CN109088302B - 激光输出能量的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光输出能量的控制方法及装置，用于控制激光轮廓仪扫描待测对象时的激光输出能量，该控制方法包括：在激光扫描过程中获取扫描在待测对象上的激光光斑图像数据；计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并保存各个扫描位置的所述实时激光强度数据；根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。本发明实施例可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

Description

激光输出能量的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及屏幕坐标校准应用技术领域，特别是涉及一种激光输出能量的控制方法及装置。

背景技术

2D激光轮廓扫描仪是一种线结构激光扫描的视觉系统，可以用于3D成像的测量，其原理是使用线状激光投影到物体表面，然后图像传感器接收激光光斑图像并完成测量过程。在激光轮廓扫描仪的使用过程中，会经常出现激光图像对比度的变化问题，如测量表面材质、表面的曲率和倾斜角都会导致激光接收能量的变化，导致测量数据不稳定。

目前，有些商业化的激光轮廓扫描仪，例如日本Keyence公司的LG-G5000系列激光轮廓度测量仪，虽然实现了激光光斑的能量调整，可以实现针对不同材质的物体改变激光能量，但是它们都是属于静态的激光能量调整，需要在扫描开始前预先设定激光输出能量，而不具备在扫描过程根据激光光斑图像的实际情况，实时动态地改变激光输出能量的功能。因此，在使用现有的激光测量装置针对不同测量对象时，需要预先设置激光强度，利用人工调节按钮或者软件调节方式设置激光强度，并没有将激光实时动态调整用到测量过程，不能解决测量物体出现较大的形状变化或者材料特性变化的测量问题，测量结果会产生较大的计算误差。

发明内容

本发明实施例提供一种激光输出能量的控制方法及装置，以解决现有技术中，在使用现有的激光测量装置针对不同测量对象时，需要预先设置激光强度，无法做到实时动态调整激光输出能量，不能解决测量物体出现较大的形状变化或者材料特性变化的测量问题，进而时测量结果产生较大的计算误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的第一技术方案如下：

一种激光输出能量的控制方法，用于控制激光轮廓仪扫描待测对象时的激光输出能量，其包括以下步骤：在激光扫描过程中获取扫描在待测对象上的激光光斑图像数据；计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并保存各个扫描位置的所述实时激光强度数据；根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的第二技术方案如下：

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被执行时实现如上述的激光输出能量的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的第三技术方案如下：

本发明实施例又提供了一种计算机设备，其包括处理器、存储器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述的激光输出能量的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的第四技术方案如下：

一种激光输出能量的控制系统，其包括：FPGA可编程阵列器件，用于计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据；PWM脉冲发生器，设于所述FPGA可编程阵列器件内部，用于产生PWM脉冲；脉冲宽度调制电路，用于根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，调制对应的PWM脉冲宽度参数的电流流量。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例通过计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并根据该实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

附图说明

图1是本发明实施例一的激光输出能量的控制方法一实施方式的实施流程图；

图2是本发明实施例的一种计算机可读存储介质一实施方式的部分框架示意图；

图3是本发明实施例的一种计算机设备一实施方式的部分框架示意图；

图4是本发明实施例的一种激光输出能量的控制系统一实施方式的部分框架示意图。

具体实施方式

实施例一

请参考图1，图1是本发明实施例的激光输出能量的控制方法的实施流程图,结合图1可以得到，本发明实施例的一种激光输出能量的控制方法，用于控制激光轮廓仪扫描待测对象时的激光输出能量，其包括以下步骤：

步骤S101：在激光扫描过程中获取扫描在待测对象上的激光光斑图像数据。

在本步骤中，可选地，通过图像传感器(如COMS传感器)获取扫描在待测对象上的激光光斑图像数据。

步骤S102：计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并保存各个扫描位置的所述实时激光强度数据。

在本步骤中，可选地，所述根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，包括：

第一，根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，计算出对应的PWM脉冲宽度参数。其中PWM为pulse width modulation，即脉冲宽度调制。

第二，根据对应的所述PWM脉冲宽度参数实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

步骤S103：根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

在本步骤，可选地，所述根据对应的所述PWM脉冲宽度参数实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，具体包括：

第一，实时获取对应的所述PWM脉冲宽度参数相对应的驱动电流数据。

第二，根据所述驱动电流数据实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

在本实施例中，可选地，所述计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，具体包括：

在激光扫描过程中使用FPGA可编程阵列器件计算出激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据。

FPGA(Field－Programmable GateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在本实施例中，可选地，所述使用FPGA可编程阵列器件计算出激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，具体包括：

第一，使用FPGA可编程阵列器件捕捉COMS传感器接收的当前帧激光光斑图像的数据，计算出该当前帧的激光光斑图像的灰度平均值，并将其作为当前帧的灰度值测量数据进行存储。

第二，根据当前帧的激光图像的所述灰度平均值和之前帧的灰度平均值得到各个扫描位置的所述实时激光强度数据。

在本实施例中，可选地，所述根据当前的所述灰度平均值和之前的灰度平均值得到各个扫描位置的所述实时激光强度数据，具体包括：

将当前的所述灰度平均值和之前的灰度平均值共同输入卡尔曼滤波器进行计算，以得出所述实时激光强度数据。

在本实施例中，可选地，实时激光强度数据计算方法阐述如下：

第一，自上而下按列扫描图像，按照自左而右方向移动扫描列的位置；第二，当在某列L1遇到像素阈值大于阈值T的时，记录下像素坐标(x1,y1)；第三，当遇到像素阈值小于阈值T时候记录像素坐标(x2,y2)；第四，计算像素坐标(x1,y1),(x2,y2)之间的像素数目，若像素数目A小于阈值T2，则记录像素数目A作为有效激光光斑点数和灰度值,存储到一个数组B中，此处T2是激光线宽的上限，大于T2宽度的光斑一般是干扰图像，忽略不计；第五，当扫描完全部图像像素，将数组B中数值累加作为激光图像的能量测量值P。由于计算误差的存在，激光图像的能量测量值直接按照当前帧计算输出可能会有跳动，因此本发明实施例使用了一种预测算法来处理这个问题，该预测算法如下所述：

在本实施例中，可选地，所述将当前的所述灰度平均值和之前的灰度平均值共同输入卡尔曼滤波器进行计算，以得出所述实时激光强度数据，具体包括：

第一，设当前帧激光图像的能量测量值为Pn，在Pn之前的若干帧激光图像的能量测量值为Pn-1，Pn-2，Pn-3，...，Pn-k，设置如下的公式(1)：

aX+bY+c＝0 (1)。

第二，计算出公式(1)的系数a，b和c，然后根据如下的方程(2)算出当前的激光图像能量的预测值P_n'：

P_n'＝(－c－a*t₀)/b (2)。

第三，使用所述预测值P_n'和当前帧激光图像的能量测量值，按照如下的公式(3)计算出P值，其中P为当前帧激光图像能量的目标输出值：

P＝(P_n+P_n')/2 (3)。

在本实施例中，可选地，k为自然数且k≠1，X为单位间隔的时间序列{t₀-Δt，t₀-2Δt，t₀-3Δt，...，t₀-kΔt}，t₀是当前时间点，Y是对应t₀之前时刻的各个激光图像能量值{P_n-1，P_n-2，P_n-3，...，P_n-k}。

在本实施例中，可选地，通过最小二乘法计算出公式(1)的系数a，b和c。其中，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合，其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

在本实施例中，可选地，将序列激光能量测量值输入卡尔曼滤波器，获得激光能量计算值，卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼(Kalman)提出的用于时变线性系统的递归滤波器，这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。

本发明实施例通过计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并根据该实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

实施例二

请参阅图2，参考图2可以看到，本发明实施例的一种计算机可读存储介质10，所述的计算机可读存储介质10，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等，其上存储有计算机程序11，所述计算机程序11被执行时实现如实施例一所述的激光输出能量的控制方法。由于该激光输出能量的控制方法已经在实施例一进行了详细的说明，在此不再重复说明。

本发明实施例实现的激光输出能量的控制方法，通过计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并根据该实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

实施例三

请参阅图3，参考图3可以看到，本发明实施例的一种计算机设备20，其包括处理器21、存储器22及存储于所述存储器22上并可在所述处理器21上运行的计算机程序221，所述处理器21执行所述计算机程序221时实现如实施例一所述的激光输出能量的控制方法。由于该激光输出能量的控制方法已经在实施例一中进行了详细的说明，在此不再重复说明。

本发明实施例实现的激光输出能量的控制方法，通过计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并根据该实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

实施例四

请参阅图4，图4是本发明实施例的一种激光输出能量的控制系统100一实施方式的部分框架示意图，结合图4可以得到，本发明实施例的一种激光输出能量的控制系统100，其包括：

FPGA可编程阵列器件110，用于计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据。

PWM脉冲发生器111，设于所述FPGA可编程阵列器件110内部，用于产生PWM脉冲。

脉冲宽度调制电路120，用于根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，调制对应的PWM脉冲宽度参数的电流流量。

电流驱动调制电路130，用于根据对应的PWM脉冲宽度参数来驱动和调制电流的输出强度。

在本实施例中，具体地，FPGA可编程阵列器件110控制PWM脉冲发生器111脉冲的发生，FPGA可编程阵列器件110输出PWM信号波形在固定的周期时间内包含高电平和低电平。PWM脉冲发生器111根据激光图像能量的大小控制PWM脉冲宽度的大小，当激光图像能量增大时，减小脉冲宽度，当激光图像能量减小时候，增大脉冲宽度。PWM信号经过一个低通滤波RC电路即可形成一个模拟信号，此低通滤波RC电路即为一个DA转换器，DA转换器是将数字量转换为模拟量的电路，DA中的A指模拟信号，D指数字信号，主要用于数据传输系统、自动测试设备、医疗信息处理、电视信号的数字化、图像信号的处理和识别、数字通信和语音信息处理等，此DA转换器电路成本低可靠性好。

在实际中，直接使用FPGA可编程阵列器件110输出的PWM信号进行DA转换，会产生一些问题，包括直流分量的影响以及数字输出和模拟电路之间互相干扰的问题，因此在FPGA可编程阵列器件110输出PWM信号后需要增加一个光电耦合器，过滤直流分量和模拟数字部分之间的隔离。光耦输出的信号经过低通滤波RC电路之后，进入一个射级跟随器进行输入阻抗调整，然后射级放大器输出和激光器电路的反馈信号一起输入到差分放大电路，差分放大电路的输出经过PI(比例积分电路)后接入到到一个PWM振荡器芯片控制引脚，PWM振荡器串联一个高频开关变压器，形成可控DC-DC电路，DC-DC输出电路串联半导体激光器LD，形成激光器的主供电回路，在主供电回路放置反馈电阻Rs，Rs上取得的电压值作为激光器电流大小的反馈信号，同时激光器内部的光电二极管PD的输出光强反馈信号输入到一个AD芯片，FPGA可编程阵列器件110读出AD信号的数值作为光强反馈值。光强反馈值和PWM输出的设定值进行差分运算获得调节偏差，调节偏差输入PID(Packet Identifier)环节获得控制量，从而实现恒功率控制。

在本实施例中，脉冲宽度调制电路120由LM324运算放大芯片搭建，LM324运算放大芯片包含4个运算放大器ABCD，其中A和B用于三角波发生电路，C用于比较器。输入的能量反馈信号和三角波波形进行比较,比较后产生脉冲宽度可变的数字信号PWM输入，本发明实施例的PWM输入信号频率设置为20KHz，FPGA内部使用高速逻辑电路将信号读出，读出电路的时钟信号采用40MHz，理论模拟量到数字量转换精度可以达到千分之0.5，可以满足激光能量反馈能量数字化要求。激光能量反馈PWM波形信号进入FPGA可编程阵列器件110后和一个高频时钟与门&进行逻辑与操作，然后与门输出进入一个计数器，计数器启动通过PWM信号下降沿启动，计算值即为PWM的高电平时间的量化值，也就是激光能量反馈信号的AD转换值。总之本发明实施例处理激光能量信号模拟量转换数字量的方法是：首先将激光图像能量反馈信号转换为PWM信号，然后FPGA可编程阵列器件110对PWM信号高电平进行计数，也就是使用FPGA可编程阵列器件110读出激光图像能量反馈的PWM占空比。

本发明实施例的的一种激光输出能量的控制系统100，通过FPGA可编程阵列器件110计算出激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并根据该实时激光强度数据，并采用脉冲宽度调制电路120和电流驱动调制电路130实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，可以实现在激光轮廓仪的扫描过程中，自动控制激光的输出能量，以适应复合材质物体的激光扫描处理。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光输出能量的控制方法，用于控制激光轮廓仪扫描待测对象时的激光输出能量，其特征在于，包括以下步骤：

在激光扫描过程中获取扫描在待测对象上的激光光斑图像数据；

计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，并保存各个扫描位置的所述实时激光强度数据；

根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度；

所述实时激光强度数据的计算方法，具体包括：

设当前帧激光图像的能量测量值为P_n，在P_n之前的若干帧激光图像的能量测量值为P_n-1，P_n-2，P_n-3，...，P_n-k，设置如下的公式(1)：

aX+bY+c＝0 (1)；

计算出公式(1)的系数a，b和c，然后根据如下的方程(2)算出当前帧激光图像的能量预测值P_n'：

P_n'＝(－c－a*t₀)/b (2)；

使用所述预测值P_n'和当前帧激光图像的能量测量值，按照如下的公式(3)计算出P值，其中P为当前帧激光图像能量的目标输出值：

P＝(P_n+P_n')/2 (3)；

其中，k为自然数且k≠1，X为单位间隔的时间序列{t₀-Δt，t₀-2Δt，t₀-3Δt，...，t₀-kΔt}，t₀是当前时间，Y是对应t₀之前时刻的各个激光图像能量测量值{P_n-1，P_n-2，P_n-3，...，P_n-k}。

2.如权利要求1所述的一种激光输出能量的控制方法，其特征在于，所述根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，包括：

根据所述激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，计算出对应的PWM脉冲宽度参数；

根据对应的所述PWM脉冲宽度参数实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

3.如权利要求2所述的一种激光输出能量的控制方法，其特征在于，所述根据对应的所述PWM脉冲宽度参数实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度，具体包括：

实时获取对应的所述PWM脉冲宽度参数相对应的驱动电流数据；

根据所述驱动电流数据实时调整所述激光轮廓仪对该各个扫描位置的激光输出能量的强度。

4.如权利要求1所述的一种激光输出能量的控制方法，其特征在于，所述计算出所述激光光斑图像的各个扫描位置的实时激光强度数据，具体包括：

在激光扫描过程中使用FPGA可编程阵列器件计算出激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据。

5.如权利要求4所述的一种激光输出能量的控制方法，其特征在于，所述使用FPGA可编程阵列器件计算出激光光斑图像的各个扫描位置的所述实时激光强度数据，具体包括：

使用FPGA可编程阵列器件捕捉COMS传感器接收的当前帧激光光斑图像的数据，计算出该当前帧的激光光斑图像的灰度平均值，并将其作为当前帧的灰度值测量数据进行存储；

根据当前帧的激光图像的所述灰度平均值和之前帧的灰度平均值得到各个扫描位置的所述实时激光强度数据。

6.如权利要求5所述的一种激光输出能量的控制方法，其特征在于，根据当前帧的所述灰度平均值和之前帧的灰度平均值得到各个扫描位置的所述实时激光强度数据，具体包括：

将当前帧的所述灰度平均值和之前帧的灰度平均值共同输入卡尔曼滤波器进行计算，以得出所述实时激光强度数据。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1～6任一项所述的激光输出能量的控制方法。

8.一种计算机设备，其特征在于，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～6任一项所述的激光输出能量的控制方法。

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