基于激光干涉和視覺技術(shù)的錮瓦標(biāo)尺自動(dòng)測(cè)量裝置研制

引言

錮瓦標(biāo)尺與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套使用,對(duì)水準(zhǔn)勘查和建筑物的形變監(jiān)控發(fā)揮了重要作用。錮瓦標(biāo)尺屬于高準(zhǔn)確度的計(jì)量器具,使用一段時(shí)間后,需要對(duì)錮瓦標(biāo)尺刻線間隔進(jìn)行檢定。因這種標(biāo)尺刻線多,為準(zhǔn)確、高效地瞄準(zhǔn)和測(cè)量刻線間隔距離,研制了結(jié)合激光干涉儀和視覺識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)測(cè)量裝置,用于錮瓦標(biāo)尺的計(jì)量檢定。

1總體介紹

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

測(cè)量基本原理:采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行初始定位,由激光干涉儀準(zhǔn)確測(cè)量移動(dòng)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(cè)刻度線像素值Pm,取其差值與屏幕像素的標(biāo)定值e相乘,則被測(cè)刻度線與零位起始線的實(shí)際距離LP按式(1)計(jì)算。

2主要硬件組成

2.1測(cè)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器

該裝置測(cè)量范圍上限達(dá)到5m,且測(cè)量準(zhǔn)確度要求高,測(cè)長(zhǎng)主標(biāo)準(zhǔn)器采用激光干涉儀是最好的選擇。本項(xiàng)目采用RENIsHAw公司的ML10激光干涉儀作為距離測(cè)量的主標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)常數(shù)的原理開發(fā)出來的,當(dāng)在工況環(huán)境下工作時(shí)波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變,必須對(duì)波長(zhǎng)的改變進(jìn)行補(bǔ)償。目前商業(yè)化的激光干涉儀已將波長(zhǎng)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)環(huán)境,即溫度T=20℃、大氣壓力P=101.325kPa、相對(duì)濕度H=50%。由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際環(huán)境情況偏離了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件,為保證準(zhǔn)確度必須根據(jù)實(shí)際情況修正。借鑒《量塊》(JJG146—2011)規(guī)程中采用激光干涉儀絕對(duì)測(cè)量二等量塊的方法,采用目前國(guó)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(zhǎng),即將測(cè)量的數(shù)據(jù)乘以修正系數(shù)λ與0.9997288(標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(cè)量軟件進(jìn)行比較,實(shí)際效果很好,在全長(zhǎng)5m的量程上,本項(xiàng)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(dòng)系統(tǒng)

要完成自動(dòng)測(cè)量,必須配備傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可以采用齒輪齒條、摩擦輪、絲杠或皮帶傳動(dòng),如果采用前兩者,工作臺(tái)上要安裝電機(jī),電機(jī)的振動(dòng)對(duì)測(cè)量有影響。采用絲杠傳動(dòng)的話,機(jī)械承力結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜,由于本裝置工作臺(tái)拖動(dòng)力并不大,速度也不高,整體傳動(dòng)功率不大,采用皮帶傳動(dòng)是比較好的選擇。皮帶中的同步帶傳動(dòng)具有工作無滑動(dòng)、恒定傳動(dòng)比、平穩(wěn)、緩沖減振的能力以及傳動(dòng)效率高(0.98)的優(yōu)點(diǎn),本裝置最后選擇采用同步帶傳動(dòng)。

根據(jù)國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《圓弧齒同步帶傳動(dòng)第3部分:設(shè)計(jì)方法》(JB/T7512.3—2014)來設(shè)計(jì)和選擇同步帶。經(jīng)理論分析和實(shí)際測(cè)算,考慮靜摩擦力的因素,工作臺(tái)開始拖動(dòng)最大拉力Fmax=60N,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)后,拉力為47N,工作臺(tái)移動(dòng)速度一般為0.8m/s,最大移動(dòng)速度不會(huì)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(jìn)行估算。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《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(shí)際條件,中心距為5.35m。同步帶總長(zhǎng)設(shè)計(jì)成10.86m,根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖當(dāng)量(10000脈沖/r),設(shè)計(jì)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(shí)際直徑為50.93mm。

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度,減少運(yùn)動(dòng)中的角擺誤差,導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度不能超過0.02mm/m,精密滾子直線導(dǎo)軌最長(zhǎng)只能做到3m,要達(dá)到5m的量程必須駁接,這對(duì)支撐導(dǎo)軌的平臺(tái)又提出了新的要求。為了保證平臺(tái)具有很好的剛性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,消除自重及環(huán)境導(dǎo)致的平臺(tái)變形,裝置將平臺(tái)設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)。考慮實(shí)際搬運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室和加工的可行性,最后平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)5.3m、寬0.2m、高0.3m,表面的平面度在全長(zhǎng)5m范圍內(nèi)不超過0.008mm。

2.3運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要確定運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。本裝置其實(shí)只是單軸控制,不需要任意兩軸之間的圓弧插補(bǔ)等運(yùn)算,綜合分析性價(jià)比,選擇了實(shí)用性強(qiáng)的國(guó)產(chǎn)MSP8048運(yùn)動(dòng)控制卡以及相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

該運(yùn)動(dòng)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(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(jī)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(guó)產(chǎn)MVC3000F工業(yè)相機(jī),該工業(yè)相機(jī)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(jì)算機(jī)直接連接,實(shí)時(shí)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(biāo)尺和非等距的條碼錮瓦標(biāo)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(diǎn)、刻線磨壞、表面油漆脫落等缺陷,給拍攝圖像中的目標(biāo)識(shí)別帶來了干擾,通過調(diào)整光強(qiáng)可以在一定程度上消除這種影響。本項(xiàng)目采用光強(qiáng)可調(diào)整的LED光源以適應(yīng)不同的測(cè)量目標(biāo),照射方式為前向照明,即光源和相機(jī)位于被測(cè)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(yuǎn)近可調(diào)光學(xué)鏡頭。

3軟件實(shí)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(gè):

(1)第1個(gè)為啟動(dòng)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(gè)為控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)sbortintMSP8048

TSPChNMhVEo(nsiunedgbarCardNh,(nsiunedgbarAxisNh,f1oatDistange),CardNh為初始化卡號(hào),AxisNh為運(yùn)動(dòng)軸號(hào),Distange為運(yùn)動(dòng)的距離:

(3)第3個(gè)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(dòng)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(jī)對(duì)話的主界面,通過此窗口,操作人員可以向計(jì)算機(jī)發(fā)出一系列命令,實(shí)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(dòng)卡:

(2)啟動(dòng)視頻,標(biāo)定像素值,得到像素比例9值:

(3)根據(jù)選擇的測(cè)量對(duì)象,工作臺(tái)移動(dòng)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(diǎn)濾波,求中線:

(7)取激光讀數(shù),第一次清零:

(8)工作臺(tái)移動(dòng)到被測(cè)線,跳到步驟(4)進(jìn)行循環(huán),直到所有的刻線測(cè)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?duì)準(zhǔn)確分離出標(biāo)尺的刻線邊界至關(guān)重要,刻線邊界的分割是否準(zhǔn)確直接影響刻度分劃誤差測(cè)量的準(zhǔn)確度。針對(duì)被測(cè)錮瓦標(biāo)尺的特征,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)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(gè)灰度值,以它為界將圖像分為灰度值大小兩類,分別計(jì)算這兩類中像素點(diǎn)數(shù)及灰度平均值,并計(jì)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(duì)應(yīng)的灰度為所求最佳閾值。

計(jì)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(dá)式ArgMax[e(w)],實(shí)質(zhì)上e(w)就是一個(gè)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(biāo)作為圖像分割的最佳閾值,再對(duì)錮瓦標(biāo)尺的幀圖片進(jìn)行二值化處理。

對(duì)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(diǎn)橫坐標(biāo):繼續(xù)往右尋找,再發(fā)現(xiàn)像素改變時(shí)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(biāo)。

同樣的原理找到第二條刻線的中線,兩中線坐標(biāo)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(gè)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(biāo)定值e和激光干涉儀讀數(shù),計(jì)算得到各刻線之間的距離。

4裝置測(cè)量錮瓦標(biāo)尺的不確定度

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

式中:c(L)=l:c(e)=Pm-P0,為起始刻線和測(cè)量刻線像素差值,以200像素為例計(jì)算:c(Pm-P0)=e,為像素標(biāo)定值,一般取3~6um/像素,以4為例計(jì)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(biāo)定值不準(zhǔn)給出的不確定度分量:u(Pm-P0)為軟件確定起始刻線和測(cè)量刻線像素差值不準(zhǔn)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:

下面分別計(jì)算u(L)、u(e)、u(P):

u(L)受到激光干涉儀的誤差(示值誤差不超過±0+7×l0-6L)、溫度傳感器的測(cè)量誤差(實(shí)際誤差不超過±0+l.)、多次測(cè)量的重復(fù)性誤差(s=l+44um)3個(gè)方面的影響,3個(gè)影響量不相關(guān),直接合成,對(duì)于3m的錮瓦標(biāo)尺,計(jì)算出u(L)=2+2um。

為了準(zhǔn)確標(biāo)定屏幕的像素值,定制了標(biāo)準(zhǔn)刻度玻璃尺,標(biāo)定時(shí)取像素間隔P=200個(gè)像素,采用標(biāo)準(zhǔn)刻度玻璃尺的實(shí)際校準(zhǔn)值,其擴(kuò)展不確定度U不超過lum,k=2,則u(e)=U/(kP)=l/(2×200)=0+0025um/像素。

圖像二值化后,剔除粗大誤差,將刻線邊界檢測(cè)不準(zhǔn)引入的誤差控制到最小,刻線邊界檢測(cè)引入的誤差不會(huì)超過l個(gè)像素值,按半寬為0+5個(gè)像素的等概率分布處理,計(jì)算出u(P)=0+5/√3≈0+2℃像素。

將以上數(shù)據(jù)代入式(6),得到錮瓦標(biāo)尺的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(Lp)=2+54um,取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U=2uc(Lp)≈5+lum。

5結(jié)語

該裝置自投入使用以來,通過了錮瓦條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定裝置考核,取得了廣東省市場(chǎng)監(jiān)督管理局頒發(fā)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)合格證和社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書((2018)粵量標(biāo)粵法證字第32號(hào)),對(duì)客戶送檢的錮瓦標(biāo)尺進(jìn)行了有效量值傳遞。

根據(jù)不確定度不超過被檢定器具允許誤差1/3的原則,該裝置的測(cè)量不確定度U=5.9um,對(duì)于允差為±(0.02mm+20×10-6L)以下的其他水準(zhǔn)標(biāo)尺也能進(jìn)行符合性判斷。