基于激光干涉和视觉技术的锢瓦标尺自动测量装置研制

时间：2023-02-22 14:11:58

关键字：视觉测量锢瓦标尺不确定度

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[导读]摘要:结合激光干涉仪准确测距和视觉图像刻线智能识别技术,研制了对锢瓦标尺刻线间隔进行检定的自动测量装置,介绍了该装置的基本原理、主要硬件组成及软件实现。该装置测量锢瓦标尺的扩展不确定度不超过6μm,满足锢瓦标尺的检定要求。

引言

锢瓦标尺与数字水准仪配套使用,对水准勘查和建筑物的形变监控发挥了重要作用。锢瓦标尺属于高准确度的计量器具,使用一段时间后,需要对锢瓦标尺刻线间隔进行检定。因这种标尺刻线多,为准确、高效地瞄准和测量刻线间隔距离,研制了结合激光干涉仪和视觉识别技术的自动测量装置,用于锢瓦标尺的计量检定。

1总体介绍

本测量装置主要由激光干涉仪、视觉图像采集系统、传动系统、伺服系统等组成,外观如图1所示。

测量基本原理:采用伺服电机驱动工作台进行初始定位,由激光干涉仪准确测量移动的距离L,再经过视觉抓拍,确定零位起始刻度线的像素值P0和被测刻度线像素值Pm,取其差值与屏幕像素的标定值e相乘,则被测刻度线与零位起始线的实际距离LP按式(1)计算。

2主要硬件组成

2.1测长标准器

该装置测量范围上限达到5m,且测量准确度要求高,测长主标准器采用激光干涉仪是最好的选择。本项目采用RENIsHAw公司的ML10激光干涉仪作为距离测量的主标准器,该激光干涉仪最大允许误差为±0.7×10-6L。激光干涉仪是基于激光波长常数的原理开发出来的,当在工况环境下工作时波长会发生改变,必须对波长的改变进行补偿。目前商业化的激光干涉仪已将波长补偿到标准环境,即温度T=20℃、大气压力P=101.325kPa、相对湿度H=50%。由于实验室实际环境情况偏离了标准环境条件,为保证准确度必须根据实际情况修正。借鉴《量块》(JJG146—2011)规程中采用激光干涉仪绝对测量二等量块的方法,采用目前国际上广泛使用的Ed1en公式得到修正系数λ来修正激光波长,即将测量的数据乘以修正系数λ与0.9997288(标准修正值)比例。

式中:P为大气压力,P=100.6kPa:T为激光光路上的空气温度,取T=20.2℃:H为相对湿度,H=53.6%。

代入式(2),可求得入=0.9997307。

经与激光干涉仪自带的测量软件进行比较,实际效果很好,在全长5m的量程上,本项目开发的激光读数软件与激光干涉仪自带软件读数相差不超过0.2μm。

2.2传动系统

要完成自动测量,必须配备传动机构,可以采用齿轮齿条、摩擦轮、丝杠或皮带传动,如果采用前两者,工作台上要安装电机,电机的振动对测量有影响。采用丝杠传动的话,机械承力结构会比较复杂,由于本装置工作台拖动力并不大,速度也不高,整体传动功率不大,采用皮带传动是比较好的选择。皮带中的同步带传动具有工作无滑动、恒定传动比、平稳、缓冲减振的能力以及传动效率高(0.98)的优点,本装置最后选择采用同步带传动。

根据国家机械行业标准《圆弧齿同步带传动第3部分:设计方法》(JB/T7512.3—2014)来设计和选择同步带。经理论分析和实际测算,考虑静摩擦力的因素,工作台开始拖动最大拉力Fmax=60N,运动平稳后,拉力为47N,工作台移动速度一般为0.8m/s,最大移动速度不会超过vmax=3m/s,考虑到同步带低转速的情况多,将工况系数增加到k=2~4,最大功率Wmax按照式(3)进行估算。

根据国标《同步带尺寸》(GB11616—1989)来选择同步带:齿距5mm,带宽20mm,齿形采用圆弧齿,根据工作实际条件,中心距为5.35m。同步带总长设计成10.86m,根据伺服驱动器脉冲当量(10000脉冲/r),设计出带轮的直径名义为50mm,齿距为5mm,这样将带轮的齿数圆整为32齿,实际直径为50.93mm。

为了保证测量准确度,减少运动中的角摆误差,导轨运动的直线度不能超过0.02mm/m,精密滚子直线导轨最长只能做到3m,要达到5m的量程必须驳接,这对支撑导轨的平台又提出了新的要求。为了保证平台具有很好的刚性和长期稳定性,消除自重及环境导致的平台变形,装置将平台设计成整体结构。考虑实际搬运到实验室和加工的可行性,最后平台的尺寸设计为长5.3m、宽0.2m、高0.3m,表面的平面度在全长5m范围内不超过0.008mm。

2.3运动伺服系统

运动伺服系统的设计需要确定运动控制卡、伺服驱动器和伺服电机。本装置其实只是单轴控制,不需要任意两轴之间的圆弧插补等运算,综合分析性价比,选择了实用性强的国产MSP8048运动控制卡以及相应的交流伺服驱动器和伺服电机。

该运动控制卡基于PCI总线,配备丰富的windows环境下的函数库,方便设计软件,实现计算机与控制卡之间的数据交换。

2.4图像采集系统和光源

当前机器视觉图像处理技术发展快,可选择的产品多。本装置采用性能可靠的国产MVC3000F工业相机,该工业相机具备即插即用的USB2.0接口,图像采集系统的安装非常方便,通过专用的USB视频电缆即可与控制计算机直接连接,实时获得BMP格式无压缩的每帧图片,方便软件的后续处理。

本装置要适用于等距刻线的锢瓦标尺和非等距的条码锢瓦标尺,这些尺子大多都是建筑工程上使用过的,表面经常有污点、刻线磨坏、表面油漆脱落等缺陷,给拍摄图像中的目标识别带来了干扰,通过调整光强可以在一定程度上消除这种影响。本项目采用光强可调整的LED光源以适应不同的测量目标,照射方式为前向照明,即光源和相机位于被测物的同侧,光源直接固定于CCD镜头,两者的高度差超过40mm,为方便调焦,配备了远近可调光学镜头。

3软件实现

软件采用VS2010C＋＋基于MFC开发[5],使用了大量的接口库函数,其中最重要的有3个:

(1)第1个为启动视频函数intMVUs一2Start,CCD视频系统经过初始化后,使用该函数就可以将视频图像显示到预定的位置:

(2)第2个为控制电机运动的函数sbortintMSP8048

TSPChNMhVEo(nsiunedgbarCardNh,(nsiunedgbarAxisNh,f1oatDistange),CardNh为初始化卡号,AxisNh为运动轴号,Distange为运动的距离:

(3)第3个为采集激光读数函数gbarrdvGetReadinuovoid),激光干涉仪初始化后,通过该函数就可以将激光移动的距离字符串读入程序中的变量,经处理,将字符串ASCII码变换成double数据。

软件采用人机对话的主界面,通过此窗口,操作人员可以向计算机发出一系列命令,实现数据设置、激光/环境/CCD视频检查等工作。

软件的基本流程如下:

(l)初始化CCD视频和驱动卡:

(2)启动视频,标定像素值,得到像素比例9值:

(3)根据选择的测量对象,工作台移动到零线:

(4)图像采集,噪声消除平滑化处理,将图像转化为灰度图:

(5)采用大津阈值法(最大类间方差法)将图像二值化:

(6)各刻线边缘点滤波,求中线:

(7)取激光读数,第一次清零:

(8)工作台移动到被测线,跳到步骤(4)进行循环,直到所有的刻线测量完毕。

在图像处理软件开发过程中,选取恰当的阈值对准确分离出标尺的刻线边界至关重要,刻线边界的分割是否准确直接影响刻度分划误差测量的准确度。针对被测锢瓦标尺的特征,经多次实验矩不变法、最大嫡法以及最大类间方差法选择图像分割阈值,决定采用效果最好的最大类间方差法。

最大类间方差法的基本原理是先取某个灰度值,以它为界将图像分为灰度值大小两类,分别计算这两类中像素点数及灰度平均值,并计算它们的类间方差,最后取所有灰度的类间方差中的最大值对应的灰度为所求最佳阈值。

计算公式如下:

式中:il(w)、i2(w)分别为灰度小于w的像素与大于等于w的像素的数目:"l(w)、"2(w)分别为它们的平均值。

为了方便编写程序,引入了表达式ArgMax[e(w)],实质上e(w)就是一个以灰度值为自变量的函数,求阈值就是找出函数值取最大值的位置,即找到e(w)中最大值的下标作为图像分割的最佳阈值,再对锢瓦标尺的帧图片进行二值化处理。

对每行像素从最左边开始寻找,一旦发现像素值发生改变,就得到了第一条刻线的左边缘,记录此位置像素点横坐标:继续往右寻找,再发现像素改变时为第一刻线的右边缘,取平均值获得第一条刻线的中线坐标。

同样的原理找到第二条刻线的中线,两中线坐标之差即为相邻两刻线在该行的像素之差。按此方法搜索整个图片,找出所有行上各刻线中线之间的像素值,结合屏幕的标定值e和激光干涉仪读数,计算得到各刻线之间的距离。

4装置测量锢瓦标尺的不确定度

根据式(l)的数学模型,导出测量不确定度的表达式如下:

式中:c(L)=l:c(e)=Pm-P0,为起始刻线和测量刻线像素差值,以200像素为例计算:c(Pm-P0)=e,为像素标定值,一般取3~6um/像素,以4为例计算:u(L)为激光干涉仪读数值给出的不确定度分量:u(e)为像素标定值不准给出的不确定度分量:u(Pm-P0)为软件确定起始刻线和测量刻线像素差值不准引起的不确定度分量,记为u(P)。

将以上数据代入式(5),得到: