专利名称：基于线阵ccd序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种基于线阵CCD序列激光图像匹配相关 的直线位移测量装置。
背景技术：
在工业领域中的各行各业，精确的距离测量被大量应用，甚至成为某些领域中必不可少 的手段之一，尤其在机械加工领域，微小距离测量的准确性是产品质量最重要的保证之一。 因此高精度的测距仪是工业技术领域中关键的测量手段之一。
当前工业生产中常用的测距仪包括接触式和非接触式，对于运动物体的连续在线测量往 往采用非接触式的测距仪。常用的测距原理包括电容式、电感式、霍尔式、红外式、超声波 式和激光式等原理，构成了非常丰富的适用于各种场合的测距仪。上述的原理所设计的测距 仪都与被测物体的属性有关系，电感式、霍尔式需要被测物为金属物体，利用光学原理的需 要被测物具有很好的光反射性质等等。数控机床是现在机械加工业最主要的设备。数控机床 的控制系统分为开环、半闭环和闭环控制系统。加工精度最高、成本也最高的是闭环控制系 统，其位置的测量主要是通过光栅尺完成的，光栅尺价格昂贵，安装要求高，是造成闭环系 统的数控机床成本高的原因之一。 发明内容
本实用新型的目的就是为了解决目前采用闭环控制系统的数控机床其测量装置成本高， 安装复杂，使用不便等问题，提供一种具有结构简单，使用方便，成本低，测量精度高等优 点，它是基于图像识别技术的非接触高精度测距仪，该测距仪基本上适用于各种材质的物体 测量，可实现测量数控机床工作台的在线测量和信号反馈。通过该测距仪能够实现数控机床 位移信号的检测，并且安装简便，成本低，从该测距仪上扩展出反馈信号功能，从而能够和 数控系统相结合，实现成本低廉的闭环控制系统的数控机床。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案
一种基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，它由成像设备、数字图像 信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像 装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输 出端则与位移数据输出接口设备连接。
所述光源为激光光源。 所述摄像装置为CCD/CM0S图像传感器。 所述数字图像信号处理设备为DSP芯片。
所述位移数据输出接口设备为复杂可编程逻辑器件CPLD、 RS232或者RS485接口中的至 少一种。
本实用新型的位移测量原理为
光源通过设计的光路，照射到移动的被测物体，将所照射到的被测物体表面成像到 CCD/CM0S图像传感器上，当物体移动时，CCD/CM0S图像传感器得到多帧连续图案序列，图像 传感器上的每帧图像都离散化为像素点阵列组成的数字图像，通过数字信号处理器(DSP)对获 取的图片进行滤波、增强、恢复等图像预处理后，对前后两幅图片进行图像匹配相关分析，
可计算出相邻两幅图像相对移动的像素点个数，再根据己知的象素点间距即可得到相邻图像 的运动距离，在确定的光路系统中景物到图像的放大倍数是一定的，图像的位移量与物体的 移动量具有一一对应的关系，从而通过精确的图像分析即可以判断计算物体移动的方向以及 位移，利用前一幅图像和后一幅图像进行象素特征点对比，从而计算出物体移动的方向和距 离。
本实用新型的测距仪由三个主要的子系统组成成像设备、数字图像信号处理设备和位 移数据输出接口设备。
成像设备是测距仪的核心部分，也是决定测距仪性能和精度的主要系统，同时也是测距
仪上唯一一个光学系统。整个成像设备包括光源、光路组件和CCD/CM0S图像传感器。在成像 设备中的光源采用激光，利用激光作为光源的好处是可以通过更多的表面，因为激光是相干 光，几乎是单一的波长，所获得的影像是激光照射在物体表面所产生的干涉条纹而形成的光 斑点反射到传感器上获得的，而普通光源是通过照射粗糙的表面所产生的阴影来获得。因此 激光能对表面的图像产生更大的反差，从而使得CCD/CM0S图像传感器得到的图像更容易辨 别，提髙测距仪定位精准性。激光光源通过光学器件组成的光路照射到移动件表面，生成具 有较强对比度和分辨力的待采样物体表面形貌，影像通过光路组件投射在CCD/CMOS图像传 感器，将连续的图像在其坐标空间和性质空间都离散化为数字图像，它是照射物体表面形貌
的可视数字化表达。 一幅图像可以用一个一维数组/CO来表示，这里、表示1-D空间一个离
散坐标点的位置，而/0O则代表图像在点、处的颜色、亮度等属性。 一个1-D数字图像是由
像素点组成的属性值序列，它反映了一幅图像在一维空间中属性的分布模式，对于单色图像 而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0-255之间，0表示黑、255表示 白，其他值表示灰度， 一幅图像就是一个灰度值序列。
数字图像信号处理设备主要完成像元灰度数据的读取、滤波降噪预处理、图像匹配相关 分析、图像位移量及方向的计算判断。
位移数据输出接口设备的作用就是将DSP系统生成的位移信号通过不同的传输方式传送 出去。测量位移量可以脉冲输出，也可以通过RS232、 RS485、 SPI等数据总线接口方式传输 出去。要实现数控机床的闭环控制，将接口系统设计成位移信号反馈接口，输入到数控系统 控制单元的信号反馈接口上，实现数控系统的闭环控制。
本实用新型工作流程为
光源所发光通过光学器件组成的光路照射到被测物，从而生成对比度强烈的待采样影像， 影像通过光路组件在CCD/CM0S图像传感器上成像，并且将影像转换为矩阵电信号，该信号 传输给信号处理系统(DSP)，利用图像增强、图像特征匹配技术，将此影像与存储在上一周 期的影像进行对比分析，将移动数据计算出来发送出去，否则不进行任何处理，继续下一个 采样周期。
该测距方法对被测物体材质和纹理结构没有苛刻的要求，只要前后两幅图形有部分重叠 即可实现测量，这样大大扩大了测距范围。例如，试验中在镀铬的光亮圆柱导轨上仍可准确 测量激光测头的相对位移量。
本实用新型的有益效果是图形成像，精度高，随着核心部件的技术进步，该测距仪精 度也会提升；测量长度范围无限制；非接触式测量；应用范围广，对被测量材质纹理结构无 苛刻要求；安装简单；成本低、市场前景广阔。
图1为本实用新型的结构框图； 图2为接口扩展电路。
其中，1.光源，2. CCD/CM0S图像传感器，3. DSP芯片，4.位移数据输出接口设备。
具体实施方式
图1、图2中，该测距仪采用uPD35H71A高灵敏度5000bits CCD/CM0S图像传感器2作 为摄像装置，其有效像元5000bits,像元间距7um，有效像元总长度为35mm;高相应高灵敏 度；40MHz高速扫描响应峰值波长550訓。根据传感器特点，选择波长为550nm的激光作为光 源l。
根据"像元间距7um"这一特点可知，在正常情况下，物体移动7um距离，传感器才有 反馈，其灵敏度位7um。为提高精度，将被测影像通过光学透镜放大，放大影像长度为35mm， 即传感器有效像元总长度。假设被测影像放大10倍后，其放大后影像长度为传感器有效像元 总长度35mm，则物体移动0. 7um，传感器便有反馈，这样提高了测量距离的精度。CCD/CM0S 图像传感器2输出端与DSP芯片3组成的数字图像信号处理设备连接，DSP芯片3则与位移 数据输出接口设备4连接，位移数据输出接口设备4可以是复杂可编程逻辑器件CPLD、 RS232 或者RS485接口中的至少一种。
当被测物体上喷涂条码后，该测距仪可具有绝对位置测定和高精度增量位移量测量的双 重功能。所谓绝对式位置测定是相对于增量式而言的，增量式位移量测量通过对目标图像相 对移动的像素点数量进行计数来获得相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式位移 量测量在开机后须执行过参考点动作。绝对式测量以不同宽度，不同间距的线条将绝对位置 数据以编码形式直接制作到被测物体表面上，开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行 过参考点动作。绝对式与增量式测量方法相配合，用以进一步提高测距仪的精度与分辨率。
当线阵图像传感器釆用彩色线阵图像传感器后，同一点的目标图像可以获取红、绿、蓝 (R、 G、 B)三色元亮度属性，三元组的每个亮度值在0-255之间，0表示相应的基色在该像 素中不存在，255代表相应的基色在该像素中取最大值，这时每个像素用三个字节表示，即 在同一位置得到了三组亮度值序列，可获得更高的抗干扰能力。
该测距仪使用方法及其灵活，该测距仪采用非接触式测量，只要将测距仪放置被测物表 面并离开一段距离(光学成像系统的物距平面上)，即可连续测量物体移动位移。位置信号输 出可通过位移数据输出接口设备4扩展输出。
利用该测距仪进行距离测量，可分为两类被测物体运动测距仪固定和被测物固定测距 仪移动。测量值设为相对增量型，测量位移量可以脉冲输出，也可以通过RS232或者RS485 接口与计算机通讯，其他接口形式可通过CPLD自行扩展，以满足不同接口形式的需要，具有 很大的灵活性，便于计算机监控。输出结果还可以由数码管显示或者液晶显示。
权利要求1、一种基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，其特征是它由成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输出端则与位移数据输出接口设备连接。
2、 根据权利要求1所述的基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，其 特征是所述光源为激光光源。
3、 根据权利要求1所述的基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，其 特征是所述摄像装置为CCD/CMOS图像传感器。
4、 根据权利要求1所述的基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，其 特征是所述数字图像信号处理设备为DSP芯片。
5、 根据权利要求1所述的基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪，其 特征是所述位移数据输出接口设备为复杂可编程逻辑器件CPLD、 RS232或者RS485接口中 的至少一种。
专利摘要本实用新型公开了一种基于线阵CCD序列激光图像匹配相关的直线位移测距仪。它解决了目前采用闭环控制系统的数控机床其测量装置成本高，安装复杂，使用不便等问题，具有结构简单，使用方便，成本低，测量精度高等优点。其结构为它由成像设备、数字图像信号处理设备和位移数据输出接口设备组成；其中成像设备包括光源及相关光路组件和摄像装置组成，摄像装置输出端与数字图像信号处理设备输入端连接，数字图像信号处理设备输出端则与位移数据输出接口设备连接。
文档编号B23Q17/22GK201183204SQ20082001747
公开日2009年1月21日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者选 孙, 辉 张, 李国平, 娜 王, 艾长胜, 赵洪华 申请人:济南大学