果如表3 所示。

表3 立體目標(biāo)測量Tab.3 Three-dimensional target measurement

4 成品及使用說明

按下K1 鍵，進(jìn)行定點(diǎn)平面圖像識別，經(jīng)過5 s左右，OLED 屏顯示平面圖形的顏色、形狀、尺寸、測量頭與目標(biāo)的距離；K2 鍵短按實現(xiàn)尋找平面圖形中心點(diǎn)與尋找立體圖形中心點(diǎn)的功能切換，長按則實現(xiàn)該功能，如第1 次長按K2，3 s 后會進(jìn)入尋找平面圖形中心點(diǎn)的功能，尋找完成后會對目標(biāo)形狀進(jìn)行識別，并在OLED 屏上顯示信息。實物圖如圖6所示。

圖6 實物圖Fig.6 Physical drawings

5 結(jié)語

經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計，建立了圖形像素與檢測雙方的函數(shù)關(guān)系，以求解出實際物體的尺寸。在單次測量目標(biāo)物體邊長、幾何形狀和表與測量頭距離的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了自動尋找目標(biāo)的測量和立體目標(biāo)的測量。各項測試均在設(shè)計任務(wù)中所規(guī)定時間內(nèi)，基本達(dá)到了相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計要求。本文的設(shè)計可以在工業(yè)工件測量領(lǐng)域大展身手，具有快速穩(wěn)定、智能化程度較高、造價低等特點(diǎn)，對于大量工件尺寸檢測具有重要的現(xiàn)實意義。