CN109738061B - 一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，该方法包括：调节照度计至对准位置，捕获该位置图像，利用Mask R‑CNN目标识别与图像分割框架获取并存储照度计对准位置时的像素坐标，作为基准像素坐标；捕获照度计检定时图像，利用Mask R‑CNN识别照度计检定时所处位置的像素坐标，得到照度计实际位置与对准位置的像素间距，并根据系统结构和相机成像面上一个像素间距对应的实际距离，计算出三个方向的实际间距；计算出三个方向上移动对应间距需要向三轴移动模组各方向的步进电机发送的脉冲数；根据指定数量的脉冲控制三轴移动模组的移动，利用Mask R‑CNN识别照度计所处位置的像素坐标，并根据该像素坐标判断照度计位置是否对准，未对准，重复执行上述步骤，直至对准。

Description

一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法及系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种基于深度学习的照度计位置识别与自动对准的方法与系统。

背景技术

现有照度计是光学测量应用最多的仪器之一，广泛用于工业生产、居家照明、影视照明等行业。随着国民经济发展，工业、农业、商业、公共基础设施和居民住宅等对照明质量要求越来越高，使得照度计使用数量呈几何级增长，同时也极大增加了需检定的照度计数量，提升了照度计检定精度要求。目前照度计检定前其初始位置对准多依靠手动对准，这不仅耗时耗力，而且精度低，容易引入人为误差，为此提出照度计位置自动对准对于照度计检定有着重要意义。

面向照度计检定的照度计位置自动对准，主要包含对准系统和基于深度学习的自动对准方法两方面。对准系统如专利CN205940761U、CN207936966U等，利用固定夹、三脚架、伸缩杆、水准气泡等机械结构实现照度计的安装与固定、上下位置调节、水平调节。对准方法如专利CN108921882A、CN108839027A等，采用模板匹配或激光测距的方法，实现对于被测物体位姿信息的测量，然后与目标位姿对比，通过控制系统实现对被测物体的自动对准。

上述具体专利对比文件为：

1)、“一种多功能可调照度计支架”，专利号CN205940761U。该专利通过将伸缩杆的一侧设置有若干调节圆孔，伸缩杆一侧设置有刻度线，伸缩杆设置在固定座上的固定套杆内，调节的高度情况可以通过刻度线进行查看；六边形调节板上的调节螺纹孔内设置有调节螺钉，上固定件下端的球形体设置在六边形调节板上设置有球碗内，通过调节调节螺钉和查看水平仪显示情况。本发明的照度计位置调节装置与上述不同，为通过上位机对三轴移动模组的运动控制实现对于照度计位置的自动化对准，可以快速、精确地实现对于照度计位置。

2)、“照度计安装定位装置”，专利号CN207936966U。该发明提出在测绘三脚架的顶板中心开设通孔，将伸缩杆安装在通孔内、托板垂直安装在伸缩杆的顶部、水准气泡安装在托板的上表面以校准托板上表面的水平、照度计固定夹安装在托板上用于照度计固定安装在托板上表面并使照度计的感光元件位于伸缩杆的轴线上，通过伸缩杆指向检测布点实现照度计感光元件位于布点正上方，通过伸缩杆伸缩到检测高度将照度计感光元件到达检测高度。本发明的照度计位置调节自由度与上述不同，为三轴移动模组实现X、Y、Z三个方向的移动，完成在一定范围内对于照度计空间的自由与精确移动。

3)、“一种基于机器视觉纽扣自动对准方法”，专利号CN108921882A。该发明提供一种基于机器视觉纽扣自动对准方法，包括以下步骤：模板生成：获取处于标准位置的标准纽扣图像，选取检测区域，生成模板文件和检测区域图像；计算待检纽扣的旋转角度：获取待检纽扣图像，根据模板文件内容，计算待检纽扣旋转到标准方向所需的旋转角度。本发明的自动对准方法建立角度、内容与上述不同，为通过两个工业相机建立像素坐标系，计算出照度计在像素坐标系中的位置坐标，并推导出照度计像素坐标到上位机发送给三轴移动模组脉冲数的变换矩阵，该方法实现像素坐标向运动控制的直接转换。

4)、“基于激光测距传感器的机器人自动对准控制方法”，专利号CN108839027A。该发明提供一种基于激光测距传感器的机器人自动对准方法，该方法利用三个一维激光测距传感器测得的目标与机器人的相对距离进行对准控制；根据三个激光测距传感器所在平面法向量当前值和期望值的偏差，得到绕X轴和绕Y轴的角度偏差；根据三个激光测距传感器所构成夹角的当前值和期望值的偏差，得到绕Z轴的角度偏差；根据机器人平移量的当前值和期望值的偏差，得到沿X轴和Y轴的位置偏差；根据目标与机器人之间的当前相对距离和期望相对距离的偏差，得到沿Z轴的位置偏差。本发明的位置识别方法与上述不同，为使用机器视觉+深度学习识别照度计特征并计算出其位置，该方法对于外界环境干扰具有很好的自适应能力，可在一定角度、缩放、旋转、光照范围内很好识别出照度计的特征并准确计算出其位置信息。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法与系统。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，包括：

A调节照度计至对准位置，并捕获该位置图像，利用Mask R-CNN目标识别与图像分割框架获取并存储照度计对准位置时所处的像素坐标(x₀,y₀,z₀)，作为基准像素坐标：

B捕获照度计检定时图像，利用Mask R-CNN识别照度计检定时所处位置的像素坐标(x₁,y₁,z₁)，得到照度计实际位置与对准位置的像素间距(Δx₁,Δy₁,Δz₁)，并根据系统结构和相机成像面上一个像素间距对应的实际距离Δs_l、Δs_s，计算出三个方向的实际间距(Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1)；

C计算出上位机需要向三轴移动模组各步进电机发送的脉冲数(N_x1,N_y1,N_z1)；

D根据指定数量的脉冲控制三轴移动模组的移动，利用Mask R-CNN识别照度计所处位置的像素坐标(x₂,y₂,z₂)，并根据该像素坐标判断照度计位置是否对准，未对准，重复执行步骤B～D，直至对准。

一种面向照度计检定的照度计位置自动对准系统，包括：直线导轨、照度计移动平台、三轴移动模组、照度计夹具、工业相机支架、工业相机与上位机；所述

直线导轨，用于固定照度计移动平台与工业相机支架；

照度计移动平台，用于安装三轴移动模组、照度计夹具和照度计，并沿直线导轨方向移动；

三轴移动模组，用于调节照度计X、Y、Z三个方向的移动，实现对照度计位置的自动对准；

照度计夹具，用于照度计与三轴移动模组的连接和固定；

工业相机支架，用于在直线导轨上安装固定工业相机；

工业相机，用于实时捕获照度计所处位置图像，并上传至上位机；

上位机，用于识别上传图像中的照度计位置及控制三轴移动模组。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

通过工业相机和上位机，可以实时捕获照度计所处位置图像并通过上位机识别计算出其所处位置像素坐标信息；三轴移动模组，实现对照度计位置的自动对准。通过MaskR-CNN识别计算出照度计光敏感元件和侧面的边界，通过工业相机建立像素坐标系，以此确定照度计所处位置的像素坐标，这为照度计的自动对准打下基础；计算三轴移动模组在三个方向上需要移动的实际距离、脉冲数、方向指令，将像素坐标转换为运动控制，通过这种转换对照度计进行多次对准，由此实现基于Mask R-CNN的照度计位置自动对准。该方法具有自动化程度高、速度快、劳动成本低和对准精度高的特点，具有实际意义和推广价值。

附图说明

图1是面向照度计检定的照度计位置自动对准方法流程图；

图2是面向照度计检定的照度计位置自动对准系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，面向照度计检定的照度计位置自动对准方法流程，包括以下步骤：

步骤10系统初次使用前，连接各设备使系统正常工作，手动调节照度计至对准位置，并通过工业相机捕获该位置图像，上位机利用Mask R-CNN目标识别与图像分割框架获取并存储照度计在所处位置的像素坐标(x₀,y₀,z₀)，作为后续系统用于照度计位置自动对准的基准像素坐标；

步骤20系统后续使用时，先完成对照度计的安装，然后通过工业相机捕获照度计图像，利用Mask R-CNN识别照度计所处位置的像素坐标(x₁,y₁,z₁)，得到照度计实际位置与对准位置的像素间距(Δx₁,Δy₁,Δz₁)，并根据系统结构和每个工业相机成像面上一个像素间距对应的实际距离Δs_l、Δs_s,计算出三个方向的实际间距(Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1)；

步骤30计算出上位机需要向三轴移动模组各步进电机发送的脉冲数(N_x1,N_y1,N_z1)；

步骤40上位机向三轴移动模组各方向的步进电机发送指定数量的脉冲控制移动，利用Mask R-CNN识别照度计所处位置的像素坐标(x₂,y₂,z₂)并判断是否对准，未对准则重复20～40步骤直至对准；

上述步骤10具体包括：采用两个工业相机分别捕获照度计光敏感元件图像和照度计侧面图像，并用Mask R-CNN识别照度计光敏感元件边界和照度计侧面边界，其在各自图像上的边界坐标集合为{(x_li,y_li)|i＝1,2,…….,N_l}、{(x_si,y_si)|i＝1,2,…….,N_s}，其中N_l为照度计光敏感元件边界像素点数、N_s为照度计侧面边界像素点数、x_li(x_si)为第i个照度计光敏感元件(侧面)边界像素点在其图像上从左至右的排列位置、y_li(y_si)为第i个照度计光敏感元件(侧面)边界像素点在其图像上从上至下的排列位置，选择照度计光敏感元件中心坐标为Y、Z方向对准坐标，侧面边界左边界坐标为X方向对准坐标，则系统中Mask R-CNN所识别的像素坐标(x,y,z)为：

上述步骤20具体包括：为避免照度计检定过程中工业相机挡住照射到照度计光敏感元件上的光线，捕获照度计光敏感元件的工业相机镜头轴线方向需与照度计光敏感元件所在平面成α角度，在捕获图像的同时避免干涉。由实际像素坐标(x₁,y₁,z₁)减去基准像素坐标(x₀,y₀,z₀)可得像素间距(Δx₁,Δy₁,Δz₁)，用于捕获照度计光敏感元件图像和照度计侧面图像的工业相机成像面上一个像素间距对应的实际距离分别为Δs_l、Δs_s，可计算出三个方向的实际间距为：

上述步骤30具体包括：三轴移动模组中步进电机步距角为θ，驱动器为n细分，丝杆导程为S，三个方向上需要移动的距离为(Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1)，则需要向三个方向步进电机发送的脉冲数、方向指令为：

将上式改写为矩阵运算：

可得(N_x1,N_y1,N_z1)与(x₁,y₁,z₁)的坐标变换矩阵为：

由此可以实现像素坐标和发送脉冲数、方向指令之间的转换；

上述步骤40具体包括：上位机控制三轴移动模组运动，完成运动后Mask R-CNN识别像素坐标(x₂,y₂,z₂)，假设当照度计所处位置的像素坐标允许误差均不超过Δn，则当

时完成照度计位置对准，否则通过[N_x2,N_y2,N_z2,1]＝[x₂,y₂,z₂,1]R计算出新的脉冲数再进行对准，直至满足像素坐标误差。

如图2所示，为面向照度计检定的照度计位置自动对准系统结构，包括直线导轨11、照度计移动平台12、三轴移动模组13、照度计夹具14、工业相机支架15、用于捕获照度计光敏感元件图像的工业相机16、用于捕获照度计侧面图像的工业相机17、上位机；所述直线导轨用于固定照度计移动平台、工业相机支架；所述照度计移动平台用于安装三轴移动模组、照度计夹具和照度计，并沿直线导轨方向移动；所述三轴移动模组用于调节照度计X、Y、Z三个方向的移动，以校准照度计位置；所述照度计夹具用于照度计与三轴移动模组的连接和固定；所述工业相机支架用于在直线导轨上安装固定工业相机；所述工业相机用于捕获照度计图像并上传上位机；所述上位机用于识别上传图像中的照度计位置与控制三轴移动模组。

所述直线导轨上安装照度计移动平台与工业相机支架，利用照度计移动平台固定三轴移动模组，利用工业相机支架固定工业相机位置，利用照度计夹具把照度计连接与固定于三轴移动模组，通过工业相机捕获照度计位置图像并上传上位机，上位机根据上传图像用深度学习识别照度计位置，根据相关条件控制三轴移动模组运动，直至实现照度计位置对准。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，其特征在于，所述方法包括：

A调节照度计至对准位置，并捕获该位置图像，利用Mask R-CNN目标识别与图像分割框架获取并存储照度计对准位置时所处像素坐标(x₀,y₀,z₀)，作为基准像素坐标：

B捕获照度计检定时图像，利用Mask R-CNN识别照度计检定时所处位置的像素坐标(x₁,y₁,z₁)，得到照度计实际位置与对准位置的像素间距(Δx₁,Δy₁,Δz₁)，并根据系统结构和相机成像面上一个像素间距对应的实际距离Δs_l、Δs_s，计算出三个方向的实际间距(Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1)；

C计算出上位机需要向三轴移动模组各步进电机发送的脉冲数(N_x1,N_y1,N_z1)；

D根据指定数量的脉冲控制三轴移动模组的移动，利用Mask R-CNN识别照度计所处位置的像素坐标(x₂,y₂,z₂)，并根据该像素坐标判断照度计位置是否对准，未对准，重复执行步骤B～D，直至对准。

2.如权利要求1所述的面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，其特征在于，所述步骤A中，采用两个工业相机分别捕获照度计光敏感元件图像和照度计侧面图像，并用MaskR-CNN识别照度计光敏感元件边界和照度计侧面边界，照度计光敏感元件在图像上的边界坐标集合为{(x_li,y_li)|i＝1,2,…….,N_l}、照度计侧面在图像上的边界坐标集合为{(x_si,y_si)|i＝1,2,…….,N_s}；选择照度计光敏感元件中心坐标为Y、Z方向对准坐标，侧面边界左边界坐标为X方向对准坐标，则系统中Mask R-CNN所识别的像素坐标(x,y,z)为：

其中，N_l为照度计光敏感元件边界像素点数、N_s为照度计侧面边界像素点数、x_li(x_si)为第i个照度计光敏感元件/侧面边界像素点在其图像上从左至右的排列位置、y_li(y_si)为第i个照度计光敏感元件/侧面边界像素点在其图像上从上至下的排列位置。

3.如权利要求1所述的面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，其特征在于，所述步骤B中，为避免照度计检定过程中工业相机挡住照射到照度计光敏感元件上的光线，捕获照度计光敏感元件的工业相机镜头轴线方向需与照度计光敏感元件所在平面成α角度，在捕获图像的同时避免干涉，由实际像素坐标(x₁,y₁,z₁)减去基准像素坐标(x₀,y₀,z₀)可得像素间距(Δx₁,Δy₁,Δz₁)，用于捕获照度计光敏感元件图像和照度计侧面图像的工业相机成像面上一个像素间距对应的实际距离分别为Δs_l、Δs_s，可计算出三个方向的实际间距为：

4.如权利要求1所述的面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，其特征在于，所述步骤C中，三轴移动模组中步进电机步距角为θ，驱动器为n细分，丝杆导程为S，三个方向上需要移动的距离为(Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1)，则需要向三个方向步进电机发送的脉冲数、方向指令为：

将上式改写为矩阵运算：

可得(N_x1,N_y1,N_z1)与(x₁,y₁,z₁)的坐标变换矩阵为：

由此可以实现像素坐标和发送脉冲数、方向指令之间的转换。

5.如权利要求1所述的面向照度计检定的照度计位置自动对准方法，其特征在于，所述步骤D中，由上位机控制三轴移动模组运动，完成运动后Mask R-CNN识别像素坐标(x₂,y₂,z₂)，假设当照度计所处位置的像素坐标允许误差均不超过Δn，则当

时完成照度计位置对准，否则通过[N_x2,N_y2,N_z2,1]＝[x₂,y₂,z₂,1]R计算出新的脉冲数再进行对准，直至满足像素坐标误差。

6.如权利要求1-5任一项所述的面向照度计检定的照度计位置自动对准方法的自动对准系统，其特征在于，所述系统包括直线导轨、照度计移动平台、三轴移动模组、照度计夹具、工业相机支架、工业相机与上位机；所述直线导轨，用于固定照度计移动平台与工业相机支架；

照度计移动平台，用于安装三轴移动模组、照度计夹具和照度计，并沿直线导轨方向移动；

三轴移动模组，用于调节照度计X、Y、Z三个方向的移动，实现对照度计位置的自动对准；

照度计夹具，用于照度计与三轴移动模组的连接和固定；

工业相机支架，用于在直线导轨上安装固定工业相机；

工业相机，用于实时捕获照度计所处位置图像，并上传至上位机；

上位机，用于识别上传图像中的照度计位置及控制三轴移动模组。

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