多路紅外led靶點自適應亮度控制系統及其控制方法
2023-05-22 22:55:21 1
專利名稱：多路紅外led靶點自適應亮度控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統及其控制方法，屬於視覺測量領域。
背景技術：
機器視覺測量技術由於具有快速、實時、靈活以及較高測量精度等優點，已越來越多地用於工業生產現場工件三維外形、基準特徵空間坐標以及位置姿態的測量。相比被測物本身自然存在的點、線、面等特徵，光學靶點容易提取，並且可以增加測量的距離，提高測量精度，所以使用安裝在被測物上的光學靶點間接測量被測物的幾何特徵是一種行之有效的測
量方式。光學靶點成像光斑中心精確定位是視覺測量技術的重要基礎和關鍵環節。經過試驗論證，使用紅外LED(Light Emitting Diode)作為光學靶點，並對光學靶點成像光斑中心進行高斯曲面擬合定位能夠獲得較高精度的靶點中心圖像坐標。但該圖像定位方法的前提是成像光斑呈穩定可靠的高斯分布。大視野範圍內的視覺測量一般涉及多個上述LED光學靶點，且動態分布在距離相機幾米到十幾米的範圍內，為保證光學靶點在大視野範圍內的成像光斑均能都符合高斯定位算法的要求並使得各處靶點成像光斑分布一致以提高中心定位的穩定性，需要根據靶點在空間中的不同分布位置對LED靶點亮度進行自適應控制。目前，面向普通照明領域的LED亮度控制報導較多，但面向普通照明的控制方法和控制系統完全不適用於高精度視覺測量對於紅外LED靶點亮度調節範圍和調節精度的要求。紅外LED靶點亮度調節方式主要有兩類一類是利用A/D轉換晶片改變驅動電壓的方式調節流過紅外LED持續電流的大小，該方法線性度好，但由於直接通過改變電流來調節亮度，會使得LED發出光線的色溫漂移，影響發光質量；更重要的是，對於常用紅外LED允許通過的持續電流一般不允許超過100mA，在進行遠距離測量時，以許用的最大持續電流也無法調節出滿足要求的LED亮度；同時，通過改變電壓調節電流的電路拓撲結構較難實現同時控制多個紅外LED的要求。另一類是採用多路LED驅動晶片通過PWM (Pulse Width Modulation)方式調節流過紅外LED的平均電流大小，使用PWM方式獨立調節每一個紅外 LED的發光亮度，該方式下紅外LED的驅動電壓恆定，所以LED導通時的電流是一個定值，採用高頻的脈衝信號控制LED的導通和關斷，通過脈衝脈寬調製的方法調節導通和關斷時間的比例來實現平均電流大小調節，該方法的優點是可實現同時控制多路紅外LED的發光亮度、調節精度高，但受晶片總功率的限制，各路LED調光範圍受到很大限制。
發明內容
本發明提出了一種多路紅外LED靶點亮度自適應控制系統及其控制方法，解決了大視野視覺測量中光學靶點的亮度自適應控制問題。本發明為解決其技術問題採用如下技術方案
一種多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統，由上位機決策模塊、通訊電路模塊、光學靶點亮度控制電路模塊通過通訊接口順序連接而成，其中，上位機決策模塊是由工業CCD 相機、圖像採集卡和計算機分析決策單元雙向順序連接而成；通訊電路模塊由主通訊電路和副通訊電路組成，主通訊電路和副通訊電路通過無線信號連接；光學靶點亮度控制電路模塊由單片機控制單元、指示單元、多級電壓切換單元、PWM發生器、推挽電路和紅外LED組成，單片機控制單元分別與指示單元、多級電壓切換單元和PWM發生器連接，多級電壓切換單元與η條推挽電路連接，PWM發生器也與η條推挽電路連接，η為自然數，且每條推挽電路都與紅外LED順序連接。所述通訊電路模塊有兩種通訊模式有線和無線。所述推挽電路由PNP型三極體和NPN型三極體構成。多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統的控制方法，包括如下步驟
(1)以給定的初始值使光學靶點亮度控制電路模塊和通訊電路模塊處於工作狀態，計算機分析決策單元對工業CCD相機採集到的圖像進行分析，根據LED光斑過亮或過暗信息和中心定位精度結果決策出亮度調節參數，並將參數寫入PWM發生器，調節各路輸出PWM信號佔空比，通過推挽電路作用到紅外LED進行亮度控制後，進行下一次拍攝；
(2)上位機決策模塊通過通訊接口RS232將控制信息傳送到主通訊電路，控制信息包括測量開啟、單路靶點調光、硬體正常工作檢測、錯誤報警、給上位機反饋處理信息，主通訊電路根據通訊模式的不同將信號轉換有線模式下將信號轉換為抗幹擾能力強、傳輸距離遠的RS485差分信號，通過通訊接口傳送到單片機控制單元；無線模式下則將信號轉換為無線載波，副通訊電路接收無線載波後轉換為RS485差分信號，通過通訊接口傳送到單片機控制單元；
(3)單片機控制單元接收到控制信息後，對信息進行解析並執行相應的動作，若控制信息中有切換電壓的決策命令，則單片機控制單元啟動多級電壓切換單元對「最大導通電流」 的大小進行切換；解析信息中包含的亮度調節參數，驅動PWM發生器按照上位機決策模塊的要求，重新確定佔空比大小的脈衝波形，並驅動推挽電路對各路紅外LED的發光亮度進行獨立自適應調節；
(4)單片機控制單元在執行命令中或者執行完命令後，反饋給上位機決策模塊命令執行信號，每一條控制信息執行後都要反饋執行信號給上位機決策模塊，使其始終掌握光學靶點亮度控制電路模塊的工作狀態以及命令是否正確執行，測量命令反饋的執行信息同時是工業CXD相機進行圖像採集的觸發信號。所述的光學靶點亮度控制電路模塊採用PWM技術提供PWM佔空比信號，設計由PNP 型三極體和NPN型三極體構成的推挽電路作為紅外LED的直接驅動，PWM信號通過推挽電路間接對LED靶點進行調光，在推挽電路輸入端增加多級電壓切換單元以改變通過LED的最大導通電流，從而改善LED亮度調節精度，提高調節範圍，以單片機控制單元作為響應上位機決策模塊，由單片機控制單元解析上位機決策模塊的各種命令，並驅動光學靶點亮度控制電路模塊執行決策命令。在上位機決策模塊端，設計一組含有多個亮度等級的調節參數表，按調節亮度從小到大順序將參數表設計成先密後疏的非均勻散列形式，以滿足近距離調光精度和遠距離調光範圍的要求；計算機分析決策單元根據靶點定位分析結果得出的LED過亮或過暗信息，在調節參數表中採用二分搜索或慣性搜索等策略，決策出適合的調節參數，經由單片機控制單元發送給PWM發生器產生相應佔空比的PWM，進行LED自適應調節，直至滿足定位精度要求或者通知單片機控制單元的指示單元給出調節失效信號。
上位機決策模塊通過通訊電路模塊給單片機控制單元發送控制命令，並觸發單片機控制單元產生中斷；單片機控制單元在中斷程序中，按控制命令的傳輸協議，接收上位機決策模塊發送過來的數據，並對數據進行校驗；若數據滿足協議要求，則根據命令的具體內容由單片機控制單元完成各項控制，包括測量開啟、單路靶點調光、硬體正常工作檢測、錯誤報警、給上位機決策模塊反饋處理信息；在單片機控制單元完成一次控制操作後，對相關寄存器置位或清零，並等待下一次的上位機決策模塊的決策信息。本發明的有益效果如下
本發明可實現LED工作電流在幾毫安到幾百毫安間的調節，並可保證近距離測量下的 LED調節精度和遠距離測量下的LED調節範圍均滿足要求，很好地解決了大視野視覺測量中光學靶點的亮度自適應控制問題。本發明對於以紅外發光LED為目標靶點的高精度視覺動態跟蹤、檢測、定位等有重要意義。
圖1是多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統組成結構圖。圖2是推挽電路原理圖。圖3是單片機控制單元的控制流程圖。圖4是上位機決策模塊中計算機分析決策單元分析決策流程圖。圖5是本發明中光學靶點亮度控制電路模塊原理圖。圖6是本發明中通訊電路模塊的原理圖。圖7是本發明中副通訊電路的原理圖。圖8是本發明中1. 5米一10米範圍內靶點成像光斑分布圖。圖9是本發明中不同距離光斑中心灰度分布統計結果。圖10是本發明中最大導通電流為70mA下的電流可調等級表。圖11是本發明中最大導通電流為200mA下的電流可調等級表。具體實施例
下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。本發明的控制系統結構如圖1所示，由上位機決策模塊、通訊電路模塊、光學靶點亮度控制電路模塊通過通訊接口順序連接而成，其中，上位機決策模塊是由工業CCD相機、 圖像採集卡和計算機分析決策單元雙向順序連接而成；通訊電路模塊由主通訊電路和副通訊電路組成，主通訊電路和副通訊電路通過無線信號連接；光學靶點亮度控制電路模塊由單片機控制單元、指示單元、多級電壓切換單元、PWM發生器、推挽電路和紅外LED組成，單片機控制單元分別與指示單元、多級電壓切換單元和PWM發生器連接，多級電壓切換單元與η條推挽電路連接，PWM發生器也與η條推挽電路連接，η為自然數，且每條推挽電路都與紅外LED順序連接。本發明中LED靶點亮度自適應控制方法詳細說明如下
(1)採用PNP型三極體和NPN型三極體構成推挽電路直接驅動紅外LED，而PWM發生器通過推挽電路間接對LED靶點進行調光。這樣既可以實現PWM調光功能，又可以通過推挽電路增加LED的驅動功率，可實現LED靶點在較大範圍的多級別動態調光。推挽電路如圖 2所示。(2)為同時滿足較近測量距離下的調光精度和較遠距離下的調光範圍的要求，在推挽電路電源輸入端增加多級電壓切換單元。遠距離測量時，自動切換到大驅動電壓以滿足紅外LED調光範圍要求，近距離測量時，則切換到小驅動電壓以使亮度調節精度得到滿足。(3)以單片機控制單元作為響應上位機決策模塊的控制核心單元。在上位機決策模塊和單片機控制單元之間制定了每條控制命令的傳輸協議，包括數據格式、數據量以及校驗方式等。上位機決策模塊通過通訊接口給單片機控制單元發送控制命令，並觸發單片機控制單元產生中斷；單片機控制單元在中斷程序中，按控制命令的傳輸協議，接收上位機決策模塊發送過來的數據，並對數據進行校驗。若數據滿足協議要求，則根據命令的具體內容由單片機控制單元完成各項控制，包括測量開啟、單路靶點調光、硬體正常工作檢測、錯誤報警、給上位機決策模塊反饋處理信息等；在單片機控制單元完成一次控制操作後，對相關寄存器置位或清零，並等待下一次的上位機決策模塊的決策信息。圖3為單片機控制單元的控制流程圖。(4)在上位機決策模塊端，根據分級電壓算出的最大導通電流，設計了一組含有多個亮度等級的調節參數表。為適應近距離調光精度和遠距離調光範圍的要求，按調節亮度從小到大順序將參數表設計成先密後疏的非均勻散列形式。計算機分析決策單元根據靶點定位分析結果得出的LED過亮或過暗信息，在調節參數表中採用二分搜索或慣性搜索等策略，決策出適合的調節參數，經由單片機控制單元發送給PWM發生器產生相應佔空比的 PWM，進行紅外LED自適應調節，直至滿足定位精度要求或者通知單片機控制單元的指示單元給出調節失效信號。圖4為上位機機決策模塊計算機分析決策單元分析決策流程圖。圖1中的單片機控制單元使用微控制器PIC16F873A，PWM發生器採用LED驅動晶片MAX6964，以PNP型三極體S8050和NPN型三極體S8550構成推挽電路。採用Honeywell 公司生產的SE3470型紅外發光二極體作為視覺測量中的特徵靶點。光學靶點亮度控制電路模塊原理圖如圖5所示，採用大小兩級電壓切換方式，設計通過LED最大導通電流在70mA用於近距離精確亮度調節，最大導通電流在200mA用於遠距離大範圍調節。因此，將推挽電路接50Ω的上拉電阻後，接HK4100F-DC5V-5H型繼電器。繼電器兩端分別接5V直流電源和12V直流電源，並通過開關三極體2N3906和TLP512 光電隔離器，接到單片機的I/O控制口。單片機控制單元根據上位機決策模塊的決策，對繼電器進行控制，以切換加載在推挽電路上的工作電壓，從而改變最大導通電流大小。根據 MAX6964輸出埠特點，將MAX6964輸出埠通過IOk Ω上拉電阻接5V直流電源，並經由 74!10)4型反相器及3.651^0限流電阻後，接到推挽電路，用於調節通過LED的平均電流。通過PIC單片機和MAX6964晶片的I2C串行接口，結合上述的推挽電路和繼電器控制完成對各路LED亮度的獨立調節控制。通訊電路模塊的原理圖如圖6所示。可使用有線和無線兩種數據傳遞方式。數據發送時，首先使用MAX232晶片將計算機分析決策單元通過自身RS232通訊接口傳遞的數據轉換為兩路TTL電平信號，一路信號經過光電隔離後，通過MAX490晶片轉換為差分信號，由 RS485接口有線發送將數據傳遞到單片機控制單元，另一路經過74HC04型反相器提升負載能力後接入無線收發接口，在該接口連接上無線收發器可以無線方式將數據傳遞到副通訊電路。數據接收時，有線模式下，單片機控制單元發送給計算機分析決策單元的數據以差分信號通過RS485接口傳遞到主通訊電路後，使用MAX490晶片轉換為TTL電平信號，電平信號經過TLP512光電隔離器後接入MAX232晶片進行電平轉換後通過RS232通訊接口傳遞給計算機分析決策單元；無線模式下，無線收發器接收到數據後，從輸出口按串行協議以TTL 電平信號發送數據，經過反相器增加負載能力，並通過MAX232晶片電平轉換後，通過RS232 通訊接口傳遞給計算機分析決策單元。副通訊電路如圖7所示。其工作在無線模式，使用CCllOO型無線收發器和MAX490 晶片實現TTL電平信號與差分信號的相互轉換，使用TLP512光電耦合器進行光電隔離，配合工作在無線模式下主通訊電路實現無線模式通訊功能。在上位機決策模塊端，按照70mA和200mA的最大導通電流，本實施例設計了一組含有50個亮度等級的調節參數表，參數表設計成先密後疏的非均勻散列形式。根據LED光斑定位分析結果，採用二分搜索策略，若LED過亮，則以參數表頭和當前的調節參數作為搜索域的上下限，若LED過暗，則以當前的調節參數和參數表尾作為搜索域的上下限，以搜索區域的中值作為下一個調節參數，經由單片機控制單元發送給MAX6964進行LED自適應調節，直至滿足定位精度要求。靶點定位算法要求靶點成像光斑在大視野的測量範圍內分布一致。圖8給出在 1. 5-10米範圍內靶點成像光斑分布；從圖中可見不同距離下光斑分布一致性程度高。光斑的中心亮度穩定是靶點定位算法的又一重要要求。在1. 5-10米範圍內分別取十個距離節點，每個距離節點上採集300張圖像，對光斑中心亮度分布進行數理統計。圖 9顯示了四個不同距離下的光斑中心亮度分布統計結果。從圖中可見，結果符合高斯隨機分布，中心亮度穩定。圖10和圖11分別給出了最大導通電流為70mA (小功率)下和最大導通電流為 200mA (大功率)下的電流調節等級。從圖中可見電流調節範圍在0^9mA--140mA。滿足在 1.5-10米範圍內的調光要求。因此以本發明給出的方法可實現多路紅外LED靶點的自適應調光，既可滿足近距離的調光精度要求，又可滿足遠距離的調光範圍要求。
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權利要求
1.一種多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統，其特徵在於由上位機決策模塊、通訊電路模塊、光學靶點亮度控制電路模塊通過通訊接口順序連接而成，其中，上位機決策模塊是由工業CCD相機、圖像採集卡和計算機分析決策單元雙向順序連接而成；通訊電路模塊由主通訊電路和副通訊電路組成，主通訊電路和副通訊電路通過無線信號連接；光學靶點亮度控制電路模塊由單片機控制單元、指示單元、多級電壓切換單元、PWM發生器、推挽電路和紅外LED組成，單片機控制單元分別與指示單元、多級電壓切換單元和PWM發生器連接， 多級電壓切換單元與η條推挽電路連接，PWM發生器也與η條推挽電路連接，η為自然數，且每條推挽電路都與紅外LED順序連接。
2.根據權利要求1所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統，其特徵在於所述通訊電路模塊有兩種通訊模式有線和無線。
3.根據權利要求1所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統，其特徵在於所述推挽電路由PNP型三極體和NPN型三極體構成。
4.一種應用於權利要求1所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統的控制方法， 其特徵在於，包括如下步驟(1)以給定的初始值使光學靶點亮度控制電路模塊和通訊電路模塊處於工作狀態，計算機分析決策單元對工業CCD相機採集到的圖像進行分析，根據LED光斑過亮或過暗信息和中心定位精度結果決策出亮度調節參數，並將參數寫入PWM發生器，調節各路輸出PWM信號佔空比，通過推挽電路作用到紅外LED進行亮度控制後，進行下一次拍攝；(2)上位機決策模塊通過通訊接口RS232將控制信息傳送到主通訊電路，控制信息包括測量開啟、單路靶點調光、硬體正常工作檢測、錯誤報警、給上位機反饋處理信息，主通訊電路根據通訊模式的不同將信號轉換有線模式下將信號轉換為抗幹擾能力強、傳輸距離遠的RS485差分信號，通過通訊接口傳送到單片機控制單元；無線模式下則將信號轉換為無線載波，副通訊電路接收無線載波後轉換為RS485差分信號，通過通訊接口傳送到單片機控制單元；(3)單片機控制單元接收到控制信息後，對信息進行解析並執行相應的動作，若控制信息中有切換電壓的決策命令，則單片機控制單元啟動多級電壓切換單元對「最大導通電流」 的大小進行切換；解析信息中包含的亮度調節參數，驅動PWM發生器按照上位機決策模塊的要求，重新確定佔空比大小的脈衝波形，並驅動推挽電路對各路紅外LED的發光亮度進行獨立自適應調節；(4)單片機控制單元在執行命令中或者執行完命令後，反饋給上位機決策模塊命令執行信號，每一條控制信息執行後都要反饋執行信號給上位機決策模塊，使其始終掌握光學靶點亮度控制電路模塊的工作狀態以及命令是否正確執行，測量命令反饋的執行信息同時是工業CXD相機進行圖像採集的觸發信號。
5.根據權利要求4所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統的控制方法，其特徵在於，光學靶點亮度控制電路模塊採用PWM技術提供PWM佔空比信號，設計由PNP型三極體和NPN型三極體構成的推挽電路作為紅外LED的直接驅動，PWM信號通過推挽電路間接對 LED靶點進行調光，在推挽電路輸入端增加多級電壓切換單元以改變通過LED的最大導通電流，從而改善LED亮度調節精度，提高調節範圍，以單片機控制單元作為響應上位機決策模塊，由單片機控制單元解析上位機決策模塊的各種命令，並驅動光學靶點亮度控制電路模塊執行決策命令。
6.根據權利要求4所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統的控制方法，其特徵在於在上位機決策模塊端，設計一組含有多個亮度等級的調節參數表，按調節亮度從小到大順序將參數表設計成先密後疏的非均勻散列形式，以滿足近距離調光精度和遠距離調光範圍的要求；計算機分析決策單元根據靶點定位分析結果得出的LED過亮或過暗信息，在調節參數表中採用二分搜索或慣性搜索等策略，決策出適合的調節參數，經由單片機控制單元發送給PWM發生器產生相應佔空比的PWM，進行LED自適應調節，直至滿足定位精度要求或者通知單片機控制單元的指示單元給出調節失效信號。
7.根據權利要求4所述的多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統的控制方法，其特徵在於上位機決策模塊通過通訊電路模塊給單片機控制單元發送控制命令，並觸發單片機控制單元產生中斷；單片機控制單元在中斷程序中，按控制命令的傳輸協議，接收上位機決策模塊發送過來的數據，並對數據進行校驗；若數據滿足協議要求，則根據命令的具體內容由單片機控制單元完成各項控制，包括測量開啟、單路靶點調光、硬體正常工作檢測、錯誤報警、給上位機決策模塊反饋處理信息；在單片機控制單元完成一次控制操作後，對相關寄存器置位或清零，並等待下一次的上位機決策模塊的決策信息。
全文摘要
本發明公開了一種多路紅外LED靶點自適應亮度控制系統及其控制方法，屬於視覺測量領域。該系統包括上位機決策模塊、通訊電路模塊、光學靶點亮度控制電路模塊，其中，光學靶點亮度控制電路模塊由單片機控制單元、指示單元、多級電壓切換單元、PWM發生器、推挽電路和紅外LED組成。所述推挽電路由PNP型三極體和NPN型三極體構成。本發明可實現LED工作電流在幾個毫安到幾百毫安之間的動態調節，解決了大視野視覺測量中光學靶點的亮度控制問題，對於以紅外發光LED為目標靶點的高精度視覺動態跟蹤、檢測、定位等有重要意義。
文檔編號H05B37/02GK102548156SQ20121004350
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者馮新星, 葉南, 張麗豔, 李鐵林, 楊博文 申請人:南京航空航天大學