CN117647184B - 基于侧面观察的显微镜旋转预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，包括初始形貌获取模块、待测物位置预测模块、待测物移动位置预测模块、主镜头旋转位置预测模块、旋转碰撞判定模块，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞；另外待测物目标点获取模块，获得待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点；节省控制器的计算量，提高计算效率；并且通过旋转碰撞预测模块，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度通过侧面观察碰撞预警模块。本发明降低了碰撞风险，提高了主镜头旋转过程的安全性，并且提高了产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器的技术领域，具体涉及基于侧面观察的显微镜旋转预警系统。
背景技术
超景深显微镜使用中通常通过设置在测量平台正上方与相机配合的镜头针对测量平台上的待测物进行观察与图像采集，其视角仅为测量平台上待测物的上方的视角，而显微镜使用中存在观察并采集测量平台上待测物侧面形貌或者不同视角形貌的需求，进而需要将镜头进行旋转到观测视角需求的位置，因此超景深显微镜设计了镜头可旋转的功能；然而针对不规则待测物其表面形貌存在不规则的高度差，在测量平台带动待测物移动过程中，显微镜旋转容易与待测物发生不定碰撞；另外，在一定旋转角度下的侧面观察时，主镜头移动或者测量平台的移动过程中，显微镜镜头与待测物存在碰撞可能，若发生碰撞会造成镜头损坏或待测物体损坏；进而需要构建基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，对主镜头移动或者测量平台的移动过程中显微镜镜头与待测物进行碰撞预警。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提出了基于侧面观察的显微镜旋转预警系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，包括：初始形貌获取模块，针对测量平台上的待测物，获得待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数；
待测物移动位置预测模块，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合待测物对应的测量平台预设移动轨迹，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
主镜头旋转位置预测模块，针对测量平台上方的主镜头上存在碰撞风险的表面形貌，基于主镜头下沿平面与测量平台的距离，结合主镜头旋转角度范围，预测获得主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
旋转碰撞判定模块，针对待测物表面形貌的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞，若判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若判定碰撞，则进行旋转预警。
作为本发明的一种优选技术方案，所述旋转碰撞判定模块中，包括以下步骤：
步骤A1：基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，获得主镜头下沿平面表面形貌的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、以及待测物对应的测量平台预设移动轨迹，构建关联测量平台移动时长和主镜头旋转角度的碰撞判定模型；
步骤A2：针对待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点位置参数，通过碰撞判定模型，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物目标点碰撞，若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点均不满足碰撞判定模型，则判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点存在满足碰撞判定模型，则判定碰撞，则进行旋转预警。
作为本发明的一种优选技术方案，包括待测物目标点获取模块，包括以下步骤，获得待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点：
步骤B1：针对待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，将满足以下公式的待测物表面形貌位置点作为初始位置点：
；
其中，；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示测量平台预设移动轨迹中单次移动的距离；/>表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动一行所用时长；/>表示主镜头下沿平面与主镜头旋转围绕的中轴线之间的距离，主镜头旋转围绕的中轴线即为侧面相机视野中心所在轴线；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的z轴值；/>表示主镜头旋转围绕的中轴线的z轴值；
步骤B2：基于待测物对应的各初始位置点，相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，获取待测物表面形貌中z轴值最大的位置点作为第一目标点，基于x轴值与第一目标点x轴值相距距离在以内的初始位置点中获取z轴值最大的位置点作为待定点；
其中，；/>；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的z轴值；
步骤B3：针对第一目标点和待定点，若满足以下公式，则将待定点作为第一目标点，返回步骤B2；若不满足以下公式，则将与第一目标点x轴值相邻的初始位置点作为第一目标点返回步骤B2；直到，输出各第一目标点作为待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点；
；
其中，表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的x轴值；表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的z轴值，/>表示待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴最大值。
作为本发明的一种优选技术方案，所述待测物移动位置预测模块中，通过以下公式，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
主镜头下沿表面形貌的位置参数：
；
；
主镜头侧边表面形貌的位置参数：
；
；
式中，表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度/>下x轴值为时的z轴值；/>表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度下x轴值；/>表示主镜头旋转的角度；L表示主镜头预设侧边长度，表示主镜头侧边存在碰撞风险的长度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述待测物对应的测量平台预设移动轨迹采用s形往复移动轨迹。
作为本发明的一种优选技术方案，所述碰撞判定模型，如下所示，
时，
；
，
；
其中，n表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动的行数。
作为本发明的一种优选技术方案，包括旋转碰撞预测模块，针对旋转碰撞判定模块判定测量平台移动下主镜头在旋转角度范围旋转会与待测物发生碰撞情况下，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建碰撞角度预测模型，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述旋转碰撞预测模块中，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建的碰撞角度预测模型,如下所示：
当；或时，
，/>；
，/>；
；或/>时，
；
，/>；
其中， ；；/>表示待测物与主镜头的碰撞角度。
本发明的有益效果：本发明设计了基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，首先获取测量平台上待测物表面形貌完整的初始三维位置参数，并且基于主镜头旋转轴和主镜头视野中心位置，将预设测量平台坐标系作为本方案的统一坐标系，能更好适应于待测物与主镜头的位置变化，简化了待测物和主镜头表面形貌位置参数构建过程，便于全面分析主镜头与待测物的相对位置关系；
本发明基于待测物移动位置预测模块、主镜头旋转位置预测模块，分别获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、以及主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，将测量平台移动时长和主镜头旋转角度两个变量变为可控参数，为后续主镜头与待测物碰撞判定过程提供有关测量平台移动时长和主镜头旋转角度下相对位置的参照数据，有利于对整体碰撞情况的分析和碰撞预警的掌控；
本发明通过旋转碰撞判定模块能够判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞，解决了主镜头与待测物相对位置关系不固定下的碰撞判定不明确的问题，提高了主镜头旋转过程的安全性；提前预判了主镜头旋转过程中与待测物移动过程中的碰撞可能，降低了碰撞风险，提高了产品的使用寿命；
本发明通过旋转碰撞预测模块，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度，能够提前预知测量平台移动时长下待测物与主镜头碰撞角度信息，为主镜头侧面观察碰撞预警提供参考角度；进而结合主镜头旋转状态，能有效进行防碰撞；
另外，通过目标点获取模块获取待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点位置参数，通过针对待测物表面形貌结合主镜头形貌特征进行分析，贴合主镜头形貌轮廓特点，制定适当目标点选择策略，获得与主镜头形貌贴合的各潜在碰撞点；一方面减少了后期算法中使用的待测物表面形貌位置数据，节省控制器的计算量，提高计算效率，提高了碰撞检测速率；另一方面有效的位置数据可以更准确高效的判定两者的相对状态，更适用于表面形貌高度差别较大的待测物，为后期的实时监控和预测提供有效数据集。
附图说明
图1为实施例中显微镜上各部件相对位置关系示意图；
图2为实施例中测量平台的移动轨迹示意图；
图3为实施例中显微镜上主镜头旋转轨迹示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本实施例中的超景深显微镜包括显微镜侧边设有的用于对测量平台方向进行采集观察的侧面相机、以及以侧边相机视野中心为轴心的对焦旋转支架；对焦旋转支架上设有主相机以及和主相机配合在测量平台正上方对测量平台上待测物进行采集观察的主镜头；对焦旋转支架基于初始位置时为主镜头视野中心所在轴线垂直于测量平台时为0度，并且对焦旋转支架可带动主镜头和主相机分别向显微镜左右两侧进行正负90度的旋转，顺时针旋转为度数为正的旋转，逆时针旋转为度数为负的旋转；主相机和主镜头可基于需求在对焦旋转支架上进行直线移动控制距离测量平台的远近；对焦旋转支架基于初始位置时，主镜头和镜筒在对焦旋转支架上可进行向上或向下的直线移动。
针对显微镜测量平台上放置有待测物时，针对不规则待测物其表面形貌存在不规则的高度差，在测量平台带动待测物移动过程中，显微镜旋转容易与待测物发生不定碰撞；另外，在一定旋转角度下的侧面观察时，主镜头移动或者测量平台的移动过程中，显微镜镜头与待测物存在碰撞可能，造成镜头或者待测物发生损坏。
实施例一
基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，包括：初始形貌获取模块，针对测量平台上的待测物，获得待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数。
本实施例中，基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，包括初始形貌获取模块，针对测量平台上的待测物，获得待测物表面形貌相对于预设主相机坐标系的初始三维位置参数。
具体的，本实施例中，待测物表面形貌相对于预设主相机坐标系的初始三维位置参数过程包括：针对放置在测量平台上的待测物，通过主相机视野中心轴线垂直于测量平台时主相机采集测量平台在不同y轴位置下待测物的图像，基于待测物表面形貌上目标点沿y轴方向移动距离所对应的成像平面上的成像距离，结合相机测距原理，获得待测物表面形貌相对于预设主相机坐标系的初始三维位置参数。初始形貌获取模块中获得待测物表面形貌相对于预设主相机坐标系的初始三维位置参数的具体过程原理由专利CN116560062B中可知。
另外，针对初始形貌获取模块获得的待测物表面形貌相对于预设主相机坐标系的初始三维位置参数，基于主相机采集测量平台在不同y轴位置下待测物的图像时，主镜头下沿平面在z轴的位置，转换为相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数数。
所述预设测量平台坐标系是指在测量平台上以对焦旋转支架初始位置时主镜头视野中心轴线与测量平台平面的交集点为原点，以主镜头视野中心轴线为z轴，以测量平台横向、纵向移动方向分别为x轴和y轴的三维坐标系。本实施例中所述预设测量平台坐标系为固定坐标系，不会随着测量平台的平行移动而移动；基于测量平台的上下移动，预设测量平台坐标系的xoz平面在测量平台的平面上。
待测物移动位置预测模块，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合待测物对应的测量平台预设移动轨迹，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数。本实施例中，待测物对应的测量平台预设移动轨迹采用s形往复轨迹，如图2所示。
本实施例中，所述待测物移动位置预测模块预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，包括了待测物表面相貌上各位置点在测量平台移动时长下在预设测量平台坐标系中的三维位置参数；所述测量平台移动时长指测量平台基于初始位置，在预设移动轨迹和预设移动方式上移动到相应位置对应的所用移动时长。基于超景深显微镜采集图像对应的测量平台移动方式，采用相同时长间隔相同移动距离下采集一张图片，进而执行下一位置的采集，本实施例中单个测量平台移动时长指代采集相邻位置图片之间间隔时长的单位时长。
主镜头旋转位置预测模块，针对测量平台上方的主镜头上存在碰撞风险的表面形貌，基于主镜头下沿平面与测量平台的距离，结合主镜头旋转角度范围，预测获得主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数。
本实施例中，所述主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，包括了主镜头表面形貌上的位置点在主镜头旋转角度下在预设测量平台坐标系中三维位置参数。
旋转碰撞判定模块，针对待测物表面形貌的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞，若判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若判定碰撞，则进行旋转预警。
进一步的，所述旋转碰撞判定模块中，包括以下步骤：
步骤A1：基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，获得主镜头下沿平面表面形貌的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、以及待测物对应的测量平台预设移动轨迹，构建关联测量平台移动时长和主镜头旋转角度的碰撞判定模型；
步骤A2：针对待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点位置参数，通过碰撞判定模型，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物目标点碰撞，若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点均不满足碰撞判定模型，则判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点存在满足碰撞判定模型，则判定碰撞，则进行旋转预警。
实施例二
基于实施例一种构建的基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，上述步骤A1-A2所述过程，由于待测物表面形貌中位置点数据较多，结合主镜头旋转角度范围包括的各角度数据，如分别针对待测物表面形貌中各位置点和各旋转角度数据进行判定，其算法计算量较大，减缓了检测速度；进而本实施例中，设计了待测物目标点获取模块，包括以下步骤，获得待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点：
步骤B1：针对待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，将满足以下公式的待测物表面形貌位置点作为初始位置点：
；
其中，；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示测量平台预设移动轨迹中单次移动的距离；/>表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动一行所用时长；/>表示主镜头下沿平面与主镜头旋转围绕的中轴线之间的距离，主镜头旋转围绕的中轴线即为侧面相机视野中心所在轴线；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的z轴值；/>表示主镜头旋转围绕的中轴线的z轴值；
步骤B2：基于待测物对应的各初始位置点，相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，获取待测物表面形貌中z轴值最大的位置点作为第一目标点，基于x轴值与第一目标点x轴值相距距离在以内的初始位置点中获取z轴值最大的位置点作为待定点；
其中，；/>；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的z轴值；步骤B2中可以是获取待测物表面形貌整体中z轴值最大的位置点作为第一目标点，还可以是获取固定y值下待测物表面形貌中z轴值最大的位置点作为第一目标点。
步骤B3：针对第一目标点和待定点，若满足以下公式，则将待定点作为第一目标点，返回步骤B2；若不满足以下公式，则将与第一目标点x轴值相邻的初始位置点作为第一目标点返回步骤B2；直到，输出各第一目标点作为待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点；
；
其中，表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的x轴值；表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的z轴值，/>表示待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴最大值。
本实施例中，所述与第一目标点x轴值相邻的初始位置点作为第一目标点，即基于第一目标点x轴值距离该x值最近的初始位置点；所述测量平台移动时长为0对应待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数。
由于本实施例中，主镜头可进行正负90度的旋转，进而，步骤B1至步骤B3中，针对和/>分别对应有正负两个数值，进而，具体的，所述旋转碰撞判定模块中，针对/>和/>取值为正值时，步骤B2中/>；其中，/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值，为正值；
步骤B3中，表示待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴最大值。/>即为待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴正轴x值最大值。
所述旋转碰撞判定模块中，针对和/>取值为负值时，步骤B2中；/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值，为负值；
步骤B3中，表示待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴最大值。/>即为待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴负轴x值最小值。
进而，针对和/>取值为正值时获得的待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点，以及针对/>和/>取值为负值时待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点，共同构成待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点。
基于主镜头可分别向显微镜左右两侧进行正负90度的旋转，但是基于测量平台与主镜头下沿平面的相对距离，存在主镜头可能在小于正负90度范围内会与测量平台进行碰撞，因为基于测量平台与主镜头下沿平面的相对距离，通过以下公式设定当前主镜头与测量平台相对状态下对应的可旋转角度。
；
待测物目标点获取模块，结合了主镜头下沿平面表面形貌特征，分析待测物表面形貌特征，获取待测物上与主镜头存在碰撞的各潜在碰撞位置，一方面减少了待测物位置数据，进一步地节省控制器的计算量，提高计算效率，提高了碰撞检测速率；同时，本方案中的位置点数据的筛选更适用于表面形貌高度差别较大的待测物；并且结合旋转碰撞判定模块中的碰撞判定模型，解决了由于可旋转角度的限制造成的主镜头下沿平面与测量平台之间位置死角碰撞检测的问题，即存在待测物位置点在主镜头旋转范围内在主镜头下沿平面覆盖范围内，但是不会与主镜头碰撞的位置死角。
本实施例中碰撞场景是在待测物在测量平台上进行超景深检测的过程中，进而针对超景深检测合成的过程中通常位置测量平台的中间位置处，在进行超景深检测的过程中测量平台会基于预设路径带动待测物进行移动；在该场景下，待测物上始终会存在位置点在主镜头的视野中心所在轴线上，进而不会存在待测物仅在主镜头侧边旋转覆盖范围内。
实施例三
基于实施例一种构建的基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，在本实施例中，针对所述待测物移动位置预测模块，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合待测物对应的测量平台预设移动轨迹，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数。本实施例中，待测物对应的测量平台预设移动轨迹采用s形往复轨迹。测量平台初始横向移动方向朝向x轴正值延伸方向，换行纵向移动方向朝向y轴正值延伸方向，如图2所示。
进而，所述待测物位置预测模块中，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合待测物对应的测量平台预设移动轨迹，针对待测物表面形貌上的目标点，测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，公式如下：
；
；
；
式中，表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长t下的x轴值；表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长t下的y轴值；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长t下的y轴值；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的y轴值；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的z轴值；/>表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向单次移动的距离；/>表示测量平台预设移动轨迹中在y轴方向单次移动的距离；n>0，n表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动的行数；/>表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动一行所用时长。本实施例中的单个时长t，由测量平台预设移动方式确定。
所述待测物移动位置预测模块中，通过以下公式，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
主镜头下沿平面表面形貌的位置参数：
；
；
主镜头侧边平面表面形貌的位置参数：
；
；
式中，表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度/>下x轴值为时的z轴值；/>表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度下x轴值；/>表示主镜头旋转的角度；L表示主镜头预设侧边长度，表示主镜头侧边存在碰撞风险的长度；/>表示主镜头下沿平面与主镜头旋转围绕的中轴线之间的距离，主镜头旋转围绕的中轴线即为侧面相机视野中心所在轴线；/>表示主镜头旋转围绕的中轴线的z轴值；/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值。如图3所示。
本实施例中，将主镜头的外壳近似为直四棱柱形状，进而本方案中针对主镜头构建对应的预设外接直四棱柱作为主镜头形状，并且所述预设外接直四棱柱上下底面为矩形，预设外接直四棱柱的中轴线与主镜头视野中心所在轴线相同；基于对焦旋转支架处于初始位置，预设外接直四棱柱中侧面一组相对的面与xoy面平行，侧面另一组相对的面与yoz面平行。
进而，所述旋转碰撞判定模块中，所述碰撞判定模型，如下所示，
情况1：时，
；
情况2：；
；
其中，n表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动的行数。
本实施例中，针对待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点位置参数，通过碰撞判定模型，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物目标点碰撞，若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点均不满足碰撞判定模型，则判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点存在满足碰撞判定模型，则判定碰撞，则进行旋转预警，具体过程如下，
分别针对各待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点，基于所述碰撞判定模型中任意一种情况对应的碰撞判定模型，基于n对应定值下，针对目标点，遍历主镜头可旋转的角度范围内的所有角度，存在任意一角度下使得对应碰撞判定模型成立，则该目标点会与主镜头碰撞，进而判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内会与待测物发生碰撞；当遍历所有目标点，各目标点遍历主镜头可旋转的角度范围内的所有角度，均不存在任意一角度下使得对应碰撞判定模型成立，则该目标点不会与主镜头碰撞，进而判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内会与待测物发生碰撞。
另一方面，由于超景深显微镜采集图像过程中，单行移动时间较长，进而可以基于当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数，通过待测物移动位置预测模块获得当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数下，基于主镜头覆盖范围的y轴的区间内对应的待测物目标点，进而针对各目标定通过碰撞判定模型，判定测量平台在预设移动轨迹中所处的移动行数下在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞；旋转预警方式可基于预设需求进行设计，如采用限位锁死或者声音提醒等。
实施例四
基于实施例一种构建的基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，另外，还设计了旋转碰撞预测模块，针对旋转碰撞判定模块判定测量平台移动下主镜头在旋转角度范围旋转会与待测物发生碰撞情况下，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建碰撞角度预测模型，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度。
所述旋转碰撞预测模块中，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建的碰撞角度预测模型,如下所示：
当 或 时，
，/>；
，/>；
；或/>时，
；
，/>；
其中， ；；/>表示待测物与主镜头的碰撞角度。
进而基于各目标点在预设测量平台移动时长下分别对应的碰撞角度，获得相同测量平台移动时长下各目标点对应的碰撞角度，其中最大值，作为测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度。
本实施例中，旋转碰撞预测模块，针对旋转碰撞判定模块判定测量平台移动下主镜头在旋转角度范围旋转会与待测物发生碰撞情况下，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建碰撞角度预测模型，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度，具体过程如下；
步骤1，针对待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点，基于当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数，通过待测物移动位置预测模块获得当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数下，基于主镜头覆盖范围的y轴的区间内对应的待测物目标点；
步骤2，针对当前主镜头覆盖范围的y轴的区间内对应的待测物目标点，基于各目标点对应的初始三维位置参数，结合测量平台移动时长，各目标点通过测量平台移动时长对应情况下的对应碰撞角度预测模型；获得目标点在当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数下各测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度；
步骤3，基于各目标点对应的在当前测量平台移动在预设移动轨迹中所处的移动行数下各测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度，针对相同测量平台移动时长下各目标点对应的碰撞角度，其中最大值，作为测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度。
本发明公开了基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，包括初始形貌获取模块、待测物位置预测模块、待测物移动位置预测模块、主镜头旋转位置预测模块、旋转碰撞判定模块，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞；另外待测物目标点获取模块，获得待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点；节省控制器的计算量，提高计算效率；并且通过旋转碰撞预测模块，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度通过侧面观察碰撞预警模块。本发明降低了碰撞风险，提高了主镜头旋转过程的安全性，并且提高了产品的使用寿命。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (6)
1.基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，包括：初始形貌获取模块，针对测量平台上的待测物，获得待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数；
待测物移动位置预测模块，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合待测物对应的测量平台预设移动轨迹，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
主镜头旋转位置预测模块，针对测量平台上方的主镜头上存在碰撞风险的表面形貌，基于主镜头下沿平面与测量平台的距离，结合主镜头旋转角度范围，预测获得主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
旋转碰撞判定模块，针对待测物表面形貌的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物发生碰撞，若判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若判定碰撞，则进行旋转预警；
所述旋转碰撞判定模块中，包括以下步骤：
步骤A1：基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，获得主镜头下沿平面表面形貌的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数、以及待测物对应的测量平台预设移动轨迹，构建关联测量平台移动时长和主镜头旋转角度的碰撞判定模型；
步骤A2：针对待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点位置参数，通过碰撞判定模型，判定测量平台预设移动轨迹下主镜头在旋转角度范围内是否会与待测物目标点碰撞，若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点均不满足碰撞判定模型，则判定不发生碰撞，则主镜头在旋转角度范围内进行任意旋转；若待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点存在满足碰撞判定模型，则判定碰撞，则进行旋转预警；
通过以下步骤，获得待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点：
步骤B1：针对待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，基于待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，结合主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，将满足以下公式的待测物表面形貌位置点作为初始位置点：
；
其中，；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示测量平台预设移动轨迹中单次移动的距离；/>表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动一行所用时长；/>表示主镜头下沿平面与主镜头旋转围绕的中轴线之间的距离，主镜头旋转围绕的中轴线即为侧面相机视野中心所在轴线；/>表示待测物表面形貌上第j个位置点在测量平台移动时长为0时的z轴值；/>表示主镜头旋转围绕的中轴线的z轴值；
步骤B2：基于待测物对应的各初始位置点，相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数，获取待测物表面形貌中z轴值最大的位置点作为第一目标点，基于x轴值与第一目标点x轴值相距距离在以内的初始位置点中获取z轴值最大的位置点作为待定点；
其中，；/>；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的x轴值；/>表示主镜头下沿平面表面形貌在主镜头初始状态下距离主镜头视野中心距离最远的点的x轴值；/>表示待测物表面形貌上第一目标点j1在测量平台移动时长为0时的z轴值；
步骤B3：针对第一目标点和待定点，若满足以下公式，则将待定点作为第一目标点，返回步骤B2；若不满足以下公式，则将与第一目标点x轴值相邻的初始位置点作为第一目标点返回步骤B2；直到，输出各第一目标点作为待测物表面形貌中与主镜头下沿平面位置相对应的目标点；
；
其中，表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的x轴值；表示待测物表面形貌上待定点j2在测量平台移动时长为0时的z轴值，/>表示待测物表面形貌相对于预设测量平台坐标系的初始三维位置参数中x轴最大值。
2.根据权利要求1所述基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，所述待测物移动位置预测模块中，通过以下公式，预测获得待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数；
主镜头下沿表面形貌的位置参数：
；
；
主镜头侧边表面形貌的位置参数：
；
；
式中，表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度/>下x轴值为时的z轴值/>；/>表示主镜头表面形貌上第i个位置点在旋转角度下x轴值；/>表示主镜头旋转的角度；L表示主镜头预设侧边长度，表示主镜头侧边存在碰撞风险的长度。
3.根据权利要求2所述基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，所述待测物对应的测量平台预设移动轨迹采用s形往复移动轨迹。
4.根据权利要求3所述基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，所述碰撞判定模型，如下所示，
时，
；
；
；
其中，n表示测量平台预设移动轨迹中在x轴方向移动的行数。
5.根据权利要求4所述基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，包括旋转碰撞预测模块，针对旋转碰撞判定模块判定测量平台移动下主镜头在旋转角度范围旋转会与待测物发生碰撞情况下，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建碰撞角度预测模型，预测测量平台移动时长下待测物与主镜头的碰撞角度。
6.根据权利要求5所述基于侧面观察的显微镜旋转预警系统，其特征在于，所述旋转碰撞预测模块中，基于主镜头表面形貌在旋转角度下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，结合待测物表面形貌在测量平台移动时长下相对于预设测量平台坐标系的位置参数，构建的碰撞角度预测模型,如下所示：
当；或/> 时，/>，/>；
，/>；
；或/>时，
；
，/>；
其中， ；；/>表示待测物与主镜头的碰撞角度。
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