一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統的製作方法
2023-06-01 03:33:31 2
專利名稱：一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及視覺測量技術領域，特別是涉及一種遠距離三維微小形變視覺在線監 測方法和系統。
背景技術：
位移或者形變測量在許多不同的領域中都有著重要的作用，例如機械加工、建 築、野外測量以及工業生產中設備在線狀態或成品特徵(形變、速度等)監測等，一般要求 具有一定的測量準確度和較快測量速度。工程應用中常用測量方法有百分表測量法、光學經緯儀、電 子經緯儀、水準儀和 線性差動變壓器法等，其特點是儀器簡單、操作容易，但是這幾種方法只能用於短期、短距 離和人工測量，存在費時費力、使用不便和實時測量困難等不足，同時接觸式測量對監測目 標容易產生接觸變形、表面損傷等影響；非接觸測不接觸被測物體的同時又具有很高的精 度，應用廣泛，包括光柵測量法、雷射測距法、視覺測量法等，其中視覺測量是人工智慧與測 量技術交叉而形成的智能測量，測量速度快、系統成本低、安裝方便，具有較高研究與實用 價值。目前，視覺測量技術主要有兩種類型，一種基於雷射三角法原理，另一種基於雙目 原理進行測量。雷射三角法測量技術中，光經過準直後照射到測量目標上，反射光進入光電 探測器，進行位移、形變等間接測量；通常單個光電探測器只能對一維信息進行監測，要測 量空間三維參量，需要增加探測器數量或使探測器與測量對象相對旋轉等；而雙目視覺測 量採用兩套探測系統進行目標成像，利用空間坐標變換實現三維監測，相對而言系統較為 複雜，成本高，可見採用傳統測量方法很難滿足大型設備及工業現場的測量需求。因此，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何能夠創新地 提出一種遠距離三維微小形變視覺在線監測的方法和系統，以滿足大型設備及工業現場的 遠距離三維微小形變在線監測的需求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法 和系統，用以保證在成本較低的情況下滿足遠距離三維微小形變的視覺在線監測。為了解決上述問題，本發明公開了一種遠距離三維微小形變視覺在線監測系統， 所述系統包括複合靶標，由上下位置可調、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調的圓形靶標組 成，用於為目標形變及雷射光源光斑移動監測提供參考；所述複合靶標與監測目標剛性連 接；監測目標在三維空間的位移或者形變直接傳遞給複合靶標；雷射光源，用於實現望遠、水平基準與焦距調節，產生半徑大小與清晰度的可調的 雷射光斑；視覺探測，用於對複合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭採用電動變焦技術實現監測距離調整；單攝像頭利用數字攝像頭實現目標成 像；定位雲臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位雲臺連接；電控器控制定位雲臺帶動視覺 探測器進行俯仰與旋轉掃描兩維運動，尋找監測目標，使得複合靶標成像於視覺探測器的 視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮實時調整；保 證複合靶標成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖，實現長距離高速圖像傳輸；數字採集卡，用於接收光纖傳輸所傳輸的圖像；工控機，工控機中安裝有監測系統軟體，用於對數字採集卡所獲得的圖像進行分 析處理，獲取三維微小形變信息。優選的，所述光端機包括光端機接收端和光端機發送端。優選的，所述雷射光源內部有準直結構，能產生平行光束；利用雷射光源的底座基 準旋鈕，可調節光束水平，以保證光斑入射到複合靶標的上下位置可調、垂直放置的十字靶 標上；利用雷射光源的聚焦旋鈕，可調節雷射光斑的大小與清晰度。優選的，所述傳輸光纖兩端分別與光端機-發送端和光端機-接收端相插接；光端 機_發送端與單攝像頭插接，光端機_接收端與數字採集卡插接。優選的，所述數字採集卡通過PCI插槽安裝於工控機的主板上。本發明還公布了一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法，所述方法包括
連接複合靶標和監測目標；接通雷射光源，使其水平入射到複合靶標上，形成準直光斑；打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對複合靶標遠距離成像；利用電控器控制定位雲臺，調整變焦鏡頭的空間位置，使複合靶標的像在單攝像 頭的視場中心；利用電控器控制變焦鏡頭，調整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數，使得複合靶標 的像最清晰；單攝像頭得到的複合靶標的像，通過光端機_發送端、傳輸光纖和光端機_接收端 傳送到數字採集卡；工控機處理數字採集卡獲得的圖像信號，經監測系統軟體分析處理，獲得三維微 小形變信息。優選的，所述複合靶標和監測目標採用的是剛性連接。與現有技術相比，本發明具有以下優點首先，本發明提供一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統，包括複合 靶標、雷射光源、視覺探測、定位雲臺、電控器、光纖傳輸、數字採集卡和工控機，系統中視覺 探測和雷射光源可以實現三維監測，總體設計結構簡單，安裝調試方便，同時，採用電動變 焦進行視覺探測，實現了監測距離可調，測試精度稿，並且將數字攝像與光纖傳輸相結合， 實現了遠距離信號可靠傳輸以及現場與監控空間分離，複合靶標實現了不同目標監測的集 成一體化。
圖1是本發明實施例一所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測系統的結構示意圖；圖2是本發明實施例二所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法的流 程圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。在工程應用中位移或者形變測量所發揮的作用越來越大，如果能夠找到一種簡 單、準確而有效遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統，那麼將會滿足遠距離三維 微小形變的視覺在線監測需求的同時節省大量的人力、物力和財力資源。因此，本專利發明人創造性地提出了本發明實施例的核心構思之一，即提供一種 遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統，包括複合靶標，用於為目標形變及雷射光 源光斑移動監測提供參考；雷射光源，用於實現望遠、水平基準與焦距調節，產生半徑大小 與清晰度的可調的雷射光斑；視覺探測，用於對複合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦 鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭採用電動變焦技術實現監測距離調整；單攝像頭利用數字 攝像頭實現目標成像；定位雲臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位雲臺連接；電控器 控制定位雲臺帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉掃描兩維運動，尋找監測目標，使得複合靶 標成像於視覺探測器的視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現視覺探測的光學成像縮放、聚 焦及光亮實時調整；保證複合靶標成像清晰；光纖傳輸，實現長距離高速圖像傳輸；數字採 集卡，用於接收光纖傳輸所傳輸的圖像和工控機，工控機中安裝有監測系統軟體，用於對數 字採集卡所獲得的圖像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。實施例一參照圖1，示出了本發明的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測系統的結構示 意圖，所述系統具體包括複合靶標2，由上下位置可調、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調的圓形靶標組 成，用於為目標形變及雷射光源光斑移動監測提供參考；所述複合靶標2與監測目標剛性 連接；監測目標在三維空間的位移(形變)直接傳遞給複合靶標2 ；雷射光源1，用於實現望遠、水平基準與焦距調節，產生半徑大小與清晰度的可調 的雷射光斑；優選的，所述雷射光源1內部有準直結構，能產生平行光束；利用雷射光源1的底 座基準旋鈕，可調節光束水平，以保證光斑入射到複合靶標2的上下位置可調、垂直放置的 十字靶標上；利用雷射光源1的聚焦旋鈕，可調節雷射光斑的大小與清晰度。視覺探測，用於對複合靶標2遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭4和單攝像頭 5，其中，變焦鏡頭4採用電動變焦技術實現監測距離調整；單攝像頭5利用數字攝像頭實現 目標成像；定位雲臺6 ；電控器7，電控器7分別與變焦鏡頭4和定位雲臺6連接；電控器7控制定位雲臺6帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉掃描兩維運動，尋找監測目標，使得複合靶標2成像於視 覺探測器的視場中心；電控器7控制變焦鏡頭實現視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮 實時調整；保證複合靶標2成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖9，實現長距離高速圖像傳輸；數字採集卡10，用於接收光纖傳輸所傳輸的圖像；工控機11，所述工控機11中安裝有監測系統軟體，用於對數字採集卡所獲得的圖 像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。優選的，所述光端機包括光端機接收端82和光端機發送端81。優選的，所述傳輸光纖9兩端分別與光端機_發送端81和光端機-接收端82相 插接；光端機_發送端81與單攝像頭5插接，光端機-接收端82與數字採集卡10插接。優選的，所述數字採集卡10通過PCI插槽安裝與工控機11的主板上。測量過程中，由單攝像頭5與變焦鏡頭4螺紋對接組合形成的視覺探測器對複合 靶標2的圓形靶標與十字靶標上的雷射光斑空間狀態進行光學成像，實時圖像序列經光端 機_發送端81、傳輸光纖9、光端機-接收端82，由數字採集卡10採集到工控機11，通過系 統軟體對圖像進行存儲與在線處理，提取三維形變信息，並實時顯示。系統監測範圍與分辨 率由變焦鏡頭4、單攝像頭5以及數字採集卡10決定，監測範圍與解析度高低可通過對變焦 鏡頭4的變焦倍數、單攝像頭5的像素數與像元大小調整實現。實際應用中，單攝像頭5可以選擇BASLER SLA1390_17fm系列，主要參數靶面大小1/2英寸；像素數(寬X 高)1392 X 1040 ；幀頻17FPS，1394B接口 輸出；像元尺寸4. 65X4. 65iim。變焦鏡頭4可以選擇HF-30300Z系列，主要參數焦距30-300；接口CS口；靶面大小1/3英寸；控制電動、三可變。數字採集卡10選擇AFW-8300A系列，主要參數PCI-X 插槽；接口2 個 1394b;驅動支持98SE/ME/2000/XP/XP 64_bit/Vista。按照以上配置，系統測量主要技術指標可達(1)形變範圍< 20mm ；(2)檢測精度 5mm ；(3)監測距離20m左右。本實施例中所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測系統可廣泛應用於非 接觸式工業在線測量，尤其是遠距離三維微小形變及位移等在線監測，系統實施例二 參照圖2，示出了本發明的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法的流程圖，所述方法具體包括SlOl，連接複合靶標和監測目標；優選的，所述複合靶標和監測目標採用的是剛性連接。S102，接通雷射光源，使其水平入射到複合靶標上，形成準直光斑；S103,打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對複合靶標遠距離成像；S104,利用電控器控制定位雲臺，調整變焦鏡頭的空間位置，使複合靶標的像在單 攝像頭的視場中心；S105，利用電控器控制變焦鏡頭，調整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數，使得復 合靶標的像最清晰；S106，單攝像頭得到的複合靶標的像，通過光端機-發送端、傳輸光纖和光端 機_接收端傳送到數字採集卡；S107,工控機處理數字採集卡獲得的圖像信號，經監測系統軟體分析處理，獲得三 維微小形變信息。本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與 其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對於方法實施例 而言，由於其與系統實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部 分說明即可。以上對本發明所提供的一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統進行 了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例 的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員， 依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內 容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
一種遠距離三維微小形變視覺在線監測系統，其特徵在於，所述系統包括複合靶標，由上下位置可調、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調的圓形靶標組成，用於為目標形變及雷射光源光斑移動監測提供參考；所述複合靶標與監測目標剛性連接；監測目標在三維空間的位移或者形變直接傳遞給複合靶標；雷射光源，用於實現望遠、水平基準與焦距調節，產生半徑大小與清晰度的可調的雷射光斑；視覺探測，用於對複合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭採用電動變焦技術實現監測距離調整；單攝像頭利用數字攝像頭實現目標成像；定位雲臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位雲臺連接；電控器控制定位雲臺帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉掃描兩維運動，尋找監測目標，使得複合靶標成像於視覺探測器的視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮實時調整；保證複合靶標成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖，實現長距離高速圖像傳輸；數字採集卡，用於接收光纖傳輸所傳輸的圖像；工控機，工控機中安裝有監測系統軟體，用於對數字採集卡所獲得的圖像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於 所述光端機包括光端機接收端和光端機發送端。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述雷射光源內部有準直結構，能產生平行光束；利用雷射光源的底座基準旋鈕，可調 節光束水平，以保證光斑入射到複合靶標的上下位置可調、垂直放置的十字靶標上；利用激 光光源的聚焦旋鈕，可調節雷射光斑的大小與清晰度。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述傳輸光纖兩端分別與光端機_發送端和光端機_接收端相插接；光端機_發送端 與單攝像頭插接，光端機_接收端與數字採集卡插接。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於 所述數字採集卡通過PCI插槽安裝於工控機的主板上。
6.一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法，其特徵在於，所述方法包括 連接複合靶標和監測目標；接通雷射光源，使其水平入射到複合靶標上，形成準直光斑； 打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對複合靶標遠距離成像；利用電控器控制定位雲臺，調整變焦鏡頭的空間位置，使複合靶標的像在單攝像頭的 視場中心；利用電控器控制變焦鏡頭，調整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數，使得複合靶標的像 最清晰；單攝像頭得到的複合靶標的像，通過光端機_發送端、傳輸光纖和光端機_接收端傳送 到數字採集卡；工控機處理數字採集卡獲得的圖像信號，經監測系統軟體分析處理，獲得三維微小形變信息。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於 所述複合靶標和監測目標採用的是剛性連接。
全文摘要
本發明提供了一種遠距離三維微小形變視覺在線監測方法和系統，包括複合靶標、雷射光源、視覺探測、定位雲臺、電控器、光纖傳輸、數字採集卡和工控機，系統中視覺探測和雷射光源可以實現三維監測，總體設計結構簡單，安裝調試方便，同時，採用電動變焦進行視覺探測，實現了監測距離可調，測試精度稿，並且將數字攝像與光纖傳輸相結合，實現了遠距離信號可靠傳輸以及現場與監控空間分離，複合靶標實現了不同目標監測的集成一體化。
文檔編號G01B11/16GK101832760SQ20101015984
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者李玉和, 祁鑫, 胡小根 申請人:清華大學