Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов и устройство для его осуществления

 

Использование: в производстве стрелочных измерительных приборов при автоматизации их поверки. Технический результат заключается в повышении производительности автоматической поверки стрелочных измерительных приборов. Способ заключается в том, что изображения с показаниями прибора на каждой поверяемой отметке подают на вход искусственной нейронной сети, обученной предварительно классификации изображений на изображения с показаниями прибора, погрешность которых меньше предельно допустимой его классом точности, и изображения с показаниями, погрешность которых больше допустимой, обрабатывают искусственной нейронной сетью изображение индикаторной части прибора, анализируют выходы искусственной нейронной сети и делают заключение о годности поверяемого прибора. Устройство содержит блок обработки и управления, блок формирования калиброванных сигналов, управляемое устройство оптического считывания индикаторной части прибора и нейрокомпьютер, состоящий из устройства сопряжения и процессора, предназначенного для выполнения параллельных вычислений. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована в производстве стрелочных измерительных приборов при автоматизации их поверки.

Известен способ автоматического считывания информации со шкал измерительных приборов со стрелочным указателем, заключающийся в том, что шкала прибора проецируется на передающую телевизионную камеру с цифровым растром так, чтобы направление строк растра совпадало с направлением шкалы, выделяют видеосигналы конца указателя, при совпадении указателя с отметкой шкалы выделяют видеосигналы указателя со строки, ближайшей к шкале, а видеосигналы поверяемых отметок выделяют по видеосигналам указателя (А.С. 1624378, G 01 R 35/00, Способ автоматического считывания информации со шкал измерительных приборов со стрелочным указателем. Ю.В. Корольков. Опубл. БИ 4, 1991).

Способ предназначен для автоматизации операций поверки и градуировки при изготовлении измерительных приборов со стрелочным указателем. При его осуществлении шкала прибора (проекция шкалы) приобретает координатное разбиение, т. е. положение каждой точки шкалы приобретает координату, описываемую n-разрядным двоичным кодом а₁ ... a_n, при этом оцифрованное изображение (растр) шкалы содержит от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч точек.

Недостатком известного способа является его низкая производительность, т. к. многократная обработка оцифрованных изображений шкалы (в данном случае в виде телевизионного растра) для определения показаний поверяемого прибора занимает длительное время.

Известно устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, содержащее видикон, оптически соединенный с поверяемым прибором, блок управления, первый и второй выходы которого соединены с входами поверяемого прибора и видикона соответственно, выход видикона соединен с первым входом блока формирования видеосигнала, первый выход которого соединен с первым входом блока определения координат оси вращения указателя, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, первый выход которого соединен с входом блока управления, а второй соединен с выходом устройства. Устройство также снабжено блоком образования координат телевизионного кадра, первый вход которого соединен с вторым выходом блока формирования видеосигнала, второй вход - с третьим выходом блока обработки информации, а второй выход - с вторым входом блока определения координат оси вращения указателя (А. С. 1195254, G 01 R 35/00, Устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов. Ю.А. Хохлов и др. Опубл. БИ 44, 1985).

Недостатком данного устройства является низкая производительность осуществляемой автоматической поверки, т.к. для определения показаний поверяемого прибора в устройстве многократно осуществляется ряд последовательных операций по обработке изображений шкалы (определение координат оси вращения указателя, образование координат телевизионного кадра, вычисление координат всех точек, принадлежащих дугам, пересекающим все штрихи каждой из шкал многошкального прибора, и координат точек, принадлежащих дугам свободного поля между шкалами и др.), выполнение которых занимает длительное времени.

Известно также устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, которое представляет собой измерительное средство, агрегатированное на основе микроЭВМ, подключенного к магистрали ЭВМ программно управляемого источника тестового сигнала, многоканального устройства обработки телевизионного изображения и ввода его в ОЗУ ЭВМ по программному каналу, связанного через коммутатор с несколькими телевизионными камерами, каждая из которых может формировать изображение некоторого количества поверяемых приборов (см. Свинолупов Ю.Г., Плотникова Т.Б. Автоматизация поверки аналоговых электроизмерительных приборов, "Приборы и системы управления", 7, 1993).

Недостатком данного устройства также является низкая производительность осуществляемой поверки, т. к. количество обрабатываемых в нем оцифрованных изображений шкал поверяемых приборов возрастает пропорционально количеству задействованных в нем телевизионных камер, каждая из которых формирует изображение нескольких поверяемых приборов, а их обработка требует большого времени.

Известен способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, принятый за прототип, в котором устанавливают связь между углом поворота стрелочного указателя (У) и считываемым У, сканируют изображение индикаторной части прибора по минимальному количеству столбцов (строк) для заданного значения погрешности, запоминают изображение, соответствующее нулевому показанию прибора, задают дискретно возрастающий сигнал и запоминают второе изображение, соответствующее новому показанию прибора. Затем вычитают одно изображение из другого, производят сравнение числовых значений элементов полученных массивов с пороговым уровнем, находят две точки, определяющие положение средней линии указателя, определяют коэффициенты двух прямых, проходящих через точки, вычитают их, находят по разности угол поворота У, по которому определяют показание стрелочного прибора, и вычисляют погрешность измерения (А. С. СССР 1383242, G 01 R 35/00, Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов и устройство для его осуществления. Ю.Г. Свинолупов и др. Опубл. БИ 11, 1986).

Недостатком указанного способа, принятого за прототип, является его низкая производительность, являющаяся следствием того, что выполнение действий над изображениями шкалы занимает значительное время, т.к. для этого применяются методы последовательной обработки информации.

Так, оцифрованное изображение шкалы 80•80 мм (приборы типа М42100, М42102 и т.п., выпускаемые АО "Электроприбор" г. Чебоксары), отсканированное с часто используемым для технических задач (например, распознавание текста) разрешением 300 точек на дюйм (2,54 см), представляет матрицу 945x945 элементов, содержащую, таким образом, 893025 элементов. Поэтому любое действие над изображением в указанном способе поверки (вычитание одного изображения из другого, сравнение числовых значений элементов полученных массивов с пороговым уровнем и т.п.) содержит несколько сотен тысяч вычислительных операций. А т. к. обработка изображений при поверке проводится неоднократно (на каждой поверяемой отметке, а при определении вариации - по два раза на каждой отметке), то обработка изображений даже на современных микропроцессорах занимает длительное время и делает поверку низкопроизводительной.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, содержащее передающую телевизионную камеру, оптически соединенную с поверяемым прибором, блок обработки и управления, выход которого подключен к блоку формирования калиброванных сигналов, соединенному с клеммами для подключения поверяемого прибора (см. А.С. СССР 1383242, G 01 R 35/00, Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов и устройство для его осуществления. Ю.Г. Свинолупов и др. Опубл. БИ 11, 1986), принятое за прототип.

Причиной, препятствующей достижению высокой производительности автоматической поверки при использовании известного устройства, принятого за прототип, является то, что функции управления работой устройства и обработки получаемых оцифрованных изображений шкалы поверяемого прибора выполняются в нем одним блоком. Такой блок возможно построить только на базе универсального, неспециализированного микропроцессора с последовательным выполнением команд, поэтому время, затрачиваемое им на обработку оцифрованных изображений шкалы поверяемого прибора (а следовательно, и общее время поверки), будет большим.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается в способе автоматической поверки применить для обработки изображений шкалы поверяемого прибора методы параллельной обработки информации, а в устройство включить блок, позволяющий выполнять параллельную обработку информации.

Технический результат - повышение производительности автоматической поверки стрелочных измерительных приборов.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в известном способе задают на вход поверяемого прибора дискретные значения образцового сигнала, соответствующие по величине номиналам поверяемых отметок шкалы, оптически сканируют индикаторную часть прибора, получая оцифрованные изображения с показаниями прибора на поверяемых отметках, запоминают полученные изображения и показания стрелочного прибора на поверяемых отметках определяют, обрабатывая полученные изображения.

Особенность способа заключается в том, тем, что для каждой поверяемой отметки изображение с показанием прибора подают на вход искусственной нейронной сети, обученной предварительно классификации изображений на изображения с показаниями прибора, погрешность которых меньше предельно допустимой его классом точности, и изображения с показаниями, погрешность которых больше допустимой, обрабатывают искусственной нейронной сетью изображение индикаторной части прибора, анализируют выходы искусственной нейронной сети и делают заключение о годности поверяемого прибора.

Кроме того, способ отличается также тем, что на исходном оцифрованном изображении индикаторной части прибора с показаниями прибора выделяют участки, которые содержат наибольшее количество информации о показаниях, из них формируют новое изображение меньшей размерности, которое подают для обработки на искусственную нейронную сеть.

Еще одним отличием способа является то, что перед подачей на вход искусственной нейронной сети оцифрованное изображение индикаторной части прибора с показаниями прибора сжимают одним из известных методов кодирования дискретных квантованных сигналов.

Каждое из указанных отличительных действий позволяет значительно сократить размеры оцифрованных изображений, по которым определяются показания поверяемого прибора, тем самым сократить время, затрачиваемое на их обработку, и повысить быстродействие поверки.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в устройстве содержится блок обработки и управления, выход которого подключен к блоку формирования калиброванных сигналов, соединенному с поверяемым прибором, управляемое устройство оптического считывания индикаторной части прибора, выход которого подключен к первому входу блока обработки и управления.

Особенность устройства заключается в том, что ко второму входу блока обработки и управления подключен нейрокомпьютер, состоящий из устройства сопряжения и процессора, предназначенного для выполнения параллельных вычислений.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов предназначено для осуществления другого заявленного объекта - способа автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, на фигуре 2 - пример изображения шкалы стрелочного электроизмерительного прибора, поясняющий классификацию приборов на "годные" и "брак" по их показаниям при поверке, на фигуре 3 - принцип подачи оцифрованного изображения индикаторной части стрелочного прибора на вход искусственной нейронной сети для его обработки, на фигуре 4а - исходное изображение индикаторной части прибора, разделенное на участки, на фигуре 4б - изображение, состоящее из участков изображения индикаторной части прибора, содержащих наибольшее количество информации о показаниях поверяемого прибора.

Устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, фигура 1, содержит блок 1 обработки и управления (например, персональная или микроЭВМ), блок 2 формирования калиброванных сигналов (например, для электроизмерительных приборов - калибратор П 320/321), поверяемый прибор 3, управляемое устройство 4 оптического считывания индикаторной части прибора (передающая телевизионная камера или планшетный оптический сканер), нейрокомпьютер 5, состоящий из устройства сопряжения 6 и процессора 7.

Реализация нейрокомпьютера 5 может быть, например, следующей: устройство сопряжения 6 - интерфейсная плата типа В008, содержащая адаптер шины PC/AT, процессор 7 - несколько совместно работающих транспьютеров IMS T800 (все - фирма INMOS, Великобритания, см. Интеллектуальные системы управления с использованием нейронных сетей: Учебное пособие. /В.И. Васильев, Б.Г. Ильясов, С.С. Валеев и др. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1997, с.77-79).

Искусственная нейронная сеть (ИНС), используемая в заявляемом способе поверки, реализуется в нейрокомпьютере 5 по одной из известных моделей (многослойный персептрон, сеть Хопфилда и др.), выполняющих операцию распознавания образов. Обучение ИНС проводится способом "с учителем". На вход ИНС последовательно подается множество оцифрованных изображений индикаторной части прибора (идентичного поверяемому), содержащих показания двух видов: "годные" - показания, погрешность которых меньше предельно допустимой, и "брак" - показания, погрешность которых больше допустимой. На изображениях индикаторной части прибора "годные" показания отличаются тем, что стрелка в этом случае лежит в пределах ±Δ от поверяемой отметки, фигура 2, где Δ - максимально допустимое угловое отклонение стрелки прибора от поверяемой отметки, при котором погрешность показания равна классу точности прибора. При "браке" стрелка лежит за пределами ±Δ от поверяемой отметки. Для каждого изображения рассчитывается выход ИНС. Если выход ИНС неправилен, т.е. "годные" показания, погрешность которых меньше предельно допустимой, определены как "брак" или "брак"-показания, погрешность которых больше допустимой, определены как "годные", то производится изменение весовых коэффициентов ИНС по одному из известных правил обучения (см. Интеллектуальные системы управления с использованием нейронных сетей: Учебное пособие. / В.И. Васильев, Б. Г. Ильясов, С.С. Валеев и др., Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. , 1997, с.20-36). Обучение проводится до тех пор, пока ИНС не научится правильно классифицировать все подаваемые на ее вход оцифрованные изображения индикаторной части приборов на "годные" и "брак" (согласно принципу действия ИНС число шагов обучения всегда конечно). После этого ИНС можно использовать для реализации заявляемого способа.

Способ автоматической поверки по п.1 реализуется на устройстве следующим образом. Перед началом поверки для исключения аддитивной составляющей погрешности стрелка поверяемого прибора 3 выставляется арретиром на нулевую отметку, прибор подключается к блоку 2 формирования калиброванных сигналов и помещается в поле считывания устройства 4.

Поверка начинается подачей управляющего сигнала с блока 1 на устройство 2, по которому оно подает на вход поверяемого прибора 3 калиброванное значение сигнала, соответствующее номиналу первой поверяемой отметки шкалы. Для установления показаний поверяемого прибора 3 в работе устройства 2 делается временная задержка (например, для аналоговых электроизмерительных приборов время задержки должно быть не менее 4 секунд - максимально возможного времени установления показаний данного типа приборов).

По истечении времени задержки блок 1 запускает блок 4, который оптически сканируют индикаторную часть прибора, получая оцифрованное изображение с показаниями прибора на первой поверяемой отметке, и передает его в блок 1, где оно запоминается. Затем блок 1 передает изображение в нейрокомпьютер, где через устройство сопряжения 6 оно подается на ИНС, реализованную процессором 7. Процессор 7 по алгоритму работы ИНС обрабатывает изображение, в результате чего на выходе ИНС появляется сигнал о том, что показания поверяемого прибора на первой отметке либо "годны", либо нет - "брак". Выход ИНС анализируется блоком 1 и по тому, какой сигнал получен, делается заключение о результатах поверки прибора на первой отметке. Если показания прибора на первой поверяемой отметке забракованы, то прибор бракуется, а поверка прекращается. В противном случае указанная последовательность операций: задание на вход поверяемого прибора калиброванного сигнала, равного по величине номиналу очередной поверяемой отметки, ожидание установления показаний, сканирование шкалы прибора, запоминание полученного оцифрованного изображения, подача его на вход ИНС, обработка изображения нейронной сетью, заключение о годности прибора повторяется для следующей поверяемый отметки шкалы.

Большая производительность заявляемого способа по п.1 по сравнению с известными определяется тем, что для обработки оцифрованных изображений индикаторной части поверяемых приборов в нем используется метод параллельной обработки информации, реализованный ИНС. При этом быстродействие обработки достигается за счет того, что подается на ИНС и обрабатывается ею одновременно информация сразу со всех точек оцифрованного изображения, фигура 3, а не последовательно отдельно с каждой точки, как при обычной обработке, реализуемой универсальными микропроцессорами. При этом время обработки изображения зависит как от технических характеристик реализации заявляемого устройства (тактовая частота используемого в нейрокомпьютере 5 процессора 7, его разрядность), так и от размерности обрабатываемого изображения. Для уменьшения времени обработки необходимо уменьшить его размерность. При этом разрешение считываемого устройством 4 изображения не может быть меньше числа, определяемого заданным значением погрешности определения показаний (см. прототип).

Повысить быстродействие автоматической поверки путем снижения размерности обрабатываемого ИНС изображения без снижения точности определения показаний поверяемого прибора предлагается путем реализации заявляемого способа по п. 2. Для этого на исходном изображении индикаторной части поверяемого прибора выделяют участки, которые содержат наибольшее количество информации о показаниях, (участки 1, 2, 3...80, 81 на фигуре 4а, т.е. те участки, в которые попадают элементы отсчета - отметки шкалы и стрелка) и из них формируют новое изображение меньшей размерности, фигура 4б, которое подают для обработки на ИНС. Т.к. для определенного типа поверяемого прибора участки, из которых должно быть сформировано обрабатываемое ИНС изображение, всегда расположены на одних и тех же известных местах, то данная операция при реализации заявляемого способа по п.2 выполняется блоком 1 и не требует длительного времени.

Для еще большего уменьшения размерности обрабатываемого ИНС изображения (и, соответственно, сокращения времени обработки и повышения быстродействия автоматической поверки) в заявляемом способе по п.3 предлагается сжимать исходное оцифрованное изображение индикаторной части поверяемого прибора (или, при реализации способа по п.2, - изображение, сформированное из тех его участков, которые содержат наибольшее количество информации о показаниях) одним из известных методов кодирования дискретных квантованных сигналов. Известно, что любое оцифрованное изображение имеет статистическую избыточность, связанную с корреляцией и предсказуемостью данных. Данная избыточность устраняется кодированием. При этом потери информации не происходит. Поэтому точность определения показаний поверяемого прибора по исходному изображению и сжатому будет одинаковой, а время, затрачиваемое нейрокомпьютером 5 на обработку, меньше. Операция сжатия (например, с использованием метода кодирования по стандарту JPEG, Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. / Под. редакцией Ю.Б. Зубарева и В.П. Дворковича. М.: Международный центр научной и технической информации. 1997. с. 49-73, с.182-184) при реализации способа по п.3 выполняется блоком 1.

При реализации заявляемого способа по п.2 или п.3 обучение ИНС классификации показаний поверяемого прибора должно проводится на изображениях, которые сформированы и/или сжаты аналогично тому, как они будут формироваться и/или сжиматься непосредственно при реализации автоматической поверки.

Формула изобретения

1. Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, в котором задают на вход поверяемого прибора дискретные значения образцового сигнала, соответствующие по величине номиналам поверяемых отметок шкалы, оптически сканируют индикаторную часть прибора, получая оцифрованные изображения с показаниями прибора на поверяемых отметках, запоминают полученные изображения, показания стрелочного прибора на поверяемых отметках определяют, обрабатывая полученные изображения, отличающийся тем, что для каждой поверяемой отметки изображение индикаторной части прибора с показанием прибора на ней подают на вход искусственной нейронной сети, обученной предварительно классификации изображений на изображения с показаниями прибора, погрешность которых меньше предельно допустимой его классом точности, и на изображения с показаниями прибора, погрешность которых больше допустимой, обрабатывают искусственной нейронной сетью изображение индикаторной части прибора, анализируют выходы искусственной нейронной сети и делают заключение о годности поверяемого прибора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на вход искусственной нейронной сети подают изображение, состоящее из участков оцифрованного изображения индикаторной части прибора с показаниями прибора, которые содержат наибольшее количество информации о показаниях поверяемого прибора.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что перед подачей на вход искусственной нейронной сети оцифрованное изображение индикаторной части прибора с показаниями прибора сжимают одним из известных методов кодирования дискетных квантованных сигналов.

4. Устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, содержащее блок обработки и управления, выход которого подключен к блоку формирования калиброванных сигналов, соединенному с поверяемым прибором, запускаемое блоком обработки и управления управляемое устройство оптического считывания индикаторной части прибора, выход которого подключен к первому входу блока обработки и управления, отличающееся тем, что ко второму входу блока обработки и управления подключен нейрокомпьютер, состоящий из устройства сопряжения и процессора, предназначенного для выполнения параллельных вычислений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4