一种改进的燃油喷雾锥角测量算法

李楠 顾苏菁 叶飞 卞光祥

摘要：在燃油喷雾图像处理手段中，目前计算燃油喷射的锥角时大都采用Hough变换法，或者最小二乘法。本文将两种方法相结合，提出了一种新的锥角测量算法，并通过MATLAB程序实现该算法。结果表明，本文测量得到的喷雾锥角对称性更好，具有一定的应用价值。

Abstract： At present， In the fuel spray image processing methods， most of the current calculation of the cone angle of the fuel injection uses the Hough transform method or the least square method.In this paper， the two methods are combined， a new cone angle measurement algorithm is proposed， and the algorithm is relized by MATLAB program. The results show that the spray cone angle measured by the algorithm in this paper is more symmetrical and hs certain practicial value.

关键词：喷雾锥角;Hough变换;最小二乘法;MATLAB

Key words： spray cone angle;Hough transform;least squares;MATLAB

中图分类号：U664.81+2                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0014-03

0  引言

汽车工业的蓬勃发展带动了一系列产业的高速兴起，但同时也带来了难以解决的问题。尤其是解决环境问题已迫在眉睫。环境污染问题在当今社会已然成为国家和社会的热点问题，如何平衡环境保护与经济发展一直以来人们都在积极的探寻答案。近年来，新能源汽车逐渐走进千家万户，新能源车的逐渐普及一定程度上可以缓解能源危机。当前，化石燃料属于不可再生的能源，其独特性使得我们必须寻找可替代的清洁能源。清洁能源主要来自海洋、生物质等。清洁能源也包括甲烷、二甲醚等可燃气体，这些燃料一定程度上可以缓解能源危机，但除此之外，学者们一直致力于努力提高现有化石燃料的利用率。此外，由于直受国际形势的影响，石油价格也是节节攀升，导致汽油等燃料价格一路上涨，一定程度上增加了人们的消费负担。另外，随着国五升国六的排放法规的升级，各大汽车厂商不得不更新技术，来适应现有的排放法规。据相关数据统计，各大城市的环境污染中，汽车尾气占比约60～80%。由此可见，努力提高车辆的燃油经济性显得格外重要。

燃油喷雾过程是指将液体通过喷嘴喷射到气体环境中，这个过程往往伴随着液体的雾化现象 。设计结构合理的喷嘴，通过制造工艺提高其精密度，能够使雾化更加充分，燃烧效果得以提升。燃油喷雾过程受多种因素的影响，油束的延伸也受到周围环境的影响。在燃油雾化领域研究的初期阶段，受当时技术水平的限制，获得燃油雾化特性的一些关键参数是比较困难的。进入二十一世纪后，伴随着测量仪器的高速发展，燃油雾化特性参数的测量准确程度得到了大幅度提升，为喷雾学的进一步研究奠定了科学基础[1]。研究人员可以把精密测量仪器运用到喷雾场的测量中，无论是喷雾油束还是喷雾粒子，相关参数的测量都取得了巨大的跨越。测量水平的大幅度提升進一步提高了实验精确度，研究者可以调节高速摄像机分辨率，调整其拍摄频率。通过高压油泵控制燃油喷射压力来进行喷雾场的拍摄。通过拍摄喷雾场获得燃油喷雾图像，再通过计算机分析喷雾图像，该方法成本低廉，而且不失精确性，一定程度上节省了大量的人力物力，为成本有限的高校及单位提供了一种可靠的研究方法。

发动机的燃油雾化效果直接影响发动机的经济性、动力性以及排放性[2]。其中多个特征参数中，又以喷雾锥角的影响最为明显。锥角反映的喷雾油束的发散程度，发散程度越高，燃油越松散，这时候很容易与气缸壁接触，影响燃烧;反之过小的喷雾锥角，油束联系越紧密，将不能够与空气充分的混合，排放性变差。由此可见，设计合理的锥角对燃烧影响非常明显。

拍摄到喷雾图像后再将图像导入MATLAB软件中进行处理，RGB格式的彩色图像导入MATLAB软件后需要经过灰度化、滤波、二值化后等处理后方可进行特征参数的测量。本文重点在于对锥角测量方法的改进，而对前期图像预处理不做赘述。在油束贯穿距离L的一半处做水平直线，与液束宽度边缘交于两点B、C，与喷嘴A处形成的角∠BAC即为喷雾锥角。锥角示意图如图1所示。

1  传统锥角测量

霍夫变换最初是由Paul Hough提出，该方法最初的作用是用来提取直线;Duda等人提出了改进的Hough变化方法，将直角坐标改为极坐标，该方法能够检测任意倾斜角的直线[3]。Hough变换的优点是抗干扰，在环境复杂的场合应用较为广泛。

提取油束边缘后需要计算喷雾锥角，通常Hough变换根据点与线的对偶性原理。如图2所示。霍夫变换拟合油束边界线，进而根据两直线斜率计算喷雾锥角。由于Hough变换的参数选择不唯一，通常获得多条目标直线，为了提高直线的可信度，我们通常选择模长最长的直线，如图2中的蓝色直线，此时上半部分锥角为11.241°，下半部分锥角为9.012°，对称性不理想。

最小二乘法是一种无限逼近的思想方法，该思想在工程技术领域内应用非常广泛。它的数学原理是利用误差平方和最小的获得最终的目标直线，让目标直线无限逼近所给的数据点[4]。该方法在背景复杂的场合下精度不高，如果环境背景复杂，周围干扰较多的话，效果往往不够理想 [5]。该方法的步骤如下：

喷雾油束在不断延伸的过程中，由于受到环境背压的影响，其轮廓不够平滑，呈不规则形状[5]，周围干扰点较多。如图3所示的边界存在波动较大的干扰点，此时上半部分锥角11.285°，下半部分锥角8.951°。油束对称性差，测量精度同样不高。

2  本文锥角测量

基于上述两种方法的优缺点，本文提出一种新的测量算法，将Hough变换与最小二乘法相结合。该测量算法抗干扰能力强，测量精度高。为了平滑数据，算法先通过Hough变去除波动较大的数据点，再用最小二乘法逼近剩下的数据点。算法的主要步骤为：

①首先获得待拟合的数据点集M（xi，yi），（i=1，2，3，…s）s为数据点的总个数。

④对保留下来的数据点用最小二乘法拟合，最终获得目标直线。

利用本文提出的算法分别拟合油束上下边界数据，效果如图4所示，最终的拟合直线用红色细线标出。对比传统的单一霍夫变换或者最小二乘法算法，利用本文算法能够有效的去除干扰点的影响，拟合精度得到提高。

通过本文测量算法得到的上半部分锥角为9.8163°，下半部分锥角为9.4712°，总的锥角为19.2875°。对比三种测量算法可以知道，本文算法得到的测量结果更加合理。

3  进一步的工作

GUI是一种计算机图形用户界面，GUI最大的特性就是变化形式多样，细节复杂，需要投入大量人力。所以适合GUI的语言，必然是符合节省人力的特性。从编程语言角度，越能更快给到编程者反馈，语言写法就更接近最终成品的用户界面。通过图形方式显示的计算机操作用户界面， 用户能够通过窗口、按键、菜单等图形对象向计算机等电子设备发送指命，其接受指令后，通过图形反馈操作的结果。目前电子产品各式各样，它们的设计趋势也在不断更新迭代，新潮流逐渐覆盖了以前传统的界面样式，让我们眼中的界面变得丰富多彩，很多设计师或者开发者开始注重界面的美观性。大气的外观、简约的操作过程、良好的视觉感受已成为影响用户体验的关键因素。GUI的最终目的是实现交互[6]。开发人员研究并设计出具体的用户界面，将晦涩难懂的电脑语言包装成简单易懂的图形，用户通过对图形的识别就可以对复杂的电脑语言背后所表达的问题有初步的了解。图形化的操作方式方便了用户使用，提高了使用效率。早期电子产品的图形用户界面采用字符界面，这时候往往需要操作人员具有较高的专业性。文字转化为图形后，相应的数据信息也被转化为图像。用户操作、接收到的信息都是图形对象，不再需要大量的命令符号，即使没有专业知识和操作技能也可以轻松实现对电子产品的操作[7]。操作过菜简化并不意味着技术的简化，隐藏在图形背后的是更高级的程序语言和技术操作，而这些都需要相关专业团队的参与。专业团队编写和设计相关的代码，将字符界面转化为图形界面，用户可以利用图形界面实现他们想要的相关操作[8]。图像用户界面使得新手也能够根据相关提示，很快的熟练操作软件系统，大大提升了研究的便利性。

进一步的工作将基于MATLAB/GUI模块，开发喷雾图像特征参数测量系统（以下简称“系统”）。系统各个模块的处理结果均会显示在GUI界面。方便用户进行测量和分析试验数据，用户可以根据自身需求，选择性的进行相关操作，只需要鼠标点击相关命令按钮，便可以进行相关图像输入、图像处理以及参数测量操作。此外，用户还可以将每次的测量数据进行保存，方便后续进行对比研究，可以节省大量的人力物力。

4  结论

针对喷雾锥角测量过程中，Hough变换法及最小二乘法的優劣性，本文将两种方法相结合，提出了一种新的锥角测量算法，并通过MATLAB程序实现该算法。为了充分验证算法的可行性及准确性，本文利用三种算法针对同一工况下拍摄的一个完整喷雾过程图像进行锥角的测量。结果表明，本文算法测量得到的喷雾锥角油束对称性更好，测量精度较高，对于喷雾学研究具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]王森，顾鹏，袁志远，徐宏昌.直喷发动机燃油喷雾特性经验公式定量研究[J].车用发动机，2021（05）：81-86.

[2]曹建明.液体喷雾学[M].北京：北京出版社，2013.

[3]茆邦国，谢有浩.基于改进概率霍夫变换的车道线检测与跟踪算法[J].滁州学院学报，2021，23（05）：42-45.

[4]杨瑞.环境密度、环境压力对柴油宏观喷雾特性的影响研究[D].浙江大学，2021.

[5]王建民，倪福泽，赵建军.一种加权整体最小二乘估计的高效算法[J].同济大学学报（自然科学版），2021，49（05）：737-744.

[6]赵正旭，徐棚，张庆海.基于国产操作系统独立GUI应用研究[J].计算机系统应用，2021，30（09）：98-103.DOI：10.15888/j.cnki.csa.008091.

[7]申海生，和卫红，赵春洲，周文铮，刘雨竹.基于嵌入式GUI的矿用瓦斯检测仪的研究[J].机械管理开发，2021，36（08）：3-5.DOI：10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2021.08.002.

[8]刘付桂兰.基于Matlab GUI的常见图像处理算法实现[J].电脑知识与技术，2021，17（24）：120-123.DOI：10.14004/j.cnki.ckt.2021.2306.