专利名称：疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳裂纹扩展试验摄像头调整图像采集装置及方法。
背景技术：
金属疲劳裂纹扩展试验是一种通过实时测量试件在设定交变载荷作用下所产生疲劳裂纹的长度来研究金属材料疲劳断裂特性的一种测试方式，目前主要的疲劳裂纹扩展试验形式是国际标准规定的带有预制裂纹的C(T)紧凑拉伸试验和三点弯曲裂纹扩展试验，在这种情况下，在设定交变载荷作用下疲劳裂纹基本沿着预制裂纹的方向直线延伸，其它的非标准疲劳裂纹扩展试验也基本上是这种形式，只是试件的形状和尺寸有所变化。疲劳裂纹的萌生和扩展是一个复杂而缓慢的非线性演化过程，传统的显微镜法检测往往全部由人工来完成或大部分环节需要人工參与，不仅工作效率低，而且易受到检测人员主观因素的影响，不能保证裂纹检测的效率与精度，已经不能满足试验的要求。采用机器视觉技术的裂纹在线检测方法，可以直观、精确、实时地完成裂纹的检测和进一歩的分析处理。基于图像处理技术的裂纹在线測量方法通过图像采集、处理、分析计算，在线测量出裂纹长度尺寸，其中采集到完整、清晰、分辨率高的图像是图像法測量系统最基本的ー个环节，疲劳裂纹扩展试验裂纹图像的采集是一个动态采集过程，随着疲劳试验的进行疲劳裂纹萌生并缓慢扩展，如要在试验过程中一直采集到具有完整裂纹的试件图像可采用四种方案第一种采用普通镜头和一定尺寸的CCD，在摄像头固定的情况下可将整个试件图像投影到CCD上，采集到包含整条裂纹的完整图像，这种方法最简单，但采集到的裂纹图像分辨率低，不能识别细小裂纹。第二种可采用高分辨率大尺寸的CCD，在摄像头固定的情况下可将整个试件图像投影到CXD上，采集到包含整条裂纹的完整图像，但高分辨率大尺寸的CCD价格非常昂贵，且市场上并不常见。第三种是采用显微放大镜头或微距镜头及一定尺寸的高分辨率CCD，在疲劳裂纹扩展过程中摄像头精确跟踪疲劳裂纹尖端的情况下采集裂纹图像，计算试验过程中不同时刻疲劳裂纹长度。第四种采用显微放大镜头或微距镜头和ー 定尺寸的高分辨率CCD，在疲劳裂纹扩展过程中摄像头跟踪疲劳裂纹尖端情况下采集裂纹图像，和第三种方法相比摄像头只需跟踪疲劳裂纹尖端使其在所采集的图像范围内而不需要进行精确的位置控制，不同时刻所采集裂纹图像的拼接是采用图像处理的方法通过所开发的软件进行拼接的，这种方法在降低了对摄像头位置控制要求的同时，増加了图像处理软件的难度。采用第三种或第四种方法的金属疲劳裂纹扩展试验，为采集到完整、清晰、高分辨率的试件裂纹图像需在试验开始之前和试验过程中调整摄像头和试件之间的相对位置，摄像头和试件之间的相对位置调整包括摄像头在X、Y、Z三个方向的调整，摄像头X轴方向的移动，即平行于试件表面进行的水平运动，摄像头通过此方向运动可以将裂纹调整至所采集图像的合适位置。摄像头Y轴方向的移动，即摄像头垂直于试件表面进行的移动，可以用来实现摄像头的聚焦。摄像头Z轴方向的移动，可保证摄像头处在合适的高度位置上。如果试验者手工进行摄像头位置调整的话，ー是很难达到所要求的位置控制精度，ニ是需耗费大量的时间和精力，三是无法自动实现试验过程中扩展裂纹图像的精确跟踪采集，试验过程中随着疲劳试验的进行裂纹尖端不断延伸，这时为了高精度检测疲劳裂纹，摄像头必需自动跟踪裂纹扩展区域，因为这种生长是缓慢而微小的，传统的人工手段很难达到这个精度，并且试验的时间是比较长的，为几个小时或几十个小时，这对于试验者是不小的负担。由此可见，根据图像采集的要求，裂纹扩展试验系统自动调整摄像头和试件之间的相对位置是非常重要的。
发明内容
为了克服已有疲劳裂纹扩展试验摄像头调整技术的人工操作、控制精度低、实时性较差、劳动强度大、工作效率低的不足，本发明提供ー种全自动化操作、控制精度高、实时性良好、减轻劳动强度的疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集装置及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，包括裂纹图像成像及采集系统、摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统。其中，裂纹图像成像及采集系统包括CXD摄像机、镜头，光源照明装置、摄像头安装支架和图像采集卡，CCD摄像机、镜头和光源照明装置安装在摄像头安装支架上组成裂纹图像成像単元，裂纹图像成像単元可安装在试件的一侧用以采集试件ー个表面的图像或在试件的两测均安装有裂纹图像成像単元采集试件两个表面的图像，图像采集卡与计算机相连；摄像头位置调整装置包括步进电机、摄像头运动定位云台、运动控制器和步进电机驱动器，根据控制计算机发来的控制命令驱动摄像头运动定位云台带动摄像头到达所要求的位置；计算机处理分析控制系统包括计算机和ARM运动控制器中的摄像头自动调整图像采集模块，计算机中包括系统參数设置、图像采集与显示、图像处理模块、摄像头运动模块、摄像头聚焦点捜索模块及数据库，所述摄像头自动调整图像采集模块包括控制參数接受通讯単元、控制算法単元、电机驱动控制単元和数据采集単元。再进ー步，所采用CXD为高速面阵黑白CXD摄像头，试件裂纹图像通过ー个或两个面阵CCD采集，ー个CCD采集试件ー个表面的裂纹图像；所述摄像头的镜头为显微变焦放大镜头或微距镜头；光源采用环形光源或矩形光源，双摄像头拍摄裂纹双面图像时定制疲劳裂纹扩展试验专用光源改变裂缝处LED灯的照明方向或相对裂缝处不安装LED灯；所述图像采集卡为多通道，至少两个通道的高分辨率图像采集卡，图像采集卡通过PCI扩展槽与计算机相连。更进一歩，所述摄像头运动定位云台可驱动摄像头实现在X、Y、Z三方向高精度直线运动，由X轴摄像头运动机构、Y轴摄像头运动机构和Z轴摄像头运动机构、摄像头运动平台底座控制箱组成，底座控制箱内安装有ARM运动控制器和步进电机驱动器；摄像头X、Y、Z方向的运动均由步进电机驱动滚珠丝杠导轨机构来实现，摄像头X轴方向的移动可实现试验过程中裂纹扩展的高精度自动跟踪，采用高度细分的步进电机驱动高精度的滚珠丝杠导轨机构来实现，并采用高精度位移传感器进行移动位移的測量，将此测量值反馈到ARM嵌入式运动控制器内，形成对摄像头X轴移动位移高精度闭环控制；摄像头Y轴方向的移动可实现摄像头的手动和自动聚焦，可为开环控制，也采用光电编码器实现驱动步进电机转动步数控制，通过Y轴高精度滚珠丝杠导轨机构的传动，实现Y轴方向的移动位移的控制；摄像头Z轴方向的移动为开环控制。X、Y、Z摄像头运动机构上均安装有行程开关，每个驱动轴上安装两对行程开关，来实现摄像头左、右、上、下、前、后移动位置的限制，行程开关与ARM运动控制器相应接ロ相连，ARM运动控制器收到行程开关发来的信号后控制步进电机。所述摄像头云台Χ、Υ轴运动机构可为单摄像头运动机构或双摄像头运动机构，由X轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、Y轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、摄像头组件及用来测量摄像头移动位移的位移传感器和行程限位开关组成；单摄像头运动机构由Y轴驱动步进电机、直线导轨、滑块机构组件和X轴驱动步进电机、直线导轨、滑块机构组件及摄像头组件组成，运动实现形式可为Y轴运动机构安装在X轴滑块机构组件上，摄像头组件安装在Y轴滑块机构上或X轴运动机构安装在Y轴滑块机 构组件上，摄像头组件安装在X轴滑块机构上；双摄像头运动机构为两个Y轴运动机构安装在X轴滑块机构组件上，两个摄像头组件分别安装在两个Y轴滑块机构上。摄像头运动定位云台Z轴摄像头运动机构由工作台、套筒、滑块、滑块连接板导杆、滚珠丝杠、驱动步进电机和光电编码器、顶端定位盘、行程开关、摄像头运动平台底座控制箱组成，步进电机通过连轴节与滚珠丝杠相连安装在底座控制箱上，步进电机驱动滚珠丝杠转动，滑块及滑块连接板随着滚珠丝杠的转动沿导杆的方向实现垂直方向的运动，从而带动和滑块连接板固连的套筒和工作台一起进行垂直方向的运动，工作台上安装有X轴、Y轴摄像头运动机构及安装在其上的摄像头安装支架，这样摄像头既可实现Z轴垂直方向的位置调整；摄像头定位云台Χ、Υ、Ζ三方向的运动是通过控制计算机发送控制命令给ARM运动控制器，运动控制器通过步进电机驱动器来驱动步进电机转动来实现的，摄像头X、Y方向的运动即可实现开环控制又可实现闭环位置精确控制；运动控制器为基于ARM的嵌入式运动控制器，内嵌有电机运动控制算法软件及通讯管理软件，运动控制器可计算机进行通讯传输控制命令；运动控制器由ARM微处理器、数据采集模块、电源电路、复位和时钟电路、存储器电路、JTAG仿真调试接ロ电路、按键输入电路、限位开关接ロ电路、光电编码器接ロ电路、串ロ通信电路以及电机控制接ロ电路组成，光电编码器接ロ电路设计为可接受三路光电编码器信号，用来接受摄像头云台Y轴、Z轴两路光电编码器信号；数据采集模块用来采集摄像头云台X轴方向移动位移信号并将其转换为数字信号，与X轴位移传感器相连，电机控制接ロ电路与X轴、Y轴、Z轴步进电机驱动器相连，步进电机驱动器与所控制的步进电机相连。计算机处理分析控制系统中，图像处理模块用于完成裂纹扩展过程中裂纹扩展长度的计算和自动聚焦过程中图像清晰度的判别；摄像头聚焦点捜索模块用以进行焦点捜索方向及距离的计算；运动控制软件模块包括摄像头运动參数设置及控制界面模块和运动參数通讯模块，其中运动參数设置及控制界面模块用以设置摄像头运动參数及提供摄像头手动调整时的操作界面，运动參数通讯模块用以接受裂纹扩展长度或焦点捜索方向及距离或运动參数设置及控制界面模块发送过来的摄像头手动调整距离，并将这些数据传输给ARM运动控制器运动控制參数接受通讯模块，根据所接受数据或由ARM运动控制器中步进电机相应闭环控制算法计算输出控制量，将该控制量传递给步进电机驱动控制模块形成闭环控制，或将数据直接传递给步进电机驱动控制模块，电机驱动控制模块将相应控制信号发送给步进电机驱动器控制步进电机完成相应运动，ARM运动控制器数据采集模块采集摄像头X轴位移信号、Z轴和Y轴光电编码器信号及X轴、Z轴和Y轴限位开关信号，X轴位移信号、Z轴和Y轴光电编码器信号传输给控制算法模块根据相应算法形成X轴、Y轴、Z轴闭环运动控制，限位开关信号则直接发送给电机驱动控制模块。计算机中的数据库用来保存系统设置參数及裂纹试件图像及长度等实时数据。一种疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集方法，所述采集方法为由计算机发送摄像头移动方式及距离的控制信号给摄像头运动控制器，摄像头运动控制器根据所接受命令选择步进电机控制方式，发送控制指令控制摄像头运动定位云台运动，图像采集系统实时采集摄像头位置调整过程中的图像并传输给计算机，计算机对所采集图像进行显示和处理，由试验者通过计算机屏幕观测图像或计算机图像处理软件自动判别所采集图像是否达到要求或设定采集图像的位置，如不满足则继续上述过程，金属疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集主要包括试验验开始前的摄像头位置手动粗调 和精调图像采集、摄像头自动聚焦过程图像采集及试验进行过程中疲劳裂纹扩展摄像头跟踪定位采集。进ー步，疲劳裂纹扩展摄像头跟踪定位采集方法为，系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，图像经过软件处理、分析后计算出裂纹长度并通过计算机实时显示，疲劳裂纹扩展到达设定长度后计算机通过数据通讯接ロ将裂纹扩展数据发送给摄像头运动控制器，运动控制器控制摄像头运动定位云台移动所要求距离，并精确定位后采集相应位置的裂纹图像，不断循环到试验结束。再进ー步，所述摄像头X轴运动位移闭环控制采用模糊PID控制算法，模糊自适应PID控制以摄像头X轴位移偏差e和它的变化率ec作为输入，根据不同时刻的e和ec对PID參数自整定的要求，用模糊控制规则在线对PID參数进行调整，模糊PID控制器的实现是先找出PID控制器的比例ΛΚΡ、积分Λ K1、微分Λ Kd三个參数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行过程中不断地检测偏差和偏差变化率，再根据特定的模糊规则，对PID的比例ΛΚΡ、积分AK1、微分AKd三个參数进行整定，PID在获取新的參数后，对控制对象输出控制量；所述摄像头X轴运动位移模糊PID控制，选取三角形函数作为其模糊子集隶属函数，采用Mamdani方法进行模糊推理，输出量的反模糊化采用的是“重心法”，PID控制算法选用增量式PID控制算法摄像头自动聚焦过程图像采集方法为对安装好的裂纹试件图像进行实时采集，通过图像处理软件进行处理图像区域划分和图像清晰度计算，根据图像的清晰度和焦点搜素算法得到焦点捜索方向和距离，将焦点捜索方向和距离及由系统參数设置模块所设置的焦点捜索初始步长按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包并解包并将摄像头移动距离、方向和步长传输给电机驱动控制模块，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动CCD运动云台Y轴丝杠导轨机构带动摄像头完成Y方向相应运动直到搜寻·到系统焦点；
图像清晰度判断方法采用改进了的灰度差分法作为图像的清晰度评价函数，公式为 F(ろ y) = Yj {(/(X, V) - f(x, >> -I))2+ (/(X, V) -fix-1, y)f};焦点捜索算法采用自适应聚焦捜索算法，该算法可同时实现快速、精确、平滑的视频自动聚焦。自适应捜索算法的实现由3个步骤完成第一步初始方向捜索、第二步步长自适应调节、第三步聚焦判定。摄像头位置手动粗调和精调图像采集的方法为试验者通过计算机界面设置相应參数，操作界面上的动作按钮进行摄像头位置的粗调和精调。包括X、Z两个方向图像位置的调整和Y方向物距的调整，粗调指的是通过设定摄像头移动速度值(模糊的)进行摄像头位置连续调整，精调指的是在界面上设定摄像 头移动的精确位移，发送给运动控制器，运动控制器控制摄像头运动定位云台进行X、Y、Z方向运动的闭环控制。疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集的总体工作过程如下首先进行系统安装、參数设置、调试，系统安装包括被测试件、载荷控制系统及摄像头光源等图像采集系统的安装，參数设置包括镜头參数设置快门速度、光圈、物距、放大倍数及图像采集及显示參数设置，串ロ通讯參数、焦点初始搜索方向及步长，裂纹跟踪长度的设置；进行图像采集并显示，观测图像位置是否满足要求，如不满足要求，进行摄像头X、Z方向精调或粗调，至图像位置满足要求，观察所采集图像是否清晰，如图像不清晰，则需调整摄像头到试件表面的距离既物距使系统聚焦，采用手动和自动两种聚焦方法，如采用手动聚焦方法，则需通过參数设置和操作相关动作按钮进行摄像头Y方向精调或粗调至系统聚焦，如采用自动聚焦方法，则只需点击界面上自动聚焦按钮，摄像头则自动进行运动调整至系统聚焦。所采集图像满足位置和清晰度要求后启动试验载荷加载控制系统进行疲劳裂纹扩展试验，系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，通过图像处理软件进行疲劳裂纹扩展长度计算，当疲劳裂纹扩展到所设定长度，将此数据传输给摄像头运动控制器，控制摄像头精确跟踪裂纹扩展区域，继续进行图像采集、处理、计算裂纹扩展长度等试验直到裂纹扩展到所要求长度或试验完成。本发明的有益效果主要表现在不仅能实现摄像头调整及裂纹图像采集的自动化，保证疲劳裂纹扩展试验中摄像头高精度调整定位，实时采集裂纹扩展过程中高分辨率裂纹尖端图像，高精度測量疲劳裂纹长度，而且能提高试验者工作效率，減少其劳动强度且不用开发复杂的图像拼接算法。此系统可安装在任何型号的可进行金属疲劳裂纹扩展试验的试验机上,包括电液式低频疲劳试验机、电液和电磁式高频疲劳试验机及其它的各种疲劳试验机上，应用范围非常广泛，如此项技术推广开来，预计可取得巨大的经济效益。
图I是疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集系统原理框图。图2是摄像头自动调整图像采集装置示意图。图3A是单摄像头云台X、Y轴运动机构结构示意图。图3B是双摄像头云台X、Y轴运动机构结构示意图。图4是ARM摄像头运动控制器硬件原理框图。图5是摄像头自动调整图像采集软件模块。
图6是裂纹扩展摄像头跟踪定位图像采集原理框图。图7是摄像头闭环运动控制算法原理图。图8A是疲劳裂纹扩展试验摄像头自动聚焦原理框图。图SB是疲劳裂纹扩展试验摄像头自动聚焦工作过程流程图。图9A是疲劳裂纹扩展试验摄像头手动粗调图像采集原理框图。图9B是疲劳裂纹扩展试验摄像头手动精调图像采集原理框图。图10是疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集总体工作过程流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进ー步描述。实施例I參照图I 图10，一种疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集系统，包括被测试件、图像成像及采集系统，摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统，除此之夕卜，还有为保证疲劳裂纹扩展试验进行必备的疲劳试验机和疲劳试验机载荷控制系统。CCD摄像头、镜头、光源装置安装在摄像头安装支架上组成图像成像単元，将带有预制裂纹的CT紧凑试件安装在产生设定交变载荷的疲劳试验机上，试件在交变载荷的作用下裂纹不断扩展，光源装置所提供的光线照射在试件表面上，试件表面处理为慢反射，均匀反射的光线通过镜头投影到CCD靶面上，CCD与数据采集卡通过通讯电缆相连，将CCD上所形成的裂纹试件图像传输到图像采集卡，图像采集卡将此模拟图像转换为计算机可处理的数字图像，通过图像采集卡和计算机之间的通讯电缆将此数字图像传输到计算机内；摄像头运动定位平台、摄像头运动控制器及安装在摄像头运动定位平台上的摄像头运动位移测量传感器组成摄像头位置调整系统，可根据控制计算机发来的控制命令驱动摄像头定位平台带动摄像头到达所要求的位置，采集到试验所要求的图像。图2为疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集装置示意图，系统包括图像成像及采集系统，摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统。I为计算机处理分析控制系统显示屏用来显示所采集的图像、试验数据及提供用户操作界面，2为计算机主机箱，安装有系统运行所需要的硬件设备、系统软件及疲劳裂纹扩展试验的各种应用软件，3为图像采集卡，本实例所采用的图像采集卡为高精度四通道的NI-PCI-1410图像采集卡，通过计算机主机PCI扩展槽与计算机进行数据通讯，将图像传输到计算机内存内以便处理，4为摄像头组件包括CXD摄像头、镜头、光源组件安装在摄像头安装支架7上，3、4、7组成图像成像及采集系统，CCD摄像头通过专用电缆并通过端子板与图像采集卡相连，摄像头安装支架7通过插槽和定位螺栓固定在摄像头运动定位云台上。摄像头运动定位云台可驱动摄像头实现在X、Y、Z三方向高精度直线运动，由X轴摄像头运动机构5、Y轴摄像头运动机构6、Ζ轴摄像头运动机构和摄像头运动平台底座控制箱11组成，底座控制箱11内安装有ARM运动控制器8和步进电机驱动器9，Z轴驱动步进电机10和光电编码器20也安装在底座控制箱内。摄像头X轴方向的移动，即平行与试件的表面进行的水平运动，通过此运动摄像头可以将裂纹调整至图像的合适位置，亦可实现试验过程中裂纹扩展的自动跟踪，为高精度闭环控制跟踪定位，采用高精度位移传感器进行移动位移的測量，并将此測量值反馈到ARM嵌入式运动控制器内，形成对摄像头移动位移的闭环控制。摄像头Y轴方向的移动，即摄像头垂直试件表面进行的移动，此功能可以实现摄像头的手动和自动聚焦，对位置精度的要求不是很高，但要求可以较小的步长实现焦距的捜索，可为开环控制，也可采用光电编码器实现驱动步进电机转动步数控制，通过Y轴高精度滚珠丝杠导轨机构的传动，实现Y轴方向的移动位移的控制。摄像头Z轴方向的移动，保证摄像头处在正确的高度位置上，没有位置的高精度控制要求，一般为开环控制。摄像头X、Y、Z方向的运动均由步进电机驱动滚珠丝杠导轨机构来实现，X轴及Y轴是控制摄像头跟踪裂纹扩展和聚焦的，由高度细分的步进电机驱动高精度的滚珠丝杠导轨机构来实现，并安装有位置測量与反馈装置可实现闭环控制，具体结构见图3，Z轴一般不安装位置測量与反馈装置为开环控制。X、Y、Z摄像头运动机构上均安装有行程开关，每个驱动轴上安装两对行程开关，来实现摄像头左、右、上、下、前、后移动位置的限制，行程开关与ARM运动控制器相应接ロ相连，ARM运动控制器收到行程开关发来的信号后由相应子程序控制步进电机进行相应动作。 摄像头运动定位z 台Z轴摄像头运动机构由工作台16、套筒18、滑块15、滑块连接板14、导杆12、滚珠丝杠13、驱动步进电机10和光电编码器20、顶端定位盘17、行程开关19 (两对)、摄像头运动平台底座控制箱11组成。步进电机10通过连轴节与滚珠丝杠13相连安装在底座箱11上,步进电机驱动滚珠丝杠转动，滑块15及滑块连接板14随着滚珠丝杠的转动沿导杆12的方向实现垂直方向的运动，从而带动和滑块连接板14固连的套筒18和工作台16 —起进行垂直方向的运动，工作台16上安装有X轴、Y轴摄像头运动机构及安装在其上的摄像头安装支架7，这样摄像头既可实现Z轴垂直方向的位置调整。图3为摄像头z 台Χ、Υ轴运动机构结构不意图，图3Α为单摄像头z 台Χ、Υ轴运动机构结构示意图，图3Β为双摄像头云台Χ、Υ轴运动机构结构示意图，主要由X轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、Y轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、摄像头组件及用来测量摄像头移动位移的位移传感器和行程限位开关组成，具体如下6为试件，5为摄像头安装机构，7为安装在摄像头安装机构5上的摄像头组件，5和7对于单摄像头云台为ー个，对于双摄像头云台为两个，12为Y轴运动机构驱动步进电机，单摄像头云台为ー个，双摄像头云台为两个，13为Y轴运动机构直线导轨,有两根,2为Y轴丝杠,单摄像头云台为ー个,对于双摄像头云台为两个,4为Y轴滑块机构组件,单摄像头云台为ー个,双摄像头云台为两个，Y轴滑块机构组件4与摄像头安装机构通过插槽和固定螺栓相连。15为X轴运动机构驱动步进电机，I为X轴丝杠，11为X轴滑块机构组件，上面安装有Y轴运动机构和摄像头组件，16为双摄像头云台机构的丝杠安装块组件。除此之外，在X、Y轴运动机构结构上均安装有位移传感器和行程限位开关，本说明书只在图3Α单摄像头云台X、Y轴运动机构结构示意图上示意，14为行程限位开关，X和Y轴运动机构均安装有两对，对于双摄像头云台X、Y轴运动机构，X运动机构上安装有两对，Y轴运动机构上安装有四对，分别实现前后摄像头Y方向前后两端位置的限位。对于单摄像头运动机构安装有ー个X方向位移传感器10和ー个Y方向位移传感器8,对于双摄像头运动机构安装有ー个X方向位移传感器10和两个Y方向位移传感器。对于单摄像头运动机构摄像头连接架5可如图3Α沿水平方向安装，摄像头运动平台安装在疲劳试验机的侧面，摄像头安装机构也可沿垂直方向安装，这样，摄像头运动平台安装在疲劳试验机的正前方或正后方。摄像头运动定位云台的运动是由ARM运动控制器8通过步进电机驱动器9来驱动安装在滚珠丝杠导轨机构上的Z轴步进电机9、Y轴步进电机12和X轴步进电机15来实现的，ARM运动控制器的具体结构如图4所示。图4为ARM摄像头运动控制器硬件原理框图，实线矩形框代表运动控制器组成模块，虚线矩形框代表与ARM摄像头运动控制器相连接的装置。运动控制器主要由ARM微处理器、数据采集模块、电源电路、复位和时钟电路、存储器电路、JTAG仿真调试接ロ电路、按键输入电路、限位开关接ロ电路、光电编码器接ロ电路、串ロ通信电路以及电机控制接ロ电路组成。ARM微处理器本实施例选用32位微处理器ARM7TDMI芯片，光电编码器接ロ电路设计为可接受三路光电编码器信号，通常情况下主要用来接受摄像头云台Y轴、Z轴两路光电编码器信号。数据采集模块主要用来采集摄像头云台X轴方向移动位移信号并将其转换为数字信号，与X轴位移传感器相连，电机控制接ロ电路与X轴、Y轴、Z轴步进电机驱动器相连，步进电机驱动器与所控制的步进电机相连，电机控制接ロ电路设计为5路，即可最多控制五个步进电机，如为系统采用单摄像头，X轴、Y轴运动机构形式与图3Α所示，电机控制接ロ电路连接三个步进电机，如系统采用双摄像头，X轴、Y轴运动机构形式与图3Β所示，电机控制接ロ电路连接四个步进电机。计算机处理分析控制系统主要包括计算机和ARM运动控制器中的摄像头自动调整图像采集相关软件模块及数据库，具体组成及相互关系如图5所示，计算机中主要包括系统參数设置、图像采集与显示、图像处理、摄像头运动控制、摄像头聚焦点捜索模块及数据库，ARM运动控制器中主要包括控制參数接受通讯模块、控制算法模块、电机驱动控制模块和数据采集模块。系统參数设置包括图像采集与显示參数设置、裂纹跟踪长度设置、聚焦点初始搜索步长设置和RS232串ロ通讯參数设置，其中图像采集与显示參数设置主要包括图像采集通道，采集时间，显示方式设置；图像处理模块主要完成裂纹扩展过程中裂纹扩展长度的计算和自动聚焦过程中图像清晰度的判别；摄像头聚焦点捜索模块进行焦点捜索方向及距离的计算；运动控制软件模块包括摄像头运动參数设置及控制界面模块和运动參数通讯模块，运动參数设置及控制界面模块主要设置摄像头运动參数及提供摄像头手动调整时的操作界面，运动參数通讯模块接受裂纹扩展长度或焦点捜索方向及距离或运动參数设置及控制界面模块发送过来的摄像头手动调整距离，并将其通过串ロ通讯传输给ARM运动控制器运动控制參数接受通讯模块，如所接受数据为裂纹扩展摄像头跟踪或摄像头手动精调数据则通过ARM运动控制器中步进电机相应闭环控制算法计算输出控制量，将其传递给步进电机驱动控制模块，电机驱动控制模块将相应控制信号发送给步进电机驱动器控制步进电机完成相应运动；如所接受数据为焦点捜索方向及距离或摄像头手动粗调距离则直接将其发送给电机驱动控制模块完成相应摄像头位置调整。ARM运动控制器数据采集模块主要采集摄像头X轴位移传感器信号、Z轴和Y轴光电编码器信号及X轴、Z轴和Y轴限位开关信号，X轴位移信号、Z轴和Y轴光电编码器信号传输给控制算法模块根据相应算法形成X轴、Y轴、Z轴闭环运动控制，限位开关信号则直接发送给电机驱动控制模块。数据库用来保存系统设置參数、摄像头參数及裂纹试件图像及长度等实时数据。 实施例2
參照图I 图10，一种疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集方法系统由计算机发送摄像头移动方式及距离控制信号给摄像头运动控制器，摄像头运动控制器根据所接受命令选择步进电机控制方式，发送控制指令控制摄像头运动定位云台运动，如为裂纹扩展摄像头跟踪定位图像采集，摄像头位置调整是通过ARM运动控制器进行移动位移闭环控制进行的，位置调整结束后，系统继续进行图像采集、处理、裂纹长度计算等任务，具体实现方法如图6，图7所示；如为摄像头自动聚焦过程图像采集则由计算机图像处理软件自动判别所采集图像是否达到要求，控制摄像头进行位置调整和图像采集，具体实现方法如图8所示；如为摄像头位置手动粗调和精调图像采集则由试验者通过计算机屏幕观测图像是否达到位置要求，如没达到位置要求则由试验者手动操作摄像头运动控制按钮控制摄像头进行位置调整和图像采集，具体实现方法如图9所示。疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集总体工作过程如图10所示。图6为裂纹扩展摄像头跟踪定位图像采集原理框图，系统包括计算机和ARM运动控制器内相关程序软件模块及系统运行所需要的相关硬件装置。计算机内程序软件模块包 括系统參数设置、图像采集与显示、图像处理裂纹长度计算、摄像头运动參数通讯传输模块及数据库；ARM运动控制器中主要包括控制參数接受通讯模块、控制算法模块、电机驱动控制模块和数据采集模块。相关硬件装置包括计算机、ARM运动控制器、步进电机驱动器、X轴步进电机、CCD运动云台X轴丝杠导轨机构、高精度位移传感器、摄像头和图像采集卡。工作原理如下系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，通过图像处理软件进行疲劳裂纹扩展长度计算，当疲劳裂纹扩展到所设定长度，将此数据传输给摄像头运动參数通讯传输模块，按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包解包并将摄像头移动距离信号传输给控制算法模块，控制算法模块根据摄像头需移动距离及数据采集模块所采集的摄像头移动距离根据控制算法得出控制信号值，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动CCD运动云台X轴丝杠导轨机构带动摄像头完成相应运动，直到到达所要求位置，完成裂纹跟踪，继续进行图像采集、处理、计算裂纹扩展长度等试验。摄像头X轴运动位移闭环控制采用模糊PID控制算法，算法原理框图如图7所示，模糊自适应PID控制以摄像头X轴位移偏差e和它的变化率ec作为输入，根据不同时刻的e和ec对PID參数自整定的要求，用模糊控制规则在线对PID參数进行调整，模糊PID控制器的实现是先找出PID控制器的比例ΛΚΡ、积分Λ K1、微分Λ Kd三个參数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行过程中不断地检测偏差和偏差变化率，再根据特定的模糊规则，对PID的比例ΛΚΡ、积分AK1、微分AKd三个參数进行整定，PID在获取新的參数后，对控制对象输出控制量。所述摄像头X轴运动位移模糊PID控制实现过程为计算当前时刻的速度偏差e (k)和速度偏差变化率ec (k)，经过量化和模糊化后，作为模糊控制器的输入信号，经过模糊控制规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表，输出模糊參数，反模糊化后得到精确的PID參 数，采用获得的PID參数进行控制量的计算，将其变换后，作为PWM控制器的设定值，写入PWM寄存器，产生相应的PWM控制信号，经过驱动电路作用于步进电机，使其达到期望的运动速度。
所述摄像头X轴运动位移模糊PID控制，选取三角形函数作为其模糊子集隶属函数，采用Mamdani方法进行模糊推理，输出量的反模糊化采用的是“重心法”，PID控制算法选用增量式PID控制算法。摄像头自动聚焦工作原理框图和聚焦过程流程图如图8所示，图8A为疲劳裂纹扩展试验摄像头自动聚焦原理框图，系统包括计算机和ARM运动控制器内相关程序软件模块及系统运行所需要的相关硬件装置。计算机内程序软件模块包括系统參数设置、图像采集与显示、处理图像区域划分、图像清晰度计算、摄像头聚焦点捜索及摄像头运动參数通讯传输模块;ARM运动控制器中主要包括控制參数接受通讯模块、电机驱动控制模块。相关硬件装置包括计算机、ARM运动控制器、步进电机驱动器、Y轴步进电机、CXD运动云台Y轴丝杠导轨机构、摄像头和图像采集卡。工作原理如下对安装好的带有预制裂纹的试件图像进行实时采集，通过图像处理软件进行处理图像区域划分和图像清晰度计算，根据图像的清晰度和焦点搜素算法得到焦点捜索方向和距离，将焦点捜索方向和距离及由系统參数设置模块所设置的焦点捜索初始步长按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包并解包 并将摄像头移动距离、方向和步长传输给电机驱动控制模块，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动CCD运动云台Y轴丝杠导轨机构带动摄像头完成Y方向相应运动直到搜寻到系统焦点。试验所注重的是居于图像中部的疲劳裂纹，因此选择图像中部的长方体为聚焦窗ロ。图像清晰度判断方法采用改进了的灰度差分法作为图像的清晰度评价函数，公式为
F(x,y) = Σ {(/(x，ァ)—/O，V—I))2 + (/<X タ)-/0—Iy))2}焦点捜索算法采用自适应聚焦捜索算法，该算法可同时实现快速、精确、平滑的视频自动聚焦。自适应捜索算法的实现由3个步骤完成第一步初始方向捜索、第二步步长自适应调节、第三步聚焦判定。第一步初始方向捜索就是为了确保镜头是朝着聚焦位置的方向移动。在镜头朝着聚焦位置的方向移动过程中，算法的第二步步长自适应调节就会实时得改变镜头移动的步长。最后一步聚焦判定就是判断聚焦位置是否已经达到进而停止聚焦捜索。下面是算法的详细实现方法。整个搜索算法的关键就是初始方向的确定。虽图像清晰度评价函数曲线具有单峰性，但是噪声和干扰的存在可能会发生局部极值点现象。因此自适应算法初始方向的确定是采用三点比较法来实现的步长自适应调节为了在搜索进行的过程中，保持图像聚焦的平滑性，将图像清晰度值归ー化之后将清晰度曲线划分成3个不同区域，平滑区域为清晰度值小于O. 2的区域，聚焦区域为清晰度值大于O. 6的区域，其余区域为爬坡区域，在不同捜索区域通过步长自适应机制设定不同的捜索步长。聚焦判定机制采用清晰度值由増大变为减小连续两次減少来判定聚焦点并在反方向上以基本步长进行焦点捜索，将清晰度最大值Smax以及与其对应的镜头位置Pmax作为聚焦点。图SB为疲劳裂纹扩展试验摄像头自动聚焦工作过程流程图，疲劳裂纹扩展试验摄像头自动聚焦工作过程如下首先进行系统安装、參数设置、调试，系统安装包括被测试件及摄像头光源等图像采集的安装，參数设置主要包括镜头參数设置快门速度、光圈、物距、放大倍数、图像采集及显示參数及串ロ通讯參数，在设定參数下进行系统调试至正常エ作状态；设置焦点初始搜索方向及步长，点击自动聚焦按钮，开始焦点自动搜索过程，首先Y轴电机移动到搜索起始位置，一般为距离试件表面最远点，图像采集系统采集并显示图像，图像处理模块计算图像清晰度，并采用此数据为判断依据，根据改进自适应焦点搜素算法法判断其是否为聚焦点，是聚焦点，则摄像头聚焦过程结束，如不是聚焦点，计算机运动控制软件将焦点搜素算法计算出来的捜索方向及运动步长发送给运动控制器，摄像头运动控制器接受命令发送控制指令给Y轴步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动Y轴电机转动，步进电机带动摄像头云台Y轴丝杠转动，Y轴丝杠导轨滑块带动摄像头运动到相应位置，图像采集、显示、处理、判断.........，重复上述过程直到系统聚焦。摄像头位置手动粗调和精调图像采集的方法为试验者通过计算机界面设置相应參数，操作界面上的动作按钮进行摄像头位置的粗调和精调。包括X、Z两个方向图像位置的调整和Y方向物距的调整，粗调指的是通过设定摄像头移动速度值(模糊的)进行摄像头 位置连续调整，精调指的是在界面上设定摄像头移动的精确位移，发送给运动控制器，运动控制器控制摄像头运动定位云台进行X、Y方向运动的闭环控制。图9A为疲劳裂纹扩展试验摄像头手动粗调图像采集原理框图，系统包括计算机和ARM运动控制器内相关程序软件模块及系统运行所需要的相关硬件装置。计算机内程序软件模块包括系统图像采集与显示、摄像头运动參数设置及操作、摄像头运动參数通讯传输模块;ARM运动控制器中主要包括控制參数接受通讯模块、电机驱动控制模块。相关硬件装置包括计算机、ARM运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、CXD运动云台、摄像头和图像采集卡。工作原理如下操作者通过点击运动參数设置及操作模块界面相动作按钮选择下列參数所要调整的摄像头，X、Y、Z轴，方向(上、下、前、后、左、右)，摄像头移动速度，并将这些參数传递给运动參数通讯传输模块按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包并解包，并将相关数据传输给电机驱动控制模块，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动(XD运动云台运动带动摄像头完成相应运动图9Β为疲劳裂纹扩展试验摄像头手动精调图像采集原理框图，系统包括计算机和ARM运动控制器内相关程序软件模块及系统运行所需要的相关硬件装置。计算机内程序软件模块包括系统參数设置、图像采集与显示、摄像头运动參数设置及操作、摄像头运动參数通讯传输模块；ARM运动控制器中主要包括控制參数接受通讯模块、控制算法模块、数据采集模块、电机驱动控制模块。相关硬件装置包括计算机、ARM运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、CXD运动云台、CXD运动云台位置反馈装置(为光电编码器或位移传感器)、摄像头和图像采集卡。工作原理如下操作者通过点击运动參数设置及操作模块界面相动作按钮选择下列參数所要调整的摄像头，X、Y、Z轴，方向(上、下、前、后、左、右)，摄像头移动精确位移，并将这些參数传递给运动參数通讯传输模块按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包并解包并将摄像头移动距离及方向信号传输给控制算法模块，控制算法模块根据摄像头需移动距离及数据采集模块所采集的摄像头移动距离根据相应控制算法得出控制信号值，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动CCD运动云台带动摄像头完成相应运动，直到到达所要求位置。图10为疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集总体工作过程流程图，如图所示，系统总体工作过程为首先进行系统安装、參数设置、调试，系统安装包括被测试件、载荷控制系统及摄像头光源等图像采集系统的安装，參数设置主要包括镜头參数设置快门速度、光圈、物距、放大倍数及图像采集及显示參数设置，串ロ通讯參数、焦点初始搜索方向及步长，裂纹跟踪长度的设置。进行图像采集并显示，观测图像位置是否满足要求，如不满足要求，进行摄像头X、Z方向精调或粗调，至图像位置满足要求，观察所采集图像是否清晰，如图像不清晰，则需调整摄像头到试件表面的距离既物距使系统聚焦，可采用手动和自动两种聚焦方法，如采用手动聚焦方法，则需通过參数设置和操作相关动作按钮进行摄像头Y方向精调或粗调至系统聚焦，如采用自动聚焦方法，则只需点击界面上自动聚焦按钮，摄像头则自动进行运动调整至系统聚焦。所采集图像满足位置和清晰度要求后启动试验载 荷加载控制系统进行疲劳裂纹扩展试验，系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，通过图像处理软件进行疲劳裂纹扩展长度计算，当疲劳裂纹扩展到所设定长度，将此数据传输给摄像头运动控制器，控制摄像头精确跟踪裂纹扩展区域，继续进行图像采集、处理、计算裂纹扩展长度等试验直到裂纹扩展到所要求长度或试验完成。
权利要求
1.一种疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整裂纹图像采集系统，其特征在于包括裂纹图像成像及采集系统、摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统；其中， 裂纹图像成像及采集系统包括CCD摄像机、镜头，光源照明装置、摄像头安装支架和图像采集卡，CCD摄像机、镜头和光源照明装置安装在摄像头安装支架上组成裂纹图像成像单元，裂纹图像成像単元可安装在试件的一侧用以采集试件ー个表面的图像或在试件的两测均安装有裂纹图像成像単元采集试件两个表面的图像，图像采集卡与计算机相连； 摄像头位置调整装置包括步进电机、摄像头运动定位云台、运动控制器和步进电机驱动器，根据控制计算机发来的控制命令驱动摄像头定位云台带动摄像头到达所要求的位置； 计算机处理分析控制系统包括计算机和ARM运动控制器中的摄像头自动调整图像采集模块，计算机中包括系统參数设置、图像采集与显示、图像处理模块、摄像头运动模块、摄像头聚焦点捜索模块及数据库，所述摄像头自动调整图像采集模块包括控制參数接受通讯単元、控制算法単元、电机驱动控制単元和数据采集単元。
2.如权利要求I所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，其特征在于所采用CXD为高速面阵黑白CXD摄像头，试件裂纹图像通过ー个或两个面阵CXD采集，ー个CCD采集试件ー个表面的裂纹图像；所述摄像头的镜头为定焦镜头、显微变焦放大镜头或微距镜头；光源采用环形光源或矩形光源，双摄像头拍摄裂纹双面图像时定制疲劳裂纹扩展试验专用光源改变裂缝处LED灯的照明方向或相对裂缝处不安装LED灯； 所述图像采集卡为多通道，至少两个通道的高分辨率图像采集卡，图像采集卡通过PCI扩展槽与计算机相连。
3.如权利要求I所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，其特征在于所述摄像头运动定位云台驱动摄像头实现在X、Y、Z三方向高精度直线运动，由X轴摄像头运动机构、Y轴摄像头运动机构和Z轴摄像头运动机构、摄像头运动平台底座控制箱组成，底座控制箱内安装有ARM运动控制器和步进电机驱动器； 摄像头x、y、z方向的运动均由步进电机驱动滚珠丝杠导轨机构来实现,摄像头X轴方向的移动可实现试验过程中裂纹扩展的高精度自动跟踪，采用高度细分的步进电机驱动高精度的滚珠丝杠导轨机构来实现，并采用高精度位移传感器进行移动位移的測量，将此测量值反馈到ARM嵌入式运动控制器内，形成对摄像头X轴移动位移高精度闭环控制；摄像头Y轴方向的移动可实现摄像头的手动和自动聚焦，可为开环控制，也可采用光电编码器实现驱动步进电机转动步数控制，通过Y轴高精度滚珠丝杠导轨机构的传动，实现Y轴方向的移动位移的控制；摄像头Z轴方向的移动为开环控制； X、Y、Z摄像头运动机构上均安装有行程开关，每个驱动轴上安装两对行程开关，来实现摄像头左、右、上、下、前、后移动位置的限制，行程开关与ARM运动控制器相应接ロ相连，ARM运动控制器收到行程开关发来的信号后控制步进电机。
4.如权利要求3所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，其特征在于所述摄像头云台X、Y轴运动机构为单摄像头运动机构或双摄像头运动机构，由X轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、Y轴步进电机驱动的滚珠丝杠直线导轨滑块机构、摄像头组件及用来测量摄像头移动位移的位移传感器和行程限位开关组成； 单摄像头运动机构由Y轴驱动步进电机、直线导轨、滑块机构组件和X轴驱动步进电机、直线导轨、滑块机构组件及摄像头组件组成，Y轴运动机构安装在X轴滑块机构组件上，摄像头组件安装在Y轴滑块机构上或X轴运动机构安装在Y轴滑块机构组件上，摄像头组件安装在X轴滑块机构上；双摄像头运动机构为两个Y轴运动机构安装在X轴滑块机构组件上，两个摄像头组件分别安装在两个Y轴滑块机构上； 摄像头运动定位云台Z轴摄像头运动机构由工作台、套筒、滑块、滑块连接板导杆、滚珠丝杠、驱动步进电机和光电编码器、顶端定位盘、行程开关、摄像头运动平台底座箱组成，步进电机通过连轴节与滚珠丝杠相连安装在底座箱上，步进电机驱动滚珠丝杠转动，滑块及滑块连接板随着滚珠丝杠的转动沿导杆的方向实现垂直方向的运动，从而带动和滑块连接板固连的套筒和工作台一起进行垂直方向的运动，工作台上安装有X轴、Y轴摄像头运动机构及安装在其上的摄像头安装支架，这样摄像头既可实现Z轴垂直方向的位置调整。
5.如权利要求3所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，其特征在于所述摄像头运动定位云台X、Y、Z三方向的运动是通过控制计算机发送控制命令给ARM运动控制器，运动控制器通过步进电机驱动器来驱动步进电机转动来实现的，摄像头X、Y方向的运动即可实现开环控制又可实现闭环位置精确控制； 运动控制器为基于ARM技术的嵌入式运动控制器，内嵌有电机运动控制算法软件及通讯管理软件，运动控制器和计算机进行通讯传输控制命令；运动控制器由ARM微处理器、数据采集模块、电源电路、复位和时钟电路、存储器电路、JTAG仿真调试接ロ电路、按键输入电路、限位开关接ロ电路、光电编码器接ロ电路、串ロ通信电路以及电机控制接ロ电路组成，光电编码器接ロ电路设计为可接受三路光电编码器信号，用来接受摄像头云台Y轴、Z轴两路光电编码器信号；数据采集模块用来采集摄像头云台X轴方向移动位移信号并将其转换为数字信号，与X轴位移传感器相连，电机控制接ロ电路与X轴、Y轴、Z轴步进电机驱动器相连，步进电机驱动器与所控制的步进电机相连。
6.如权利要求I所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统，其特征在于所述计算机处理分析控制系统中，图像处理模块用于完成裂纹扩展过程中裂纹扩展长度的计算和自动聚焦过程中图像清晰度的判别；摄像头聚焦点捜索模块用以进行焦点捜索方向及距离的计算；运动控制软件模块包括摄像头运动參数设置及控制界面模块和运动參数通讯模块，其中运动參数设置及控制界面模块用以设置摄像头运动參数及提供摄像头手动调整时的操作界面，运动參数通讯模块用以接受裂纹扩展长度或焦点捜索方向及距离或运动參数设置及控制界面模块发送过来的摄像头手动调整距离，并将这些数据传输给ARM运动控制器运动控制參数接受通讯模块，根据所接受数据或由ARM运动控制器中步进电机相应闭环控制算法计算输出控制量，将该控制量传递给步进电机驱动控制模块形成闭环控制，或将数据直接传递给步进电机驱动控制模块，电机驱动控制模块将相应控制信号发送给步进电机驱动器控制步进电机完成相应运动，ARM运动控制器数据采集模块采集摄像头X轴位移信号、Z轴和Y轴光电编码器信号及X轴、Z轴和Y轴限位开关信号，X轴位移信号、Z轴和Y轴光电编码器信号传输给控制算法模块根据相应算法形成X轴、Y轴、Z轴闭环运动控制，限位开关信号则直接发送给电机驱动控制模块，所述数据库用来保存系统设置參数及裂纹试件图像及长度等实时数据。
7.—种如权利要求I所述的疲劳裂纹扩展试验摄像头调整裂纹图像采集系统实现的采集方法，其特征在干由计算机发送摄像头移动方式及距离的控制信号给摄像头运动控制器，摄像头运动控制器根据所接受命令选择步进电机控制方式，发送控制指令控制摄像头运动定位云台运动，图像采集系统实时采集摄像头位置调整过程中的图像并传输给计算机，计算机对所采集图像进行显示和处理，由试验者通过计算机屏幕观测图像或计算机图像处理软件自动判别所采集图像是否达到要求或设定采集图像的位置，如不满足则继续上述过程，金属疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整图像采集方式包括实验开始前的摄像头位置手动粗调和精调图像采集、摄像头自动聚焦过程图像采集及试验进行过程中疲劳裂纹扩展摄像头跟踪定位米集。
8.如权利要求7所述的采集方法，其特征在于所述疲劳裂纹扩展摄像头跟踪定位采集过程如下系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，裂纹图像经过软件处理、分析后计算出裂纹长度并通过计算机实时显示，疲劳裂纹扩展到达设定长度后计算机通过数据通讯接ロ将裂纹扩展数据发送给摄像头运动控制器，运动控制器控制摄像头运动定位云台移动所要求距离，并精确定位后采集相应位置的裂纹图像，不断循环到试验结束。
9.如权利要求8所述的采集方法，其特征在于疲劳裂纹扩展摄像头跟踪定位过程如下所述摄像头X轴运动位移闭环控制采用模糊PID控制算法，模糊自适应PID控制以摄像头X轴位移偏差e和它的变化率ec作为输入，根据不同时刻的e和ec对PID參数自整定的要求，用模糊控制规则在线对PID參数进行调整，模糊PID控制器的实现是先找出PID控制器的比例ΛΚΡ、积分Λ K1、微分Λ Kd三个參数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行过程中不断地检测偏差和偏差变化率，再根据特定的模糊规则，对PID的比例ΛΚΡ、积分AK1、微分AKd三个參数进行整定，PID在获取新的參数后，对控制对象输出控制量； 所述摄像头X轴运动位移模糊PID控制，选取三角形函数作为其模糊子集隶属函数，采用Mamdani方法进行模糊推理，输出量的反模糊化采用的是“重心法”，PID控制算法选用增量式PID控制算法。
10.如权利要求7所述的采集方法，其特征在于摄像头自动聚焦过程图像采集过程如下对安装好的带有预制裂纹的试件图像进行实时采集，通过图像处理软件进行处理图像区域划分和图像清晰度计算，通过图像处理软件进行处理图像区域划分和图像清晰度计算，根据图像的清晰度和焦点搜素算法得到焦点捜索方向和距离，将焦点捜索方向和距离及由系统參数设置模块所设置的焦点捜索初始步长按串ロ通讯协议组成摄像头运动控制数据包通过RS232串ロ通讯电缆传输给ARM运动控制器，控制器控制參数接受通讯模块接受此数据包解包并将摄像头移动距离、方向和步长传输给电机驱动控制模块，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机转动驱动CCD运动云台Y轴丝杠导轨机构带动摄像头完成Y方向相应运动直到搜寻到系统焦点； 图像清晰度判断方法采用改进了的灰度差分法作为图像的清晰度评价函数，公式为f(x, ν)=Σ {(/(^ y)—/O，ヌ—O)2 + (/ο,ァ)-/0 -1，V))2}； .Y，.V 焦点捜索算法采用自适应聚焦捜索算法，该算法可同时实现快速、精确、平滑的视频自动聚焦。自适应搜索算法的实现由3个步骤完成第一步初始方向捜索、第二步步长自适应调节、第三步聚焦判定。
11.如权利要求7所述的摄采集方法，其特征在于像头位置手动粗调和精调图像过程如下试验者通过计算机界面设置相应參数，操作界面上的动作按钮进行摄像头位置的粗调和精调。包括X、Z两个方向图像位置的调整和Y方向物距的调整，粗调指的是通过设定摄像头移动速度值(模糊的)进行摄像头位置连续调整，精调指的是在界面上设定摄像头移动的精确位移，发送给运动控制器，运动控制器控制摄像头运动定位云台进行X、Y方向运动的闭环控制。
12.如权利要求7所述的采集方法，其特征在于疲劳裂纹扩展试验摄像头自动跟踪图像采集过程如下首先进行系统安装、參数设置、调试，系统安装包括被测试件、载荷控制系统及摄像头光源等图像采集系统的安装，參数设置包括镜头參数设置快门速度、光圈、物距、放大倍数及图像采集及显示參数设置，串ロ通讯參数、焦点初始搜索方向及步长，裂纹跟踪长度的设置；进行图像采集并显示，观测图像位置是否满足要求，如不满足要求，进行摄像头X、Z方向精调或粗调，至图像位置满足要求，观察所采集图像是否清晰，如图像不清晰，则需调整摄像头到试件表面的距离既物距使系统聚焦，采用手动和自动两种聚焦方法，如采用手动聚焦方法，则需通过參数设置和操作相关动作按钮进行摄像头Y方向精调或粗调至系统聚焦，如采用自动聚焦方法，则只需点击界面上自动聚焦按钮，摄像头则自动进行运动调整至系统聚焦。所采集图像满足位置和清晰度要求后启动试验载荷加载控制系统进行疲劳裂纹扩展试验，系统按所设置好的图像采集与显示參数对疲劳试验过程中不断扩展的裂纹图像进行实时采集，通过图像处理软件进行疲劳裂纹扩展长度计算，当疲劳裂纹扩展到所设定长度，将此数据传输给摄像头运动控制器，控制摄像头精确跟踪裂纹扩展区域，继续进行图像采集、处理、计算裂纹扩展长度等试验直到裂纹扩展到所要求长度或试验完成。
全文摘要
一种疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整裂纹图像采集系统，包括裂纹图像成像及采集系统、摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统；其中，裂纹图像成像及采集系统包括CCD摄像机、镜头，光源照明装置、摄像头安装支架和图像采集卡，CCD摄像机、镜头和光源照明装置安装在摄像头安装支架上组成裂纹图像成像单元，图像采集卡与计算机相连；摄像头位置调整装置包括步进电机、摄像头运动定位云台、运动控制器和步进电机驱动器；计算机处理分析控制系统包括计算机和ARM运动控制器中的摄像头自动调整图像采集模块。以及一种疲劳裂纹扩展试验摄像头自动调整裂纹图像采集方法。本发明全自动化操作、控制精度高、实时性良好、减轻劳动强度。
文档编号H04N5/225GK102692347SQ20121014151
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者周寅, 裘信国, 钟建飞, 钱华荣, 陈蓓, 高红俐 申请人:浙江工业大学