基于準(zhǔn)直傳感器的微型靶丸姿態(tài)檢測與定位方法研究——論文講解

1、項目名稱 基于準(zhǔn)直傳感器的微型靶丸姿態(tài)檢測與定位方法研究 項目負(fù)責(zé)人（簽名） 所在學(xué)校（蓋章） 研究類別 ”含義： 基礎(chǔ)研究：指為獲得關(guān)于現(xiàn)象和可觀察事實的基本原理及新知識 而進行的實驗性和理論性工作，它不以任何專門或特 定的應(yīng)用或使用為目的。 應(yīng)用研究：指為獲得新知識而進行的創(chuàng)造性的研究，它主要是針 對某一特定的實際目的或目標(biāo)。 試驗發(fā)展：指利用從科學(xué)研究和實際經(jīng)驗中所獲得的現(xiàn)有知識、 生產(chǎn)新材料、新產(chǎn)品、新裝置、新流程和新方法，或 對現(xiàn)有的材料、產(chǎn)品、裝置、流程、方法進行本質(zhì)性 的改進而進行的系統(tǒng)性工作。 推廣應(yīng)用、科技服務(wù)：指與研究與發(fā)展活動相關(guān)并有助于科學(xué)技 術(shù)知識的產(chǎn)生、傳播和應(yīng)用的

2、活動 研究 項目 項目名 稱 基于準(zhǔn)直傳感器的微型靶丸姿態(tài)檢測與定位方法研究 研究類 別 21. 基礎(chǔ)研究 2. 應(yīng)用研究 3.試驗發(fā)展 4. 推廣應(yīng)用 5. 科技服務(wù) 依托的 一級學(xué) 科 機械工程 成果形 式 論文 起止時間 2014年 3月到 2016年 12月 經(jīng)費 申請總 額 2 萬元 其他經(jīng)費及其來源 自籌 項 目 負(fù) 責(zé) 人 姓 名 職 稱 工作單 位 電子郵 箱 項除 目負(fù) 組責(zé) 主人 要外 成五 員名 姓名 職稱 學(xué)位 專業(yè) 工作單 位 承擔(dān)任務(wù) 本人簽名 項目 負(fù)責(zé) 人近 三年 來承 項目名稱 項目來 源 起止年月 排名 進展 介入式內(nèi)窺鏡鏡體形狀感知及其與結(jié)腸耦 合形變模型

3、研究 （ 項目編號： 2013A61004）8 寧波市科 技局 2013.3-2014.12 1/6 進展 中 擔(dān)的 研究 項目 寧波市自然科學(xué)基金項目 “基于水鑷微流場 的固體微粒運動特性研究” （項目編號： 2011A610155） 寧波市科 技局 2011.01-2012.12 2/4 已結(jié) 題 多路激光自準(zhǔn)中的圖像分類與不確定性研 究（項目編號： GY112220） 寧波大紅 鷹學(xué)院 2011.6-2013.10 1/6 已結(jié) 題 項目 負(fù)責(zé) 人為 第一 署名 人的 代表 性成 果 成果名稱 成果來 源 獲得時間 排名 等級 論文 ： On Vision-Based Orientati

4、on Detection Analysis of Industrial Object with Circular-Shape Features （ 2012 年 EI 檢索）科技工作成果獎三等獎 寧波大 紅鷹學(xué) 院 2013.3 1 校級 寧波市自然基金項目：介入式內(nèi)窺鏡 鏡體形狀感知及其與結(jié)腸耦合形變模 型研究，科技工作成果獎三等獎 科技工 作成果 獎 三等 獎 2014.3 1 校級 1 本項目研究意義及國內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀（附主要參考文獻及出處）： 1.1 本項目研究意義 激光核聚變裝置是規(guī)模最大的一類激光系統(tǒng)，為了確保核聚變裝置系統(tǒng)每次運行時，從振 蕩器發(fā)出的激光束能夠穩(wěn)定、精確地穿

5、過預(yù)放大器、主放大器、倍頻器、靶室，并將多路激光 聚集到一點精確地照射到微型靶丸上，從而達到進行核物理實驗所需的密度與能量，在整個過 程中，高能量激光的自動準(zhǔn)直是關(guān)鍵的一個過程，需要對多路高精度激光的位置進行無誤差檢 測3 ，如果激光束不能準(zhǔn)確的打到指定的目標(biāo)靶上，會造成對終端光學(xué)組件的破壞。因此在激 光準(zhǔn)直測量之前，需要采用模擬光檢驗每個激光點是否擊中所指定的目標(biāo)靶的檢測范圍之內(nèi)， 然后利用激光進行自動準(zhǔn)直 45 。 靶準(zhǔn)直傳感器作為慣性約束核聚變實驗裝置中的一個重要光學(xué)檢測傳感元件，目的是將多 路激光引導(dǎo)到靶室的中心實現(xiàn)可控核聚變。靶準(zhǔn)直傳感器在系統(tǒng)裝置中主要有兩個作用：1） 靶丸定位，

6、2）模擬光位置檢測分析。在靶丸定位之前，首先利用正交布置的遠望瞄準(zhǔn)監(jiān)視系 統(tǒng)（ CCRS1和 CCRS2），將 TAS（ Target Alignment Sensor: 靶準(zhǔn)直傳感器）置于真空靶室的中 心，建立穩(wěn)定可靠的靶室參考中心，再利用CCRS1和 CCRS2以及裝調(diào)后的 TAS，使靶室參考中 心與 TAS的中心一致，然后通過 TAS監(jiān)視靶的姿態(tài)并進行模擬光的瞄準(zhǔn)。靶準(zhǔn)直傳感器通過一 系列的光學(xué)系統(tǒng)及驅(qū)動裝置被放置于圓形靶室的中心，微型靶丸作為核聚變的載體通過靶架從 靶室外移送到靶室中心，這個過程必須滿足一定的位姿精度，定位平移精度1 m，定位姿態(tài)精 度 1 Rad。由于定位精度極高，且

7、受到 CCD、光照及靶室尺寸的限制，微型靶丸的姿態(tài)定位異 常困難，因此實現(xiàn)靶孔直徑只有200m 的柱腔靶的姿態(tài)定位是目前急需解決的問題。如果柱 狀靶定位不準(zhǔn)確，定位誤差不在所允許的范圍內(nèi)，將導(dǎo)致激光打靶偏差，影響打靶的能量，無 法實現(xiàn)對激光能量控制，情況嚴(yán)重會損壞整個靶室系統(tǒng)，因此如何實現(xiàn)微型靶的姿態(tài)定位檢測 是整個靶室系統(tǒng)的核心問題 6 。 本課題擬通過靶準(zhǔn)直傳感器組件裝置來完成整個微型靶丸的位姿定位，目前同一類的微型 目標(biāo)的高精度姿態(tài)檢測方法在超精密加工以及自動化生產(chǎn)設(shè)備中也有應(yīng)用前景7 。該類技術(shù)目 前由于精度問題，應(yīng)用受到了限制，因此必須通過提高視覺檢測精度和穩(wěn)定性來實現(xiàn)。通過這 些基

8、礎(chǔ)技術(shù)的研究來解決視覺系統(tǒng)對微型目標(biāo)的姿態(tài)檢測在慣性約束核聚變實驗裝置中及在 高精度自動化裝備中具有重要的研究意義。 1.2 國內(nèi)外同類研究現(xiàn)狀 最早利用視覺技術(shù)對微型靶丸進行姿態(tài)檢測的方法是美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 提出來的，該方法是通過視覺技術(shù)檢測靶丸兩個端面靶孔的中心位置來調(diào)整靶的姿態(tài)，目前該 方法在激光準(zhǔn)直系統(tǒng)運用較多，國際上的大部分靶準(zhǔn)直傳感器設(shè)計都基于該技術(shù)。該技術(shù)對于 靶孔直徑在毫米級以上的大型靶丸，其檢測精度可以滿足要求。但對于直徑在100m 級微型 靶丸，其檢測精度受光學(xué)分辨率、光學(xué)照度、靶準(zhǔn)直傳感器自身的加工精度以及安裝精度影響 較大。目前國內(nèi)的高功率激光打靶孔直徑大

9、部分在200m 級的范圍內(nèi)，在這個領(lǐng)域涉及的研 究相對較少，對于影響微型靶丸姿態(tài)檢測的精度因素還未形成完整的理論系統(tǒng)，因此本課題提 出了基于視覺的微型靶丸(靶丸孔徑200 m)的高精度姿態(tài)檢測與定位技術(shù)。 參考文獻： 1 . 江少恩 , 丁永坤 , 繆文勇 ,等 .我國激光慣性約束聚變實驗研究進展J. 中國科學(xué) , 2009, 11(39):1571-1583. 2 . 朱健強 . 中國的神光 神光高功率激光實驗裝置 J. 自然雜志， 2006， 28(5) ：271-273. 3 . K. C. Wilhlelmsen, A. A. S. Awwal, el at. Automatic Al

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21、2 主要研究內(nèi)容、目標(biāo)、方案和進度及擬解決的關(guān)鍵問題： 2.1 本項目的主要研究內(nèi)容 1）基于貝葉斯技術(shù)的圖像分類方法建立，實現(xiàn)動態(tài)靶丸圖像的分類與評估 （ 1）對二維靶丸端面圖像降維，獲得圖像的一維特征參數(shù)； （2）分析圖像一維特征參數(shù)的特征值，利用概率密度函數(shù)分析圖像的特性，圖像特性確定后 通過圖像的子特性對圖像進行分類，判斷靶丸圖像的中心點參數(shù)是否可信。 2）采用基于亞像素梯度矢量霍夫變化方法對靶丸中心進行提取 （1）梯度矢量霍夫變化方法的靶丸中心的理論推導(dǎo)； （2）不同光學(xué)照度、空氣擾動條件下靶孔中心點位置檢測的不確定性分析。 3）靶準(zhǔn)直傳感器組件加工精度及封裝誤差對靶丸姿態(tài)檢測影響與

22、修正 （ 1）建立 CCD封裝后誤差分析的數(shù)學(xué)模型， 通過誤差分析模型建立靶丸姿態(tài)檢測的修正方法； （2）建立基于兩端面中心點的微型靶姿態(tài)求解方法。 2.2 本項目的研究目標(biāo) 1）構(gòu)建靶準(zhǔn)直傳感器的微型靶高精度姿態(tài)檢測與定位實驗平臺； 2）建立基于貝葉斯技術(shù)的圖像分類方法，實現(xiàn)對動態(tài)靶丸圖像分類與評估； 3）揭示靶面圖像針孔中心位置與微型靶姿態(tài)之間的關(guān)系。 2.3 本項目的研究方案 1）靶準(zhǔn)直傳感器硬件系統(tǒng)構(gòu)建 建立微型靶丸的姿態(tài)檢測模擬平臺， 提供靶丸的六維監(jiān)視， 該平臺具有高穩(wěn)定性 , 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 1所示。六維監(jiān)視由三組正交的 A-CCD、B-CCD和 C-CCD面陣組件完成，其中 A

23、與B同軸， C與 AB處于同一平面，各自成像透鏡光軸構(gòu)成二維正交的直角坐標(biāo)系。對于柱腔靶而言，A 與 B構(gòu)成 的軸實現(xiàn)二維的平移和二維俯仰、 方位角度監(jiān)視， C垂直于 AB實現(xiàn)一維平移和一維旋轉(zhuǎn)角度監(jiān)視。 對于每組 CCD組件的成像面要求精確小于 2 m，其中 CCD組件的物像共軛距為 40mm，成像倍率為 2 倍，視場范圍為 3mm x3mm，成像透鏡景深為 3 m。微型靶姿態(tài)硬件檢測組件由于受加工誤差、 封裝誤差及光學(xué)誤差等影響需建立模擬平臺的誤差標(biāo)定系統(tǒng)，從而保證B和 A的調(diào)節(jié)范圍在 -2 5mm，同軸度小于 80 Rad， C的調(diào)節(jié)范圍為 -1 2mm與 AB垂直度小于 80 Rad。

24、 圖 1 微型靶丸姿態(tài)檢測模擬平臺示意圖 2）靶準(zhǔn)直傳感器中 CCD相對位姿標(biāo)定模型 CCD封裝后的相對位置標(biāo)定系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的裝配精度，當(dāng)CCD調(diào)整到最佳位置后，要求對 裝配精度進行評估，因此需建立 CCD封裝后的相對位置標(biāo)定算法的數(shù)學(xué)模型。在ICF 實驗裝置中， 靶準(zhǔn)直傳感器姿態(tài)檢測對象主要針對柱狀靶，其姿態(tài)求解方法是利用靶端面圖像中心點在兩 CCD 圖像坐標(biāo)系下的圖像點進行求解，但是這兩個點處于不同圖像坐標(biāo)系下，無法進行計算，因此需 把這兩個圖像點統(tǒng)一到同一全局坐標(biāo)下進行分析，而能夠?qū)蓚€圖像點統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下的前 提是 A-CCD、B-CCD之間的位姿關(guān)系已知?？紤]到靶準(zhǔn)直傳感器裝

25、調(diào)完成后，CCD的安裝誤差、鏡頭 的安裝誤差均會影響到 B-CCD的靶面中心在 A-CCD上的位置，因此采用了精確的光學(xué)手段和數(shù)學(xué)計 算方法標(biāo)定兩 CCD之間位姿關(guān)系及誤差校準(zhǔn)。 本課題提出的標(biāo)定實驗方法為： 利用步距精度為 50nm 的六自由度送靶機構(gòu)， 將直徑為 0.8mm微型靶球送入到靶準(zhǔn)直傳感器中， 并分別置于 16處不同位置， 依靠送靶機構(gòu)和分析圖像聚焦度來保證微型球靶始終保持在兩CCD的像面中心， 從而使 16個不同的 位置點形成一個平面， 減少因靶球位置誤差形成對 CCD單應(yīng)性矩陣計算的影響。 利用提出的均值漂 移圖像分析算法分別提取 16幅圖像中靶球的中心點后并集于同一幅圖像中

26、。微型球靶在A-CCD、 B-CCD上都會呈現(xiàn)靶面圖像， 因此可以形成 2個4X4的點陣矩陣， 并通過點陣矩陣建立反應(yīng)點與點之 間映射關(guān)系的單應(yīng)性矩陣， 且兩 CCD之間的光軸同軸度誤差、 鏡頭的安裝誤差都會反應(yīng)在整個單應(yīng) 矩陣中。 3）微型靶端面中心點檢測方法與不確定分析 利用基于梯度矢量的霍夫變換法檢測靶丸端面的中心點，并分析中心點位置的不確定度的大 小是否滿足姿態(tài)檢測的精度。標(biāo)靶系統(tǒng)定位的目的是將標(biāo)靶通過靶準(zhǔn)直傳感器放入到指定的靶室 中，而標(biāo)靶在植入的過程中，需要對標(biāo)靶進行監(jiān)控。在檢測的過程中，主要通過圖 1 中的上、下 CCD以及側(cè)面 CCD進行定位分析。前期研究發(fā)現(xiàn)，對于靶面的針孔圖

27、像的中心位置檢測是確定標(biāo) 靶姿態(tài)的重要參數(shù)，它的精確度直接影響到整個靶丸的姿態(tài)檢測，從而影響激光的準(zhǔn)直系統(tǒng)。在 本研究中，提出基于梯度矢量的霍夫變換的標(biāo)靶針孔中心點檢測，廣義的霍夫變化 10 的基本原理 為將圖像空間轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間，需要解決的參數(shù)為針孔中心 (a,b) 以及圓的半徑 r ，針孔半徑 r 是 確定的值，因此，只需求解圓心的位置參數(shù) (a,b) ?；谑噶刻荻鹊幕舴蜃兓蠼鈭A的參數(shù)，算法 流程如圖 2 所示。在處理時首先將圖像空間轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間，得到矢量梯度參數(shù)，將矢量梯度進 行配對，計算兩個方向矢量的交點后，對另外剩余的矢量梯度配對并計算交叉點，最后將圖像中 最亮的檢測位置點作為

28、圓形的中心。 圖 2 基于矢量梯度的霍夫變化靶面中心檢測流程圖 4) 靶丸姿態(tài)檢測模型構(gòu)建 靶丸姿態(tài)通過靶孔中心的二維位置獲得，靶孔中心點的檢測誤差對姿態(tài)的影響需要建立合適 的數(shù)學(xué)模型進行分析。靶丸的兩個靶面全部或者部分在CCD檢測范圍時，根據(jù)柱狀靶兩端面圖象 利用雙立方插值方法可精確計算出兩靶面針孔中心點，并求解靶丸姿態(tài)。根據(jù)如圖 3 所示靶丸在 準(zhǔn)直傳感器中的位姿關(guān)系， Target position1 和 Target position2 分別為靶丸兩端面在 A-CCD 和 B-CCD上提取的靶孔中心點， Fiducial marker1 和 Fiducial marker2分別為 A、

29、 B 兩 CCD的 中心基準(zhǔn)點(標(biāo)定后 A-CCD、 B-CCD的理論中心點) 。靶丸經(jīng)過姿態(tài)和位置調(diào)整后，從圖像上提取 的靶丸中心點應(yīng)與中心基準(zhǔn)點重合，為便于求解運算，利用標(biāo)定后的靶準(zhǔn)直傳感器中 A-CCD 與 B-CCD之間的位姿關(guān)系，將 B-CCD上被測目標(biāo)點的坐標(biāo)值映射到 A-CCD上。靶丸的一個端面中心 點在 A-CCD上坐標(biāo)值 p1( 1,v1) 。靶丸的另一個端面中心點在A-CCD上坐標(biāo)值 p2(u2,v2)映射到 B-CCD上的坐標(biāo)值為 p2(u2,v2) ，根據(jù)這兩個位置參數(shù)確定靶丸的姿態(tài)參數(shù)， 包括方位角和俯仰角。 如果姿態(tài)調(diào)整精確，兩位置點 p1， p2 應(yīng)重合于 pid

30、eal 。 姿態(tài)調(diào)整有兩種方案可供選擇如圖3 所示，一種方案為先調(diào)整旋轉(zhuǎn)角，然后調(diào)整方位角，用 虛線表示；另一種方案為先調(diào)整俯仰角，然后調(diào)整方位角，用實線表示。本課題研究中，姿態(tài)調(diào) 整選擇第一種調(diào)整方案。 圖 3 靶面中心點、基準(zhǔn)點以及姿態(tài)調(diào)整方案 5）微型靶端面圖像聚焦程度對靶孔中心點檢測的影響 在靶丸圖像中心點的檢測過程中，靶丸圖像是否聚焦對中心點的檢測精度將造成影響。聚焦 度函數(shù)建立首先要解決的問題是對聚焦度函數(shù)的定義，通過計算某種值來評價圖像的質(zhì)量。比較 一副聚焦圖像和離焦圖像時， 其不同點在于空域中的高頻能量不同。 離焦圖像意味著高頻的衰減， 而高頻能量點一般位于圖像的邊緣點上。傳統(tǒng)

31、的圖像聚焦方法包括基于圖像的微分方法、基于相 關(guān)函數(shù)的測量方法等。傳統(tǒng)聚焦度計算方法在噪點較多的顯微圖像下難以實現(xiàn)自動聚焦，因此要 研究基于顯微圖像的聚焦優(yōu)化計算方法。對于某一類圖像的最優(yōu)聚焦度評估方法在于：在一定的 離焦距離內(nèi)，聚焦度獲得的曲線滿足一定的單一性，即在顯微圖像從離焦圖像到聚焦圖像的過程 中，聚焦度值單調(diào)遞增，為了便于圖像分析，需將聚焦度值歸一到 0-1 之間，以便利用曲線對圖 像聚焦度進行分析。顯微圖像聚焦是一個自動過程，通過聚焦度計算，可測量每一個物距在變化 過程中的圖像聚焦程度的相對大小，通過相對大小的判斷來確定物距的位置，整個聚焦的過程需 要一定時間進行分析計算。傳統(tǒng)的攀

32、爬方法是以一定步長進行搜索，通過全局判斷，記錄最大聚 焦圖像所處的位置，然后利用電機驅(qū)動裝置將靶丸移動到所處的位置。這種方法非常耗時，本研 究提出一種自適應(yīng)步長調(diào)整的最優(yōu)快速自動聚焦方法。該方法必須滿足以下條件：通過最少的計 算量來獲取聚焦度的最大值， 并能夠從任何位置開始分析計算， 整個自動聚焦流程圖如圖 4 所示。 圖 4 自動聚焦流程圖 6）模擬激光打靶驗證實驗 基于三維視覺微型靶丸姿態(tài)調(diào)整的研究，其目標(biāo)是為了讓激光打入到微型靶孔的中心，對高 功率激光能量實現(xiàn)可控，從而實現(xiàn)可控核聚變。模擬光檢測的目的是當(dāng)標(biāo)靶放置到TAS 中指定的 位置后，利用功率較小的模擬光進行激光打靶前的測試分析實驗

33、，通過實驗確定激光是否能夠準(zhǔn) 確打入到指定的區(qū)域， 一般區(qū)域范圍為 600m。模擬光未經(jīng)過放大鏡頭直接經(jīng)過反射鏡打入到CCD 的，靶孔圖像經(jīng)過透鏡放大的區(qū)域，并非為實際的靶孔區(qū)，實際的靶孔區(qū)為放大靶孔的一半，而 靶孔中心點位置不變，如圖 5 模擬光的入射位置分析圖所示，圖中外圓為經(jīng)過透鏡后放大的靶孔 區(qū)（白色區(qū)域） ，內(nèi)圓為實際的靶孔區(qū)（灰色區(qū)域） ，直徑為放大靶孔區(qū)直徑的一半。當(dāng)光斑入射 到 CCD面上后，如何檢測光斑中心位置來判斷該模擬光是否打入到實際的靶孔內(nèi)，而模擬光是否 聚焦采用分析光斑輪廓大小的方法進行判斷都是該系統(tǒng)將要解決的問題 圖 5 模擬光的入射位置分析 2.4 本項目的研究擬

34、解決的關(guān)鍵問題 以基于視覺的微型靶丸的姿態(tài)檢測將要解決的問題為基礎(chǔ)， 擬解決以下關(guān)鍵技術(shù)： 1) 靶丸圖像的分類方法研究 CCD檢測單元檢測到環(huán)形光源照射到靶面上反射過來的光強，如果光照強度太大，從靶面上 反射過來的光會使 CCD達到飽和，這種情況會影響到靶丸中心點的檢測。另外由于靶丸自身的光 潔度及加工精度的影響，容易造成靶面圖像分區(qū)不明確，從而對靶孔中心點的檢測造成影響，因 此如何評判靶丸圖像的質(zhì)量需要建立圖像的分類機制 9 。 圖像分類的目的是通過對檢測到的靶丸圖像進行評估，判斷該圖像是否可以作為靶孔中心點 的提取圖像。擬采用的方法是通過對二維圖像降維，得到圖像的一維參數(shù)特性，然后對一維的特 征值進行分析，利用灰度圖像通過概率密度函數(shù)來分析圖像的特性，當(dāng)這種圖像特性確定之后， 接下來通過圖像的子特性