智能交流接觸器三維動態(tài)測試與分析

陳德為 莊煜祺 黃航宇

（福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院 福州 350108）

1 引言

剛體三維運動重構(gòu)是計算機視覺技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一，通過有效方式獲得物體的空間三維運動信息，對物體的三維運動進行分析。其運用于人體空間運動分析，同樣也適用于電器動態(tài)特性研究。基于二維圖像序列的三維運動分析常被稱為動態(tài)景象分析或圖像序列分析[1]。序列運動圖像處理是三維運動分析的重要組成部分，三維運動分析以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，提取場景中運動物體的位置、形狀、運動參數(shù)等信息，來研究空間中物體的實際運動情況[2]。本文研究的是基于二維運動序列圖像的三維空間運動測試技術(shù)，是近幾年來計算機視覺技術(shù)與計算機圖形學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一門新技術(shù)。通過單個高速攝像機拍攝得到的二維運動圖像序列，根據(jù)同一運動物體的連續(xù)兩張單鏡頭序列圖像，在相應(yīng)算法的基礎(chǔ)上，計算出物體的空間三維運動參數(shù)。若空間運動物體一直處于高速攝像機的可視范圍內(nèi)，物體上的特征標記點的變化就可以在圖像序列中反映出來，圖像序列中不同時刻圖像上的物體特征標記點的二維坐標一般是不同的。通過測量與計算物體特征標記點在圖像平面上的坐標變化，來分析運動物體的三維結(jié)構(gòu)及估計物體的空間運動。文獻[3,4]在直接線性變換技術(shù)以及人體生物力學(xué)模型的基礎(chǔ)上給出了用單個固定高速攝像機所拍攝的運動圖像序列進行人體運動空間重構(gòu)的方法。文獻[5]提出一種單目攝像機測量三維運動軌跡的方法，但借助的平面鏡成像。文獻[6]研究了根據(jù)點、線混合特征進行單目視覺定位問題，在給定物體坐標系中共面的兩個特征點和一條特征直線的條件下，求解物體的位姿參數(shù)。文獻[7]提出了一種利用單目圖像序列中兩幅連續(xù)圖像的三對直線光流場，通過解線性方程組得到剛體旋轉(zhuǎn)運動的算法，同時還可以得到攝像機的一個內(nèi)參數(shù)焦距。智能交流接觸器采用智能控制系統(tǒng)，對智能交流接觸器吸合、吸持、分斷全過程進行動態(tài)控制。在智能交流接觸器的測試、設(shè)計研究中，研究智能交流接觸器觸頭及鐵心吸合、吸持、分斷的整個動態(tài)過程[8,9]，對于優(yōu)化設(shè)計電磁鐵和提高智能交流接觸器的整體性能具有非常重要的意義。盡管國內(nèi)外的學(xué)者對電磁電器動態(tài)過程的分析做了大量有益的工作，特別是文獻[8]也對智能交流接觸器進行了動態(tài)特性的測試與分析，但其動態(tài)分析只局限于二維動態(tài)特性上，未涉及三維動態(tài)特性的研究。因此，不能詮釋智能交流接觸器的動態(tài)過程的真實特性。國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究提出了各種有效的方法解決不同條件下三維運動重構(gòu)，然而這些方法沒有運用到智能交流接觸器動態(tài)過程的分析上。因此本文提出了采用基于高速攝像機的高精度、高動態(tài)響應(yīng)的智能交流接觸器動態(tài)測試裝置，應(yīng)用該裝置獲取智能交流接觸器三維動態(tài)過程全方位的圖像序列。結(jié)合已有三維空間算法提出能適用于智能交流接觸器的空間運動重構(gòu)的方法，合理的融合計算機視覺技術(shù)和智能交流接觸器的研究技術(shù)，使智能交流接觸器的動態(tài)特性研究達到一個新的高度。

2 智能交流接觸器的三維動態(tài)特性測試裝置

智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置原理圖如圖1 所示。整個測試系統(tǒng)主要由CamRecord5000型高速攝像機模塊、激磁線圈電流信號獲取模塊、智能交流接觸器強激磁吸合控制和低壓節(jié)能吸持控制回路模塊、STC 單片機中央控制模塊、RS485 數(shù)據(jù)信號傳輸模塊以及上位機可視化人機界面模塊等組成。

圖1 測試裝置控制原理圖Fig.1 Diagram of test device control principle

上位機模塊中，借助IPP 圖像處理軟件平臺編寫程序?qū)崿F(xiàn)對采集的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除噪聲，減少各種對圖像不利的因素，增強圖片視覺效果，獲得能夠最大程度反映原來景物空間狀態(tài)的圖像[10]。采用亞像素圓檢測的快速算法提取特征標記點的二維位置坐標，對灰度圖像進行自適應(yīng)性閥值化，對特征標記點進行邊緣檢測、邊緣提取、邊緣跟蹤得到特征標記點的邊緣坐標系列，然后進行橢圓的亞像素最佳逼近，最終得到標記圓的準確中心位置坐標[11,12]。應(yīng)用強大的Matlab 數(shù)據(jù)處理軟件，編寫M 文件程序，將所測的數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)化成最終所需要的三維數(shù)據(jù)；根據(jù)三維數(shù)據(jù)繪制智能交流接觸器的動態(tài)特性曲線圖；同時實現(xiàn)對高速攝像機的標定等。

下位機模塊以STC12C5412AD 單片機為控制核心，通過RS485 數(shù)據(jù)信號傳輸模塊與上位機通信，在上位機控制軟件中設(shè)置高速攝像機的拍攝參數(shù)和交流接觸器的合閘相角，實現(xiàn)智能交流接觸器的動態(tài)過程的數(shù)據(jù)采集。一方面高電平觸發(fā)高速攝像機在相應(yīng)的時間采集智能交流接觸器合閘過程的序列圖像；一方面實現(xiàn)不同合閘相角的選擇來控制智能交流接觸器動作，實現(xiàn)智能交流接觸器在不同合閘相位的直流強激磁可靠吸合和低壓吸持節(jié)能無聲運行，并采集不同條件下的動態(tài)過程數(shù)據(jù)[13]。

3 智能交流接觸器動態(tài)測試三維空間算法

在分析高速攝像機成像模型及其工作原理的基礎(chǔ)上，提出三維空間動態(tài)測試的方案。利用剛體的“剛性”，即利用剛性物體內(nèi)部所有質(zhì)元彼此之間距離不變的特性。假若物體具有剛性，則設(shè)定剛性物體中三個不共線質(zhì)點的位置，就能夠鎖定此物體的空間位置。而剛體上其他任意質(zhì)點P 的位置，只要知道質(zhì)點P 對于上述三個質(zhì)點之中的任意一個質(zhì)點的相對位置，就可以確定這個質(zhì)點的位置[1]。剛體上三個點的距離保持不變。如圖2 中a、b、c 長度始終沒有改變[4]，隨著剛體空間的變化，L1、L2、L3和相應(yīng)的角度也隨之改變。以下關(guān)系方程表示某個時刻位置關(guān)系。

圖2 世界坐標系與像素坐標關(guān)系圖Fig.2 World coordinate and pixel coordinate relation diagram

剛體上t 時刻三點相互距離表示的方程組如式（1）所示

L1、L2、L3空間長度的t 時刻方程組如式（2）所示

空間三個角的t 時刻方程組如式（3）所示

成像平面中三個角的t 時刻方程組為

式中 xi，yi——各點對應(yīng)的圖像坐標值；

f——焦距。

a、b、c 已知，聯(lián)立式（3）、式（4）求解出L1、L2、L3。將得到的L1、L2、L3代入式（5）中，最終得到各點t 時刻的世界坐標值為（Xi、Yi、Zi）。

利用棋盤標定法結(jié)合Matlab 攝像機標定模塊提取攝像機的內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)[14]。在測試二維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Matlab 函數(shù)庫中求解非線性方程組函數(shù)編寫求解程序，最終編制成M 文件，對此非線性方程組進行求解，根據(jù)起始位置確定初始狀態(tài)的解，以初始解為基準，遞推后續(xù)各個時刻的解。同一時刻有兩組解，根據(jù)運動的連續(xù)性和平滑性，舍去一組不可信的解，取正確的另一組可信解。

4 智能交流接觸器特征點標記

在目標的識別和跟蹤領(lǐng)域，依靠檢測目標的特征來識別或跟蹤目標物體。圖像的特征點在物體三維結(jié)構(gòu)和運動重構(gòu)及攝像機標定等方面有著非常重要的作用。特征點的提取決定了重構(gòu)的準確性和精度范圍。物體的運動模型是目標跟蹤理論的重要組成部分，建立的目標模型應(yīng)該是剛體模型。本文以智能交流接觸器首開相（B相）觸頭、非首開相（A相）觸頭、鐵心的動態(tài)特性為研究對象，用一些特征標記點(圓形點)對智能交流接觸器的各運動部件進行標記。在智能交流接觸器側(cè)面的鐵心固連的運動支架上標記三個小圓點和A相觸頭、B相觸頭固連模塊上分別標記三個小圓點，這些點分別代表各運動部件剛體的運動標記點，形成各部件的三維剛體目標模型，標記圖如圖3 所示。以每個剛體部件上的三個標記小圓點跟蹤智能交流接觸器鐵心，觸頭的瞬時位置，對智能交流接觸器的鐵心、觸頭的動態(tài)位移特性信號進行跟蹤。為精確測量圖像中物體二維參數(shù)提供有力的依據(jù)，從而為三維算法提供有效的數(shù)據(jù)。所拍攝的圖像如圖4 所示。通過指示燈的亮暗信號來識別鐵心觸頭的開合信號。

圖3 交流接觸器的特征點標記圖Fig.3 Feature marking points figure of AC contactor

圖4 拍攝序列圖像Fig.4 Filmed sequence images

5 智能交流接觸器三維動態(tài)測試與結(jié)果分析

本文應(yīng)用自制的智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置，研究改裝型（中間相觸頭墊高3.2mm）交流接觸器CJZ20—100 型智能交流接觸器在額定電壓AC 220V、合閘初相角60°、吸持電壓DC 9V狀態(tài)下的三維動態(tài)特性。本研究采用德國Optronis公司 CamRecord 5000 型高速攝像機進行拍攝。CamRecord 5000 高速攝像機具有高達 320 000fps（即每秒320 000 幀圖像）的采樣速率，高速攝像機拍攝運動物體的圖像經(jīng)編碼壓縮后存儲到上位機中以待后續(xù)處理，在上位機上實現(xiàn)了對CJZ20—100型智能交流接觸器動態(tài)過程的全面檢測與性能分析。

在測試中需要確定同一物體表面上成像部分的特征標記點在各圖像上的對應(yīng)關(guān)系，物體運動部份是剛性的，單點的運動只能體現(xiàn)出該點的運動規(guī)律或某一時刻該點所處的位置無法體現(xiàn)整個剛體的運動規(guī)律，而剛體上三個不共線質(zhì)點的運動規(guī)律，決定整個運動部件的三維空間運動規(guī)律。通過測試得到的剛體上三點運動規(guī)律為后續(xù)剛體整體運動重構(gòu)探究、旋轉(zhuǎn)運動分析提供數(shù)據(jù)。繪制各剛體標記點三維曲線時分別以A1、B1、C1為參照基點，剛體上三個標記點的運動曲線圖是相對于開始靜止時的相對位移量。

如圖5 所示測試所得到的接觸器吸合過程動態(tài)特性曲線圖能夠準確有效地說明智能交流接觸器各運動部件在運動過程的復(fù)雜性。x 軸方向是智能交流接觸器的主要工作運動方向，該方向的運動決定了智能交流接觸器的工作特性。圖中可以看出隨著動靜鐵心的間隙減小，鐵心速度越來越快。在動靜鐵心碰撞前鐵心的運動比較平穩(wěn)。鐵心碰撞后觸頭鐵心的運動出現(xiàn)了不同步，如圖在t0時刻左右鐵心由于碰撞回彈，而首開相觸頭在t0附近位移量卻達到最大，而非首開相觸頭首開相觸頭卻繼續(xù)向下運動。當(dāng)鐵心吸合穩(wěn)定后電流值幾乎接近于零。根據(jù)以上測試結(jié)果與曲線分析，交流接觸器的動作過程是極其復(fù)雜的，整個電磁系統(tǒng)與機械機構(gòu)相互影響，受到各種參數(shù)的影響。基于計算機視覺測量技術(shù)的智能交流接觸器動態(tài)過程的分析可以對交流接觸器的機構(gòu)設(shè)計與工藝的合理性設(shè)計作出判斷。

圖5 合閘相角60°時接觸器吸合過程圖Fig.5 Close course figure of contactor when closing phase angle is 60°

如圖6 所示為智能交流接觸器在合閘相角60°時鐵心的三維運動曲線圖。從圖上可知智能交流接觸器鐵心的運動過程不僅在x 方向上運動，而且在y、z 方向上也有運動。y、z 方向的運動是非主要的工作運動。由于機構(gòu)各部件的配合問題造成鐵心運動部件微小傾斜運動，各方向運動的疊加導(dǎo)致鐵心的運動非垂直向下。智能交流接觸器因為各種不同的原因?qū)е虏煌浜祥g隙，不同的配合間隙影響到智能交流接觸器的整體性能。磁力的主要方向是沿著x 軸方向，但y、z 軸上也有微小的磁力分布,而且由于彈簧受力的不均，動靜鐵心配合不對稱，對合力的分布產(chǎn)生影響，從而影響力的分布，最終導(dǎo)致運動的波動。當(dāng)部件發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動時剛體上三點的曲線就會發(fā)生不同的改變，對于評價整個智能交流接觸器各部件運動的平穩(wěn)性提供數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)優(yōu)化接觸器的結(jié)構(gòu)、配合間隙具有重要的意義。

圖6 合閘相角60°時鐵心三維運動曲線圖Fig.6 Iron core 3D motion curve when closing phase angle is 60°

圖7 合閘相角60°時首開相觸頭（B相）三維運動曲線圖Fig.7 The first disconnecting contact 3D motion curve when closing phase angle is 60°

圖8 合閘相角60°時非首開相觸頭（A相）三維運動曲線圖Fig.8 The no first disconnecting contact 3D motion curve when closing phase angle is 60°

由圖7、圖8 中的Z(t)、Y(t)、X(t)曲線可知，智能交流接觸器觸頭上的三個特征標記點運動過程曲線基本是一致的，說明智能交流接觸器在動態(tài)運動過程中各部件主要以平動為主。如圖Z(t)、Y(t)、X(t)在接觸碰撞后，不斷的發(fā)生抖動，觸頭的開合信號處在時閉時開的狀態(tài)。觸頭三個方向的運動共同影響觸頭的彈跳過程，如圖7 中的tb0、tb1及圖8中的ta0、ta1時刻觸頭三維的運動曲線和觸頭開合信號曲線可知，首開相觸頭、非首開相觸頭在碰撞后由于動靜觸頭的接觸面并非兩個完全的接觸平面，各彈力的作用不平行，回彈的方向也不確定，因此較小的傾斜，就會導(dǎo)致z、y 軸方向上的側(cè)移或轉(zhuǎn)動。交流接觸器觸頭彈跳產(chǎn)生的電弧會加劇觸頭燒結(jié)，減少觸頭壽命。探究智能交流接觸器觸頭的運動規(guī)律，減少觸頭的碰撞速度、彈跳次數(shù)、彈跳高度，以延長觸頭的工作壽命。

6 總結(jié)

本文以高精度高速攝像機和智能控制系統(tǒng)為平臺的智能交流接觸器動態(tài)特性測試裝置采集智能交流接觸器空間三維動態(tài)過程序列圖像數(shù)據(jù)。利用圖像序列和空間運動參數(shù)算法對智能交流接觸器的空間三維運動進行分析，實現(xiàn)單個攝像機下運動物體的空間運動測試。在大量測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對CJZ20-100 智能交流接觸器動作機構(gòu)吸合的三維動態(tài)過程進行綜合分析。該測量技術(shù)與分析方法對智能交流接觸器運動的平穩(wěn)性、最佳的合閘相角選擇、碰撞的末速度控制、運動過程的控制研究具有深遠的意義，為交流接觸器智能控制、優(yōu)化設(shè)計提供有效的測試方法。

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