一种基于TwinCATVision的二维镜架光路自动准直系统及方法与流程

一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种光路准直系统及方法，具体涉及一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统及方法。


背景技术：

2.在惯性约束聚变(icf)中，诊断测量设备成为评价测量物理参数的重要组成部分，快速准确地将靶室光束准直到测量系统成为影响装置高效运行的重要因素。在神光iii主机装置的基础上，随着光路长度和数量的增加，设备的数量和系统复杂性也成倍增加，所以对远程化、自动化和规模化标准提出了更高的要求。通过自动准直系统，可在装调和维护过程中快速将靶室光束准直到探测系统，但是结构蠕变、机械振动以及现场温湿度、空气扰动等环境因素造成的的光束漂移对快速高效地准直光路带来了挑战，并成为提高装置运行效率的关键因素。
3.传统的准直系统采用图像采集卡进行a/d转换，或采用数字相机通过非实时通讯方式连接至上位机，或采用fpga dsp进行视觉与运动控制开发，然而，这些方案模块耦合度差，开发周期长，无法满足大规模集群控制，仅适用于小型控制系统。
4.中国专利cn109542145b公开了一种高功率激光装置的光路自动准直方法，包括二维功率谱密度图像、边缘提取、最小二乘椭圆拟合等，工作时，该装置仅用一个ccd通过近远场闭环控制调整电动镜架就能完成自动准直，虽然对于大规模激光装置而言有着十分可观的经济价值，但仍存在模块耦合性差、收敛速度慢的不足之处。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有技术所存在的模块耦合性差、收敛速度慢的不足之处，而提供一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统及方法。
6.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
7.一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统，其特殊之处在于：包括二维镜架、cmos相机c1、cmos相机c2、准直透镜l1、准直透镜l2以及twincat控制系统，所述二维镜架包括反射镜m1和反射镜m2，以及对反射镜m1和反射镜m2进行姿态调整的两个步进电机；
8.所述准直透镜l1、准直透镜l2依次位于反射镜m1和反射镜m2所形成的反射光路上，所述cmos相机c1、cmos相机c2分别用于获取准直透镜l1、准直透镜l2上的光束图像；
9.所述twincat控制系统包括twincat vision模块、twincat motion模块、matlab/simulink模块以及plc；所述twincat vision模块与cmos相机c1、cmos相机c2通过gige千兆网实现通讯；所述twincat motion模块通过ethercat现场总线与步进电机实现通讯，实现对反射镜m1和反射镜m2的调节；所述twincat vision模块和matlab/simulink模块以tmc接口生成tccom模型来与twincat控制系统进行内部通讯；
10.所述plc集成有所述twincat vision模块，通过twincat vision模块对cmos相机c1、cmos相机c2所获取的两幅光束图像进行图像处理，从而分别获得对应的光束中心坐标；
11.所述matlab/simulink模块用于根据获取到的光束中心坐标执行算法，得到所述步进电机移动量；
12.所述twincat motion模块用于控制所述步进电机对反射镜m1和反射镜m2进行调节，调节反射镜m1绕x1轴的旋转角α1和绕z1轴的旋转角γ1，反射镜m2绕x2轴的旋转角α2和绕z2轴的旋转角γ2。
13.进一步地，所述光路自动准直系统还包括上位机，上位机可以通过ads通讯可对自动准直系统进行控制和状态监控。
14.同时，本发明还提供一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直方法，其特殊之处在于，采用上述一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统，具体实现步骤如下：
15.步骤1：建立模糊控制规则
16.对两个光束中心坐标与目标坐标的偏差绝对值以及步进电机的移动量建立双输入双输出模糊集，将模糊控制规则语句写入plc的twincat vision模块中，具体如下：
17.if e1＝a
y1 or a
y2 and e2＝b
z1 or b
z2
,then u1＝u
1 or u
2 and u2＝v
1 or v2；
18.式中a
y1
表示cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的在y轴上的偏差值,a
y2
表示cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的在y轴上的偏差值；b
z1
表示cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的在z2轴上的偏差值,b
z2
表示cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的在z2轴上的偏差值；u1表示反射镜m1对应的步进电机绕x1轴的移动量，v1表示反射镜m1对应的步进电机绕z1轴的移动量；u2表示反射镜m2对应的步进电机绕x2轴的移动量，v2表示反射镜m2对应的步进电机绕z2轴的移动量；
19.每个光束中心坐标与目标坐标在y轴和z2轴上分别有一个偏差值，每个偏差值包含7个区间，由负到正分别为负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)，即e1＝{nb,nm,ms,zo,ps,pm,pb},e2＝{nb,nm,ms,zo,ps,pm,pb}；
20.当偏差值大于等于10pixel时，对应nb和pb；
21.当偏差绝对值大于等于3pixel小于10pixel时，对应nm和pm；
22.当偏差绝对值大于等于1pixel小于3pixel时，对应ns和ps；
23.当偏差绝对值小于1pixel，对应zo；
24.步进电机移动量u1、v1、u2和v2均包含7个区间，由负到正分别为负大(nb*)、负中(nm*)、负小(ns*)、零(zo*)、不移动(0)、正小(ps*)、正中(pm*)、正大(pb*)，即u1＝{nb*，nm*，ms*，zo*，0，ps*，pm*，pb*},u2＝{nb*，nm*，ms*，zo*，0，ps*，pm*，pb*}；
25.模糊控制规则如下表所示：首行为e1，首列为e2；
[0026][0027]
步骤2：利用cmos相机c1和cmos相机c2分别用于获取二维镜架光路中准直透镜l1、准直透镜l2的实时光束图像；
[0028]
步骤3：通过twincat vision分别对cmos相机c1和cmos相机c2获取的实时光束图像进行图像处理；
[0029]
步骤4：图像处理后，若在两幅光束图像中均获取光束中心坐标，则进行步骤5；否则，返回步骤3；
[0030]
步骤5：利用系数矩阵转换计算，对实际光束中心坐标初步调整，使得实际光束中心坐标逼近目标坐标；
[0031]
定义cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的偏移量为δy1和δz1，cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的偏移量为δy2和δz2；将δy1、δz1、δy2和δz2作为matlab/simulink模块的输入，通过系数矩阵转换公式得到反射镜m1绕x1轴和z1轴的步进电机移动量u1和v1,反射镜m2绕x2轴和z2轴的步进电机移动量u2和v2，系数矩阵转换的具体公式为：
[0032][0033]
式中和表示步进电机移动量和偏移量之间的系数矩阵，采用单独控制某一电机运动的方式对系数进行标定；例如：令u1＝1，u2＝0，可得反射镜绕y轴转动的系数a
11
、a
21
；
[0034]
将步进电机移动量(u1，v1),(u2，v2)作为matlab/simulink模块的输出传输至twincat motion模块，ethercat现场总线控制步进电机对反射镜m1和反射镜m2进行初步调节，重复步骤2
‑
3，直至获得两个新的光束中心坐标；
[0035]
步骤6：将调整过的两个光束中心坐标作为plc的输入，根据步骤1中的模糊控制规则得到对应的步进电机移动量；再传输至twincat motion模块，通过ethercat现场总线控制步进电机对反射镜m1和反射镜m2进行调节，获得两个新的光束中心坐标；
[0036]
步骤7：判断步骤6所获得的两个光束中心坐标与目标坐标的偏差绝对值是否小于1pixel，若是，则自动准直结束，否则返回步骤6。
[0037]
进一步地，步骤3中，所述图像处理包括以下步骤：
[0038]
(1)对cmos相机获取的实时图像进行感兴趣区域(roi)设置；
[0039]
(2)对设置后的图像用高斯滤波剔除高频噪声，并通过形态学腐蚀和限制椭圆外接矩形边长的方法剔除干扰光斑；
[0040]
(3)对过滤后的图像进行大律法二值化处理，遍历边界轮廓点并进行椭圆拟合，最终得到椭圆中心坐标值，即为光束中心坐标值。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
(1)本发明把集成了twincat vision的plc通过1g网口和第三方的gige cmos相机相连，通过matlab/simulink来计算步进电机移动量，并采用支持分布式时钟功能且同步精度达到微秒级的ethercat现场总线控制步进电机，使得vision、matlab/simulink、motion和plc在内的模块均运行于实时内核并执行，省去了传统系统的通讯环节，实现了高精度的数据同步，并有效降低硬件成本，简化系统结构，解决了现有技术模块耦合性差、收敛速度慢的问题。
[0043]
(2)本发明首先利用系数矩阵计算控制步进电机逼近目标坐标，再通过模糊控制规则逼近目标坐标；一次系数矩阵迭代后误差大幅减小，再经过若干次模糊控制规则迭代后快速收敛到1pixel以内，对应实际距离为24.5μm，整个准直过程可在1秒内完成。
[0044]
(3)本发明中的上位机可以通过ads通讯可对自动准直系统进行控制和状态监控，即在处理任务期间可以监视变量，并可以在正在运行的plc上修改整个算法，进一步提高了系统的运行效率和计算精度。
附图说明
[0045]
图1为本发明一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统的简化模型图；
[0046]
图2为本发明一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统的控制架构示意图；
[0047]
图3为本发明一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直方法中的图像处理及反馈调节流程图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
[0049]
参照图1
‑
2，一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直系统，包括二维镜架、cmos相机c1、cmos相机c2、准直透镜l1、准直透镜l2以及twincat控制系统，所述二维镜架包括反射镜m1和反射镜m2，以及对反射镜m1和反射镜m2进行姿态调整的两个步进电机。
[0050]
所述准直透镜l1、准直透镜l2依次位于反射镜m1和反射镜m2所形成的反射光路上，所述cmos相机c1、cmos相机c2分别用于获取准直透镜l1、准直透镜l2上的光束图像；所述twincat控制系统包括twincat vision模块、twincat motion模块、matlab/simulink模块以及plc；cmos相机c1、cmos相机c2与所述twincat控制系统通过gige千兆网实现通讯，twincat控制系统包括twincat vision模块、twincat motion模块、matlab/simulink模块以及plc；所述plc集成有twincat vision模块，通过twincat vision模块对两台cmos相机c1、cmos相机c2所获取的两幅光束图像进行图像处理，从而分别获得对应的光束中心坐标；
所述matlab/simulink模块用于根据获取到的光束中心坐标执行算法，得到步进电机移动量；所述twincat motion模块通过ethercat现场总线与步进电机实现通讯，从而实现对反射镜m1和反射镜m2的调节，即调节反射镜m1绕x1轴的旋转角α1和绕z1轴的旋转角γ1，反射镜m2绕x2轴的旋转角α2和绕z2轴的旋转角γ2。
[0051]
所述自动准直系统还包括上位机，上位机通过ads通讯可对自动准直系统进行控制和状态监控，即在处理任务期间可以监视变量，并可以在正在运行的plc上修改整个算法，进一步提高了系统的运行效率和计算精度。
[0052]
同时，参照图1
‑
3，本发明还提供一种基于twincat vision的二维镜架光路自动准直方法，该方法采用了上述自动准直系统，具体实现步骤如下：
[0053]
步骤1：建立模糊控制规则
[0054]
对两个光束中心坐标与目标坐标的偏差绝对值以及步进电机的移动量建立双输入双输出模糊集，将模糊控制规则语句写入plc的twincat vision模块中，具体如下：
[0055]
if e1＝a
y1 or a
y2 and e2＝b
z1 or b
z2
,then u1＝u
1 or u
2 and u2＝v
1 or v2；
[0056]
式中a
y1
表示cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的在y轴上的偏差值,a
y2
表示cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的在y轴上的偏差值；b
z1
表示cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的在z2轴上的偏差值,b
z2
表示cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的在z2轴上的偏差值；u1表示反射镜m1对应的步进电机绕x1轴的移动量，v1表示反射镜m1对应的步进电机绕z1轴的移动量；u2表示反射镜m2对应的步进电机绕x2轴的移动量，v2表示反射镜m2对应的步进电机绕z2轴的移动量；
[0057]
每个光束中心坐标与目标坐标在y轴和z2轴上分别有一个偏差值，每个偏差值包含7个区间，由负到正分别为负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)，即e1＝{nb,nm,ms,zo,ps,pm,pb},e2＝{nb,nm,ms,zo,ps,pm,pb}；
[0058]
当偏差值大于等于10pixel时，对应nb和pb；
[0059]
当偏差绝对值大于等于3pixel小于10pixel时，对应nm和pm；
[0060]
当偏差绝对值大于等于1pixel小于3pixel时，对应ns和ps；
[0061]
当偏差绝对值小于1pixel，对应zo；
[0062]
步进电机移动量u1、v1、u2和v2均包含7个区间，由负到正分别为负大(nb*)、负中(nm*)、负小(ns*)、零(zo*)、不移动(0)、正小(ps*)、正中(pm*)、正大(pb*)，即u1＝{nb*，nm*，ms*，zo*，0，ps*，pm*，pb*},u2＝{nb*，nm*，ms*，zo*，0，ps*，pm*，pb*}；
[0063]
模糊控制规则如下表所示：首行为e1，首列为e2；
[0064]
[0065]
步骤2：利用cmos相机c1和cmos相机c2分别用于获取二维镜架光路中准直透镜l1、准直透镜l2的实时光束图像；
[0066]
步骤3：通过twincat vision分别对cmos相机c1和cmos相机c2获取的实时光束图像进行图像处理，具体步骤如下：
[0067]
(1)对cmos相机获取的实时图像进行感兴趣区域(roi)设置；
[0068]
(2)对设置后的图像用高斯滤波剔除高频噪声，并通过形态学腐蚀和限制椭圆外接矩形边长的方法剔除干扰光斑；
[0069]
(3)对过滤后的图像进行大律法二值化处理，遍历边界轮廓点并进行椭圆拟合，最终得到椭圆中心坐标值，即为光束中心坐标值；
[0070]
步骤4：图像处理后，若在两幅光束图像中均获取光束中心坐标，则进行步骤5；否则，返回步骤3；
[0071]
步骤5：利用系数矩阵转换计算，对实际光束中心坐标初步调整，使得实际光束中心坐标逼近目标坐标；
[0072]
定义cmos相机c1光束中心坐标与目标坐标的偏移量为δy1和δz1，cmos相机c2光束中心坐标与目标坐标的偏移量为δy2和δz2；将δy1、δz1、δy2和δz2作为matlab/simulink模块的输入，通过系数矩阵转换公式得到反射镜m1绕x1轴和z1轴的步进电机移动量u1和v1,反射镜m2绕x2轴和z2轴的步进电机移动量u2和v2，系数矩阵转换的具体公式为：
[0073][0074]
式中和表示步进电机移动量和偏移量之间的系数矩阵，采用单独控制某一电机运动的方式对系数进行标定；例如：令u1＝1，u2＝0，可得反射镜绕y轴转动的系数a
11
、a
21
；
[0075]
将步进电机移动量(u1，v1),(u2，v2)作为matlab/simulink模块的输出传输至twincat motion模块，ethercat现场总线控制步进电机对反射镜m1和反射镜m2进行初步调节，重复步骤2
‑
3，直至获得两个新的光束中心坐标；
[0076]
步骤6：将调整过的两个光束中心坐标作为plc的输入，根据步骤1中的模糊控制规则得到对应的步进电机移动量；例如，当e1＝nm，e2＝nb时，u1和u2分别对应pb和nb，详细的模糊控制规则以查表的形式写入plc程序中；
[0077]
将获得的步进电机移动量传输至twincat motion模块，通过ethercat现场总线控制步进电机对反射镜m1和反射镜m2进行调节，获得两个新的光束中心坐标；
[0078]
步骤7：判断步骤6所获得的两个光束中心坐标与目标坐标的偏差绝对值是否小于1pixel，若是，则自动准直结束，否则返回步骤6。
[0079]
本发明首先利用系数矩阵计算控制步进电机逼近目标坐标，再通过模糊控制规则逼近目标坐标；一次系数矩阵迭代后误差大幅减小，再经过若干次模糊控制规则迭代后快速收敛到1pixel以内，对应实际距离为24.5μm，整个准直过程可在1秒内完成。
[0080]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。