[发明专利]一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统及方法

权利要求书

1.一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，其特征在于：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；

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；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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，其特征在于：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。

3.一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，实现步骤如下：

步骤1：建立模糊控制规则

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：

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；

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NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，即E₁＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},E₂＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

当偏差值绝对值大于等于10pixel时，对应NB和PB；

当偏差绝对值大于等于3pixel小于10pixel时，对应NM和PM；

当偏差绝对值大于等于1pixel小于3pixel时，对应NS和PS；

当偏差绝对值小于1pixel，对应ZO；

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*}；

模糊控制规则如下表所示：首行为E₁，首列为E₂；

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；

步骤3：通过TwinCAT Vision模块分别对CMOS相机C1和CMOS相机C2获取的实时光束图像进行图像处理；

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；

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；

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、Δy ₂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：

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；

将步进电机移动量(u₁，v₁)，(u₂，v₂)作为Matlab/Simulink模块的输出传输至TwinCATMotion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；

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，重复步骤2-3，直至获得两个新的光束中心坐标；

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。

4.根据权利要求3所述的一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直方法，其特征在于：步骤3中，所述图像处理包括以下步骤：

(1)对CMOS相机获取的实时图像进行感兴趣区域(ROI)设置；

(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；

(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。