CN112205272A - 基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，通过激光器产生高能的激光源，并使用光纤作为激光传输的介质，通过光纤开关导出光纤中的激光，然后利用振镜来调节激光切割的位移和速度，通过使用双通道的双目相机采集橡胶树被切割位置的实时深度信息，并将采集的实时深度信息传送到控制系统，通过控制系统对信号的处理来对光纤开关做出打开或者闭合的指令，同时利用控制系统中的信号发生器来对振镜发出相应的指令，从而达到调节激光切割的位移和速度的目的，本专利使用分布式的激光切割方法，其自动化程度高，并且便于人们在切割过程中实时检测橡胶树被切割部位的深度信息，通过闭环控制系统能够及时对激光切割系统做出相应的调节，从而提升橡胶树割胶的生产效率。

Description

基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法

技术领域

本发明专利属于激光技术领域，具体涉及一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法。

背景技术

在橡胶树的应用领域，橡胶是橡胶树中最为重要的一项经济物质，天然橡胶因其具有很强的弹性和良好的绝缘性，可塑性，耐磨等特点，广泛地运用于工业、国防、交通、医疗等领域。伴随着人们对天然橡胶的需求量越来越大，一方面，人们已经研制出了各式各样的机械设备来对橡胶树进行切割作业，比如人们已经研发了一种便携式的橡胶树割胶机械装置，这种机械装置虽然节省了人力，但是其自动化程度不高，而且在工作的过程中难以控制橡胶树的切割深度。另一方面，伴随着人力成本的提高，一些企业研发了机器人自动割胶技术，这种机器人自动割胶的精准度比人工作业要高许多，不会对橡胶树的树皮造成明显的伤害，然而这种自动割胶的精准度依然没有达到理想的效果，如果能够再提升割胶的精准度，那么橡胶树的生产效率还能够得到进一步提升，并且传统式的割胶机械手也容易产生严重的磨损情况。

根据当下各种研究方法的不足，本文提出了一种分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，这种方法将激光切割技术和三维形貌检测技术有机结合，不仅仅能够实现橡胶树切割的智能控制，还能够对激光的切割深度进行精准检测，从而更好地提升橡胶树的寿命，提升橡胶树的橡胶产量，这种分布式激光切割技术安全稳定，自动化程度高，采用非接触式的切割方法能够利用双目相机对橡胶树切割的深度进行实时的检测，从而更加精准地进行割胶作业，这种分布式的激光割胶方式将光电技术和传统的橡胶树割胶产业相融合在一起，便于人们快速高效地进行橡胶树的割胶工作。

发明内容

本发明专利的目的是针对现有技术的不足，提出了一种利用基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，这种激光切割方法能够提升橡胶树割胶的切割精度，采用非接触式的切割方法更有利于切割装置的维护，还能够通过三维形貌检测技术来对橡胶树的切割状态实现实时的监测，这样人们就可以高效精准地进行橡胶树的橡胶切割作业。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下：本发明专利包含三大模块，分别是：激光光源模块，分布式激光切割模块和三维形貌检测模块，激光光源模块包括激光器，冷却系统，控制系统；分布式激光切割模块包括光纤，光纤开关，振镜和透镜；三维形貌检测模块包括成像系统和算法系统，激光光源模块内的激光器能够产生高能激光源，冷却系统能够给工作中的激光器起到降温的作用，控制系统由微型计算机和信号发生器组成，能够控制激光器、光纤开关、振镜，并能够处理双目相机所传输的实时信息，振镜电机能够调节振镜转动的角度，分布式激光切割模块中的光纤传输激光器所产生的激光信号，光纤开关能够起到导通或者关断激光到指定分布点的作用，激光经过振镜的反射并通过透镜来对橡胶树的树皮进行激光切割，三维形貌检测模块包括双目相机，特征匹配算法，双目成像算法，双目相机可以获得橡胶树激光切割位置的形貌，通过特征匹配算法可以获得双目相机在同个时间拍摄的两幅图片的特征匹配点，同时使用双目成像算法获取橡胶树被切割位置的深度信息。

所述的激光光源模块包括激光器，冷却系统和控制系统，激光器可以由内置的激光电源产生高能的激光源，在获得激光源以后，激光器会产生平行的激光束，随后激光束以光纤为载体传递到各个工作站点，使用冷却系统来给工作中的激光器降温，冷却系统通过冷却水作为降温媒介，经过冷却之后的水流到散热器的底部，然后冷却后的水由水泵抽出，再次传送到激光器的水套中，这样循环下去，就能够将激光器工作所产生的热量传送到大气中，控制系统负责整个激光切割系统内的激光强度，切割速度和切割深度的控制工作，如果控制系统判定激光切割已经达到预定的切割期望值则会关断对应的光纤开关，停止相应的激光切割操作。

所述的控制系统包括微型计算机和信号发生器，通过5V的电压信号发生器来对分布式激光切割模块中的振镜电机发出指令，控制振镜电机的位移和转速，当电机的实际输出和指令输入存在偏差的时候，可以根据反馈的误差信号来及时地修改输入指令，减少实际的偏差值，这样能够更加精准地控制速度和位置，然后给出的位移速度等指令信号可以根据振镜电机的机械驱动装置直接作用于激光切割系统中的振镜，控制装置还能够控制激光的强度，实现精准的激光切割操作，本专利采用的是分布式激光器的工作方式，各个工作点的切割状态可以及时地反馈到控制系统中，控制系统中采用微型计算机作为微处理单元，在各个工作站点的实时信息可以通过通信芯片和微型计算机建立通信连接，然后微型计算机再通过外设对光纤开关、激光器等发出相应的指令。

所述的分布式激光切割模块由振镜，光纤，光纤开关，透镜组成，激光可以通过铺设的光纤进行传输，其传输的范围可达几十公里，其完全符合分布式激光切割的实际需要，将光纤按照分布式的方式放置在每个待切割橡胶树的前面，光纤开关和光纤结合在一起使用，当需要进行激光切割之时，控制系统利用通信芯片对光纤开关下达指令，光纤开关打开，光纤中的激光就能够从指定点射出，振镜中的控制单元为振镜电机，电机在控制的过程中采用的是闭环反馈控制从光纤中发射出来的激光要经过振镜的反射，振镜电机负责控制振镜所摆动的位移和速度，然后激光经过透镜的聚焦而照射在目标区域，这时候就能够完成激光切割的工作。

所述三维形貌检测模块包括成像系统和算法系统，模块内有双目相机，特征点提取算法（Scale-invariant feature transform，SIFT），双目成像算法，双目相机用于获取空间图像，空间图像通过特征点提取算法后，就能够通过几何计算判断出空间图像之间的距离，针对经过激光切割的目标区域，通过对橡胶树切割部位连续不断的拍摄，利用不同时间的深度信息差值，就能计算出激光切割的实时深度信息。

所述的成像系统，由双目相机构成，双目相机中包含两个镜头，两个感光芯片，两个镜头的光轴平行，镜头中心连线与镜头光轴垂直，相互间距为B毫米（B是大于零的实数），两个感光芯片的法线方向相互平行，相互间距也是B毫米，感光芯片的中心点法线与镜头光轴重合。

所述双目相机，在工作过程中，双目相机固定在分布式系统的指定位置，双目式相机的镜头对准橡胶树待切割的位置以特定的频率进行连续的拍摄，拍摄的每组照片有两张，分别为同一时刻双目相机的左，右两个镜头拍摄的照片，并将这些数据的图片通过图像存储传输模块传送到控制系统中，控制系统对这些图像进行实时的检测并进行相应的处理，然后控制系统根据反馈的图像信息对激光切割开展实时的控制。

所述的双目成像算法，在获得了同一时刻双目相机拍摄的图像Img1（t）和Img2（t）之间的特征匹配点，因为两个独立的摄像系统对目标物体拍摄时存在视差，造成了特征匹配点的偏移，视差=“像素点位移量”ד单个像素边长”，再经过SIFT算法的运算之后就能够掌握视差信息，P是待测物体上的某一点，O1与O2分别是两个相机的光心，点P在两个相机感光器上的成像点分别为P1和P2（相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方），f为相机焦距，B为两相机中心距，Z为我们想求得的深度信息，点P1到点P2的距离为D，D和B之间的关系为D=B-（X1-X2），根据相似三角形原理，[B-（X1-X2）]/B=（Z-f）/Z，这样就能够得到Z=f*B/(X1-X2)，当进行激光切割的时候，Z的实时深度信息要及时传递到控制系统，如此，控制系统就能够判断切割的实时深度值，当切割的深度已经达到了控制系统事先所设定的阈值，那么就停止纵向切割，同时通过调节振镜的方向能够实现横向切割，这时候振镜转动的角速度和激光的功率值就需要保持在一个精准的范围内才能够起到高精度切割的效果，在完成目标区域的切割的同时，光纤开关断开，停止目标区域的激光切割操作。

本发明专利的有益效果：

通过本发明专利的方法，使用双目相机来采集橡胶树被切割的区域，针对橡胶树被切割的区域，使用双目三维形貌检测方法，获得被切割区域的深度信息，通过这样的方法能够精准地判断激光切割的实时工作状态，并且控制系统就能够根据激光切割的实时状态进行相应的调整。

附图说明

图1为利用三维形貌检测的分布式橡胶树激光切割方法的示意图。

图2为双目测距方法示意图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明专利的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明专利方案的限制，任何依据本发明专利构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明专利的技术方案范畴。

实施例1：

下面结合附图1、附图2和实施例1对本发明专利作进一步说明，本发明专利包括三大模块，分别是激光光源模块，分布式激光切割模块和三维形貌检测模块，如图1所示，激光切割系统的示意图，激光光源模块包括激光器，冷却系统，控制系统；分布式激光切割模块由振镜，光纤，光纤开关，透镜几个部分组成；三维形貌检测模块包括成像系统和算法系统，激光传输模块内的激光器能够产生高能激光源，并且激发出平行的激光束，冷却系统给工作中的激光器起到降温的作用，控制系统由微型计算机和信号发生器组成，微型计算机可以起到控制激光器的光源强度和开启或者关断光纤开关的作用，其中信号发生器产生的信号对振镜电机起到驱动的作用，振镜电机能够调节振镜转动的角度，分布式激光切割模块中的光纤负责传输激光器所产生的激光信号，并且将激光传输到指定的工作点，而光纤开关属于控制激光是否发射到指定工作点的执行器件，振镜中的控制单元振镜电机能够控制激光的扫描方向和扫描速度，如果需要光纤开关打开，激光可以经过振镜的反射并通过透镜来对橡胶树的橡胶实现激光切割，三维形貌检测模块包括双目相机，特征匹配算法，双目成像算法，双目相机可以获得目标物体表面的形貌，通过特征匹配算法可以获得双目相机在同个时间，同个角度拍摄的两幅图片的特征匹配点，同时使用双目成像算法获取激光切割的目标位置和成像系统的距离。

所述的激光光源模块包括激光器，冷却系统和控制系统，激光器由内置的激光电源产生高能的脉冲激光源，在获得激光源以后，激光器会产生平行的激光束，随后激光束以光纤为载体传递到各个工作站点，使用冷却系统来给工作中的激光器进行降温，冷却系统通过冷却水作为降温媒介，经过冷却之后的水流到散热器的底部，然后冷却后的水由水泵抽出，再次传送到激光器的水套中，这样循环下去，就能够将激光器工作所产生的热量传送到大气中，控制系统负责整个激光切割系统激光强度，切割速度和切割深度的控制工作，如果控制系统判定激光切割已经达到预定的切割期望值则会关断对应的光纤开关，停止相应的激光切割操作。

所述的控制系统组成部分包括微型计算机和信号发生器，通过5V的电压信号发生器来对分布式激光切割模块中的振镜电机发出指令，从而控制振镜电机的内部电路，当电机的实际输出和指令输入存在偏差的时候，可以根据反馈的误差信号来及时地修改输入指令，减少实际的偏差值，这样能够更加精准地控制振镜的速度和位置，然后给出的位移速度等指令信号可以根据振镜电机的机械驱动装置直接作用于分布式激光切割模块中的振镜，控制系统还可以根据需要控制激光的强度，本专利采用的是分布式的激光切割方式，各个工作站点的切割状态可以及时地反馈到控制系统中，控制系统中可以采用微型计算机作为微处理单元，各个工作站点的实时信息可以通过通信芯片和微型计算机建立通信连接，然后微型计算机再通过外设对光纤开关、激光器等发出相应的指令。

所述的分布式激光切割模块由振镜，光纤，光纤开关，透镜组成，激光可以通过铺设的光纤传输，其传输的范围可达几十公里，其完全符合分布式激光切割的实际需要，将光纤按照分布式的方式放置在每个待切割橡胶树的前面，光纤开关和光纤结合在一起使用，当需要进行激光切割的时候，控制系统利用通信芯片对光纤开关下达指令，光纤开关打开，光纤中的激光就能够从指定点从光纤中射出，振镜中的控制单元为振镜电机，振镜电机在工作过程中采用的是闭环反馈控制，其中有位置传感器、误差放大器、运算放大器、电流积分器等控制电路，可以通过信号发生器，发射出来的激光首先经过振镜的反射，振镜电机负责控制振镜所摆动的速度和位移，然后激光经过透镜的聚焦而照射在目标区域，这时候就能够完成激光切割的工作。

所述三维形貌检测系统模块包括成像系统和算法系统，内有双目相机，特征点提取算法（Scale-invariant feature transform，SIFT）、双目成像，双目相机用于获取空间图像，空间图像通过特征点提取算法后，就能够判断空间图像之间的距离，针对经过橡胶树的切割区域，通过连续不断的拍摄，利用不同时刻空间图像之间的差值信息，就能够得到激光切割过程中的深度信息

所述的成像系统，主要由双目相机构成，双目相机中包含两个镜头，两个感光芯片，两个镜头的光轴平行，镜头中心连线与镜头光轴垂直，相互间距为B毫米（B是大于零的实数），两个感光芯片的法线方向相互平行，相互间距也是B毫米，感光芯片的中心点法线与镜头光轴重合。

所述双目相机，在工作过程中，双目相机固定在分布式系统的指定位置，双目式相机的镜头对准橡胶树待切割的位置以特定的频率进行连续的拍摄，拍摄的每组照片有两张，分别为同一时刻双目相机的左，右两个镜头拍摄的图片，并将这些数据的图片通过通信芯片传送到控制系统中，控制系统对这些图像进行实时的检测并进行相应的实时处理，然后控制系统根据反馈的图像信息对激光切割开展实时的控制。

所述的双目成像算法，如图2所示，双目成像原理的示意图，在获得了同一时刻双目相机拍摄的图像Img1（t）和Img2（t）之间的特征匹配点，因为两个独立的摄像系统对目标物体拍摄时存在视差，造成了特征匹配点的偏移，视差=“像素点位移量”ד单个像素边长”，再经过SIFT算法的运算之后就能够掌握视差信息，如附图2所示，P是待测物体上的某一点，O1与O2分别是两个相机的光心，点P在两个相机感光器上的成像点分别为P1和P2（相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方），f为相机焦距，B为两相机中心距，Z为我们想求得的深度信息，点P1到点P2的距离为D，D和B之间的关系为D=B-（X1-X2），根据相似三角形原理，[B-（X1-X2）]/B=（Z-f）/Z，这样就能够得到Z=f*B/(X1-X2)，如此，控制系统就能够判断切割的实时深度值，当切割的深度已经达到了控制系统事先所设定的阈值，那么就停止纵向切割，同时通过调节振镜的方向能够实现横向切割，这时候振镜转动的角速度和激光的功率值就需要保持在一个精准的范围内才能够起到高精度切割的效果，在完成目标区域的切割的同时，与之匹配的光纤开关断开，停止该橡胶树的激光切割操作。

Claims (8)

1.一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其核心系统特征在于包括三大模块：分别是：激光光源模块，分布式激光切割模块和三维形貌检测模块，激光光源模块包括激光器，冷却系统，控制系统；分布式激光切割模块包括光纤，光纤开关，振镜和透镜；三维形貌检测模块包括成像系统和算法系统，激光光源模块内的激光器能够产生高能激光源，冷却系统能够给工作中的激光器起到降温的作用，控制系统由微型计算机和信号发生器组成，能够控制激光器、光纤开关、振镜，并能够处理双目相机所传输的实时信息，振镜电机能够调节振镜转动的角度，分布式激光切割模块中的光纤传输激光器所产生的激光信号，光纤开关能够起到导通或者关断激光到指定分布点的作用，激光经过振镜的反射并通过透镜来对橡胶树的树皮进行激光切割，三维形貌检测模块包括双目相机，特征匹配算法，双目成像算法，双目相机可以获得橡胶树激光切割位置的形貌，通过特征匹配算法可以获得双目相机在同个时间拍摄的两幅图片的特征匹配点，同时使用双目成像算法获取橡胶树被切割位置的深度信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的激光光源模块包括激光器，冷却系统和控制系统，激光器可以由内置的激光电源产生高能的激光源，在获得激光源以后，激光器会产生平行的激光束，随后激光束以光纤为载体传递到各个工作站点，使用冷却系统来给工作中的激光器降温，冷却系统通过冷却水作为降温媒介，经过冷却之后的水流到散热器的底部，然后冷却后的水由水泵抽出，再次传送到激光器的水套中，这样循环下去，就能够将激光器工作所产生的热量传送到大气中，控制系统负责整个激光切割系统内的激光强度，切割速度和切割深度的控制工作，如果控制系统判定激光切割已经达到预定的切割期望值则会关断对应的光纤开关，停止相应的激光切割操作。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的控制系统包括微型计算机和信号发生器，通过5V的电压信号发生器来对分布式激光切割模块中的振镜电机发出指令，控制振镜电机的位移和转速，当电机的实际输出和指令输入存在偏差的时候，可以根据反馈的误差信号来及时地修改输入指令，减少实际的偏差值，这样能够更加精准地控制速度和位置，然后给出的位移速度等指令信号可以根据振镜电机的机械驱动装置直接作用于激光切割系统中的振镜，控制装置还能够控制激光的强度，实现精准的激光切割操作，本专利采用的是分布式激光器的工作方式，各个工作点的切割状态可以及时地反馈到控制系统中，控制系统中采用微型计算机作为微处理单元，在各个工作站点的实时信息可以通过通信芯片和微型计算机建立通信连接，然后微型计算机再通过外设对光纤开关、激光器等发出相应的指令。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的分布式激光切割模块由振镜，光纤，光纤开关，透镜组成，激光可以通过铺设的光纤进行传输，其传输的范围可达几十公里，其完全符合分布式激光切割的实际需要，将光纤按照分布式的方式放置在每个待切割橡胶树的前面，光纤开关和光纤结合在一起使用，当需要进行激光切割之时，控制系统利用通信芯片对光纤开关下达指令，光纤开关打开，光纤中的激光就能够从指定点射出，振镜中的控制单元为振镜电机，振镜电机是一种特殊的摆动电机，电机在控制的过程中采用的是闭环控制，从光纤中发射出来的激光要经过振镜的反射，振镜电机负责控制振镜所摆动的位移和速度，然后激光经过透镜的聚焦而照射在目标区域，这时候就能够完成激光切割的工作。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的三维形貌检测模块包括成像系统和算法系统，模块内有双目相机，特征点提取算法（Scale-invariant feature transform，SIFT），双目成像算法，双目相机用于获取空间图像，空间图像通过特征点提取算法后，就能够通过几何计算判断出空间图像之间的距离，针对经过激光切割的目标区域，通过对橡胶树切割部位连续不断的拍摄，利用不同时间的深度信息差值，就能计算出激光切割的实时深度信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的成像系统，由双目相机构成，双目相机中包含两个镜头，两个感光芯片，两个镜头的光轴平行，镜头中心连线与镜头光轴垂直，相互间距为B毫米（B是大于零的实数），两个感光芯片的法线方向相互平行，相互间距也是B毫米，感光芯片的中心点法线与镜头光轴重合。

7.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的双目相机，在工作过程中，双目相机固定在分布式系统的指定位置，双目式相机的镜头对准橡胶树待切割的位置以特定的频率进行连续的拍摄，拍摄的每组照片有两张，分别为同一时刻双目相机的左，右两个镜头拍摄的照片，并将这些数据的图片通过图像存储传输模块传送到控制系统中，控制系统对这些图像进行实时的检测并进行相应的处理，然后控制系统根据反馈的图像信息对激光切割开展实时的控制。

8.根据权利要求1所述的一种基于分布式高能脉冲激光的橡胶树割胶方法，其特征在于所述的双目成像算法，在获得了同一时刻双目相机拍摄的图像Img1（t）和Img2（t）之间的特征匹配点，因为两个独立的摄像系统对目标物体拍摄时存在视差，造成了特征匹配点的偏移，视差=“像素点位移量”ד单个像素边长”，再经过SIFT算法的运算之后就能够掌握视差信息， P是待测物体上的某一点，O1与O2分别是两个相机的光心，点P在两个相机感光器上的成像点分别为P1和P2（相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方），f为相机焦距，B为两相机中心距，Z为我们想求得的深度信息，点P1到点P2的距离为D，D和B之间的关系为D=B-（X1-X2），根据相似三角形原理，[B-（X1-X2）]/B=（Z-f）/Z，这样就能够得到Z=f*B/(X1-X2)，当进行激光切割的时候，Z的实时深度信息要及时传递到控制系统，这样控制系统就能够判断切割的实时深度值，如果切割的深度已经达到了控制系统事先所设定的阈值，那么就停止纵向切割，同时通过调节振镜的方向能够实现横向切割，这时候振镜转动的角速度和激光的功率值就需要保持在一个精准的范围内才能够起到高精度切割的效果，在完成目标区域的切割的同时，光纤开关断开，停止目标区域的激光切割操作。

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