激光聚變實(shí)驗(yàn)中診斷設(shè)備反饋控制瞄準(zhǔn)技術(shù)

李穎潔,陳 銘,陳 黎,張 興,楊 品,楊正華

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,四川 綿陽 621900)

1 引言

慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)需要使用多門類診斷系統(tǒng)對(duì)若干關(guān)鍵物理量進(jìn)行高時(shí)空分辨的診斷測量,時(shí)間尺度覆蓋ps到ns,空間分辨處于μm到百μm尺度,包括多種測量可見光、X射線、離子、電子、中子等的強(qiáng)度、能譜、時(shí)間譜和空間分布等特征物理量的診斷設(shè)備[1].我國已建立了系列激光裝置,通過多種診斷系統(tǒng)開展物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量.在我國最大的激光裝置上,診斷設(shè)備要從距離靶點(diǎn)3～6 m的靶室外伸入靶室,運(yùn)動(dòng)到距離靶點(diǎn)200 mm左右的位置,靶尺寸通常在百μm量級(jí).用于熱斑測量時(shí),對(duì)象尺寸僅50μm.因而提高診斷設(shè)備的瞄準(zhǔn)精度和瞄準(zhǔn)效率對(duì)激光聚變實(shí)驗(yàn)有著非常重要的作用[2].

美國大型激光裝置(national ignition facility,NIF)根據(jù)不同瞄準(zhǔn)需求采用了不同的瞄準(zhǔn)方法:對(duì)置端口對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[3-6](opposed port alignment system,OPAS)可實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)附近的高清晰度成像,瞄準(zhǔn)精度約為20μm/pix,但瞄準(zhǔn)效率低,即使最熟練的操作人員也需要一個(gè)小時(shí)以上[4];腔室內(nèi)部監(jiān)視系統(tǒng)(chamber interior viewing system,CIVS)粗瞄可達(dá)到1.28～3.34 mm/pix,精瞄可達(dá)到0.30～0.42 mm/pix的瞄準(zhǔn)精度[4];采用激光跟蹤系統(tǒng)(advanced tracking laser alignment system,ATLAS)可提高瞄靶的靈活性和效率,精度在500μm以內(nèi)[5].法國兆焦耳裝置(laser megajoule,LMJ)采用雙光束交匯系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn),可達(dá)到25～250μm的精度[7].

我國系列激光裝置診斷設(shè)備的瞄準(zhǔn)采用雙目瞄準(zhǔn)技術(shù),不需要占用其他法蘭位置,具有較高的靈活性和瞄準(zhǔn)精度.由于診斷設(shè)備自身并不具備瞄準(zhǔn)功能,需要搭載在通用診斷搭載平臺(tái)(diagnostic instrument manipulator,DIM)上進(jìn)行瞄準(zhǔn)[2].瞄準(zhǔn)過程可分為3步:離線記錄、在線瞄準(zhǔn)、控制診斷設(shè)備運(yùn)行到位[2,8];其中,在線瞄準(zhǔn)過程需要人工操作來實(shí)現(xiàn),通過人眼不斷觀察圖像上當(dāng)前靶點(diǎn)和理想靶點(diǎn)的偏差,人工調(diào)節(jié)控制電動(dòng)缸伸縮,使診斷設(shè)備逐步運(yùn)行到指定位置.由于通過人工識(shí)別靶心并控制診斷設(shè)備運(yùn)行的過程耗時(shí)較長、隨機(jī)性較大,不利于診斷系統(tǒng)工程化建設(shè),因而自動(dòng)瞄準(zhǔn)技術(shù)的研究對(duì)診斷系統(tǒng)工程的建設(shè)有著非常重要的意義.

本文提出一種基于圖像識(shí)別的診斷設(shè)備反饋控制瞄準(zhǔn)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)控制模式下,指向優(yōu)于23μm,徑向優(yōu)于50μm的瞄準(zhǔn)精度.采用圖像識(shí)別技術(shù),可通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別出圖像中靶心的位置,相較于人眼識(shí)別提高了識(shí)別精度和識(shí)別效率.根據(jù)識(shí)別出的靶心位置確定出像素偏差,再通過擬合函數(shù)計(jì)算出靶點(diǎn)空間位置偏差.根據(jù)得到的空間位置偏差控制DIM的俯仰、偏航以及徑向伸縮運(yùn)動(dòng),相較于當(dāng)前瞄準(zhǔn)方法大大降低了迭代次數(shù),提高了瞄靶效率.

2 當(dāng)前診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)方法簡介

我國激光慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)使用DIM將診斷設(shè)備送入靶室,如圖1所示.通過雙目瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和DIM的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備的高精度瞄準(zhǔn).

雙目瞄準(zhǔn)系統(tǒng)包括瞄準(zhǔn)監(jiān)視系統(tǒng)和瞄準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[9].瞄準(zhǔn)監(jiān)視系統(tǒng)主要包括四臺(tái)電荷耦合元件(charge coupled device,CCD),其作用是采用雙目交匯原理在搭載平臺(tái)上確定出離線記錄的位置;瞄準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括瞄準(zhǔn)節(jié)上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其作用是在離線時(shí)為記錄靶點(diǎn)對(duì)成像鏡頭的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)與固定.雙目瞄準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 診斷設(shè)備在線瞄靶示意圖Fig.1 Schematic diagram of diagnostic equipment aiming at the target online

DIM的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括徑向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和指向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).徑向運(yùn)動(dòng)通過兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)筒和小車的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn);指向運(yùn)動(dòng)通過DIM尾部支撐腿上的兩個(gè)伺服電機(jī)控制伸縮桿伸縮,使艙體繞圖中O點(diǎn)進(jìn)行俯仰和偏航轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),如圖1所示.

當(dāng)前瞄準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)步驟:首先,進(jìn)行離線記錄,調(diào)節(jié)鏡頭位置,使靶點(diǎn)能夠清晰地呈現(xiàn)在粗瞄鏡頭和精瞄鏡頭視場中央,固定鏡頭位置,記錄下理想靶點(diǎn)在4個(gè)CCD上的位置坐標(biāo),并在記錄的坐標(biāo)位置采用十字叉絲進(jìn)行標(biāo)記;其次,將瞄準(zhǔn)節(jié)固定在診斷設(shè)備前端,搭載在DIM上,根據(jù)預(yù)估值使診斷設(shè)備伸入靶室內(nèi)合適位置,通過粗瞄鏡頭瞄準(zhǔn),根據(jù)當(dāng)前圖像與標(biāo)記的十字叉絲間的偏差人工控制DIM運(yùn)動(dòng),使靶點(diǎn)進(jìn)入精瞄視場;最后,通過精瞄鏡頭得到當(dāng)前靶點(diǎn)在CCD上記錄的圖像,根據(jù)當(dāng)前圖像與標(biāo)記的十字叉絲間的偏差,通過人工控制DIM運(yùn)動(dòng)使圖像上的靶點(diǎn)與記錄的十字叉絲位置重合即完成瞄準(zhǔn).

3 基于圖像識(shí)別的反饋控制瞄準(zhǔn)技術(shù)

當(dāng)前瞄準(zhǔn)方法需要通過人工判斷出靶點(diǎn)與標(biāo)記位置的偏差,并分析出DIM的運(yùn)動(dòng)方向,通過微量控制DIM運(yùn)動(dòng)直至圖像中靶點(diǎn)與十字叉絲重合從而實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn).本文采用靶圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、診斷設(shè)備的離線標(biāo)定以及DIM精確瞄準(zhǔn)的反饋控制來實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備的自動(dòng)瞄準(zhǔn).由于擬合過程和運(yùn)動(dòng)控制過程與實(shí)際存在偏差,通過多次迭代反饋控制,最終達(dá)到圖像中靶心位置與標(biāo)記的十字叉絲位置重合,從而完成自動(dòng)瞄準(zhǔn).

3.1 靶圖像自動(dòng)識(shí)別

靶圖像自動(dòng)識(shí)別應(yīng)保證在整個(gè)瞄準(zhǔn)過程中都能準(zhǔn)確獲得靶心位置.圖像識(shí)別確定靶心的過程可分為兩步:1)圖像輪廓提取;2)采用霍夫變換法根據(jù)提取的輪廓計(jì)算靶心像素坐標(biāo)[10-12].采用傳統(tǒng)的邊緣檢測算子可檢測目標(biāo)輪廓,常用的邊緣檢測算子包括:Robert 算子、Prewitt 算子、Laplacian 和Gaussian 算子、Canny 算子、Sobel 算子.Robert算子提取的邊緣較粗,且未經(jīng)過圖像平滑計(jì)算,不能抑制噪聲;Prewitt算子計(jì)算量大;Laplacian和Gaussian算子提取的邊緣準(zhǔn)確但噪聲太多;Canny 算子得到的邊緣完整但效率不高;Sobel算子方法簡單、速度快并能抑制噪聲[13-14].

Sobel算子包含兩組3×3的矩陣,分別為橫向算子及縱向算子,將之與圖像作平面卷積,即可分別得出橫向及縱向的亮度差分近似值.如果以A代表原始圖像,Gx及Gy分別代表經(jīng)橫向及縱向邊緣檢測的圖像灰度值,其公式如下:

如果梯度G大于某一閾值,則認(rèn)為該點(diǎn)為邊緣點(diǎn).Sobel算子根據(jù)像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)灰度加權(quán)差在邊緣處達(dá)到極值這一現(xiàn)象檢測邊緣.Sobel算子對(duì)噪聲具有平滑作用,能夠提供較為精確的邊緣方向信息.圖2(a)為靶室中采集得到的球靶圖像.對(duì)于圖中噪聲分布均勻的情況,采用均值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理,對(duì)濾波后的圖像采用Sobel邊緣檢測法進(jìn)行邊緣提取,可得到圖像的邊緣輪廓如圖2(b)所示.

圖2 兩臺(tái)精瞄CCD靶室內(nèi)測得靶的圖像及輪廓提取效果Fig.2 Image and contour extraction of the target measured by two precision aiming CCD indoor

當(dāng)前的許多圓檢測方法都是在霍夫變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.使用霍夫變換檢測圓,首先將圓通過圓心坐標(biāo)(a,b)和半徑r參數(shù)化,其表達(dá)形式為

對(duì)于任一給定輪廓點(diǎn)(xi,yi)滿足上式的(a,b,r)在空間內(nèi)為一個(gè)錐面,如圖3所示.在每一個(gè)空間點(diǎn)處建立一個(gè)參數(shù)作為累加器,若圖像中大部分輪廓點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的錐面交于一點(diǎn),該點(diǎn)(ai,bi,ri)對(duì)應(yīng)的累加器的值即為這些輪廓點(diǎn)的個(gè)數(shù);其次,根據(jù)圓心必須位于最大灰度梯度方向的限制條件,可以只計(jì)算部分錐面對(duì)各累加器的貢獻(xiàn);最終確定出累加器的峰值.通過前面的步驟通常很難得到一個(gè)單一的峰值,因而需要對(duì)數(shù)值較大的累加器再次進(jìn)行處理.對(duì)每一個(gè)邊緣點(diǎn),假設(shè)其只對(duì)與其相關(guān)的累加器中數(shù)值最大的累加器有貢獻(xiàn),因而邊緣點(diǎn)和累加器存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,從而簡化了累加器結(jié)構(gòu),可以很容易找到數(shù)值最大的累加器,得到相應(yīng)的(a,b,r),即為要找的圓參數(shù).

圖3 輪廓點(diǎn)對(duì)(a,b,r)參數(shù)空間的貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of contour points to the(a,b,r)parameter space

目前,解決不同光照下圖像識(shí)別的方法主要有以下幾類:對(duì)于光照變化不大的情況,可使用Appearance-based,Class-based,Model-based 等方法對(duì)識(shí)別出的圖像進(jìn)行處理,使其盡可能與標(biāo)準(zhǔn)光照下的模板保持一致;訓(xùn)練圖像與測試圖像有相同或者相似光照時(shí),通過在不同光源照射下的圖像作為基圖像構(gòu)造光照空間,再通過線性合成生成與待識(shí)別圖像接近的模板,完成圖像識(shí)別;測試圖像與訓(xùn)練圖像光照條件相差較大時(shí),利用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生虛擬光照下的圖像,將虛擬光照下的樣本加入訓(xùn)練集改善識(shí)別效果[15].

激光聚變實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)較大的真空球形靶室,半徑達(dá)到3～5 m及以上;并且由于要保證激光光束的精確注入,需要靶室內(nèi)保持暗光環(huán)境.激光聚變實(shí)驗(yàn)的靶通常是約1 mm大小的異形金屬物體.本文提到的診斷系統(tǒng)需要在10 cm到1 m的距離上實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米及以下尺度的靶物體進(jìn)行精確瞄準(zhǔn),有的診斷系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)50μm的瞄準(zhǔn)精度;并且診斷系統(tǒng)需要每一發(fā)次激光打靶前重新對(duì)每一發(fā)靶進(jìn)行瞄準(zhǔn).由于靶室直徑過大,目標(biāo)靶尺寸非常小,在靶室外的照明光源很難對(duì)靶進(jìn)行準(zhǔn)確的定向照明;并且目標(biāo)靶是金屬材質(zhì),表面為鏡面反射光,不同角度的照明會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)靶不同區(qū)域反射強(qiáng)度差異,難以采用靶室外固定光源進(jìn)行理想照明.本項(xiàng)目通過在診斷系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)節(jié)上增加發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)照明光源,由于診斷系統(tǒng)前端立體角的限制,LED為固定式安裝,沒有足夠的空間去安裝定向聚焦鏡頭等設(shè)施,只能實(shí)現(xiàn)發(fā)散式照明;并且瞄準(zhǔn)節(jié)LED距離目標(biāo)靶的距離也在30 cm以上,對(duì)靶上的微米級(jí)特征點(diǎn)等難以定點(diǎn)照明.在當(dāng)前照明條件下,采用Sobel邊緣檢測,Hough變換的方法可以得到靶心.在圖像識(shí)別過程中需要輸入3個(gè)參數(shù),包括靶球半徑、邊緣閾值以及靈敏度.離線測試時(shí),對(duì)不同光照情況確定出不同的閾值及靈敏度;在線時(shí),通過調(diào)整閾值和靈敏度可實(shí)現(xiàn)不同光照下的靶心識(shí)別結(jié)果.根據(jù)真實(shí)靶球的大小可估算出其在圖像中的半徑大小,輸入半徑參數(shù)范圍:15～50;采用多幅圖像進(jìn)行測試,得到邊緣閾值:0.01,靈敏度:0.9,則可識(shí)別出大部分球靶的中心.圖4(a)為光照充足,質(zhì)量較好的圖像.圖4(b)為質(zhì)量較好圖像的識(shí)別結(jié)果.圖4(c)為靶室內(nèi)光照不足,得到質(zhì)量較差的圖像.圖4(d)為質(zhì)量較差圖像的識(shí)別結(jié)果.由此,可自動(dòng)獲取靶心在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo).

3.2 診斷設(shè)備的離線標(biāo)定

以兩幅圖像中十字叉絲位置為坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)圖像識(shí)別技術(shù),可獲得當(dāng)前靶點(diǎn)在兩幅圖像上的像素坐標(biāo).要獲取當(dāng)前靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(以理想靶點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn))與靶點(diǎn)在兩幅圖像上的像素坐標(biāo)間的關(guān)系,便要對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果直接影響雙目視覺測量系統(tǒng)的精度[16].

圖4 采集的靶球圖像及識(shí)別結(jié)果Fig.4 The image and recognition result of the target ball

現(xiàn)有的標(biāo)定方法包括直接線性變換、基于自標(biāo)定的線性法、非線性優(yōu)化法、張正友法[17]等.線性變換法效率高,但精度不夠:非線性優(yōu)化法精度高,但并不穩(wěn)定.張正友標(biāo)定法是一種介于兩者之間的較為靈活的方法;該方法將空間物體上的點(diǎn)與像素坐標(biāo)平面上的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,則要建立像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系.通過建立像素坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系,則可由圖像中的像素坐標(biāo)還原到空間中的位置坐標(biāo)[18].本文采用函數(shù)擬合的方法,建立了靶點(diǎn)在兩幅圖像中的像素坐標(biāo)和靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件考慮一種雙目相機(jī)標(biāo)定方法,建立靶點(diǎn)在兩幅圖像中的像素坐標(biāo)(u1,v1),(u2,v2)和靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)P(Px,Py,Pz)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.平面像素坐標(biāo)系中,以理想靶點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn),即十字叉絲位置為原點(diǎn).為方便計(jì)算DIM的控制量,世界坐標(biāo)系以理想靶點(diǎn)位置為原點(diǎn),沿DIM徑向運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸,X軸位于水平方向.

離線情況下,通過三維平移臺(tái)模擬靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng).分別使靶點(diǎn)沿X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng),得到兩像素坐標(biāo)系中相應(yīng)靶點(diǎn)的坐標(biāo),從而確定出式(5)中的A矩陣:

由于A為4×3的矩陣,無法直接對(duì)A求逆計(jì)算靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo).對(duì)A求廣義逆[19]得到B矩陣

可求得式中的B矩陣.至此,根據(jù)靶點(diǎn)在圖像中的像素坐標(biāo),可得到靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)P(Px,Py,Pz).

3.3 DIM精確瞄準(zhǔn)的反饋控制

根據(jù)圖像中識(shí)別出的靶心位置計(jì)算出靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)后,需要通過控制DIM的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備的在線瞄準(zhǔn).DIM徑向運(yùn)動(dòng)和Z方向的調(diào)節(jié)可通過小車電機(jī)實(shí)現(xiàn):X,Y方向的調(diào)節(jié)通過指向電機(jī)實(shí)現(xiàn).根據(jù)當(dāng)前靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Po(Px,Py,Pz)及DIM伸入靶室內(nèi)的長度lOPo,可計(jì)算出DIM的俯仰角θ和偏航角φ,以及Z方向的運(yùn)動(dòng)控制量?lz=Pz.Z方向的調(diào)節(jié)量可通過小車電機(jī)直接控制小車的徑向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn).另外,還需要建立兩指向電機(jī)電動(dòng)缸伸縮量?l1,?l2與DIM俯仰角θ,偏航角φ之間的關(guān)系,從而得到兩指向電機(jī)的控制量.建立如圖5所示的運(yùn)動(dòng)簡化模型.

圖5 DIM運(yùn)動(dòng)模型簡化示意圖Fig.5 Simplified schematic diagram of DIM motion model

圖5中,AB和CD表示DIM尾部的支撐腿,通過指向電機(jī)可調(diào)節(jié)AB和CD的長度,從而控制俯仰角θ和偏航角φ.初始位置時(shí),lAB,lBC,lCD,lDA,hEF,lOE均為已知量;E,F分別為AD,BC中點(diǎn).根據(jù)上一節(jié)中計(jì)算出當(dāng)前靶點(diǎn)偏移理想靶點(diǎn)的坐標(biāo)Po(Px,Py,Pz),可計(jì)算出俯仰角θ,偏航角φ.θ=lOPo為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)到理想靶點(diǎn)距離,如圖5所示.通過電機(jī)控制DIM尾部AD運(yùn)動(dòng)到A′D′位置.由于DIM自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),調(diào)節(jié)時(shí)不能發(fā)生扭轉(zhuǎn),即A′D′始終平行于AD,則有

由俯仰角θ、偏航角φ可計(jì)算出?l1,?l2.根據(jù)?l1,?l2控制指向電機(jī)的調(diào)節(jié)量.根據(jù)?lz控制小車電機(jī)的調(diào)節(jié)量.控制DIM運(yùn)行到位后,由于擬合過程和控制過程存在一定偏差,使得靶點(diǎn)中心坐標(biāo)和十字叉絲位置不能完全重合.通過再次圖像識(shí)別、坐標(biāo)計(jì)算、反饋控制進(jìn)行迭代,直至靶點(diǎn)中心坐標(biāo)和十字叉絲位置間的距離滿足要求即完成瞄準(zhǔn).

3.4 反饋控制瞄準(zhǔn)技術(shù)方法流程

診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)過程主要分為兩部分:離線記錄靶點(diǎn)位置、在線還原靶點(diǎn)位置.為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn),離線時(shí)還需要進(jìn)行標(biāo)定從而建立起圖像像素偏差和空間位置偏差的關(guān)系.在線還原靶點(diǎn)位置的過程如圖6所示.

圖6 自動(dòng)瞄準(zhǔn)方法流程圖Fig.6 Flow chart of automatic aiming method

4 自動(dòng)瞄準(zhǔn)效果測試及應(yīng)用

4.1 離線測試瞄準(zhǔn)精度

為了得到采用本文圖像識(shí)別及函數(shù)擬合方法確定自動(dòng)瞄準(zhǔn)的迭代收斂精度和收斂速度,通過三維平移臺(tái)模擬DIM在3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),通過離線實(shí)驗(yàn)測得本文方法在3個(gè)方向的迭代次數(shù)和迭代收斂精度.

采用三維平移臺(tái)控制靶點(diǎn)運(yùn)動(dòng),三維平移臺(tái)的3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向與第3.2節(jié)建立的世界坐標(biāo)系的方向一致.平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度為0.001 mm.在平移臺(tái)上固定直徑為0.2 mm的金球靶,該點(diǎn)位置為理想靶點(diǎn)位置.通過圖像識(shí)別技術(shù)得到圖像中靶心位置,圖像處理精度為0.1個(gè)像素.標(biāo)定完成得到擬合函數(shù)后在兩精瞄攝像機(jī)視場內(nèi)任取10個(gè)點(diǎn),將靶點(diǎn)移動(dòng)到該位置,根據(jù)其在CCD上的圖像坐標(biāo),計(jì)算出空間位置坐標(biāo),即為當(dāng)前靶點(diǎn)與理想靶點(diǎn)的偏差量.根據(jù)計(jì)算得到的偏差量控制靶點(diǎn)運(yùn)動(dòng),表1-3為經(jīng)過6次反饋控制偏差量的計(jì)算結(jié)果.根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,迭代2次已經(jīng)可以保證毫米級(jí)的收斂精度.測試用10個(gè)點(diǎn)迭代6次后,在X方向偏差分別為4μm,11μm,10μm,19μm,-9μm,-19μm,-15μm,12μm,-4μm,0μm;在Y方向偏差分別為:8μm,22μm,12μm,4μm,-16μm,-19μm,-2μm,-18μm,-51μm,20μm;在Z方向偏差分別為61μm,13μm,38μm,41μm,30μm,-12μm,-62μm,30μm,12μm,87μm.采用d=可計(jì)算出系統(tǒng)在X,Y,Z3 個(gè)方向的精度分別為11.94μm,21.57μm,45.29μm.由于實(shí)驗(yàn)過程中存在氣流、平臺(tái)振動(dòng)及三維平移臺(tái)讀數(shù)誤差的影響,導(dǎo)致個(gè)別點(diǎn)收斂較慢,但并不影響系統(tǒng)整體的收斂精度.

表1 X方向迭代6次后偏差量(μm)Table 1 Deviation after 6 iterations inX direction(μm)

表2 Y 方向迭代6次后偏差量(μm)Table 2 Deviation after 6 iterations inY direction(μm)

表3 Z方向迭代6次后偏差量(μm)Table 3 Deviation after 6 iterations inZ direction(μm)

4.2 自動(dòng)瞄準(zhǔn)在線驗(yàn)證

將質(zhì)子譜儀及第4.1節(jié)中已完成標(biāo)定的瞄準(zhǔn)節(jié)搭載在DIM上進(jìn)行在線驗(yàn)證,診斷設(shè)備伸進(jìn)靶室進(jìn)入精瞄視場.由于靶室內(nèi)無照明,在雙目瞄準(zhǔn)系統(tǒng)前端增加照明裝置,采集圖像如圖7(a)所示.進(jìn)行第1次反饋控制得到結(jié)果如圖7(b)所示;進(jìn)行第2次反饋控制得到結(jié)果如圖7(c)所示.

圖7 初始圖像及兩次控制DIM運(yùn)動(dòng)后的瞄準(zhǔn)效果Fig.7 The initial image and the targeting effect after twice controlling DIM movement

對(duì)大部分實(shí)驗(yàn),圖7(c)中所示瞄準(zhǔn)結(jié)果可滿足實(shí)驗(yàn)需求.此方法簡化了當(dāng)前人眼識(shí)別靶點(diǎn)位置、人工判斷DIM的調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)量的過程,可自動(dòng)識(shí)別、計(jì)算和控制診斷設(shè)備的運(yùn)動(dòng),根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定瞄準(zhǔn)精度.每次控制完成后判斷是否滿足精度要求,若不滿足,則繼續(xù)識(shí)別、計(jì)算、控制診斷設(shè)備運(yùn)動(dòng);若滿足,則停止迭代,完成瞄準(zhǔn),準(zhǔn)備打靶.此過程可避免實(shí)驗(yàn)期間靶場進(jìn)人瞄靶的過程,有利于診斷系統(tǒng)的集中控制和工程化建設(shè).

5 小結(jié)

本文通過靶圖像識(shí)別、診斷設(shè)備離線標(biāo)定與DIM瞄準(zhǔn)反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了診斷設(shè)備的自動(dòng)瞄準(zhǔn),解決了當(dāng)前瞄準(zhǔn)需要人工操作、瞄準(zhǔn)效率低、隨機(jī)性大等問題.

采用圓的霍夫變換方法,實(shí)現(xiàn)了在靶室環(huán)境下得到的質(zhì)量較差靶球圖像的靶心識(shí)別技術(shù).通過函數(shù)擬合的方法對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行離線標(biāo)定,由圖像識(shí)別得到的靶心像素坐標(biāo)計(jì)算出了當(dāng)前靶點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo).最后根據(jù)DIM運(yùn)動(dòng)控制原理得到消除位置偏差的DIM運(yùn)動(dòng)控制量.通過反饋控制DIM運(yùn)動(dòng),使診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)靶點(diǎn),便可實(shí)現(xiàn)X方向11.94μm、Y方向21.57μm、Z方向45.29μm的瞄準(zhǔn)精度;并在線驗(yàn)證了該方法僅需兩次反饋控制即可滿足大部分實(shí)驗(yàn)瞄準(zhǔn)需求,提高了瞄準(zhǔn)效率.