CN114513642A - 光路准直高速反馈控制方法与系统 - Google Patents

光路准直高速反馈控制方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种光路准直高速反馈控制方法与系统，旨在减少光路准直耗时。本发明的光路准直高速反馈控制系统包括：摄像子系统、计算处理子系统、光路调整驱动子系统。计算处理子系统包括图像采集模块、图像处理模块、准直误差计算模块、电机调整量计算模块和电机位置调整模块；图像采集模块包括多个并行工作的图像采集网卡；图像处理模块利用GPU对图像数据进行处理；准直误差计算模块根据图像处理结果计算准直误差；若准直误差大于预设的误差范围，则电机调整量计算模块计算位置调整量；电机位置调整模块根据位置调整量向调整驱动子系统发送位置调整指令。本发明可以快速地完成自动准直，满足对光路准直时间的严格要求。

Description

光路准直高速反馈控制方法与系统
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种光路准直高速反馈控制方法与系统。
背景技术
目前国内外建设了不少大型的高功率激光装置。光路自动准直是这些高功率激光装置中必不可少的一部分，在系统运行中发挥越来越重要的作用。
在光路的准直中，往往需要处理光束的近场图像和远场图像、处理闭环计算和运动控制等。目前采用的技术手段是：利用单台计算机来完成光路准直的所有工作，这些工作包括图像采集、图像处理、闭环计算、运动控制等；图像采集和其它通讯功能共用1个通讯网口；图像采集与处理、闭环反馈控制等所有计算工作都由计算机的CPU来处理。
随着国内外高功率激光技术的发展，高功率激光装置的规模越来越大，光路路数也越来越多。因此，对光路自动准直系统的要求也越来越高，不仅需要满足准直精度的要求，而且对光路准直的时间消耗要求越来越苛刻。随着光束路数的增多和闭环反馈频率要求的提高，需要同时处理的图像数量大幅度增加，对于对准直耗时有苛刻要求的准直系统，利用现有技术手段难以满足要求。有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种光路准直高速反馈控制方法与系统，可以利用单台计算机快速地完成多光路的自动准直，满足对光路准直时间的严格要求。
本发明的一方面，提出了一种光路准直高速反馈控制方法，所述方法包括：
步骤S1，采集图像数据，所述图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像；
步骤S2，利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果；
步骤S3，根据所述图像处理结果计算准直误差；
步骤S4，若准直误差未达到所述预设的误差范围，则计算光路调整驱动子系统中对应电机的位置调整量，并转至步骤S5；否则，结束；
步骤S5，根据所述位置调整量，向所述光路调整驱动子系统发送位置调整指令，并转至步骤S1；
其中，所述图像处理结果包括：近/远场基准信息和近/远场实时信息。
优选地，所述图像数据为一路或多路；
“采集图像数据”的步骤包括：
通过一个或多个图像采集网卡并行采集所述图像数据。
优选地，“利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果”的步骤包括：
利用一个或多个GPU对各路所述近场图像和所述远场图像进行并行处理，得到每个近场图像对应的近场基准信息和近场实时信息，以及每个远场图像对应的远场基准信息和远场实时信息；
其中，根据光学参数的不同，对每个所述近场图像或所述远场图像采用的GPU处理算法也不同。
可选地，在“采集图像数据”的步骤之前，所述方法还包括：
通过工业相机拍摄所述图像数据。
本发明的另一方面，还提出了一种光路准直高速反馈控制系统，所述系统包括：计算处理子系统；
所述计算处理子系统包括：图像采集模块、图像处理模块、准直误差计算模块、电机调整量计算模块和电机位置调整模块；
其中，
所述图像采集模块配置为采集图像数据，所述图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像；
所述图像处理模块配置为利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果；所述图像处理结果包括：近/远场基准信息和近/远场实时信息；
所述准直误差计算模块配置为根据所述图像处理结果计算准直误差；
所述电机调整量计算模块配置为：在所述准直误差大于所述预设的误差范围的情况下，计算光路调整驱动系统中对应电机的位置调整量；
所述电机位置调整模块配置为：根据所述位置调整量，向所述光路调整驱动子系统发送位置调整指令。
优选地，所述图像数据为一路或多路；
所述图像采集模块包括一个或多个图像采集网卡；
每个所述图像采集网卡用于采集一路或多路所述图像数据。
优选地，所述图像处理模块包括：若干近场图像子处理模块和若干远场图像处理子模块；
所述近场图像子处理模块和所述远场图像处理子模块并行进行图像处理；每个所述近场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的近场图像；每个所述远场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的远场图像；通过所述近场图像处理子模块，得到对应近场图像的近场基准信息和近场实时信息；通过所述远场图像处理子模块，得到对应远场图像的远场基准信息和远场实时信息；
其中，根据光学参数的不同，对每个所述近场图像或所述远场图像采用的GPU处理算法也不同。
可选地，所述系统还包括：摄像子系统;
所述摄像子系统包括一个或多个工业相机，用于拍摄光路准直时的所述图像数据。
可选地，所述系统还包括：光路调整驱动子系统；
所述光路调整驱动子系统包括多组电机驱动器控制器及对应的电机组，用于驱动反射镜的电机；
所述电机驱动器控制器包括：驱动器和控制器；所述驱动器和控制器单独设置或合并设置；
每个所述电机驱动器控制器用来驱动一个电机组。
优选地，所述摄像子系统、计算处理子系统和所述光路调整驱动子系统通过局域网络连接；
所述局域网为千兆网或万兆网。
优选地，所述计算处理子系统还包括：通用功能网卡；
所述通用功能网卡用于传输除图像数据之外的信息。
优选地，所述GPU为一个或多个。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明一方面采用了多个网卡来同时对众多数量的工业相机的图像进行并行采集，保证了光路准直时图像采集的实时性。另一方面，利用GPU显卡对单台计算的计算能力进行大幅度提升，通过GPU来并行处理光路中的各近场图像和远场图像，保证了图像处理的实时性。对于光束路数庞大的激光装置，利用本发明可以使用单台计算机进行光路自动准直，可以大幅度缩短光路准直的时间消耗，以满足光路准直对时间消耗的苛刻要求。
附图说明
图1是本发明的光路准直高速反馈控制方法实施例一的主要步骤示意图；
图2是本发明的光路准直高速反馈控制方法实施例二的主要步骤示意图；
图3是本发明实施例中闭环反馈的时序图；
图4是本发明光路准直高速反馈控制系统实施例的构成示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
图1是本发明的光路准直高速反馈控制方法实施例一的主要步骤示意图。如图1所示，本实施例的方法包括步骤S1-S5：
步骤S1，采集图像数据。
其中，图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像。
本实施例中，图像数据为一路或多路；步骤S1可以具体包括：
通过一个或多个图像采集网卡并行采集图像数据。
本实施例中的“图像采集网卡”是专门用于将工业相机拍摄的图像数据采集到计算机的网卡，不用于其它功能，“图像采集网卡”的主要目的是保证图像数据采集的实时性。另外配置的“通用功能网卡”用于除了图像采集功能以外的其它通讯。譬如与电机驱动器控制器的通讯。“通用功能网卡”配置1个即可。
步骤S2，利用GPU对图像数据进行处理，得到图像处理结果。
其中，图像处理结果包括：近/远场基准信息和近/远场实时信息。
本实施例中，GPU为一个或多个，步骤S2可以具体包括：利用一个或多个GPU对各路近场图像和远场图像进行并行处理，得到每个近场图像对应的近场基准信息和近场实时信息，以及每个远场图像对应的远场基准信息和远场实时信息。
需要说明的是，由于不同光路的近场图像、远场图像的图像质量和所对应的光学参数等是不相同的，所以需要针对特定图像编写特定的GPU处理算法，也就意味着针对某个工业相机对应的图像要专门编写处理软件。GPU处理算法可以利用现有的比较成熟的开发方法，譬如CUDA，AMP，OpenCV+CUDA等。一种比较优选的方式是采用OpenCV+CUDA的GPU开发方法，可以在使用GPU的情况下兼顾开发效率。
步骤S3，根据图像处理结果计算准直误差。
步骤S4，若准直误差未达到预设的误差范围，则计算光路调整驱动子系统中对应电机的位置调整量，并转至步骤S5；否则，结束。
步骤S5，根据位置调整量，向光路调整驱动子系统发送位置调整指令，并转至步骤S1。
图2是本发明的光路准直高速反馈控制方法实施例二的主要步骤示意图。如图2所示，本实施例的方法与实施例一的差别在于，在步骤S1之前还可以包括：
步骤S0，通过工业相机拍摄图像数据。拍摄的图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像。
图3是本发明实施例中闭环反馈的时序图。如图3所示，f是闭环反馈调节频率，闭环处理周期T是f的倒数，闭环反馈频率越高，闭环处理周期越短。在每个闭环处理周期内需要依次完成图像采集、图像处理、闭环计算等工作。如图3中所示：1）在闭环处理周期开始时触发图像采集，将图像采集到计算机内存耗时t1；2）而后进行图像处理，图像处理消耗时间t2；3）而后进行闭环计算，闭环计算耗时t3。在时间上需要严格满足t1+t2+t3<T。实际情况是，图像采集时间t1和图像处理时间t2占用了绝大部分的时间，f越高、图像处理的时间越长则图像采集的时间要求越短。若采集众多个工业相机的图像数据，需要配置多个网卡进行并行采集才能够满足时间方面的要求。如本发明中所述，每个图像采集网卡可以采集1个工业相机或者多个工业相机的图像；每个图像采集网卡对应工业相机的最大数量，与工业相机采集的图像尺寸、采集的帧率相匹配。设某块图像采集网卡所对应的所有工业相机采集1帧图像的总数据量为x字节，则须满足x/D<t1，其中D是该图像采集网卡的带宽（单位：字节），t1是综合了图像处理时间t2、闭环计算时间t3而分配的时间。
基于与方法实施例相同的技术构思，本发明还提供了一种光路准直高速反馈控制系统的实施例，下面进行具体说明。
图4是本发明光路准直高速反馈控制系统实施例的构成示意图。如图4所示，本实施例的光路准直高速反馈控制系统100包括：摄像子系统101、计算处理子系统102和光路调整驱动子系统103。摄像子系统101、计算处理子系统102和光路调整驱动子系统103通过局域网络连接；局域网包括1台或多台交换机；优选地，交换机之间采用千兆网通讯或者万兆网通讯。
本实施例中，摄像子系统101包括一个或多个工业相机，图4中设置了n个，用于拍摄光路准直时的图像数据，包括近场图像和远场图像；工业相机的通讯接口是以太网接口，通过网线接入局域网。优选地，采用GigE接口的工业相机。
本实施例中，计算处理子系统102包括：图像采集模块1021、图像处理模块1022、准直误差计算模块1023、电机调整量计算模块1024、电机位置调整模块1025和通用功能网卡1026。
计算处理子系统包括了计算处理硬件子系统和计算处理软件子系统两个部分。其中，计算处理软件系统运行在计算处理硬件系统上，包含了设备服务软件、业务服务软件和人机交互GUI软件。设备服务软件包含工业相机设备服务软件和电机驱动器控制器设备服务软件。工业相机设备服务软件的核心功能是将工业相机拍摄到的图像通过图像采集网卡读取到计算机内存。业务服务软件的核心功能包括：图像采集、图像处理任务管理和准直闭环控制；电机驱动器控制器设备服务软件的核心功能是实现各电机组的状态监视和各电机组中每个电机的控制。
本实施例中，图像采集模块1021配置为采集图像数据，图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像；图像处理模块1022配置为利用GPU对图像数据进行处理，得到图像处理结果；准直误差计算模块1023配置为根据图像处理结果计算准直误差；电机调整量计算模块1024配置为：在准直误差大于预设的误差范围的情况下，计算光路调整驱动系统中对应电机的位置调整量；电机位置调整模块1025配置为：根据位置调整量，向光路调整驱动子系统发送位置调整指令；通用功能网卡1026用于传输除图像数据之外的信息。
本实施例中，图像数据为一路或多路；图像采集模块1021包括一个或多个图像采集网卡；每个图像采集网卡用于采集一路或多路图像数据，即每个图像采集网卡可以采集1个工业相机或者多个工业相机的图像。每个图像采集网卡对应工业相机的最大数量，与工业相机采集的图像尺寸、采集的帧率相匹配。图4中配置了k个图像采集网卡。图像采集网卡的数量k，需要与工业相机的数量n相匹配，但不一定是一一对应关系。可以通过网络配置，将某个图像采集网卡配置为采集对应的某个或某几个工业相机的图像数据。
本实施例中，图像处理模块1022包括：若干近场图像子处理模块和若干远场图像处理子模块；近场图像子处理模块和远场图像处理子模块并行进行图像处理；每个近场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的近场图像；每个远场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的远场图像；通过近场图像处理子模块，得到对应近场图像的近场基准信息和近场实时信息；通过远场图像处理子模块，得到对应远场图像的远场基准信息和远场实时信息。图像处理模块把图像处理结果、图像处理状态等信息发送给准直误差计算模块。其中，根据光学参数的不同，对每个近场图像或远场图像采用的GPU处理算法也不同。
本实施例中，光路调整驱动子系统103包括多组电机驱动器控制器及对应的电机组，用于驱动反射镜的电机。电机驱动器控制器包括：驱动器和控制器；驱动器和控制器可以单独设置或合并设置；每个电机驱动器控制器用来驱动一个电机组。电机驱动器控制器的通讯接口是以太网接口，通过网线接入局域网。优选地，电机驱动器控制器为步进电机提供驱动与控制，并提供千兆网通讯接口；电机组中各电机采用步进电机。
本实施例中，配置了1个GPU计算显卡。当GPU的算力不够时，可以扩展多个GPU计算显卡。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光路准直高速反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，采集图像数据，所述图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像；
步骤S2，利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果；
步骤S3，根据所述图像处理结果计算准直误差；
步骤S4，若准直误差未达到预设的误差范围，则计算光路调整驱动子系统中对应电机的位置调整量，并转至步骤S5；否则，结束；
步骤S5，根据所述位置调整量，向所述光路调整驱动子系统发送位置调整指令，并转至步骤S1；
其中，所述图像处理结果包括：近/远场基准信息和近/远场实时信息。
2.根据权利要求1所述的光路准直高速反馈控制方法，其特征在于，
所述图像数据为一路或多路；
“采集图像数据”的步骤包括：
通过一个或多个图像采集网卡并行采集所述图像数据。
3.根据权利要求2所述的光路准直高速反馈控制方法，其特征在于，“利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果”的步骤包括：
利用一个或多个GPU对各路所述近场图像和所述远场图像进行并行处理，得到每个近场图像对应的近场基准信息和近场实时信息，以及每个远场图像对应的远场基准信息和远场实时信息；
其中，根据光学参数的不同，对每个所述近场图像或所述远场图像采用的GPU处理算法也不同。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光路准直高速反馈控制方法，其特征在于，在“采集图像数据”的步骤之前，所述方法还包括：
通过工业相机拍摄所述图像数据。
5.一种光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述系统包括：计算处理子系统；
所述计算处理子系统包括：图像采集模块、图像处理模块、准直误差计算模块、电机调整量计算模块和电机位置调整模块；
其中，
所述图像采集模块配置为采集图像数据，所述图像数据包括：光路准直时的近场图像和远场图像；
所述图像处理模块配置为利用GPU对所述图像数据进行处理，得到图像处理结果；所述图像处理结果包括：近/远场基准信息和近/远场实时信息；
所述准直误差计算模块配置为根据所述图像处理结果计算准直误差；
所述电机调整量计算模块配置为：在所述准直误差大于预设的误差范围的情况下，计算光路调整驱动系统中对应电机的位置调整量；
所述电机位置调整模块配置为：根据所述位置调整量，向所述光路调整驱动子系统发送位置调整指令。
6.根据权利要求5所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，
所述图像数据为一路或多路；
所述图像采集模块包括一个或多个图像采集网卡；
每个所述图像采集网卡用于采集一路或多路所述图像数据。
7.根据权利要求6所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述图像处理模块包括：若干近场图像子处理模块和若干远场图像处理子模块；
所述近场图像子处理模块和所述远场图像处理子模块并行进行图像处理；每个所述近场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的近场图像；每个所述远场图像处理子模块，在处理光路中对应某个特定的远场图像；通过所述近场图像处理子模块，得到对应近场图像的近场基准信息和近场实时信息；通过所述远场图像处理子模块，得到对应远场图像的远场基准信息和远场实时信息；
其中，根据光学参数的不同，对每个所述近场图像或所述远场图像采用的GPU处理算法也不同。
8.根据权利要求7所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述系统还包括：摄像子系统;
所述摄像子系统包括一个或多个工业相机，用于拍摄光路准直时的所述图像数据。
9.根据权利要求8所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述系统还包括：光路调整驱动子系统；
所述光路调整驱动子系统包括多组电机驱动器控制器及对应的电机组，用于驱动反射镜的电机；
所述电机驱动器控制器包括：驱动器和控制器；所述驱动器和控制器单独设置或合并设置；
每个所述电机驱动器控制器用来驱动一个电机组。
10.根据权利要求9所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，
所述摄像子系统、计算处理子系统和所述光路调整驱动子系统通过局域网络连接；
所述局域网为千兆网或万兆网。
11.根据权利要求5-10中任一项所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述计算处理子系统还包括：通用功能网卡；
所述通用功能网卡用于传输除图像数据之外的信息。
12.根据权利要求11所述的光路准直高速反馈控制系统，其特征在于，所述GPU为一个或多个。
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