CN112564700B - 一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜输出正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号
，发送给数字锁相环电路；数字锁相环电路产生基准信号；将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列；FPGA控制模块开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光；本发明基于锁相环原理的激光器出射光束与微镜扭转轨迹，实时动态同步，保证了光栅条纹等周期，动态调整相位，投影清晰稳定等亮度等周期的结构光光栅。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，属于条纹结构光扫描3D成像领域。
背景技术
随着人工智能的发展，3D测量在工业检测、人机交互、生物识别等领域潜在巨大的应用空间，通常采用主动测量技术，即向被测物体投射经过调制的结构光，供后端摄像头获取物体表面的轮廓信息。由于激光单色性、方向性和相干性好，3D扫描通常用激光扫描来实现。
当前正弦条纹结构光生成技术仍然存在很大的改进和发展空间，首先因为不同的MEMS微镜谐振频率不同，即便同一批次生产的微镜谐振频率也会有的差别，在生产测试的过程中，需针对每一颗MEMS微镜，手动设置谐振频率；其次经过调制的激光光束，投射到高速振动的MEMS微镜上反射出去，如何让出射光束与微镜的运动轨迹同步，也是一个难题，传统的方式是设置一个对齐参数，通过摄像头观察扫描出的光栅条纹，手动调节该参数，以求达到散射出去的条纹空间周期相同，同时需要将谐振频率及对齐参数写入到外置存储器中保存，这需要依赖生产调试人员，大大降低了生产效率，所以如何改进现有技术，加快生产效率成为目前一项迫在眉睫的任务。
现有公开专利，专利号201710376171.X，专利名称为一种正弦结构光生成方法和系统，该发明公开了一种正弦结构光生成方法及系统，包括由以此排列设置的微振镜、双面透镜和激光器组成的光路，还包括微振镜驱动模块、激光器驱动模块、FPGA模块、ARM模块、微振镜反馈模块及激光器反馈模块组成的控制电路，系统上电后，激光器和微振镜在FPGA模块控制下形成初级稳定的正弦结构光光栅，在此过程中，ARM模块利用光电探测器和微镜反馈模块计算得到基于光电探测器位置的时刻点，FPGA模块利用预先存储的亮度时刻对应表匹配该时刻所对应的激光器亮度值，并利用该激光器亮度值调制激光器的亮度正弦分布特性，从而得到相对稳定的正弦结构光光栅。
但是，该发明存在以下不足：首先该发明需要ARM模块和光电探测器，成本偏高，结构复杂；其次针对不同频率MEMS微镜需要手动设置谐振频率保存到外置存储器中，效率较低；再次微镜反馈模块是由一个三极管共射放大电路构成，通过检测光电探测器的通断来判断MEMS微镜是否按指定轨迹运动，本身由分立元件搭成的反馈回路，一是集成度不高，二是误差受环境影响较大，MEMS微镜运动轨迹和激光器光束比较难同步。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，有效的提高条纹结构光空间均匀性及加快生产效率。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括如下步骤，
FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；
MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号
，发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环电路；数字锁相环电路根据输入的方波信号/>
，产生在频率和相位上与方波信号/>
同步的基准信号；将所述基准信号经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；
FPGA控制模块将产生的正弦畸变序列通过激光器驱动电路产生电流信号，开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
优选的，FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率包括如下步骤，
设定MEMS微镜固有频率范围，每次上电时，遍历该频率范围，通过ADC芯片采样MEMS微镜压阻的反馈信号，实时监测MEMS微镜振幅，得到MEMS微镜的固有频率；
存储得到MEMS微镜的固有频率，作为基准频率；
MEMS微镜处于谐振状态时，质点位移的相位与驱动信号的相位差为固定值A，若MEMS微镜的固有频率发生变化，则根据受迫振动的数学分析，得到受迫振动的频率与驱动信号频率相同，其中，驱动信号频率记为f，MEMS微镜的固有频率记为
，受迫振动质点的位移相位与驱动信号相位差记为θ；
当f<
时，-A<θ<0，质点位移的相位落后驱动信号的相位；
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时，θ=-A，质点位移的相位落后驱动信号的相位A；
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时，-π<θ<-A，质点位移的相位超前驱动信号的相位；
根据上述不同情况，MEMS微镜每振动到平衡位置时，比较器输出发生翻转产生方波信号
，反馈信号处理模块检测方波信号/>
上升沿产生脉冲信号，频率追踪模块根据脉冲信号，判断相位差并实时调整驱动信号频率，使MEMS微镜工作在谐振频率上。
优选的，所述FPGA控制模块内部通过DDS信号发生器产生驱动MEMS微镜的离散正弦信号，并输出给MEMS微镜驱动电路产生正弦电压信号，从而驱动MEMS微镜周期性振动。
优选的，所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步。
优选的，所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步，其步骤包括，
DDS信号发生器产生MEMS微镜驱动正弦信号的同时产生相位信号，相位信号经过调制作为正弦波相位-幅度表的地址输入信号，通过该地址输入信号查找得到一个新的离散正弦信号，对该正弦信号整形变换得到方波信号
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将方波信号
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输入到鉴相器，鉴相器比较/>
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之间的相位差异，产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号，K变模可逆计数器根据计数方向控制信号调整计数值，当计数方向控制信号为高进行减计数，并当计数值到达0时，则输出借位脉冲信号；当计数方向控制信号为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号；
脉冲加减电路根据借位脉冲信号和进位脉冲信号进行脉冲的增加和扣除来调整相位信号；
经过数字锁相环的不断反馈调节，使基准信号不断追踪正弦反馈信号。
一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统，包括FPGA控制模块、微镜驱动模块、MEMS微镜、比较器、调制模块、激光器驱动模块、激光器和整形透镜；所述FPGA控制模块内设有DDS信号发生器和数字锁相环；所述DDS信号发生器与微镜驱动模块连接；所述微镜驱动模块与MEMS微镜连接；所述MEMS微镜内设有自动匹配模块；所述比较器分别与自动匹配模块和数字锁相环连接；所述数字锁相环与调制模块连接；所述调制模块与激光器驱动模块连接；所述激光器驱动模块与激光器连接；所述整形透镜分别与激光器和MEMS微镜配合使用。
优选的，所述FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自动匹配模块匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过微镜驱动模块驱动MEMS微镜至谐振状态；
所述MEMS微镜实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；
所述比较器将正弦反馈信号整形为方波信号后发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环；
所述数字锁相环产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；
所述调制模块将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列并发送至激光器驱动模块；
所述激光器驱动模块驱动激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束透过整形透镜整形为一字线光束投射到谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，通过自动找频匹配算法，匹配微镜的固有频率，实现自动化生产，加快生产效率；基于锁相环原理的激光器出射光束与微镜扭转轨迹，实时动态同步，保证了光栅条纹等周期，且不需要手动调节；通过激光器投射在振镜上的灰度值曲线模型，提取光栅亮度均匀化参数，真正做到了自检找频，动态调整相位，投影清晰稳定等亮度等周期的结构光光栅。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法的流程图；
附图2为本发明的的正弦条纹拟合图；
附图3为本发明的经过校正后的多周期正弦条纹图；
附图4为本发明的激光器投射在MEMS微镜上的灰度值曲线；
附图5为本发明的光栅条纹均匀化处理仿真波形图；
附图6为本发明的经锁相环动态调整的光栅对齐条纹对比图；
附图7为本发明的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
实施例一
如附图1-6所示为本发明所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括如下步骤，
FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号mems_sin，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；FPGA控制模块内部通过DDS信号发生器产生驱动MEMS微镜的离散正弦信号，并输出给MEMS微镜驱动电路产生正弦电压信号，从而驱动MEMS微镜周期性振动；得到如附图1所示的正弦条纹拟合图；
MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号fsin，该正弦反馈信号表征MEMS微镜实际扭转轨迹；
正弦反馈信号fsin经比较器整形为方波信号
，发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环电路；
数字锁相环电路根据输入的方波信号
，产生在频率和相位上与方波信号/>
同步的基准信号laser_sin，该基准信号与微镜实际运动位移相位相同，作为控制激光器出射光束的基准信号；
将所述基准信号laser_sin经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；得到如附图3所示的经过校正后的多周期正弦条纹图；
FPGA控制模块将产生的正弦畸变序列通过激光器驱动电路产生电流信号，开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出清晰稳定的正弦结构光光栅，得到如附图4所示的的激光器投射在MEMS微镜上的灰度值曲线；由MEMS微镜按正弦摆动可知，在平衡位置速度最快，波峰和波谷速度最小（为0），单位时间内，不同时刻激光器投影在MEMS微镜上的亮度值不同（激光器光功率不变）；由此可知，两边亮度高(振镜摆角最大，速度为0)，中间低，所以需要对驱动激光器的数据做一个均匀化的处理，即两边给值小，中间给值大（激光器波形数据与均匀化因子做乘积），得到如附图5所示的的光栅条纹均匀化处理仿真波形图。
根据谐振的定义，微镜在周期性外力作用下做受迫振动，当外力作用频率与微镜固有振荡频率相同或很接近时，振幅将达到最大，微镜振幅越大，微镜压阻的反馈信号幅值就越大。
MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率包括如下步骤，
首先，设定MEMS微镜固有频率范围2000Hz-5000Hz之间，每次上电时，遍历该频率范围，通过ADC芯片采样MEMS微镜压阻的反馈信号，实时监测MEMS微镜振幅，得到MEMS微镜的固有频率；
其次，存储得到MEMS微镜的固有频率，作为基准频率；
MEMS微镜处于谐振状态时，质点位移的相位与驱动信号的相位差为
，若MEMS微镜的固有频率发生变化，则根据受迫振动的数学分析，得到受迫振动的频率与驱动信号频率相同，其中，驱动信号频率记为f，MEMS微镜的固有频率记为/>
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上升沿产生脉冲信号，频率追踪模块根据脉冲信号，判断相位差并实时调整驱动信号频率，使MEMS微镜工作在谐振频率上。
所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步，数字锁相环电路由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路组成；其步骤包括，
DDS信号发生器产生MEMS微镜驱动正弦信号的同时产生相位信号phase1，相位信号phase1经过调制为phase2作为正弦波相位-幅度表的地址输入信号，通过该地址输入信号查找得到一个新的离散正弦信号，对该正弦信号整形变换得到方波信号
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之间的相位差异，产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号flag，K变模可逆计数器根据计数方向控制信号flag调整计数值，当计数方向控制信号flag为高进行减计数，并当计数值到达0时，则输出借位脉冲信号borrow；当计数方向控制信号flag为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号carryo；
脉冲加减电路根据借位脉冲信号borrow和进位脉冲信号carryo进行脉冲的增加和扣除来调整相位信号phase1→phase2；
经过数字锁相环的不断反馈调节，使基准信号laser_sin不断追踪正弦反馈信号fsin，达到锁相的目的；得到如附图6所示的经锁相环动态调整的光栅对齐条纹对比图。
实施例二
如附图7所示的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统，包括FPGA控制模块、微镜驱动模块、MEMS微镜、比较器、调制模块、激光器驱动模块、激光器和整形透镜；所述FPGA控制模块内设有DDS信号发生器和数字锁相环；所述DDS信号发生器与微镜驱动模块连接；所述微镜驱动模块与MEMS微镜连接；所述MEMS微镜内设有自动匹配模块；所述比较器分别与自动匹配模块和数字锁相环连接；所述数字锁相环与调制模块连接；所述调制模块与激光器驱动模块连接；所述激光器驱动模块与激光器连接；所述整形透镜分别与激光器和MEMS微镜配合使用。
所述FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自动匹配模块匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过微镜驱动模块驱动MEMS微镜至谐振状态；
所述MEMS微镜实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；
所述比较器将正弦反馈信号整形为方波信号后发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环；
所述数字锁相环产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；
所述调制模块将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列并发送至激光器驱动模块；
所述激光器驱动模块驱动激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束透过整形透镜整形为一字线光束投射到谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
本发明的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，通过自动找频匹配算法，匹配微镜的固有频率，实现自动化生产，加快生产效率；基于锁相环原理的激光器出射光束与微镜扭转轨迹，实时动态同步，保证了光栅条纹等周期，且不需要手动调节；通过激光器投射在振镜上的灰度值曲线模型，提取光栅亮度均匀化参数，真正做到了自检找频，动态调整相位，投影清晰稳定等亮度等周期的结构光光栅。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：包括如下步骤，
FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号
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同步的基准信号；将所述基准信号经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；
FPGA控制模块将产生的正弦畸变序列通过激光器驱动电路产生电流信号，开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
2.如权利要求1所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率包括如下步骤，
设定MEMS微镜固有频率范围，每次上电时，遍历该频率范围，通过ADC芯片采样MEMS微镜压阻的反馈信号，实时监测MEMS微镜振幅，得到MEMS微镜的固有频率；
存储得到MEMS微镜的固有频率，作为基准频率；
MEMS微镜处于谐振状态时，质点位移的相位与驱动信号的相位差为固定值A，若MEMS微镜的固有频率发生变化，则根据受迫振动的数学分析，得到受迫振动的频率与驱动信号频率相同，其中，驱动信号频率记为f，MEMS微镜的固有频率记为
，受迫振动质点的位移相位与驱动信号相位差记为θ；
当f<
时，-A<θ<0，质点位移的相位落后驱动信号的相位；
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时，θ=-A，质点位移的相位落后驱动信号的相位A；
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上升沿产生脉冲信号，频率追踪模块根据脉冲信号，判断相位差并实时调整驱动信号频率，使MEMS微镜工作在谐振频率上。
3.如权利要求1所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：所述FPGA控制模块内部通过DDS信号发生器产生驱动MEMS微镜的离散正弦信号，并输出给MEMS微镜驱动电路产生正弦电压信号，从而驱动MEMS微镜周期性振动。
4.如权利要求3所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步。
5.如权利要求4所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步，其步骤包括，DDS信号发生器产生MEMS微镜驱动正弦信号的同时产生相位信号，相位信号经过调制作为正弦波相位-幅度表的地址输入信号，通过该地址输入信号查找得到一个新的离散正弦信号，对该正弦信号整形变换得到方波信号
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之间的相位差异，产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号，K变模可逆计数器根据计数方向控制信号调整计数值，当计数方向控制信号为高进行减计数，并当计数值到达0时，则输出借位脉冲信号；当计数方向控制信号为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号；脉冲加减电路根据借位脉冲信号和进位脉冲信号进行脉冲的增加和扣除来调整相位信号；经过数字锁相环的不断反馈调节，使基准信号不断追踪正弦反馈信号。
6.一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统，其特征在于：包括FPGA控制模块、微镜驱动模块、MEMS微镜、比较器、调制模块、激光器驱动模块、激光器和整形透镜；所述FPGA控制模块内设有DDS信号发生器和数字锁相环；所述DDS信号发生器与微镜驱动模块连接；所述微镜驱动模块与MEMS微镜连接；所述MEMS微镜内设有自动匹配模块；所述比较器分别与自动匹配模块和数字锁相环连接；所述数字锁相环与调制模块连接；所述调制模块与激光器驱动模块连接；所述激光器驱动模块与激光器连接；所述整形透镜分别与激光器和MEMS微镜配合使用。
7.如权利要求6所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统，其特征在于：所述FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自动匹配模块匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过微镜驱动模块驱动MEMS微镜至谐振状态；所述MEMS微镜实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；所述比较器将正弦反馈信号整形为方波信号后发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环；所述数字锁相环产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；所述调制模块将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列并发送至激光器驱动模块；所述激光器驱动模块驱动激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束透过整形透镜整形为一字线光束投射到谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
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