CN116972973A - 发光物体的空间光谱全自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种发光物体的空间光谱全自动测量装置及方法，系统包括了测量模块、运动模块、探测模块和计算模块，其中，测量模块包含双目摄像头，运动模块包含机械臂，探测模块包含光谱仪和探测光纤，三个模块通过机械臂末端转接件连接。计算模块为软件模块，与其他三个模块各自相连，可实现模块间的通信互联。本发明很好的解决了在测量光谱时光谱仪探头与发光物体很难对准和在各个角度测量定位精度的问题，并且可以通过预先设定好的程序全自动快速的测量三维空间中发光物体的光谱数据。

Description

发光物体的空间光谱全自动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱学技术领域，具体涉及一种发光物体的空间光谱全自动测量装置及方法。

背景技术

对发光物体的光谱测量在分析化学、光电子技术、等离子体诊断等方面都存在重要应用，然而，目前相关测量都是通过将光谱仪探头固定在位移台的滑块上进行，且对物体位置的判断通常通过尺子进行测量，这样会带来若干问题：(1)当发光物体和滑块不在同一高度上时，还需在位移台上加入偏摆台，并且每次测量只能在调整好的单一位置(角度和位置)上进行，无法实现自动化多位置测量；(2)在测量多个位置光谱时由于手动调节将导致误差大并且需要花费大量的时间；(3)在三维空间中用尺子测量来对物体进行定位同样费时费力且准确度不足。

发明内容

针对现有对发光物体光谱测量的方法所存在的缺陷，本发明提供一种发光物体的空间光谱全自动测量装置及方法，利用机械臂在三维空间中自行调节位置，对发光物体进行空间光谱测量。

本发明中使用双目视觉方法来对物体进行定位，通过一个物体在两个不同摄像头的成像位置来确定此物体的深度信息，再通过深度信息推算出摄像头坐标系下的物体三维位置坐标。双目视觉原理图如图2所示，根据成像点Oa,Ob像平面中的坐标、两摄像头之间的物理距离d和摄像头的焦距f来得到P的在摄像头坐标系下的坐标，计划在距离发光物体不同距离的球面上进行逐点运动，来测量各个点的光强。假设中心点坐标为(a,b,c),球半径为r，θ为Z轴正方向夹角，为从Z轴正方向看逆时针转过的角度，通过设置/>和θ的分辨率来进行取点，选取好点之后控制机械臂按轨迹进行运动。由于机械臂为一刚体，不光要确定其末端三维空间位置，还要确定末端的位姿，即机械臂的朝向，总共需要获取六个参数，三个位置参数和三个位姿参数。位置参数代表机械臂末端在三维空间中的位置，位姿参数代表机械臂末端对于机械臂底座坐标系的变化。本发明中通过初始向量和末端向量来获得其中的旋转矩阵，之后通过旋转矩阵来获得绕X、Y、Z轴的旋转角，之后通过一个连接有光谱仪的六轴机械臂对发光物体三维空间光强进行测量。本发明可以预先设定程序全自动精准、快速测量发光物体在三维空间中的光谱，克服人工测量空间光谱的局限性，除满足实验室条件下测量外，还可以运用于工业领域中的测量。

本发明采取的技术解决方案陈述如下：

一种全自动测量发光物体空间光谱的装置，其特点在于，包括测量模块、运动模块、探测模块、计算模块。所述测量模块，用于获取待测发光物体的位置信息；将两个摄像头获取发光物体的位置数据输入给计算模块，经过计算模块计算后将处理的数据输入给运动模块；

所述运动模块，用于读取计算模块规划的路径后，控制所述探测模块的移动，从而使所述探测模块能够获取待测发光物体的空间光谱；

所述探测模块，在收到运动模块到达位置的信息后，读取发光物体光谱数据，并将数据传输给计算模块进行处理和输出。

所述计算模块，分别与所述测量模块、运动模块和探测模块相连，用于收集与分析所述测量模块和探测模块获取的信息，并驱动所述运动模块和探测模块。计算模块为软件模块，与其他三个模块各自相连，可实现模块间的通信互联。

进一步地双目摄像头之间的距离小于10cm，分辨率不低于800×400，用于获取物体的位置。

进一步地上述机械臂为六轴机械臂，运动范围为距离机械臂底座10-50cm。

进一步地计算模块可收集、分析测量模块和探测模块获取的信息，驱动控制运动模块和探测模块。

进一步地装置的软件运行环境可包括但不限于Python、Matlab、C、C++环境。

进一步地提供了一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

(a)基于双目视觉坐标系转换方法来计算发光物体的空间坐标；

(b)将获得的物体三维坐标用于测量点的位置坐标计算和机械臂运动中的路径规划，驱动机械臂使机械臂末端正对着测量点中心；

(c)机械臂末端到达测量点且姿态正确后，驱动光谱仪探测发光物体光谱。

进一步地计算模块基于双目摄像头中获取的物体像素信息和当前机械臂末端的位置，计算双目摄像头坐标系、机械臂坐标系和世界坐标系下的旋转和平移矩阵，通过两次坐标系转换的方法得到物体的三维坐标。

进一步地运算模块通过球坐标系或直角坐标系或柱坐标系的路径规划，驱动控制机械臂位置和位姿。

进一步地测量点的位置坐标应小于机械臂运动范围。

进一步地运算模块通过对机械臂末端状态的读取，在达到每个测量点后自动设置光谱仪的积分时间和测量次数，并触发光谱仪的探测。

进一步地述积分时间不小于10ms，测量次数不小于10次。

进一步地机械臂末端在到达每个测量点一定时间间隔后进行光谱的测量和保存，保存好后再等待一定时间间隔后移动到下一个测量点，该时间间隔通常为1s。

进一步地测量时需要根据机械臂末端转接件上的距离偏移来进行摄像头探测距离的补偿，补偿距离一般小于10cm。

进一步地机械臂末端转接件上连接的光谱仪探头与机械臂末端中心对齐，与摄像头偏移距离范围一般为5-10cm。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明将探测模块、运动模块、测量模块和计算模块集成在一起，可实现模块之间的通信。

2、本发明通过转接件将摄像头、光谱仪和机械臂连接在一起，通过控制转接件上安装方式无干涉的进行空间光谱的测量。

3、本发明在探测发光物体位置时，可进行可视化操作，通过上位机可以自动选取待测发光体的中心位置。

4、本发明在机械臂运动时，可连续测量也可以逐步测量，并在光谱强度过强时可中断测量。

5、本发明在坐标系转换时，采用通过旋转向量反推旋转矩阵，大大简化了计算量。

附图说明

图1为本发明发光物体的空间光谱全自动测量装置的示意图。

图2为本发明提供的一种基于双目视觉获取物体位置的示意图。

图3为本发明模块示意图。

图4为本发明实施流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明整个系统的运作原理，以下配合实验示意图和流程图详细说明，

请参阅图1，图1为本发明发光物体的空间光谱全自动测量装置的示意图，如图所示，一种全自动测量发光物体空间光谱的装置，包括：包括测量模块2.1、运动模块2.2、探测模块2.3、计算模块2.4。其中，测量模块2.1包含双目摄像头2，运动模块2.2包含机械臂4，探测模块2.3包含光谱仪5和探测光纤6，三个模块通过机械臂末端转接件3连接。计算模块2.4为软件模块，与其他三个模块各自相连，可实现模块间的通信互联。

双目摄像头2之间的距离小于10cm，分辨率不低于800×400，用于获取物体的位置。机械臂4为六轴机械臂，运动范围为距离机械臂底座10-50cm。计算模块2.4可收集、分析测量模块2.1和探测模块2.3获取的信息，驱动控制运动模块2.2和探测模块2.3。软件运行环境可包括但不限于Python、Matlab、C、C++环境。

一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，包括如下步骤：

(a)基于双目视觉坐标系转换方法来计算发光物体的空间坐标；

(b)将获得的物体三维坐标用于测量点的位置坐标计算和机械臂(4)运动中的路径规划，驱动机械臂4使机械臂末端正对着测量点中心；

(c)机械臂末端到达测量点且姿态正确后，驱动光谱仪探测发光物体光谱。

计算模块2.4基于双目摄像头2中获取的物体像素信息和当前机械臂末端的位置，计算双目摄像头坐标系、机械臂坐标系和世界坐标系下的旋转和平移矩阵，通过两次坐标系转换的方法得到物体的三维坐标。

运算模块2.4通过球坐标系或直角坐标系或柱坐标系的路径规划，驱动控制机械臂4位置和位姿。

测量点的位置坐标应小于机械臂4运动范围。

运算模块2.4通过对机械臂末端状态的读取，在达到每个测量点后自动设置光谱仪5的积分时间和测量次数，并触发光谱仪5的探测。积分时间不小于10ms，测量次数不小于10次。

机械臂末端在到达每个测量点一定时间间隔后进行光谱的测量和保存，保存好后再等待一定时间间隔后移动到下一个测量点，该时间间隔通常为1s。

测量时需要根据机械臂末端转接件3上的距离偏移来进行摄像头2探测距离的补偿，补偿距离一般小于10cm。

机械臂末端转接件3上连接的光谱仪探头6与机械臂4末端中心对齐，与摄像头2偏移距离范围一般为5-10cm。

在python3.10环境下如下测试：

首先固定好机械臂和发光物体的位置，理想位置机械臂底座位于发光物体一侧0.5米处，启动机械臂自由运动模式，拖动机械臂使得发光物体1出现在摄像头视野内，启动摄像头程序，在弹出摄像头所获得图像中选择需要测量发光物体中心，可以对其中心三维位置在程序中进行计算。计算完毕后在发光物体未点亮时通过python程序控制光谱仪获得此时的暗光谱，运行规划程序根据发光物体坐标和规划半径选取可在机械臂运动范围内的点，之后点亮发光物体等待发光稳定后，运行机械臂运动程序，在机械臂每到达一个点静止1s后发出同步信号驱动光谱仪进行测量，设定光谱仪积分时间为10ms，测量次数为十次，求每个点处的平均值，测量完毕后延迟1s后继续移动到下一个测量点。将每个点测出的光谱数据进行暗纠正后储存。

最后需要说明的是，以上实施实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种发光物体的空间光谱全自动测量装置，其特征在于，包括：测量模块(2.1)、运动模块(2.2)、探测模块(2.3)和计算模块(2.4)；

所述测量模块(2.1)，用于获取待测发光物体的位置信息；将两个摄像头获取发光物体的位置数据输入给计算模块(2.4)，经过计算模块(2.4)计算后将处理的数据输入给运动模块(2.2)；

所述运动模块(2.2)，用于读取计算模块(2.4)规划的路径后，控制所述探测模块(2.3)的移动，从而使所述探测模块(2.3)能够获取待测发光物体的空间光谱；

所述探测模块(2.3)，在收到运动模块(2.2)到达位置的信息后，读取发光物体光谱数据，并将数据传输给计算模块(2.4)进行处理和输出。

所述计算模块(2.4)，分别与所述测量模块(2.1)、运动模块(2.2)和探测模块(2.3)相连，用于收集与分析所述测量模块(2.1)和探测模块(2.3)获取的信息，并驱动所述运动模块(2.2)和探测模块(2.3)。

2.根据权利要求1所述的发光物体的空间光谱全自动测量装置，其特征在于，所述测量模块(2.1)包含双目摄像头(2)，该双目摄像头(2)之间的距离小于10cm，分辨率不低于800×400。

3.根据权利要求1所述的发光物体的空间光谱全自动测量装置，其特征在于，所述运动模块(2.2)包含机械臂(4)以及连接在该机械臂(4)末端的转接件(3)，所述转接件(3)外接所述测量模块(2.1)和探测模块(2.3)。

4.根据权利要求3所述的发光物体的空间光谱全自动测量装置，其特征在于，所述机械臂(4)为六轴机械臂，运动范围为距离机械臂底座10-50cm。

5.根据权利要求1所述的发光物体的空间光谱全自动测量装置，其特征在于，探测模块(2.3)包含光谱仪(5)和探测光纤(6)。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的装置进行全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

①计算发光物体的空间坐标；

②根据发光物体的空间坐标，规划机械臂的运动路径，并驱动机械臂(4)使机械臂末端正对着测量点中心；

③机械臂末端到达测量点且姿态正确后，驱动光谱仪探测发光物体光谱。

7.如权利要求6所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述步骤①计算发光物体的空间坐标，具体是：计算模块(2.4)基于双目摄像头(2)中获取的物体像素信息和当前机械臂末端的位置，计算双目摄像头坐标系、机械臂坐标系和世界坐标系下的旋转和平移矩阵，通过两次坐标系转换的方法得到物体的三维坐标。

8.如权利要求6所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述步骤②规划机械臂的运动路径，具体是运算模块(2.4)通过球坐标系或直角坐标系或柱坐标系的路径规划，驱动控制机械臂(4)位置和位姿。

9.如权利要求6或8任一所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述步骤②中测量点的位置坐标小于机械臂(4)运动范围。

10.如权利要求6所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述步骤③中运算模块(2.4)通过对机械臂末端状态的读取，在达到每个测量点后自动设置光谱仪(5)的积分时间和测量次数，并触发光谱仪(5)的探测。

11.如权利要求10所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述积分时间不小于10ms，测量次数不小于10次。

12.如权利要求6-12任一所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，所述机械臂末端在到达每个测量点一定时间间隔后进行光谱的测量和保存，保存好后再等待一定时间间隔后移动到下一个测量点，该时间间隔通常为1s。

13.如权利要求6-12任一所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，测量时需要根据机械臂末端转接件(3)上的距离偏移来进行摄像头(2)探测距离的补偿，补偿距离一般小于10cm。

14.如权利要求6-13任一所述的一种全自动测量发光物体空间光谱的方法，其特征在于，测量时所述机械臂末端转接件(3)上连接的光谱仪探头(6)与机械臂(4)末端中心对齐，与摄像头(2)偏移距离范围一般为5-10cm。