[發明專利]一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直系統及方法

有效

• 申請號: 202110522485.0
• 申請日: 2021-05-13
• 公開（公告）號: CN113433711B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 高煒;王維;韋明智;閆亞東;何俊華;李奇
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02B27/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 唐沛

1.一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直系統，其特征在于：包括二維鏡架、CMOS相機C1、CMOS相機C2、準直透鏡L1、準直透鏡L2以及TwinCAT控制系統，所述二維鏡架包括反射鏡M1和反射鏡M2，以及對反射鏡M1和反射鏡M2進行姿態調整的兩個步進電機；

所述準直透鏡L1、準直透鏡L2依次位于反射鏡M1和反射鏡M2所形成的反射光路上，所述CMOS相機C1、CMOS相機C2分別用于獲取準直透鏡L1、準直透鏡L2上的光束圖像；

所述TwinCAT控制系統包括TwinCAT Vision模塊、TwinCAT Motion模塊、Matlab/Simulink模塊以及PLC；所述TwinCAT Vision模塊與CMOS相機C1、CMOS相機C2通過GigE千兆網實現通訊；所述TwinCAT Motion模塊通過EtherCAT現場總線與步進電機實現通訊，實現對反射鏡M1和反射鏡M2的調節；所述TwinCAT Vision模塊和Matlab/Simulink模塊以tmc接口生成TcCOM模型來與TwinCAT控制系統進行內部通訊；

所述PLC集成有所述TwinCAT Vision模塊，通過TwinCAT Vision模塊對CMOS相機C1、CMOS相機C2所獲取的兩幅光束圖像進行圖像處理，從而分別獲得對應的光束中心坐標；

所述Matlab/Simulink模塊用于根據獲取到的光束中心坐標執行算法，得到所述步進電機移動量；

所述TwinCAT Motion模塊用于控制所述步進電機對反射鏡M1和反射鏡M2進行調節，調節反射鏡M1繞X1軸的旋轉角α₁和繞Z1軸的旋轉角γ₁，反射鏡M2繞X2軸的旋轉角α₂和繞Z2軸的旋轉角γ₂。

2.根據權利要求1所述的一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直系統，其特征在于：還包括上位機，上位機可以通過ADS通訊可對自動準直系統進行控制和狀態監控。

3.一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直方法，其特征在于，采用權利要求1所述的一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直系統，實現步驟如下：

步驟1：建立模糊控制規則

對兩個光束中心坐標與目標坐標的偏差絕對值以及步進電機的移動量建立雙輸入雙輸出模糊集，將模糊控制規則語句寫入PLC的TwinCAT Vision模塊中，具體如下：

If E₁＝A_Y1 or A_Y2 and E₂＝B_Z1 or B_Z2，then U₁＝u₁ or u₂ and U₂＝v₁ or v₂；

式中A_Y1表示CMOS相機C1光束中心坐標與目標坐標的在Y軸上的偏差值,A_Y2表示CMOS相機C2光束中心坐標與目標坐標的在Y軸上的偏差值；B_Z1表示CMOS相機C1光束中心坐標與目標坐標的在Z2軸上的偏差值,B_Z2表示CMOS相機C2光束中心坐標與目標坐標的在Z2軸上的偏差值；u₁表示反射鏡M1對應的步進電機繞X1軸的移動量，v₁表示反射鏡M1對應的步進電機繞Z1軸的移動量；u₂表示反射鏡M2對應的步進電機繞X2軸的移動量，v₂表示反射鏡M2對應的步進電機繞Z2軸的移動量；

每個光束中心坐標與目標坐標在Y軸和Z2軸上分別有一個偏差值，每個偏差值包含7個區間，由負到正分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，即E₁＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},E₂＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

當偏差值絕對值大于等于10pixel時，對應NB和PB；

當偏差絕對值大于等于3pixel小于10pixel時，對應NM和PM；

當偏差絕對值大于等于1pixel小于3pixel時，對應NS和PS；

當偏差絕對值小于1pixel，對應ZO；

步進電機移動量u₁、v₁、u₂和v₂均包含7個區間，由負到正分別為NB*、NM*、NS*、ZO*、PS*、PM*、PB*，即U₁＝{NB*，NM*，NS*，ZO*，PS*，PM*，PB*},U₂＝{NB*，NM*，NS*，ZO*，PS*，PM*，PB*}；

模糊控制規則如下表所示：首行為E₁，首列為E₂；

步驟2：利用CMOS相機C1和CMOS相機C2分別用于獲取二維鏡架光路中準直透鏡L1、準直透鏡L2的實時光束圖像；

步驟3：通過TwinCAT Vision模塊分別對CMOS相機C1和CMOS相機C2獲取的實時光束圖像進行圖像處理；

步驟4：圖像處理后，若在兩幅光束圖像中均獲取光束中心坐標，則進行步驟5；否則，返回步驟3；

步驟5：利用系數矩陣轉換計算，對實際光束中心坐標初步調整，使得實際光束中心坐標逼近目標坐標；

定義CMOS相機C1光束中心坐標與目標坐標的偏移量為Δy₁和Δz₁，CMOS相機C2光束中心坐標與目標坐標的偏移量為Δy₂和Δz₂；將Δy₁、Δz₁、Δy ₂和Δz₂作為Matlab/Simulink模塊的輸入，通過系數矩陣轉換公式得到反射鏡M1繞X1軸和Z1軸的步進電機移動量u₁和v₁,反射鏡M2繞X2軸和Z2軸的步進電機移動量u₂和v₂，系數矩陣轉換的具體公式為：

式中和表示步進電機移動量和偏移量之間的系數矩陣，采用單獨控制某一電機運動的方式對系數進行標定；

將步進電機移動量(u₁，v₁)，(u₂，v₂)作為Matlab/Simulink模塊的輸出傳輸至TwinCATMotion模塊，EtherCAT現場總線控制步進電機對反射鏡M1和反射鏡M2進行初步調節，重復步驟2-3，直至獲得兩個新的光束中心坐標；

步驟6：將調整過的兩個光束中心坐標作為PLC的輸入，根據步驟1中的模糊控制規則得到對應的步進電機移動量；再傳輸至TwinCAT Motion模塊，通過EtherCAT現場總線控制步進電機對反射鏡M1和反射鏡M2進行調節，重復步驟2-3，直至獲得兩個新的光束中心坐標；

步驟7：判斷步驟6所獲得的兩個光束中心坐標與目標坐標的偏差絕對值是否小于1pixel，若是，則自動準直結束，否則返回步驟6。

4.根據權利要求3所述的一種基于TwinCAT Vision的二維鏡架光路自動準直方法，其特征在于：步驟3中，所述圖像處理包括以下步驟：

(1)對CMOS相機獲取的實時圖像進行感興趣區域(ROI)設置；

(2)對設置后的圖像用高斯濾波剔除高頻噪聲，并通過形態學腐蝕和限制橢圓外接矩形邊長的方法剔除干擾光斑；

(3)對過濾后的圖像進行大律法二值化處理，遍歷邊界輪廓點并進行橢圓擬合，最終得到橢圓中心坐標值，即為光束中心坐標值。