专利名称：多路红外led靶点自适应亮度控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种多路红外LED靶点自适应亮度控制系统及其控制方法，属于视觉测量领域。
背景技术：
机器视觉测量技术由于具有快速、实时、灵活以及较高测量精度等优点，已越来越多地用于工业生产现场工件三维外形、基准特征空间坐标以及位置姿态的测量。相比被测物本身自然存在的点、线、面等特征，光学靶点容易提取，并且可以增加测量的距离，提高测量精度，所以使用安装在被测物上的光学靶点间接测量被测物的几何特征是一种行之有效的测
量方式。光学靶点成像光斑中心精确定位是视觉测量技术的重要基础和关键环节。经过试验论证，使用红外LED(Light Emitting Diode)作为光学靶点，并对光学靶点成像光斑中心进行高斯曲面拟合定位能够获得较高精度的靶点中心图像坐标。但该图像定位方法的前提是成像光斑呈稳定可靠的高斯分布。大视野范围内的视觉测量一般涉及多个上述LED光学靶点，且动态分布在距离相机几米到十几米的范围内，为保证光学靶点在大视野范围内的成像光斑均能都符合高斯定位算法的要求并使得各处靶点成像光斑分布一致以提高中心定位的稳定性，需要根据靶点在空间中的不同分布位置对LED靶点亮度进行自适应控制。目前，面向普通照明领域的LED亮度控制报道较多，但面向普通照明的控制方法和控制系统完全不适用于高精度视觉测量对于红外LED靶点亮度调节范围和调节精度的要求。红外LED靶点亮度调节方式主要有两类一类是利用A/D转换芯片改变驱动电压的方式调节流过红外LED持续电流的大小，该方法线性度好，但由于直接通过改变电流来调节亮度，会使得LED发出光线的色温漂移，影响发光质量；更重要的是，对于常用红外LED允许通过的持续电流一般不允许超过100mA，在进行远距离测量时，以许用的最大持续电流也无法调节出满足要求的LED亮度；同时，通过改变电压调节电流的电路拓扑结构较难实现同时控制多个红外LED的要求。另一类是采用多路LED驱动芯片通过PWM (Pulse Width Modulation)方式调节流过红外LED的平均电流大小，使用PWM方式独立调节每一个红外 LED的发光亮度，该方式下红外LED的驱动电压恒定，所以LED导通时的电流是一个定值，采用高频的脉冲信号控制LED的导通和关断，通过脉冲脉宽调制的方法调节导通和关断时间的比例来实现平均电流大小调节，该方法的优点是可实现同时控制多路红外LED的发光亮度、调节精度高，但受芯片总功率的限制，各路LED调光范围受到很大限制。
发明内容
本发明提出了一种多路红外LED靶点亮度自适应控制系统及其控制方法，解决了大视野视觉测量中光学靶点的亮度自适应控制问题。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
一种多路红外LED靶点自适应亮度控制系统，由上位机决策模块、通讯电路模块、光学靶点亮度控制电路模块通过通讯接口顺序连接而成，其中，上位机决策模块是由工业CCD 相机、图像采集卡和计算机分析决策单元双向顺序连接而成；通讯电路模块由主通讯电路和副通讯电路组成，主通讯电路和副通讯电路通过无线信号连接；光学靶点亮度控制电路模块由单片机控制单元、指示单元、多级电压切换单元、PWM发生器、推挽电路和红外LED组成，单片机控制单元分别与指示单元、多级电压切换单元和PWM发生器连接，多级电压切换单元与η条推挽电路连接，PWM发生器也与η条推挽电路连接，η为自然数，且每条推挽电路都与红外LED顺序连接。所述通讯电路模块有两种通讯模式有线和无线。所述推挽电路由PNP型三极管和NPN型三极管构成。多路红外LED靶点自适应亮度控制系统的控制方法，包括如下步骤
(1)以给定的初始值使光学靶点亮度控制电路模块和通讯电路模块处于工作状态，计算机分析决策单元对工业CCD相机采集到的图像进行分析，根据LED光斑过亮或过暗信息和中心定位精度结果决策出亮度调节参数，并将参数写入PWM发生器，调节各路输出PWM信号占空比，通过推挽电路作用到红外LED进行亮度控制后，进行下一次拍摄；
(2)上位机决策模块通过通讯接口RS232将控制信息传送到主通讯电路，控制信息包括测量开启、单路靶点调光、硬件正常工作检测、错误报警、给上位机反馈处理信息，主通讯电路根据通讯模式的不同将信号转换有线模式下将信号转换为抗干扰能力强、传输距离远的RS485差分信号，通过通讯接口传送到单片机控制单元；无线模式下则将信号转换为无线载波，副通讯电路接收无线载波后转换为RS485差分信号，通过通讯接口传送到单片机控制单元；
(3)单片机控制单元接收到控制信息后，对信息进行解析并执行相应的动作，若控制信息中有切换电压的决策命令，则单片机控制单元启动多级电压切换单元对“最大导通电流” 的大小进行切换；解析信息中包含的亮度调节参数，驱动PWM发生器按照上位机决策模块的要求，重新确定占空比大小的脉冲波形，并驱动推挽电路对各路红外LED的发光亮度进行独立自适应调节；
(4)单片机控制单元在执行命令中或者执行完命令后，反馈给上位机决策模块命令执行信号，每一条控制信息执行后都要反馈执行信号给上位机决策模块，使其始终掌握光学靶点亮度控制电路模块的工作状态以及命令是否正确执行，测量命令反馈的执行信息同时是工业CXD相机进行图像采集的触发信号。所述的光学靶点亮度控制电路模块采用PWM技术提供PWM占空比信号，设计由PNP 型三极管和NPN型三极管构成的推挽电路作为红外LED的直接驱动，PWM信号通过推挽电路间接对LED靶点进行调光，在推挽电路输入端增加多级电压切换单元以改变通过LED的最大导通电流，从而改善LED亮度调节精度，提高调节范围，以单片机控制单元作为响应上位机决策模块，由单片机控制单元解析上位机决策模块的各种命令，并驱动光学靶点亮度控制电路模块执行决策命令。在上位机决策模块端，设计一组含有多个亮度等级的调节参数表，按调节亮度从小到大顺序将参数表设计成先密后疏的非均勻散列形式，以满足近距离调光精度和远距离调光范围的要求；计算机分析决策单元根据靶点定位分析结果得出的LED过亮或过暗信息，在调节参数表中采用二分搜索或惯性搜索等策略，决策出适合的调节参数，经由单片机控制单元发送给PWM发生器产生相应占空比的PWM，进行LED自适应调节，直至满足定位精度要求或者通知单片机控制单元的指示单元给出调节失效信号。
上位机决策模块通过通讯电路模块给单片机控制单元发送控制命令，并触发单片机控制单元产生中断；单片机控制单元在中断程序中，按控制命令的传输协议，接收上位机决策模块发送过来的数据，并对数据进行校验；若数据满足协议要求，则根据命令的具体内容由单片机控制单元完成各项控制，包括测量开启、单路靶点调光、硬件正常工作检测、错误报警、给上位机决策模块反馈处理信息；在单片机控制单元完成一次控制操作后，对相关寄存器置位或清零，并等待下一次的上位机决策模块的决策信息。本发明的有益效果如下
本发明可实现LED工作电流在几毫安到几百毫安间的调节，并可保证近距离测量下的 LED调节精度和远距离测量下的LED调节范围均满足要求，很好地解决了大视野视觉测量中光学靶点的亮度自适应控制问题。本发明对于以红外发光LED为目标靶点的高精度视觉动态跟踪、检测、定位等有重要意义。
图1是多路红外LED靶点自适应亮度控制系统组成结构图。图2是推挽电路原理图。图3是单片机控制单元的控制流程图。图4是上位机决策模块中计算机分析决策单元分析决策流程图。图5是本发明中光学靶点亮度控制电路模块原理图。图6是本发明中通讯电路模块的原理图。图7是本发明中副通讯电路的原理图。图8是本发明中1. 5米一10米范围内靶点成像光斑分布图。图9是本发明中不同距离光斑中心灰度分布统计结果。图10是本发明中最大导通电流为70mA下的电流可调等级表。图11是本发明中最大导通电流为200mA下的电流可调等级表。具体实施例
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。本发明的控制系统结构如图1所示，由上位机决策模块、通讯电路模块、光学靶点亮度控制电路模块通过通讯接口顺序连接而成，其中，上位机决策模块是由工业CCD相机、 图像采集卡和计算机分析决策单元双向顺序连接而成；通讯电路模块由主通讯电路和副通讯电路组成，主通讯电路和副通讯电路通过无线信号连接；光学靶点亮度控制电路模块由单片机控制单元、指示单元、多级电压切换单元、PWM发生器、推挽电路和红外LED组成，单片机控制单元分别与指示单元、多级电压切换单元和PWM发生器连接，多级电压切换单元与η条推挽电路连接，PWM发生器也与η条推挽电路连接，η为自然数，且每条推挽电路都与红外LED顺序连接。本发明中LED靶点亮度自适应控制方法详细说明如下
(1)采用PNP型三极管和NPN型三极管构成推挽电路直接驱动红外LED，而PWM发生器通过推挽电路间接对LED靶点进行调光。这样既可以实现PWM调光功能，又可以通过推挽电路增加LED的驱动功率，可实现LED靶点在较大范围的多级别动态调光。推挽电路如图 2所示。(2)为同时满足较近测量距离下的调光精度和较远距离下的调光范围的要求，在推挽电路电源输入端增加多级电压切换单元。远距离测量时，自动切换到大驱动电压以满足红外LED调光范围要求，近距离测量时，则切换到小驱动电压以使亮度调节精度得到满足。(3)以单片机控制单元作为响应上位机决策模块的控制核心单元。在上位机决策模块和单片机控制单元之间制定了每条控制命令的传输协议，包括数据格式、数据量以及校验方式等。上位机决策模块通过通讯接口给单片机控制单元发送控制命令，并触发单片机控制单元产生中断；单片机控制单元在中断程序中，按控制命令的传输协议，接收上位机决策模块发送过来的数据，并对数据进行校验。若数据满足协议要求，则根据命令的具体内容由单片机控制单元完成各项控制，包括测量开启、单路靶点调光、硬件正常工作检测、错误报警、给上位机决策模块反馈处理信息等；在单片机控制单元完成一次控制操作后，对相关寄存器置位或清零，并等待下一次的上位机决策模块的决策信息。图3为单片机控制单元的控制流程图。(4)在上位机决策模块端，根据分级电压算出的最大导通电流，设计了一组含有多个亮度等级的调节参数表。为适应近距离调光精度和远距离调光范围的要求，按调节亮度从小到大顺序将参数表设计成先密后疏的非均勻散列形式。计算机分析决策单元根据靶点定位分析结果得出的LED过亮或过暗信息，在调节参数表中采用二分搜索或惯性搜索等策略，决策出适合的调节参数，经由单片机控制单元发送给PWM发生器产生相应占空比的 PWM，进行红外LED自适应调节，直至满足定位精度要求或者通知单片机控制单元的指示单元给出调节失效信号。图4为上位机机决策模块计算机分析决策单元分析决策流程图。图1中的单片机控制单元使用微控制器PIC16F873A，PWM发生器采用LED驱动芯片MAX6964，以PNP型三极管S8050和NPN型三极管S8550构成推挽电路。采用Honeywell 公司生产的SE3470型红外发光二极管作为视觉测量中的特征靶点。光学靶点亮度控制电路模块原理图如图5所示，采用大小两级电压切换方式，设计通过LED最大导通电流在70mA用于近距离精确亮度调节，最大导通电流在200mA用于远距离大范围调节。因此，将推挽电路接50Ω的上拉电阻后，接HK4100F-DC5V-5H型继电器。继电器两端分别接5V直流电源和12V直流电源，并通过开关三极管2N3906和TLP512 光电隔离器，接到单片机的I/O控制口。单片机控制单元根据上位机决策模块的决策，对继电器进行控制，以切换加载在推挽电路上的工作电压，从而改变最大导通电流大小。根据 MAX6964输出端口特点，将MAX6964输出端口通过IOk Ω上拉电阻接5V直流电源，并经由 74!10)4型反相器及3.651^0限流电阻后，接到推挽电路，用于调节通过LED的平均电流。通过PIC单片机和MAX6964芯片的I2C串行接口，结合上述的推挽电路和继电器控制完成对各路LED亮度的独立调节控制。通讯电路模块的原理图如图6所示。可使用有线和无线两种数据传递方式。数据发送时，首先使用MAX232芯片将计算机分析决策单元通过自身RS232通讯接口传递的数据转换为两路TTL电平信号，一路信号经过光电隔离后，通过MAX490芯片转换为差分信号，由 RS485接口有线发送将数据传递到单片机控制单元，另一路经过74HC04型反相器提升负载能力后接入无线收发接口，在该接口连接上无线收发器可以无线方式将数据传递到副通讯电路。数据接收时，有线模式下，单片机控制单元发送给计算机分析决策单元的数据以差分信号通过RS485接口传递到主通讯电路后，使用MAX490芯片转换为TTL电平信号，电平信号经过TLP512光电隔离器后接入MAX232芯片进行电平转换后通过RS232通讯接口传递给计算机分析决策单元；无线模式下，无线收发器接收到数据后，从输出口按串行协议以TTL 电平信号发送数据，经过反相器增加负载能力，并通过MAX232芯片电平转换后，通过RS232 通讯接口传递给计算机分析决策单元。副通讯电路如图7所示。其工作在无线模式，使用CCllOO型无线收发器和MAX490 芯片实现TTL电平信号与差分信号的相互转换，使用TLP512光电耦合器进行光电隔离，配合工作在无线模式下主通讯电路实现无线模式通讯功能。在上位机决策模块端，按照70mA和200mA的最大导通电流，本实施例设计了一组含有50个亮度等级的调节参数表，参数表设计成先密后疏的非均勻散列形式。根据LED光斑定位分析结果，采用二分搜索策略，若LED过亮，则以参数表头和当前的调节参数作为搜索域的上下限，若LED过暗，则以当前的调节参数和参数表尾作为搜索域的上下限，以搜索区域的中值作为下一个调节参数，经由单片机控制单元发送给MAX6964进行LED自适应调节，直至满足定位精度要求。靶点定位算法要求靶点成像光斑在大视野的测量范围内分布一致。图8给出在 1. 5-10米范围内靶点成像光斑分布；从图中可见不同距离下光斑分布一致性程度高。光斑的中心亮度稳定是靶点定位算法的又一重要要求。在1. 5-10米范围内分别取十个距离节点，每个距离节点上采集300张图像，对光斑中心亮度分布进行数理统计。图 9显示了四个不同距离下的光斑中心亮度分布统计结果。从图中可见，结果符合高斯随机分布，中心亮度稳定。图10和图11分别给出了最大导通电流为70mA (小功率)下和最大导通电流为 200mA (大功率)下的电流调节等级。从图中可见电流调节范围在0^9mA--140mA。满足在 1.5-10米范围内的调光要求。因此以本发明给出的方法可实现多路红外LED靶点的自适应调光，既可满足近距离的调光精度要求，又可满足远距离的调光范围要求。
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权利要求
1.一种多路红外LED靶点自适应亮度控制系统，其特征在于由上位机决策模块、通讯电路模块、光学靶点亮度控制电路模块通过通讯接口顺序连接而成，其中，上位机决策模块是由工业CCD相机、图像采集卡和计算机分析决策单元双向顺序连接而成；通讯电路模块由主通讯电路和副通讯电路组成，主通讯电路和副通讯电路通过无线信号连接；光学靶点亮度控制电路模块由单片机控制单元、指示单元、多级电压切换单元、PWM发生器、推挽电路和红外LED组成，单片机控制单元分别与指示单元、多级电压切换单元和PWM发生器连接， 多级电压切换单元与η条推挽电路连接，PWM发生器也与η条推挽电路连接，η为自然数，且每条推挽电路都与红外LED顺序连接。
2.根据权利要求1所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统，其特征在于所述通讯电路模块有两种通讯模式有线和无线。
3.根据权利要求1所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统，其特征在于所述推挽电路由PNP型三极管和NPN型三极管构成。
4.一种应用于权利要求1所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统的控制方法， 其特征在于，包括如下步骤(1)以给定的初始值使光学靶点亮度控制电路模块和通讯电路模块处于工作状态，计算机分析决策单元对工业CCD相机采集到的图像进行分析，根据LED光斑过亮或过暗信息和中心定位精度结果决策出亮度调节参数，并将参数写入PWM发生器，调节各路输出PWM信号占空比，通过推挽电路作用到红外LED进行亮度控制后，进行下一次拍摄；(2)上位机决策模块通过通讯接口RS232将控制信息传送到主通讯电路，控制信息包括测量开启、单路靶点调光、硬件正常工作检测、错误报警、给上位机反馈处理信息，主通讯电路根据通讯模式的不同将信号转换有线模式下将信号转换为抗干扰能力强、传输距离远的RS485差分信号，通过通讯接口传送到单片机控制单元；无线模式下则将信号转换为无线载波，副通讯电路接收无线载波后转换为RS485差分信号，通过通讯接口传送到单片机控制单元；(3)单片机控制单元接收到控制信息后，对信息进行解析并执行相应的动作，若控制信息中有切换电压的决策命令，则单片机控制单元启动多级电压切换单元对“最大导通电流” 的大小进行切换；解析信息中包含的亮度调节参数，驱动PWM发生器按照上位机决策模块的要求，重新确定占空比大小的脉冲波形，并驱动推挽电路对各路红外LED的发光亮度进行独立自适应调节；(4)单片机控制单元在执行命令中或者执行完命令后，反馈给上位机决策模块命令执行信号，每一条控制信息执行后都要反馈执行信号给上位机决策模块，使其始终掌握光学靶点亮度控制电路模块的工作状态以及命令是否正确执行，测量命令反馈的执行信息同时是工业CXD相机进行图像采集的触发信号。
5.根据权利要求4所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统的控制方法，其特征在于，光学靶点亮度控制电路模块采用PWM技术提供PWM占空比信号，设计由PNP型三极管和NPN型三极管构成的推挽电路作为红外LED的直接驱动，PWM信号通过推挽电路间接对 LED靶点进行调光，在推挽电路输入端增加多级电压切换单元以改变通过LED的最大导通电流，从而改善LED亮度调节精度，提高调节范围，以单片机控制单元作为响应上位机决策模块，由单片机控制单元解析上位机决策模块的各种命令，并驱动光学靶点亮度控制电路模块执行决策命令。
6.根据权利要求4所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统的控制方法，其特征在于在上位机决策模块端，设计一组含有多个亮度等级的调节参数表，按调节亮度从小到大顺序将参数表设计成先密后疏的非均勻散列形式，以满足近距离调光精度和远距离调光范围的要求；计算机分析决策单元根据靶点定位分析结果得出的LED过亮或过暗信息，在调节参数表中采用二分搜索或惯性搜索等策略，决策出适合的调节参数，经由单片机控制单元发送给PWM发生器产生相应占空比的PWM，进行LED自适应调节，直至满足定位精度要求或者通知单片机控制单元的指示单元给出调节失效信号。
7.根据权利要求4所述的多路红外LED靶点自适应亮度控制系统的控制方法，其特征在于上位机决策模块通过通讯电路模块给单片机控制单元发送控制命令，并触发单片机控制单元产生中断；单片机控制单元在中断程序中，按控制命令的传输协议，接收上位机决策模块发送过来的数据，并对数据进行校验；若数据满足协议要求，则根据命令的具体内容由单片机控制单元完成各项控制，包括测量开启、单路靶点调光、硬件正常工作检测、错误报警、给上位机决策模块反馈处理信息；在单片机控制单元完成一次控制操作后，对相关寄存器置位或清零，并等待下一次的上位机决策模块的决策信息。
全文摘要
本发明公开了一种多路红外LED靶点自适应亮度控制系统及其控制方法，属于视觉测量领域。该系统包括上位机决策模块、通讯电路模块、光学靶点亮度控制电路模块，其中，光学靶点亮度控制电路模块由单片机控制单元、指示单元、多级电压切换单元、PWM发生器、推挽电路和红外LED组成。所述推挽电路由PNP型三极管和NPN型三极管构成。本发明可实现LED工作电流在几个毫安到几百毫安之间的动态调节，解决了大视野视觉测量中光学靶点的亮度控制问题，对于以红外发光LED为目标靶点的高精度视觉动态跟踪、检测、定位等有重要意义。
文档编号H05B37/02GK102548156SQ20121004350
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者冯新星, 叶南, 张丽艳, 李铁林, 杨博文 申请人:南京航空航天大学