一种基于TwinCATVision的二维镜架光路自动准直系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光路准直系统及方法，具体涉及一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统及方法，用于解决现有技术所存在的模块耦合性差、收敛速度慢的不足之处。该基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，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。同时，本发明专利技术还提供一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直方法，该方法首先利用系数矩阵计算控制步进电机逼近目标坐标，再通过模糊控制规则逼近目标坐标，整个准直过程可在1秒内完成。直过程可在1秒内完成。直过程可在1秒内完成。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种光路准直系统及方法，具体涉及一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统及方法。

技术介绍

[0002]在惯性约束聚变(ICF)中，诊断测量设备成为评价测量物理参数的重要组成部分，快速准确地将靶室光束准直到测量系统成为影响装置高效运行的重要因素。在神光III主机装置的基础上，随着光路长度和数量的增加，设备的数量和系统复杂性也成倍增加，所以对远程化、自动化和规模化标准提出了更高的要求。通过自动准直系统，可在装调和维护过程中快速将靶室光束准直到探测系统，但是结构蠕变、机械振动以及现场温湿度、空气扰动等环境因素造成的的光束漂移对快速高效地准直光路带来了挑战，并成为提高装置运行效率的关键因素。
[0003]传统的准直系统采用图像采集卡进行A/D转换，或采用数字相机通过非实时通讯方式连接至上位机，或采用FPGA+DSP进行视觉与运动控制开发，然而，这些方案模块耦合度差，开发周期长，无法满足大规模集群控制，仅适用于小型控制系统。
[0004]中国专利CN109542145B公开了一种高功率激光装置的光路自动准直方法，包括二维功率谱密度图像、边缘提取、最小二乘椭圆拟合等，工作时，该装置仅用一个CCD通过近远场闭环控制调整电动镜架就能完成自动准直，虽然对于大规模激光装置而言有着十分可观的经济价值，但仍存在模块耦合性差、收敛速度慢的不足之处。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有技术所存在的模块耦合性差、收敛速度慢的不足之处，而提供一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统及方法。
[0006]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0007]一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，其特殊之处在于：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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]进一步地，所述光路自动准直系统还包括上位机，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。
[0014]同时，本专利技术还提供一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直方法，其特殊之处在于，采用上述一种基于TwinCAT Vision的二维镜架光路自动准直系统，具体实现步骤如下：
[0015]步骤1：建立模糊控制规则
[0016]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：
[0017]If E1＝A
Y1 or A
Y2 and E2＝B
Z1 or B
Z2
,then U1＝u
1 or u
2 and U2＝v
1 or v2；
[0018]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；
[0019]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，由负到正分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，即E1＝{NB,NM,MS,ZO,PS,PM,PB},E2＝{NB,NM,MS,ZO,PS,PM,PB}；
[0020]当偏差值大于等于10pixel时，对应NB和PB；
[0021]当偏差绝对值大于等于3pixel小于10pixel时，对应NM和PM；
[0022]当偏差绝对值大于等于1pixel小于3pixel时，对应NS和PS；
[0023]当偏差绝对值小于1pixel，对应ZO；
[0024]步进电机移动量u1、v1、u2和v2均包含7个区间，由负到正分别为负大(NB*)、负中(NM*)、负小(NS*)、零(ZO*)、不移动(0)、正小(PS*)、正中(PM*)、正大(PB*)，即U1＝{NB*，NM*，MS*，ZO*，0，PS*，PM*，PB*},U2＝{NB*，NM*，MS*，ZO*，0，PS*，PM*，PB*}；
[0025]模糊控制规则如下表所示：首行为E1，首列为E2；
[0026][0027]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；
[0028]步骤3：通过TwinCAT Vision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；
[0029]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；否则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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＝u
1 or u
2 and U2＝v
1 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，由负到正分别为负大(NB)、负中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高炜，王维，韦明智，闫亚东，何俊华，李奇，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：