基于激光干涉和視覺技術(shù)的錮瓦標尺自動測量裝置研制

時間：2023-02-22 14:11:58

關(guān)鍵字：視覺測量錮瓦標尺不確定度

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[導(dǎo)讀]摘要:結(jié)合激光干涉儀準確測距和視覺圖像刻線智能識別技術(shù),研制了對錮瓦標尺刻線間隔進行檢定的自動測量裝置,介紹了該裝置的基本原理、主要硬件組成及軟件實現(xiàn)。該裝置測量錮瓦標尺的擴展不確定度不超過6μm,滿足錮瓦標尺的檢定要求。

引言

錮瓦標尺與數(shù)字水準儀配套使用,對水準勘查和建筑物的形變監(jiān)控發(fā)揮了重要作用。錮瓦標尺屬于高準確度的計量器具,使用一段時間后,需要對錮瓦標尺刻線間隔進行檢定。因這種標尺刻線多,為準確、高效地瞄準和測量刻線間隔距離,研制了結(jié)合激光干涉儀和視覺識別技術(shù)的自動測量裝置,用于錮瓦標尺的計量檢定。

1總體介紹

本測量裝置主要由激光干涉儀、視覺圖像采集系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等組成,外觀如圖1所示。

測量基本原理:采用伺服電機驅(qū)動工作臺進行初始定位,由激光干涉儀準確測量移動的距離L,再經(jīng)過視覺抓拍,確定零位起始刻度線的像素值P0和被測刻度線像素值Pm,取其差值與屏幕像素的標定值e相乘,則被測刻度線與零位起始線的實際距離LP按式(1)計算。

2主要硬件組成

2.1測長標準器

該裝置測量范圍上限達到5m,且測量準確度要求高,測長主標準器采用激光干涉儀是最好的選擇。本項目采用RENIsHAw公司的ML10激光干涉儀作為距離測量的主標準器,該激光干涉儀最大允許誤差為±0.7×10-6L。激光干涉儀是基于激光波長常數(shù)的原理開發(fā)出來的,當(dāng)在工況環(huán)境下工作時波長會發(fā)生改變,必須對波長的改變進行補償。目前商業(yè)化的激光干涉儀已將波長補償?shù)綐藴虱h(huán)境,即溫度T=20℃、大氣壓力P=101.325kPa、相對濕度H=50%。由于實驗室實際環(huán)境情況偏離了標準環(huán)境條件,為保證準確度必須根據(jù)實際情況修正。借鑒《量塊》(JJG146—2011)規(guī)程中采用激光干涉儀絕對測量二等量塊的方法,采用目前國際上廣泛使用的Ed1en公式得到修正系數(shù)λ來修正激光波長,即將測量的數(shù)據(jù)乘以修正系數(shù)λ與0.9997288(標準修正值)比例。

式中:P為大氣壓力,P=100.6kPa:T為激光光路上的空氣溫度,取T=20.2℃:H為相對濕度,H=53.6%。

代入式(2),可求得入=0.9997307。

經(jīng)與激光干涉儀自帶的測量軟件進行比較,實際效果很好,在全長5m的量程上,本項目開發(fā)的激光讀數(shù)軟件與激光干涉儀自帶軟件讀數(shù)相差不超過0.2μm。

2.2傳動系統(tǒng)

要完成自動測量,必須配備傳動機構(gòu),可以采用齒輪齒條、摩擦輪、絲杠或皮帶傳動,如果采用前兩者,工作臺上要安裝電機,電機的振動對測量有影響。采用絲杠傳動的話,機械承力結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜,由于本裝置工作臺拖動力并不大,速度也不高,整體傳動功率不大,采用皮帶傳動是比較好的選擇。皮帶中的同步帶傳動具有工作無滑動、恒定傳動比、平穩(wěn)、緩沖減振的能力以及傳動效率高(0.98)的優(yōu)點,本裝置最后選擇采用同步帶傳動。

根據(jù)國家機械行業(yè)標準《圓弧齒同步帶傳動第3部分:設(shè)計方法》(JB/T7512.3—2014)來設(shè)計和選擇同步帶。經(jīng)理論分析和實際測算,考慮靜摩擦力的因素,工作臺開始拖動最大拉力Fmax=60N,運動平穩(wěn)后,拉力為47N,工作臺移動速度一般為0.8m/s,最大移動速度不會超過vmax=3m/s,考慮到同步帶低轉(zhuǎn)速的情況多,將工況系數(shù)增加到k=2~4,最大功率Wmax按照式(3)進行估算。

根據(jù)國標《同步帶尺寸》(GB11616—1989)來選擇同步帶:齒距5mm,帶寬20mm,齒形采用圓弧齒,根據(jù)工作實際條件,中心距為5.35m。同步帶總長設(shè)計成10.86m,根據(jù)伺服驅(qū)動器脈沖當(dāng)量(10000脈沖/r),設(shè)計出帶輪的直徑名義為50mm,齒距為5mm,這樣將帶輪的齒數(shù)圓整為32齒,實際直徑為50.93mm。

為了保證測量準確度,減少運動中的角擺誤差,導(dǎo)軌運動的直線度不能超過0.02mm/m,精密滾子直線導(dǎo)軌最長只能做到3m,要達到5m的量程必須駁接,這對支撐導(dǎo)軌的平臺又提出了新的要求。為了保證平臺具有很好的剛性和長期穩(wěn)定性,消除自重及環(huán)境導(dǎo)致的平臺變形,裝置將平臺設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)?？紤]實際搬運到實驗室和加工的可行性,最后平臺的尺寸設(shè)計為長5.3m、寬0.2m、高0.3m,表面的平面度在全長5m范圍內(nèi)不超過0.008mm。

2.3運動伺服系統(tǒng)

運動伺服系統(tǒng)的設(shè)計需要確定運動控制卡、伺服驅(qū)動器和伺服電機。本裝置其實只是單軸控制,不需要任意兩軸之間的圓弧插補等運算,綜合分析性價比,選擇了實用性強的國產(chǎn)MSP8048運動控制卡以及相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動器和伺服電機。

該運動控制卡基于PCI總線,配備豐富的windows環(huán)境下的函數(shù)庫,方便設(shè)計軟件,實現(xiàn)計算機與控制卡之間的數(shù)據(jù)交換。

2.4圖像采集系統(tǒng)和光源

當(dāng)前機器視覺圖像處理技術(shù)發(fā)展快,可選擇的產(chǎn)品多。本裝置采用性能可靠的國產(chǎn)MVC3000F工業(yè)相機,該工業(yè)相機具備即插即用的USB2.0接口,圖像采集系統(tǒng)的安裝非常方便,通過專用的USB視頻電纜即可與控制計算機直接連接,實時獲得BMP格式無壓縮的每幀圖片,方便軟件的后續(xù)處理。

本裝置要適用于等距刻線的錮瓦標尺和非等距的條碼錮瓦標尺,這些尺子大多都是建筑工程上使用過的,表面經(jīng)常有污點、刻線磨壞、表面油漆脫落等缺陷,給拍攝圖像中的目標識別帶來了干擾,通過調(diào)整光強可以在一定程度上消除這種影響。本項目采用光強可調(diào)整的LED光源以適應(yīng)不同的測量目標,照射方式為前向照明,即光源和相機位于被測物的同側(cè),光源直接固定于CCD鏡頭,兩者的高度差超過40mm,為方便調(diào)焦,配備了遠近可調(diào)光學(xué)鏡頭。

3軟件實現(xiàn)

軟件采用VS2010C＋＋基于MFC開發(fā)[5],使用了大量的接口庫函數(shù),其中最重要的有3個:

(1)第1個為啟動視頻函數(shù)intMVUs一2Start,CCD視頻系統(tǒng)經(jīng)過初始化后,使用該函數(shù)就可以將視頻圖像顯示到預(yù)定的位置:

(2)第2個為控制電機運動的函數(shù)sbortintMSP8048

TSPChNMhVEo(nsiunedgbarCardNh,(nsiunedgbarAxisNh,f1oatDistange),CardNh為初始化卡號,AxisNh為運動軸號,Distange為運動的距離:

(3)第3個為采集激光讀數(shù)函數(shù)gbarrdvGetReadinuovoid),激光干涉儀初始化后,通過該函數(shù)就可以將激光移動的距離字符串讀入程序中的變量,經(jīng)處理,將字符串ASCII碼變換成double數(shù)據(jù)。

軟件采用人機對話的主界面,通過此窗口,操作人員可以向計算機發(fā)出一系列命令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置、激光/環(huán)境/CCD視頻檢查等工作。

軟件的基本流程如下:

(l)初始化CCD視頻和驅(qū)動卡:

(2)啟動視頻,標定像素值,得到像素比例9值:

(3)根據(jù)選擇的測量對象,工作臺移動到零線:

(4)圖像采集,噪聲消除平滑化處理,將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖:

(5)采用大津閾值法(最大類間方差法)將圖像二值化:

(6)各刻線邊緣點濾波,求中線:

(7)取激光讀數(shù),第一次清零:

(8)工作臺移動到被測線,跳到步驟(4)進行循環(huán),直到所有的刻線測量完畢。

在圖像處理軟件開發(fā)過程中,選取恰當(dāng)?shù)拈撝祵蚀_分離出標尺的刻線邊界至關(guān)重要,刻線邊界的分割是否準確直接影響刻度分劃誤差測量的準確度。針對被測錮瓦標尺的特征,經(jīng)多次實驗矩不變法、最大嫡法以及最大類間方差法選擇圖像分割閾值,決定采用效果最好的最大類間方差法。

最大類間方差法的基本原理是先取某個灰度值,以它為界將圖像分為灰度值大小兩類,分別計算這兩類中像素點數(shù)及灰度平均值,并計算它們的類間方差,最后取所有灰度的類間方差中的最大值對應(yīng)的灰度為所求最佳閾值。

計算公式如下:

式中:il(w)、i2(w)分別為灰度小于w的像素與大于等于w的像素的數(shù)目:"l(w)、"2(w)分別為它們的平均值。

為了方便編寫程序,引入了表達式ArgMax[e(w)],實質(zhì)上e(w)就是一個以灰度值為自變量的函數(shù),求閾值就是找出函數(shù)值取最大值的位置,即找到e(w)中最大值的下標作為圖像分割的最佳閾值,再對錮瓦標尺的幀圖片進行二值化處理。

對每行像素從最左邊開始尋找,一旦發(fā)現(xiàn)像素值發(fā)生改變,就得到了第一條刻線的左邊緣,記錄此位置像素點橫坐標:繼續(xù)往右尋找,再發(fā)現(xiàn)像素改變時為第一刻線的右邊緣,取平均值獲得第一條刻線的中線坐標。

同樣的原理找到第二條刻線的中線,兩中線坐標之差即為相鄰兩刻線在該行的像素之差。按此方法搜索整個圖片,找出所有行上各刻線中線之間的像素值,結(jié)合屏幕的標定值e和激光干涉儀讀數(shù),計算得到各刻線之間的距離。

4裝置測量錮瓦標尺的不確定度

根據(jù)式(l)的數(shù)學(xué)模型,導(dǎo)出測量不確定度的表達式如下:

式中:c(L)=l:c(e)=Pm-P0,為起始刻線和測量刻線像素差值,以200像素為例計算:c(Pm-P0)=e,為像素標定值,一般取3~6um/像素,以4為例計算:u(L)為激光干涉儀讀數(shù)值給出的不確定度分量:u(e)為像素標定值不準給出的不確定度分量:u(Pm-P0)為軟件確定起始刻線和測量刻線像素差值不準引起的不確定度分量,記為u(P)。

將以上數(shù)據(jù)代入式(5),得到: