基于激光干涉和視覺(jué)技術(shù)的銦瓦標(biāo)尺自動(dòng)測(cè)量裝置研制

金中希

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

0 引言

銦瓦標(biāo)尺與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套使用，對(duì)水準(zhǔn)勘查和建筑物的形變監(jiān)控發(fā)揮了重要作用。銦瓦標(biāo)尺屬于高準(zhǔn)確度的計(jì)量器具，使用一段時(shí)間后，需要對(duì)銦瓦標(biāo)尺刻線間隔進(jìn)行檢定[1]。因這種標(biāo)尺刻線多，為準(zhǔn)確、高效地瞄準(zhǔn)和測(cè)量刻線間隔距離[2]，研制了結(jié)合激光干涉儀和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)測(cè)量裝置[3]，用于銦瓦標(biāo)尺的計(jì)量檢定。

1 總體介紹

本測(cè)量裝置主要由激光干涉儀、視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等組成，外觀如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置外觀圖

測(cè)量基本原理：采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行初始定位[4]，由激光干涉儀準(zhǔn)確測(cè)量移動(dòng)的距離L，再經(jīng)過(guò)視覺(jué)抓拍，確定零位起始刻度線的像素值P0和被測(cè)刻度線像素值Pm，取其差值與屏幕像素的標(biāo)定值e相乘，則被測(cè)刻度線與零位起始線的實(shí)際距離LP按式（1）計(jì)算。

2 主要硬件組成

2.1 測(cè)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器

該裝置測(cè)量范圍上限達(dá)到5 m，且測(cè)量準(zhǔn)確度要求高，測(cè)長(zhǎng)主標(biāo)準(zhǔn)器采用激光干涉儀是最好的選擇。本項(xiàng)目采用RENISHAW公司的ML10激光干涉儀作為距離測(cè)量的主標(biāo)準(zhǔn)器，該激光干涉儀最大允許誤差為±0.7×10-6L。激光干涉儀是基于激光波長(zhǎng)常數(shù)的原理開(kāi)發(fā)出來(lái)的，當(dāng)在工況環(huán)境下工作時(shí)波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，必須對(duì)波長(zhǎng)的改變進(jìn)行補(bǔ)償。目前商業(yè)化的激光干涉儀已將波長(zhǎng)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)環(huán)境，即溫度T=20℃、大氣壓力P=101.325 kPa、相對(duì)濕度H=50%。由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際環(huán)境情況偏離了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，為保證準(zhǔn)確度必須根據(jù)實(shí)際情況修正。借鑒《量塊》（JJG 146—2011）規(guī)程中采用激光干涉儀絕對(duì)測(cè)量二等量塊的方法，采用目前國(guó)際上廣泛使用的Edlen公式得到修正系數(shù)λ來(lái)修正激光波長(zhǎng)，即將測(cè)量的數(shù)據(jù)乘以修正系數(shù)λ與0.999 728 8（標(biāo)準(zhǔn)修正值）比例。

式中：P為大氣壓力，P=100.6 kPa；T為激光光路上的空氣溫度，取T=20.2℃；H為相對(duì)濕度，H=53.6%。

代入式（2），可求得λ=0.999 730 7。

經(jīng)與激光干涉儀自帶的測(cè)量軟件進(jìn)行比較，實(shí)際效果很好，在全長(zhǎng)5 m的量程上，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的激光讀數(shù)軟件與激光干涉儀自帶軟件讀數(shù)相差不超過(guò)0.2 μm。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

要完成自動(dòng)測(cè)量，必須配備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以采用齒輪齒條、摩擦輪、絲杠或皮帶傳動(dòng)，如果采用前兩者，工作臺(tái)上要安裝電機(jī)，電機(jī)的振動(dòng)對(duì)測(cè)量有影響。采用絲杠傳動(dòng)的話，機(jī)械承力結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜，由于本裝置工作臺(tái)拖動(dòng)力并不大，速度也不高，整體傳動(dòng)功率不大，采用皮帶傳動(dòng)是比較好的選擇。皮帶中的同步帶傳動(dòng)具有工作無(wú)滑動(dòng)、恒定傳動(dòng)比、平穩(wěn)、緩沖減振的能力以及傳動(dòng)效率高（0.98）的優(yōu)點(diǎn)，本裝置最后選擇采用同步帶傳動(dòng)。

根據(jù)國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《圓弧齒同步帶傳動(dòng)第3部分：設(shè)計(jì)方法》（JB/T 7512.3—2014）來(lái)設(shè)計(jì)和選擇同步帶。經(jīng)理論分析和實(shí)際測(cè)算，考慮靜摩擦力的因素，工作臺(tái)開(kāi)始拖動(dòng)最大拉力Fmax=60 N，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)后，拉力為47 N，工作臺(tái)移動(dòng)速度一般為0.8 m/s，最大移動(dòng)速度不會(huì)超過(guò)Vmax=3 m/s，考慮到同步帶低轉(zhuǎn)速的情況多，將工況系數(shù)增加到k=2～4，最大功率Wmax按照式（3）進(jìn)行估算。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《同步帶尺寸》（GB 11616—1989）來(lái)選擇同步帶：齒距5 mm，帶寬20 mm，齒形采用圓弧齒，根據(jù)工作實(shí)際條件，中心距為5.35 m。同步帶總長(zhǎng)設(shè)計(jì)成10.86 m，根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖當(dāng)量（10 000脈沖/r），設(shè)計(jì)出帶輪的直徑名義為50 mm，齒距為5 mm，這樣將帶輪的齒數(shù)圓整為32齒，實(shí)際直徑為50.93 mm。

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，減少運(yùn)動(dòng)中的角擺誤差，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度不能超過(guò)0.02 mm/m，精密滾子直線導(dǎo)軌最長(zhǎng)只能做到3 m，要達(dá)到5 m的量程必須駁接，這對(duì)支撐導(dǎo)軌的平臺(tái)又提出了新的要求。為了保證平臺(tái)具有很好的剛性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，消除自重及環(huán)境導(dǎo)致的平臺(tái)變形，裝置將平臺(tái)設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)。考慮實(shí)際搬運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室和加工的可行性，最后平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)5.3 m、寬0.2 m、高0.3 m，表面的平面度在全長(zhǎng)5 m范圍內(nèi)不超過(guò)0.008 mm。

2.3 運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要確定運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。本裝置其實(shí)只是單軸控制，不需要任意兩軸之間的圓弧插補(bǔ)等運(yùn)算，綜合分析性價(jià)比，選擇了實(shí)用性強(qiáng)的國(guó)產(chǎn)MSP8048運(yùn)動(dòng)控制卡以及相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

該運(yùn)動(dòng)控制卡基于PCI總線，配備豐富的Windows環(huán)境下的函數(shù)庫(kù)，方便設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制卡之間的數(shù)據(jù)交換。

2.4 圖像采集系統(tǒng)和光源

當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)圖像處理技術(shù)發(fā)展快，可選擇的產(chǎn)品多。本裝置采用性能可靠的國(guó)產(chǎn)MVC3000F工業(yè)相機(jī)，該工業(yè)相機(jī)具備即插即用的USB2.0接口，圖像采集系統(tǒng)的安裝非常方便，通過(guò)專用的USB視頻電纜即可與控制計(jì)算機(jī)直接連接，實(shí)時(shí)獲得BMP格式無(wú)壓縮的每幀圖片，方便軟件的后續(xù)處理。

本裝置要適用于等距刻線的銦瓦標(biāo)尺和非等距的條碼銦瓦標(biāo)尺，這些尺子大多都是建筑工程上使用過(guò)的，表面經(jīng)常有污點(diǎn)、刻線磨壞、表面油漆脫落等缺陷，給拍攝圖像中的目標(biāo)識(shí)別帶來(lái)了干擾，通過(guò)調(diào)整光強(qiáng)可以在一定程度上消除這種影響。本項(xiàng)目采用光強(qiáng)可調(diào)整的LED光源以適應(yīng)不同的測(cè)量目標(biāo)，照射方式為前向照明，即光源和相機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，光源直接固定于CCD鏡頭，兩者的高度差超過(guò)40 mm，為方便調(diào)焦，配備了遠(yuǎn)近可調(diào)光學(xué)鏡頭。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用VS2010 C++基于MFC開(kāi)發(fā)[5]，使用了大量的接口庫(kù)函數(shù)，其中最重要的有3個(gè)：

（1）第1個(gè)為啟動(dòng)視頻函數(shù)int MV_Usb2Start，CCD視頻系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化后，使用該函數(shù)就可以將視頻圖像顯示到預(yù)定的位置；

（2）第2個(gè)為控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)short int MSP8048_TSP_CON_MOVE(unsigned char CardNO,unsigned char AxisNO,float Distance)，CardNO為初始化卡號(hào)，AxisNO為運(yùn)動(dòng)軸號(hào)，Distance為運(yùn)動(dòng)的距離；

（3）第3個(gè)為采集激光讀數(shù)函數(shù)char rdvGetReading(void)，激光干涉儀初始化后，通過(guò)該函數(shù)就可以將激光移動(dòng)的距離字符串讀入程序中的變量，經(jīng)處理，將字符串ASCII碼變換成double數(shù)據(jù)。

軟件采用人機(jī)對(duì)話的主界面，通過(guò)此窗口，操作人員可以向計(jì)算機(jī)發(fā)出一系列命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置、激光/環(huán)境/CCD視頻檢查等工作。

軟件的基本流程如下：

（1）初始化CCD視頻和驅(qū)動(dòng)卡；

（2）啟動(dòng)視頻，標(biāo)定像素值，得到像素比例e值；

（3）根據(jù)選擇的測(cè)量對(duì)象，工作臺(tái)移動(dòng)到零線；

（4）圖像采集，噪聲消除平滑化處理，將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖；

（5）采用大津閾值法（最大類間方差法）將圖像二值化；

（6）各刻線邊緣點(diǎn)濾波，求中線；

（7）取激光讀數(shù)，第一次清零；

（8）工作臺(tái)移動(dòng)到被測(cè)線，跳到步驟（4）進(jìn)行循環(huán)，直到所有的刻線測(cè)量完畢。

在圖像處理軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選取恰當(dāng)?shù)拈撝祵?duì)準(zhǔn)確分離出標(biāo)尺的刻線邊界至關(guān)重要，刻線邊界的分割是否準(zhǔn)確直接影響刻度分劃誤差測(cè)量的準(zhǔn)確度。針對(duì)被測(cè)銦瓦標(biāo)尺的特征，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)矩不變法、最大熵法以及最大類間方差法選擇圖像分割閾值，決定采用效果最好的最大類間方差法。

最大類間方差法的基本原理是先取某個(gè)灰度值，以它為界將圖像分為灰度值大小兩類，分別計(jì)算這兩類中像素點(diǎn)數(shù)及灰度平均值，并計(jì)算它們的類間方差，最后取所有灰度的類間方差中的最大值對(duì)應(yīng)的灰度為所求最佳閾值。

計(jì)算公式如下：

式中：n1（i）、n2（i）分別為灰度小于i的像素與大于等于i的像素的數(shù)目；v1（i）、v2（i）分別為它們的平均值。

為了方便編寫(xiě)程序，引入了表達(dá)式ArgMax[w（i）]，實(shí)質(zhì)上w（i）就是一個(gè)以灰度值為自變量的函數(shù)，求閾值就是找出函數(shù)值取最大值的位置，即找到w（i）中最大值的下標(biāo)作為圖像分割的最佳閾值，再對(duì)銦瓦標(biāo)尺的幀圖片進(jìn)行二值化處理。

對(duì)每行像素從最左邊開(kāi)始尋找，一旦發(fā)現(xiàn)像素值發(fā)生改變，就得到了第一條刻線的左邊緣，記錄此位置像素點(diǎn)橫坐標(biāo)；繼續(xù)往右尋找，再發(fā)現(xiàn)像素改變時(shí)為第一刻線的右邊緣，取平均值獲得第一條刻線的中線坐標(biāo)。

同樣的原理找到第二條刻線的中線，兩中線坐標(biāo)之差即為相鄰兩刻線在該行的像素之差。按此方法搜索整個(gè)圖片，找出所有行上各刻線中線之間的像素值，結(jié)合屏幕的標(biāo)定值e和激光干涉儀讀數(shù)，計(jì)算得到各刻線之間的距離。

4 裝置測(cè)量銦瓦標(biāo)尺的不確定度

根據(jù)式（1）的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出測(cè)量不確定度的表達(dá)式如下[6]：

式中：c（L）=1；c（e）=Pm-P0，為起始刻線和測(cè)量刻線像素差值，以200像素為例計(jì)算；c（Pm-P0）=e，為像素標(biāo)定值，一般取3～6 μm/像素，以4為例計(jì)算；u（L）為激光干涉儀讀數(shù)值給出的不確定度分量；u（e）為像素標(biāo)定值不準(zhǔn)給出的不確定度分量；u（Pm-P0）為軟件確定起始刻線和測(cè)量刻線像素差值不準(zhǔn)引起的不確定度分量，記為u（P）。

將以上數(shù)據(jù)代入式（5），得到：

下面分別計(jì)算u（L）、u（e）、u（P）：

u（L）受到激光干涉儀的誤差（示值誤差不超過(guò)±0.7×10-6L）、溫度傳感器的測(cè)量誤差（實(shí)際誤差不超過(guò)±0.1℃）、多次測(cè)量的重復(fù)性誤差（s=1.44 μm）3個(gè)方面的影響，3個(gè)影響量不相關(guān)，直接合成，對(duì)于3 m的銦瓦標(biāo)尺，計(jì)算出u（L）=2.2 μm。

為了準(zhǔn)確標(biāo)定屏幕的像素值，定制了標(biāo)準(zhǔn)刻度玻璃尺，標(biāo)定時(shí)取像素間隔P=200個(gè)像素，采用標(biāo)準(zhǔn)刻度玻璃尺的實(shí)際校準(zhǔn)值，其擴(kuò)展不確定度U不超過(guò)1 μm，k=2，則u（e）=U/（kP）=1/（2×200）=0.002 5 μm/像素。

圖像二值化后，剔除粗大誤差，將刻線邊界檢測(cè)不準(zhǔn)引入的誤差控制到最小，刻線邊界檢測(cè)引入的誤差不會(huì)超過(guò)1個(gè)像素值，按半寬為0.5個(gè)像素的等概率分布處理，計(jì)算出像素。

將以上數(shù)據(jù)代入式（6），得到銦瓦標(biāo)尺的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（Lp）=2.54 μm，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=2uc（Lp）≈5.1 μm。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置自投入使用以來(lái)，通過(guò)了銦瓦條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定裝置考核，取得了廣東省市場(chǎng)監(jiān)督管理局頒發(fā)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)合格證和社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)（〔2018〕粵量標(biāo)粵法證字第32號(hào)），對(duì)客戶送檢的銦瓦標(biāo)尺進(jìn)行了有效量值傳遞。

根據(jù)不確定度不超過(guò)被檢定器具允許誤差1/3的原則[7]，該裝置的測(cè)量不確定度U=5.9 μm，對(duì)于允差為±（0.02 mm+20×10-6L）以下的其他水準(zhǔn)標(biāo)尺也能進(jìn)行符合性判斷。