CN110160455B - 间隙面差检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间隙面差检测系统，包括主控电路板和测头电路板，主控电路板包括FPGA和ARM；以ARM端作为核心处理器，FPGA作为ARM端的外设协处理器；该系统采用多级流水的方式工作，同级流水包括依次进行的三段，分别标记为第一段采图、第二段提取光条中心线和第三段结果计算；多级流水通过以下方式进行：执行第一级第一段采图依次获取N组图片，N级流水开始执行；继而待每级流水的第三段间隙面差结果计算完成后循环从第一段采图重复执行。前两段在FPGA中并行进行，第三段在ARM端处理，三个模块采用多段流水并行处理的方式进行，相较商用间隙面差检测产品处理单组帧，效率至少提高40倍。
Description
技术领域
本发明涉及车身检测领域，具体涉及一种间隙面差检测系统。
背景技术
在工业装配现场，因装配工艺、整体设计或外观等原因，工件组装过程中存在着多种间隙及面差。对于汽车来说，间隙、面差，特别是汽车车门与边框之间的间隙、面差将会严重影响成品车的外观，继而影响其销售情况。随着汽车生产线自动化程度的提高，越来越多的汽车生产线都采用自动化测量装置，完成整车加工、装配过程中对各种间隙距离的实时测量。测量工程师按照工艺的要求去规划测点位置。对于测量装置来说，一方面为了检测的全面性和客观性，保证整车间隙、面差的评价质量，需要对尽可能多的测点进行测量；另一方面又要保证能够在生产过程的“节拍时间”内完成测量。
在此背景下，测量效率将成为自动化间隙面差在线测量装置在市场竞争中的关键技术指标。目前，市场上大部分自动化测量装置都采用线、面等结构光机器视觉测量系统，这样的系统必须具备高速成像与高速、稳定、精确的图像点云处理。在高速测量条件下，图像采集、传输、存储，图像点云提取、点云空间坐标转换、点云配准面临新的挑战。另外限于测量效率低，对于被测工件只能进行单次的机器视觉测量，而人手或机器人手臂等入测位姿的错误，则会导致间隙和面差测量数据鲁棒性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种间隙面差检测系统，以ARM端作为核心处理器，FPGA作为ARM端的外设协处理器，将采图和激光光条中心点提取在FPGA并行处理，同时间隙面差算法在ARM端处理，三个模块采用多段流水并行处理的方式进行，相较商用间隙面差检测产品处理单组帧，效率至少提高40倍。
为此本发明的技术方案如下：
一种间隙面差检测系统，包括主控电路板和测头电路板，所述主控电路板包括FPGA和ARM；所述测头电路板包括采图模块和激光器模块；
所述FPGA包括采图触发模块、激光器驱动模块和光条中心线提取模块；
所述ARM包括采图控制模块、激光器控制模块、光条中心线提取控制模块和间隙面差计算模块；
所述间隙面差检测系统采用多级流水的方式工作，同级流水包括依次进行的三段，分别标记为第一段采图、第二段提取光条中心线和第三段结果计算；流水级数记为N；
所述第一段采图通过激光器控制模块、激光器驱动模块、激光器模块、采图控制模块、采图触发模块和采图模块完成；所述激光器控制模块用于向所述激光器驱动模块发送激光投射指令；所述激光器驱动模块接到激光投射指令后，控制所述激光器模块从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；所述采图控制模块向所述采图触发模块发送采图指令；所述采图触发模块接到采图指令后，控制所述采图模块采图；所述采图模块获取图片后将其传输到采图触发模块继而转存入内存；通知执行同级流水的第二段提取光条中心线；
所述第二段提取光条中心线由光条中心线提取控制模块和光条中心线提取模块完成；所述光条中心线提取控制模块向所述光条中心线提取模块发送提取光条中心线指令；所述光条中心线提取模块接收到提取光条中心线指令后，从所述内存中调取图片进行光条中心线点云坐标提取，然后将提取结果传输到内存保存；通知执行第三段结果计算；
所述第三段结果计算通过间隙面差计算模块完成，所述间隙面差计算模块用于从所述内存中调取光条中心线点云坐标，计算待测位置的间隙或/和面差，并通知第一段采图开始执行；
多级流水通过以下方式进行：执行第一级第一段采图依次获取N组图片，N级流水开始执行；继而待每级流水的第三段结果计算完成后循环从第一段采图重复执行。
进一步，所述激光器控制模块在采图控制模块首次发送采图指令之前先发送激光投射指令；在采图模块停止采图之后，激光器控制模块控制激光器模块停止投射激光。
进一步，所述光条中心线提取控制模块在内存中开辟M个缓冲区并标记，用于对应存储从图片中获取的光条中心线点云坐标数据；
光条中心线点云坐标提取的过程为：
(1)所述光条中心线提取控制模块循环阻塞等待一帧图片采集完成的消息，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤(2)；
(2)所述光条中心线提取模块从内存中获取新采集图片，判断新采集图片所对应相机；
(3)对所述新采集图片进行光条中心线点云坐标数据提取，并将提取结果存储在预先开辟的缓冲区中；
(4)所述光条中心线提取控制模块判断同组图片是否均完成光条中心线点云坐标提取，若未完成，则返回步骤(1)；若完成，返回步骤(1)，同时向所述间隙面差计算模块发送工作通知。
进一步，所述间隙面差计算模块用于计算待测位置的间隙或/和面差的过程为：
①循环阻塞等待所述光条中心线提取控制模块发出的代表同组光条中心线点云坐标数据提取完成的工作通知，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤②；
②从内存中获取待处理一组的光条中心线点云坐标数据，按照X坐标升序排序方式，将这一组点云坐标数据进行排序；
③将所有点云坐标数据从像素平面坐标系转世界坐标系，再转线激光光平面坐标系；
④将所有点云坐标数据合成为一组待处理图片点云；
⑤选取待处理图片点云断开处最外沿的特征点，依据该特征点的空间三维坐标信息计算待测位置的间隙或/和面差，输出该间隙或/和面差；
⑥向所述采图控制模块发送该组完成处理的消息I，回到步骤①。
进一步，每级采图过程如下：
所述采图控制模块预先在内存中开辟M个缓冲区并标记，用于对应存储采集到图片；
a)所述采图控制模块配置本次测量采图触发模块需触发采图模块的总次数Q，Q≥N；
b)所述激光器控制模块通过激光器驱动模块控制所述激光器模块从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；
c)所述采图控制模块向所述采图触发模块发送采图指令；所述采图触发模块接到采图指令后，控制所述采图模块拍摄激光条投射在工件上的图片；并将得到的图片经采图触发模块转存入采图控制模块在内存里开辟的缓冲区；所述采图控制模块通知所述光条中心线提取控制模块开始处理图片；
d)所述采图控制模块循环阻塞，等待间隙面差计算模块发送的消息I；若未收到，继续阻塞等待；若收到，判断当前间隙面差处理次数是否达到Q次，若未达到，执行步骤c)，并继续循环阻塞等待间隙面差计算模块发送的消息I；若达到，则退出循环，并关闭激光器模块，等待下一次测量。
进一步，所述激光器模块能同时向待测位置投射在同一直线上的两个激光条；激光条与待测位置的缝隙方向呈85～95°。
本发明利用软硬件协同处理技术，将ARM端作为核心处理器，FPGA作为ARM端的外设协处理器，将采图和激光光条中心点提取在FPGA进行并行处理，间隙面差算法在ARM端处理，将这三个业务模块设计成多段流水并行处理，借鉴了工业流水线制造的思想，采用流水线的处理方式，同一时刻多组帧图像同时进行业务处理。相比之下，未采用流水线的处理方式，同一时刻只有一帧图像在处理。该技术方案具有如下有益效果：
(1)在多次测量模式下，每两组帧之间只增加了三个业务模块中耗时最大模块的时间，最大速率的提升被测工件间隙面差检测效率；
(2)传感器采图通过FPGA强大的高速并行逻辑算法能力完成，极大的减少耗时时间，相比市面上产品通用的采图方式，速率提升了5倍；
(3)将相比其他步骤耗时极大的激光光条中心点提取业务通过FPGA高速并行逻辑算法完成，指数级的减少该步骤耗时时间，相比市面上的间隙面差产品处理单组帧，速率提升了40倍；
(4)可将多次测量结果进行算法平均值处理，极大的提升了工件测量精度，增加了整体间隙面差评价质量；
(5)可依据实际应用需求，进行三段或者多段流水开发。
附图说明
图1为本发明提供的间隙面差检测系统的结构示意图；
图2为本发明提供的间隙面差检测系统三段流水的工作示意图；
图3为本发明提供的间隙面差检测系统的。
具体实施方式
如图1～3所述，以三级流水为例详细描述本发明的技术方案，自然本发明的技术方案也可以依据实际情况调节为多级流水的方式。
一种间隙面差检测系统，包括主控电路板2和测头电路板1，主控电路板2包括FPGA21和ARM22；测头电路板1包括采图模块101和激光器模块102；
FPGA包括采图触发模块211、激光器驱动模块212和光条中心线提取模块213；
ARM包括采图控制模块221、激光器控制模块222、光条中心线提取控制模块225和间隙面差计算模块223；
间隙面差检测系统采用三级流水的方式工作，同级流水包括依次进行的三段，分别标记为第一段采图、第二段提取光条中心线和第三段结果计算；流水级数记为N，N＝3；
第一段采图通过激光器控制模块222、激光器驱动模块212、激光器模块102、采图控制模块221、采图触发模块211和采图模块101完成；激光器控制模块222用于向激光器驱动模块212发送激光投射指令；激光器驱动模块212接到激光投射指令后，控制激光器模块102从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；具体来说：激光器模块能同时向待测位置投射在同一直线上的两个激光条；激光条与待测位置的缝隙方向基本垂直，可以呈85～95°，以保证测试结果的准确性；采图控制模块221向采图触发模块211发送采图指令；采图触发模块211接到采图指令后，控制采图模块101采图；采图模块101获取图片后将其传输到采图触发模块211继而转存入内存224；通知执行同级流水的第二段提取光条中心线；
第二段提取光条中心线由光条中心线提取控制模块225和光条中心线提取模块213完成；光条中心线提取控制模块225向光条中心线提取模块213发送提取光条中心线指令；光条中心线提取模块213接收到提取光条中心线指令后，从内存224中调取图片进行光条中心线点云坐标提取，然后将提取结果传输到内存224保存；通知执行第三段结果计算；
第三段结果计算通过间隙面差计算模块223完成，间隙面差计算模块223用于从内存224中调取光条中心线点云坐标，计算待测位置的间隙或/和面差，并通知第一段采图开始执行；
三级流水通过以下方式进行：执行第一级第一段采图依次获取三组图片，三级流水开始执行；继而待每级流水的第三段结果计算完成后循环从第一段采图重复执行。
具体来讲：激光器控制模块222在采图控制模块221首次发送采图指令之前先发送激光投射指令；在采图模块101停止采图之后，激光器控制模块222控制激光器模块102停止投射激光。
作为本发明的实施例，每级第一段采图过程如下：
采图控制模块221预先在内存224中开辟M个缓冲区并标记，M＝6(采图模块分为左右两相机，能同时采集图片)用于对应存储采集到图片；
a)采图控制模块221配置本次测量采图触发模块211触发采图模块101的次数Q，Q≥N；
b)激光器控制模块222通过激光器驱动模块212控制激光器模块102从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；
c)采图控制模块221向采图触发模块211发送采图指令；采图触发模块211接到采图指令后，控制采图模块101拍摄激光条投射在工件上的图片；并将得到的图片经采图触发模块211转存入采图控制模块221在内存224里开辟的缓冲区；采图控制模块221通知光条中心线提取控制模块225开始处理图片；
d)采图控制模块221循环阻塞，等待间隙面差计算模块223发送的消息I；若未收到，继续阻塞等待；若收到，判断当前间隙面差处理次数是否达到Q次，若未达到，执行步骤c)，并继续循环阻塞等待间隙面差计算模块223发送的消息I；若达到，则退出循环，并关闭激光器模块，等待下一次测量。
第二段提取光条中心线中涉及的点云坐标提取流程如下：光条中心线提取控制模块225在内存224中开辟M个缓冲区并标记，用于对应存储从图片中获取的光条中心线点云坐标数据；
光条中心线点云坐标提取的过程为：
(1)光条中心线提取控制模块225循环阻塞等待一帧图片采集完成的消息，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤2；
(2)光条中心线提取模块213从内存224中获取新采集图片，判断该新采集图片所对应相机；
(3)对新采集图片进行光条中心线点云坐标数据提取，并将提取结果存储在预先开辟的缓冲区中；
(4)光条中心线提取控制模块225判断同组图片是否均完成光条中心线点云坐标提取，若未完成，则返回步骤(1)；若完成，返回步骤(1)，同时向间隙面差计算模块223发送工作通知。
第三段结果计算中涉及间隙面差计算模块223用于计算待测位置的间隙或/和面差的过程为：
①循环阻塞等待光条中心线提取控制模块225发出的代表同组光条中心线点云坐标数据提取完成的工作通知，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤②；
②从内存224中获取待处理一组的光条中心线点云坐标数据，按照X坐标升序排序方式，将这一组点云坐标数据进行排序；
③将所有点云坐标数据从像素平面坐标系转世界坐标系，再转线激光光平面坐标系；
④将所有点云坐标数据合成为一组待处理图片点云；
⑤选取待处理图片点云断开处最外沿的特征点，依据该特征点的空间三维坐标信息计算待测位置的间隙或/和面差，输出该间隙或/和面差；
⑥向采图控制模块221发送该组完成处理的消息I，回到步骤①。
第一段采图、第二段提取光条中心线和第三段结果也可通过其他现有方法进行，只要能实现对应段的工作功能即可。
该间隙面差检测系统利用软硬件协同处理技术，将ARM端作为核心处理器，FPGA作为ARM端的外设协处理器，将采图和激光光条中心点提取在FPGA进行并行处理，间隙面差算法在ARM端处理，将这三个业务模块设计成多段流水并行处理，借鉴了工业流水线制造的思想，采用流水线的处理方式，同一时刻多组帧图像同时进行业务处理。相比之下，未采用流水线的处理方式，同一时刻只有一帧图像在处理。在多次测量时，每组帧的计算耗时仅为三段中耗时最长的一段，引入FPGA，替代原设备ARM的串行计算，相较市面上产品，采图速度提升5倍，平均对单组帧的处理过程速率提升了40倍。计算速度的提升使多组计算求平均成为现实，有利于提高最终计算结果的精度。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (6)
1.一种间隙面差检测系统，包括主控电路板(2)和测头电路板(1)，其特征在于：所述主控电路板(2)包括FPGA(21)和ARM(22)；所述测头电路板(1)包括采图模块(101)和激光器模块(102)；
所述FPGA包括采图触发模块(211)、激光器驱动模块(212)和光条中心线提取模块(213)；
所述ARM包括采图控制模块(221)、激光器控制模块(222)、光条中心线提取控制模块(225)和间隙面差计算模块(223)；
所述间隙面差检测系统采用多级流水的方式工作，同级流水包括依次进行的三段，分别标记为第一段采图、第二段提取光条中心线和第三段结果计算；流水级数记为N；
所述第一段采图通过激光器控制模块(222)、激光器驱动模块(212)、激光器模块(102)、采图控制模块(221)、采图触发模块(211)和采图模块(101)完成；所述激光器控制模块(222)用于向所述激光器驱动模块(212)发送激光投射指令；所述激光器驱动模块(212)接到激光投射指令后，控制所述激光器模块(102)从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；所述采图控制模块(221)向所述采图触发模块(211)发送采图指令；所述采图触发模块(211)接到采图指令后，控制所述采图模块(101)采图；所述采图模块(101)获取图片后将其传输到采图触发模块(211)继而转存入内存(224)；通知执行同级流水的第二段提取光条中心线；
所述第二段提取光条中心线由光条中心线提取控制模块(225)和光条中心线提取模块(213)完成；所述光条中心线提取控制模块(225)向所述光条中心线提取模块(213)发送提取光条中心线指令；所述光条中心线提取模块(213)接收到提取光条中心线指令后，从所述内存(224)中调取图片进行光条中心线点云坐标提取，然后将提取结果传输到内存(224)保存；通知执行第三段结果计算；
所述第三段结果计算通过间隙面差计算模块(223)完成，所述间隙面差计算模块(223)用于从所述内存(224)中调取光条中心线点云坐标，计算待测位置的间隙或/和面差，并通知第一段采图开始执行；
多级流水通过以下方式进行：执行第一级第一段采图依次获取N组图片，N级流水开始执行；继而待每级流水的第三段结果计算完成后循环从第一段采图重复执行。
2.如权利要求1所述间隙面差检测系统，其特征在于：所述激光器控制模块(222)在采图控制模块(221)首次发送采图指令之前先发送激光投射指令；在采图模块(101)停止采图之后，激光器控制模块(222)控制激光器模块(102)停止投射激光。
3.如权利要求1所述间隙面差检测系统，其特征在于：所述光条中心线提取控制模块(225)在内存(224)中开辟M个缓冲区并标记，用于对应存储从图片中获取的光条中心线点云坐标数据；
光条中心线点云坐标提取的过程为：
(1)所述光条中心线提取控制模块(225)循环阻塞等待一帧图片采集完成的消息，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤(2)；
(2)所述光条中心线提取模块(213)从内存(224)中获取新采集图片，判断新采集图片所对应相机；
(3)对所述新采集图片进行光条中心线点云坐标数据提取，并将提取结果存储在预先开辟的缓冲区中；
(4)所述光条中心线提取控制模块(225)判断同组图片是否均完成光条中心线点云坐标提取，若未完成，则返回步骤(1)；若完成，返回步骤(1)，同时向所述间隙面差计算模块(223)发送工作通知。
4.如权利要求1所述间隙面差检测系统，其特征在于：所述间隙面差计算模块(223)用于计算待测位置的间隙或/和面差的过程为：
①循环阻塞等待所述光条中心线提取控制模块(225)发出的代表同组光条中心线点云坐标数据提取完成的工作通知，若未收到，继续阻塞等待；若收到，进行步骤②；
②从内存(224)中获取待处理一组的光条中心线点云坐标数据，按照X坐标升序排序方式，将这一组点云坐标数据进行排序；
③将所有点云坐标数据从像素平面坐标系转世界坐标系，再转线激光光平面坐标系；
④将所有点云坐标数据合成为一组待处理图片点云；
⑤选取待处理图片点云断开处最外沿的特征点，依据该特征点的空间三维坐标信息计算待测位置的间隙或/和面差，输出间隙或/和面差；
⑥向所述采图控制模块(221)发送该组完成处理的消息I，回到步骤①。
5.如权利要求1所述间隙面差检测系统，其特征在于每级采图过程如下：
所述采图控制模块(221)预先在内存(224)中开辟M个缓冲区并标记，用于对应存储采集到图片；
a)所述采图控制模块(221)配置本次测量采图触发模块(211)需触发采图模块(101)的总次数Q，Q≥N；
b)所述激光器控制模块(222)通过激光器驱动模块(212)控制所述激光器模块(102)从不同入射角度投射出两道同一平面上的平面狭缝光，并经待测位置调制成长度不等的激光条；
c)所述采图控制模块(221)向所述采图触发模块(211)发送采图指令；所述采图触发模块(211)接到采图指令后，控制所述采图模块(101)拍摄激光条投射在工件上的图片；并将得到的图片经采图触发模块(211)转存入采图控制模块(221)在内存(224)里开辟的缓冲区；所述采图控制模块(221)通知所述光条中心线提取控制模块(225)开始处理图片；
d)所述采图控制模块(221)循环阻塞，等待间隙面差计算模块(223)发送的消息I；若未收到，继续阻塞等待；若收到，判断当前间隙面差处理次数是否达到Q次，若未达到，执行步骤c)，并继续循环阻塞等待间隙面差计算模块(223)发送的消息I；若达到，则退出循环，并关闭激光器模块，等待下一次测量。
6.如权利要求1所述间隙面差检测系统，其特征在于：所述激光器模块能同时向待测位置投射在同一直线上的两个激光条；激光条与待测位置的缝隙方向呈85～95°。
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