光学校准仪及其使用方法

1.本发明涉及光学测量，特别是一种光学校准仪及其使用方法。


背景技术：

2.随着图像检测技术的发展，与其他学科结合运用的综合应用案例也越来越多。光学领域的技术知识往往被作为辅助实现工具，激光三角测量法作为机器视觉领域的重要技术之一，对图像处理获取的图像效果作出光度调整，结合机器视觉技术的表面分析检测技术的应用，有效提高了生产作业的效率，提升了检测的精确度。
3.激光三角测量法基于相似三角形原理，利用光线传播过程中的光学反射规律，在接收透镜的物空间与像空间构成相似三角形关系，同时利用边角关系计算出待测位移或物体表面特征的几何尺寸。激光三角测量法有着精度高、频响快、量程适用范围广的有点。凭借优异的性能，激光三角测量技术已被广泛应用于位移、距离、厚度、形貌等参数的各种测量需求，除了已有技术的不断革新和完善，近年来许多新的应用场景又不断相继被开发出来。随着精密测量技术和计算机技术的发展，三维测量与建模技术成为当前研究和应用的一个热点课题。利用激光三角测量法非接触的技术特点，既可对一些微小、脆弱的易损伤物体进行形貌检测，也可用于对一些庞大的物体进行快速三维测量和建模。
4.光学三角测量传感器基于相机和激光点或激光线，其原理是利用三角测量法和已知参数，计算物体到装置的距离，或者在非接触式测量的情况下，测量物体表面的间隙。精确的测量结果只能通过激光和相机及其角度的精确定位来实现。然而，在许多手持式设备生产这种精确的测量是不符合成本效益的。因此，在装配上稍加改动，就能改变装置的精度。
5.光学校准仪通过在一端制造不同的已知数值的间隙或齐平，另一端在不同的位置移动设备，计算差异值。使用先进的自动算法，这些差异值可用以生成一个新的三角测量计算过程，并添加到测量设备的测量系统。
6.光学校准仪设备的操作是完全基于无线的，并在两端使用服务器-客户端软件，以实现通畅的通信过程。


技术实现要素：

7.发明目的：本发明的目的是提供一种成本低且高效的光学校准仪及其使用方法。
8.技术方案：光学校准仪主要由不同的系统组成，并配有线性导向机构。每个系统都有自己的硬件和软件，它们之间相互配合。
9.系统1：gap maker
10.该系统的主要功能是设置从1mm到5mm的精确行业标准间隙。该系统由伺服电机、伺服驱动器和垂直直线棒组成。
11.系统2：校准机构
12.校准机构通过来回移动设置精确的三角测量点来校准手综非接触式间隙。此外，
它还用于测量物体之间的最大和最小距离，以便让gapcal装置能够实现最大精度的测量，而与物体之间的距离无关。
13.整个过程从便携式间隙测量装置(gapcal)中的校准软件开始，通过执行该软件，通过与测试设备通信对设备进行校准的过程将会在无线模式下开始。
14.机器的工作原理是，通过从系统1请求已知的标准间隙，gapcal中携带的间隙校准程序将控制系统2，以找到间隙在其屏幕中心显示的精确距离。然后，使用距离和已知间隙，它将计算该点使用的所有参数。然后，通过在线性系统上来回移动gapcal装置，找到最小和最大可接受距离。在第三阶段，它将从最小距离移动到最大距离，以找到间隙的精确测量值。在第四阶段，它将检查从1mm到5mm的所有标准间隙的随机距离，以确保在所有情况下进行准确测量。第四阶段的所有数据将记录为校准和测试数据，并保存在日志文件中。
15.在硬件结构上，主系统主要由arduino巨型mcu、raspberry pie sbc(单板计算机)和lcd组成。这个校准装置和gapmaker均连接至arduino mega。此外，在导向杆的起始位置和最终位置也有端点开关，由用c语言编写的arduino程序提供的控制机制。该程序经过多个阶段，初始化系统并等待cal从串行通信控制伺服电机。为与arduino通信而开发的两个python程序都被托管在sbc中，能够从arduino程序发送或接收消息。当第一个程序打开到arduino的串行通道时，第二个程序可以接收来自便携式设备的间隙和距离值请求。sbc设备和便携式间隙测量设备均通过wifi连接到同一本地网络。
16.该装置包含一个带有数个传感器的x-y垂直框架、操作臂面板、电源单元以及以微控制器为基础的控制单元等部件。单片机、lcd显示器、小型lcd屏幕、用于制造间隙和齐平的机械单元，x-y工作台可以沿x轴和y轴移动。使用两个步进电机，用于手持便携式测量设备进行校准的操作面板，用于控制所有步进电机和传感器的微控制器(arduino mega)。单片机用于控制所有校准程序，并管理微控制器。用于制造间隙和齐平的机械臂由一个步进电机和相关设备组成，用于制造预定义的精确的间隙和齐平。
17.原型设计分为以下三点：
18.1.原型必须能够在x和y轴方向移动设备，并且辅助机械臂必须产生不同值的间隙和齐平。
19.2.手持式光学测量装置准确的垂直和水平位置。
20.3.原型必须能够通过创建一个算法来运行一个完整的自动校准过程，以将三角测量结果调整到最高精度，而无需改变激光和相机的位置。
21.进一步地，其采用的硬件包括：1.机器人垂直线性导轨系统，2.传感器操作面板，3.微控制器、步进电机驱动器和控制面板，4.电源系统。
22.进一步地，步进电机主要有三种类型：1.可变磁阻(vr)，2.永磁体(pm)，3.混合式(hb)。
23.装置首次通电时，将经过短暂的软件和硬件初始化，而后将开始向前和向后移动，以找到激光线位于屏幕中间的最佳位置。然后在理想条件下选择1～5mm的不同间隙，将装置移动到不同的位置。在每个位置采用三角测量算法，以确定由装配引起的激光器和相机的定位差异。
24.在确切的位置和间隙的每次计算，都会被用于测量的精度补偿，这样便创造了新的附加算法，并将每次计算保存到手持式设备中。
25.本发明所述的光学校准仪，包括单板计算机树莓派、触摸式液晶显示器、红色激光二极管、不可见激光二极管、ldr传感器、cmos相机、可充电电池、开启/关闭开关、睡眠开关、扫描按钮、红外通滤波器、10k电阻器、绿色发光二极管；
26.其中，触摸式液晶显示器、红色激光二极管、不可见激光二极管、ldr传感器、cmos相机、睡眠开关、绿色发光二极管与单板计算机树莓派直接相连，扫描按钮通过电阻器与单板计算机树莓派相连，所述cmos相机前方设有红外通滤波器，所述可充电电池通过开启/关闭开关与单板计算机树莓派相连。
27.进一步地，所述触摸式液晶显示器与单板计算机树莓派尺寸相同。
28.进一步地，所述红色激光二极管波长为650nm，采用pwm功率控制，可以控制来自单板计算机树莓派的pwm信号。
29.进一步地，所述cmos相机带有7.2mmx5.4mm传感器，像素为1600pxx1200px，全局快门，每秒60帧，像素尺寸4.5umx4.5um，焦距为12mm。
30.步进电机是一种机电设备，它将电脉冲转换为离散的机械运动。当以适当的顺序向步进电机施加电气指令脉冲时，步进电机的轴以离散的步长增量旋转。电机旋转与这些应用的输入脉冲有几个直接关系。施加脉冲的顺序与电机轴旋转方向直接相关。电机轴旋转的速度与输入脉冲的频率直接相关，旋转的长度与应用的输入脉冲的数量直接相关。
31.当需要控制运动时，步进电机是一个很好的选择。它们可用于需要控制旋转角度、速度、位置和同步的应用中。由于其固有的优势，步进电机已在许多不同的应用中找到了自己的位置，如数控路由器、激光机床等。
32.步进电机有三种主要类型：可变磁阻(vr)、永磁体(pm)、杂交(hb)。
33.混合式步进电机在阶跃分辨率、扭矩和速度方面提供了更好的性能。混合式步进电机结合了pm和vr型步进电机的最佳功能。转子是多齿的，就像vr电机一样，在其轴周围包含一个轴向磁化的同心磁铁。垂直x-y机架中使用的两个主要步进电机是leadshine 57hs系列。y轴57hs22s和x轴57hs21a均采用两相步进电机。使用两个m系列leadshine步进电机驱动器，用于57hs21a的dm542和用于57hs22s的dm556。这些驱动程序使图(1)(2)中的连接得以完成。
34.本发明所描述的光学校准仪的使用方法，包括以下步骤：
35.(1)单板计算机树莓派开始基于平台的初始化；
36.(2)cmos相机初始化参数，并将各参数的初始值发送至树莓派；
37.(3)固定校准块的设备在滑条上移动调节，接着扫描仪进行相对校准块的远近移动，使激光范围位于检测缺口上；
38.(4)树莓派利用cmos相机进行视频采集，采用智能光照管理控制方法来自动调整光照；
39.(5)按下扫描按钮，获得来自校准块表面缺口的图像；
40.(6)通过感兴趣区域(roi)分割过程从步骤(5)过程中按下扫描按钮后获取的图像中切割出感兴趣区域，并根据滤波要求对新图像进行直线和轮廓分割；
41.(7)生成的图像将用于计算物体间隙的几何尺寸，所有测量细节将显示在屏幕上，等待按扫描按钮重新开始。
42.(8)在终端运行，计算缺口和扫描设备的距离-d以及对应缺口尺寸-g的值，输出调
整后的图像。
43.所述步骤(5)中获得图像的具体步骤为：
44.(5.1)运行扫描仪中软件部分的gapcal2.2.py脚本，弹出已阈值化的检测画面；
45.(5.2)画面内有着一个位置居中的白色圆形框，框的中央有个十字线标志，缺口图像位置与十字线重合则效果为佳；
46.(5.3)通过输入指定按键可进行流程控制，在键盘输入首次s键，则摄像头通过拍摄获取到此刻检测区的静图，系统脚本根据静图开始计算缺口尺寸值，将计算结果以红色字体显示在画面中并以红线标注出缺口位置，第二次输入s键则为退出静态结果图，返回动态检测画面；
47.(5.4)输入q键退出检测画面。
48.所述步骤(6)中感兴趣区域分割过程包括以下步骤：
49.(6.1)按下扫描按钮，从实时流中获取图像；
50.(6.2)调用get_segmentation分割模块重新生成二值灰度图像；
51.(6.3)调用horizontal_lines函数，过滤掉任何不在水平对齐程度上的分割；
52.(6.4)运用canny边缘检测技术，在图像中找到轮廓，去除任何不属于边缘的像素，得到一个具有细边的二值图像；
53.(6.5)采用滞后阈值法，确定最大密度和最小密度两个阈值；
54.(6.6)低于最小值的边将被丢弃，高于最大值的边将被接受为边，最小值和最大值之间的边仅当它们连接到其他边时则被认定为边。
55.所述步骤(8)中在终端运行部分包括以下步骤：
56.(8.1)开启终端，运行gap_calib2.py脚本，输入python 3gap_calib2.py-dx-g y指令，设置x和y的具体数值，使得机器开始计算；
57.其中x与y均为整数数值，x为扫描仪与校准块之间的距离大小，x在64至72之间可控制扫描仪到校准块的距离，让激光扫射在有缺口的范围内，令缺口显示在检测画面中高度居中则效果为佳(当x＝67)；y为目标缺口的尺寸大小，y设置在1到5的整数区间内，让对应1至5毫米的缺口图像移动至检测画面的左右居中处则效果为佳；
58.(8.2)校准块开始在滑动条上向单侧移动，横向调节各缺口的移动位置，使得缺口中对应y毫米尺寸的缺口位于检测画面中央；
59.(8.3)扫描仪开始向校准块的位置靠近，使得激光在校准块上的光线向上移动，调节缺口在检测画面中的上下位置令其处于画面的中央高度；
60.(8.4)位置调节结束，结合步骤(5)中的图像获取流程，系统在电脑端输出检测出的结果图像，gapcal2.2.py脚本使得每次结果数据得以写入日志文件。
61.触摸式液晶显示器中含有gaptest01.ino和gapcalib.py两个脚本，gaptest01.ino脚本用以调节固定校准块和扫描仪的滑动条以及其他一些硬件部分，gapcalib.py主要用于调节扫描仪到缺口的距离和缺口横向的位置；扫描仪中包含着gapni.py和gap2.2.py两个脚本，gapni.py主要在终端依次输出计算出的各缺口数据，gap2.2.py主要用于观测检测图像。
62.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、使用管理gui软件，操作更加流畅，无需额外的计算机设备；2、调整更灵活，可在自然或人工照明的不同环境中使用；3、
比国外同类产品更加便宜。
附图说明
63.图1为机器的总线路示意图；
64.图2：2a为输入脉冲与旋转长度关系图，2b为6引线两种连接性能对比图，2c为8引线两种连接性能对比图；
65.图3：为57hs22驱动下混合式步进电机扭矩和转速关系图表；
66.图4：为步进电机的驱动器dm542的展示图；
67.图5：5a为dm542在特定电气规格下参数指标变化对比图，5b为dm542在特定操作环境下参数表格图；
68.图6：6a为dm542的p1接头配置的描述图表，6b为dm542的p2接头配置的描述图表；
69.图7：为8引线电机的串联连接示意图；
70.图8：8a为dip开关第5至8位的微步分辨率设置图，8b为dip开关的前三位的动态电流设置图；
71.图9：为步进电机上pul、dir和ena几种信号所需遵守的规则示意图；
72.图10：为容许额定载荷和扭矩的计算公式示意图：
73.图11：为线性导轨结构示意图；
74.图12：为对垂直步进电机功率平均负荷计算过程图；
75.图13：为包含扫描仪、电机等主要部件的x导向系统展示图。
76.图14：14a为扫描仪实物示意图，14b为电机与校准块示意图，14c为激光扫描校准块过程示意图；
77.图15：15a为微控制器arduino mega展示图，15b为扩展模块展示图；
78.图16：16a为触摸式液晶显示器，16b电机展示图。
具体实施方式
79.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
80.本发明所述的光学校准仪，包括：单板计算机树莓派1、触摸式液晶显示器2、红色激光二极管3、不可见激光二极管4、ldr传感器5、cmos相机6、可充电电池7、开启/关闭开关8、睡眠开关9、扫描按钮10、红外通滤波器11、10k电阻器12、绿色发光二极管13、微控制器arduinomega14、步进电机15、微步电机驱动器16；
81.其中，触摸式液晶显示器2、红色激光二极管3、不可见激光二极管4、ldr传感器5、cmos相机6、睡眠开关9、绿色发光二极管13与单板计算机树莓派1直接相连，扫描按钮10通过电阻器12与单板计算机树莓派相连，所述cmos相机6前方设有红外通滤波器11，所述可充电电池7通过开启/关闭开关8与树莓派1相连。
82.所述触摸式液晶显示器2与单板计算机树莓派1尺寸相同。
83.所述红色激光二极管3波长为650nm，采用pwm功率控制，可以控制来自单板计算机树莓派1的pwm信号。
84.所述cmos相机6带有7.2mmx5.4mm传感器，像素为1600pxx1200px，全局快门，每秒60帧，像素尺寸4.5umx4.5um，焦距为12mm。
85.需根据如图1所示该发明所含的几个关键部件的连接框架进行连接，其中微控制器arduinomega14与操控手持式便捷测量设备所处的x向移动的传送部件gapmaker产生连接，微步电机驱动器16与微控制器arduino mega14产生连接，gapmaker与微步电机驱动器16各借助一个步进电机运作，即共使用两个步进电机15。单板计算机树莓派1即图中rasberry pi与微控制器arduino mega14相连。此外单板计算机树莓派1和微控制器arduinomega14各连接一触摸式液晶显示器2，即图中lcdscreen。
86.步进电机是一种机电设备，它将电脉冲转换为离散的机械运动。当以适当的顺序向步进电机施加电气指令脉冲时，步进电机的轴以离散的步长增量旋转。电机旋转与这些应用的输入脉冲有几个直接关系。施加脉冲的顺序与电机轴旋转方向直接相关。电机轴旋转的速度与输入脉冲的频率直接相关，旋转的长度与应用的输入脉冲的数量直接相关，如图2a所示。
87.当需要控制运动时，步进电机可用于需要控制旋转角度、速度、位置和同步的应用中。由于其固有的优势，步进电机已在许多不同的应用中找到了自己的位置，如数控路由器、激光机床等。
88.步进电机有三种主要类型：可变磁阻(vr)、永磁体(pm)、杂交(hb)。
89.混合式步进电机在阶跃分辨率、扭矩和速度方面提供了更好的性能。混合式步进电机结合了pm和vr型步进电机的最佳功能。转子是多齿的，就像vr电机一样，在其轴周围包含一个轴向磁化的同心磁铁。垂直x-y机架中使用的两个主要步进电机是leadshine 57hs系列。y轴57hs22s和x轴57hs21a均采用两相步进电机。使用两个m系列leadshine步进电机驱动器，用于57hs21a的dm542和用于57hs22s的dm556。这些驱动程序使图2b、2c中的连接得以完成，图3以线表的形式展现了57hs22驱动下混合式步进电机扭矩和转速的关系，图4则展现了步进电机的驱动器dm542的实物图。
90.dm542是一款全数字步进驱动，采用基于最新运动控制技术而开发出的先进dsp控制算法。它实现了独特的系统平滑度，提供了最佳的扭矩和零中频不稳定性。其电机自动识别和参数自动配置功能提供快速设置最佳模式与不同的电机。与传统的模拟驱动器相比，dm542能够以更低的噪声、更低的发热和更平稳的运动驱动步进电机。其独特的功能使dm542成为高要求应用的理想选择。如图5a、5b所示的参数数值对比体现出了这样的特性。
91.dm542有两个接头，接头p1用于控制信号连接，接头p2用于电源和电机连接。图6a、6b是关于两个接头的简要说明。
92.8引线电机因为能够串联或并联，为系统设计者提供了高度的灵活性，从而满足了广泛的应用。串联连接串联电机配置通常用于在较低转速下需要较高扭矩的应用中，因为这种配置有最多的电感，性能将以更高的速度开始下降。在串联模式下，电机也应仅以其额定电流的70％运行，以防止过热。如图7所示，展示了8引线电机的串联连接方式。
93.对于给定的电机，较高的驱动电流会使电机输出更大的转矩，但同时会导致电机和驱动器发热，因此，输出电流通常被设置为电机在长时间运行时不会过热的状态。由于电机线圈的并联和串联连接将显著改变产生的电感和电阻，因此需要重视根据电机相电流、电机引线和连接方法设置驱动器输出电流。电机厂家提供的相电流额定值是选择驱动电流的重要依据。然而，选择也取决于导线和连接，dip开关的前三位(sw1、2、3)用于设置动态电流，在操作过程中需选择最接近电机所需电流的设置。如图8a、8b所示，分别显示了dip开关
第5至8位的具体设置对应微步分辨率的数值关系，以及dip开关的前三位的动态电流设置。
94.为了避免一些错误操作和偏差，步进电机的信号pul、dir和ena应该遵守一些规则，如图9所示。图10所示的额定载荷是指线性导轨，仅用于计算使用寿命。通常，应将紧凑轴的应力施加到额定动载荷的10％左右。作为一个垂直的x-y直线导轨系统，在两个y轴上都有很大的负载，导轨结构如图11所示。因此，垂直步进电机的功率必须很好地计算最大垂直速度，计算的方法体现在图12中。
95.图15所示为本发明采用的arduino mega微控制器，两个单元都安装在主控制面板中，并使用两根12芯电缆连接到电源箱。配图13展示了发明中目标滑动检测的功能的重要部件组合，体现在x方向上手持便携式测量设备进行校准的操作面板，和y方向上校准块的滑动。
96.本发明所描述的光学校准仪的使用方法，包括以下步骤：
97.(1)单板计算机树莓派开始基于平台的初始化；
98.(2)cmos相机初始化参数，并将各参数的初始值发送至树莓派；
99.(3)固定校准块的设备在滑条上移动调节，接着扫描仪进行相对校准块的远近移动，使激光范围位于检测缺口上；
100.(4)树莓派利用cmos相机进行视频采集，采用智能光照管理控制方法来自动调整光照；
101.(5)按下如图14a所示手持便携式测量设备上的扫描按钮，从图14b、14c中可看出设备发出的横向激光映在校准块的缺口面上，光线出现上下隔断，从而获得来自校准块表面缺口的图像；
102.(6)通过感兴趣区域(roi)分割过程从步骤(5)获取的图像中切割出感兴趣区域，并根据滤波要求对新图像进行直线和轮廓分割；
103.(7)生成的图像将用于计算物体间隙的几何尺寸，所有测量细节将显示在屏幕上，等待按扫描按钮重新开始。
104.(8)在终端运行，计算缺口和扫描设备的距离-d以及对应缺口尺寸-g的值，输出调整后的图像。
105.所述步骤(5)中获得图像的具体步骤为：
106.(5.1)运行扫描仪中软件部分的gapcal2.2.py脚本，弹出已阈值化的检测画面，从图16所示的触摸式液晶显示器中可以查看和触摸操作储存在系统中的这个脚本；
107.(5.2)画面内有着一个位置居中的白色圆形框，框的中央有个十字线标志，缺口图像位置与十字线重合则效果为佳；
108.(5.3)通过输入指定按键可进行流程控制，在键盘输入首次s键，则摄像头通过拍摄获取到此刻检测区的静图，系统脚本根据静图开始计算缺口尺寸值，将计算结果以红色字体显示在画面中并以红线标注出缺口位置，第二次输入s键则为退出静态结果图，返回动态检测画面；
109.(5.4)输入q键退出检测画面。
110.所述步骤(6)中感兴趣区域分割过程包括以下步骤：
111.(6.1)按下扫描按钮，从实时流中获取图像；
112.(6.2)调用get_segmentation分割模块重新生成二值灰度图像；
113.(6.3)调用horizontal_lines函数，过滤掉任何不在水平对齐程度上的分割；
114.(6.4)运用canny边缘检测技术，在图像中找到轮廓，去除任何不属于边缘的像素，得到一个具有细边的二值图像；
115.(6.5)采用滞后阈值法，确定最大密度和最小密度两个阈值；
116.(6.6)低于最小值的边将被丢弃，高于最大值的边将被接受为边，最小值和最大值之间的边仅当它们连接到其他边时则被认定为边。
117.所述步骤(8)中在终端运行部分包括以下步骤：
118.(8.1)开启终端，运行gap_calib2.py脚本，输入python 3gap_calib2.py-d x-g y指令，设置x和y的具体数值，使得机器开始计算；
119.其中x与y均为整数数值，x为扫描仪与校准块之间的距离大小，x在64至72之间可控制扫描仪到校准块的距离，让激光扫射在有缺口的范围内，令缺口显示在检测画面中高度居中则效果为佳(当x＝67)；y为目标缺口的尺寸大小，y设置在1到5的整数区间内，让对应1至5毫米的缺口图像移动至检测画面的左右居中处则效果为佳；
120.(8.2)校准块开始在滑动条上向单侧移动，横向调节各缺口的移动位置，使得缺口中对应y毫米尺寸的缺口位于检测画面中央；
121.(8.3)扫描仪开始向校准块的位置靠近，使得激光在校准块上的光线向上移动，调节缺口在检测画面中的上下位置令其处于画面的中央高度；
122.(8.4)位置调节结束，结合步骤(5)中的按下扫描后的图像获取流程，系统在电脑端输出检测出的结果图像，gapcal2.2.py脚本使得每次结果数据得以写入日志文件。