基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计

VIP免费
3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.17MB 73 页 15积分
侵权投诉
摘 要
传统的视觉自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差，测量精度较低。后来
得以发展的光电自准直仪替代了之前的视觉自准直仪，其利用光电探测器代替人
眼瞄准读数，增加了测量精确度。目前较成熟的光电自准直仪是利用线阵 CCD 作
为光电转换器件，精度较高，但不能反映被测物二维方向上的角位移。为了真正
实现光电自准直仪的双轴测量，自动读值控制显示，本文研究设计了一套从图像
采集，处理到小液晶显示的电学测量系统。
文中提出了一种基于面阵图像传感器光电自准直仪嵌入式自动瞄准显示系统
的设计方案；研究了面阵 CCD 与CMOS 的成像原理与特性，选择了 CMOS 作为
本系统的图像传感器。实时测量显示系统对图像处理的运算效率要求很高，即对
硬件资源的要求高，故本文选择了运算能力较强的数字信号处理器 DSP 作为系统
的核心单元；设计了整个系统的硬件电路，并在硬件基础上完成了图像处理功能
软件设计。图像处理软件的核心部分为运动目标检测，通过帧间差分法和背景差
分法相结合的方法检测静态背景下的运动目标，确定当前运动点的位置，计算出
角位移结果，并利用液晶显示屏实时显示处理结果。
论文结束时，系统的硬件电路设计与软件程序编写均已完成，且通过测试，
能够实现光电自准直仪自动瞄准显示的功能。
关键词：面阵图像传感器 自动瞄准显示 光电自准直仪 运动目标检测
ABSTRACT
Traditional visual autocollimator comes with human targeting error and reading
estimation error with low measurement accuracy. Later photoelectric autocollimator
developed, using photoelectric detector instead of human eyes to read results. At present,
autocollimator using linear CCD is the most mature photoelectric converter
measurement solution. Its precision is high. But this kind of sensor can not reflect the
two-dimensional angular displacement of the measured object. In order to realize two
optical axis collimator measurement and automatic control of results display, this
research dissertation designs a whole set of electrical measurement system integrating
image acquisition, processing and results display on a relatively small LCD.
This dissertation proposes auto-targeting display embedded system design for
optical autocollimator based on area array image sensor. After Comparing array CCD
and CMOS imaging principles and characteristics, choose CMOS as image sensor of the
whole system. Real-time measurements and display requires high efficiency from image
processing and also hardware resources. Therefore, so take digital signal processor DSP
with greater computing capability as the core of the system. Then design the hardware
circuit of the entire system, and image processing software based on the complete
hardware board. The core part of the image processing software is moving target
detection, through the combination of inter-frame difference and background difference
of to detect moving object against static background, locating the current coordinates of
the moving point, calculating the angular displacement results, and using LCD to
display the results at real time.
At the end of the dissertation, the system hardware design and software
programming have been completed and tested. The results show that the system has
achieved automatic targeting and results display function for photoelectric
autocollimator.
Key Words: area array image sensor, automatically targeting and
display, photoelectric autocollimator, moving target
detection
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 光电自准直仪概述 ...............................................................................................1
§1.1.1 自准直仪简介 ...............................................................................................1
§1.1.2 光电自准直仪的发展历程 ...........................................................................1
§1.2 课题来源与研究意义 ...........................................................................................2
§1.3 研究方向和既定方案 ...........................................................................................4
§1.4 本章小结 ...............................................................................................................4
第二章 自准直仪测量原理 .............................................................................................6
§2.1 自准直光学结构原理 ...........................................................................................6
§2.1.1 自准直基本原理 ...........................................................................................6
§2.1.2 自准直仪的光路系统结构 ...........................................................................7
§2.2 角位移测量原理 ...................................................................................................9
§2.2.1 光路分析 .......................................................................................................9
§2.2.2 角位移计算原理 .........................................................................................10
§2.3 本章小结 .............................................................................................................11
第三章 面阵图像传感器应用研究 ...............................................................................12
§3.1 CMOS 图像传感器的结构特性与工作原理 .................................................... 12
§3.1.1 CMOS 的像元构成 .................................................................................... 12
§3.1.2 CMOS 像元工作原理 ................................................................................ 13
§3.1.3 CMOS 的基本功能结构 ............................................................................ 14
§3.2 CCD 成像原理 ................................................................................................... 15
§3.3 CMOS 的主要技术参数以及与 CCD 的区别 .................................................. 16
§3.3.1 灵敏度 .........................................................................................................16
§3.3.2 器件噪声 .....................................................................................................17
§3.3.3 响应均匀性 .................................................................................................17
§3.3.4 响应速度 .....................................................................................................17
§3.3.5 其他技术参数 .............................................................................................17
§3.3.6 CMOS 与CCD 区别小结和选用 CMOS 的原因 .....................................18
§3.4 本章小结 .............................................................................................................19
第四章 自动瞄准系统图像处理算法 ...........................................................................20
§4.1 运动图像分析基础知识 .....................................................................................20
§4.1.1 运动图像定义 .............................................................................................20
§4.1.2 运动图像分析的基本内容 ..........................................................................20
§4.2 运动目标检测 .....................................................................................................21
§4.2.1 静态背景下的运动目标检测 .....................................................................21
§4.2.2 动态背景下的运动目标检测 .....................................................................22
§4.3 本系统的运动目标检测瞄准算法设计 .............................................................22
§4.3.1 运动区域检测 .............................................................................................23
§4.3.2 背景差分 .....................................................................................................23
§4.3.3 二值化与去噪 .............................................................................................24
§4.3.4 运动目标形心计算 .....................................................................................24
§4.4 本章小结 .............................................................................................................24
第五章 CMOS 自动瞄准显示系统设计 ...................................................................... 25
§5.1 硬件电路设计 .....................................................................................................25
§5.1.1 CMOS 图像采集板 .................................................................................... 25
§5.1.2 主板与 CMOS 图像采集板接口电路 ....................................................... 32
§5.1.3 系统供电与复位电路 .................................................................................34
§5.1.4 数字信号处理器 DSP 核心板 ................................................................... 36
§5.1.5 液晶驱动与显示电路 .................................................................................38
§5.1.6 系统 PCB 设计成图 ................................................................................... 40
§5.2 软件程序编写 .....................................................................................................43
§5.2.1 功能初始化 .................................................................................................43
§5.2.2 图像采集控制 .............................................................................................49
§5.2.3 图像数据处理 .............................................................................................51
§5.2.4 液晶显示控制 .............................................................................................57
§5.3 实时操作系统μC/OSII 的移植 ..........................................................................58
§5.3.1 uCOSII 系统简介 ....................................................................................... 58
§5.3.2 uCOSII 系统组成 ....................................................................................... 59
§5.3.3 uCOSII 移植过程 ....................................................................................... 61
§5.4 本章小结 .............................................................................................................64
第六章 总结与展望 .......................................................................................................66
§6.1 研究总结 .............................................................................................................66
§6.2 课题展望 .............................................................................................................67
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 光电自准直仪概述
本节对自准直仪进行了简要的介绍，并回顾了光电自准直仪的发展历史，阐
述了国内外光电自准直仪的技术水平。
§1.1.1 自准直仪简介
自准直仪是一种高灵敏度的光学仪器，可实现非接触式的小角度和超小角度
测量，采用的原理为光学中的自准直原理，所以又被称作自准直测微光管。
自准直仪通常被用来做元件对齐，以及测量光学系统或者机械系统中的表面
平整度，因此广泛应用于多学科领域内的高精密测量，如光学，微电子学，精密
机械，科学实验器材等领域，具体应用实例包括，光学系统搭建过程中各元件的
对齐，器件的精确定位，各种精密平台的平面度测试[1,2]等。
自准直仪通过向目标反射镜投影一幅带有读值标志的图像，比如“+”标志，
测量反射回来图像中读值标志的偏移，最终确定反射镜与待测物角度的偏移量。
定位反射图像中读值标志的偏移，可以通过人眼瞄准观察，也可以借助电子探测
器，如光电池等来代替人眼“观察”，由此可将自准直仪归为两类，视觉自准直仪
和光电自准直仪。可看出光电自准直仪是光学自准直原理与光电技术结合应运而
生的产物。一般来说，视觉自准直仪可胜任 0.5 弧秒的测量范围（弧秒，即为角秒，
是「秒」用在角度单位场合的限定称呼，用数学式来表示：1°(度)= 60'(角分)=
60
60" (角秒)），而光电自准直仪可达到 100 倍于此的测量精度。
两种自准直仪的应用场合也有所不同，视觉自准直仪通常被用于激光头对齐、
光学窗口和器件边缘表面平行度检验等对精度要求较低的应用上。而光电自准直
仪和数字光电自准直仪则用于角度测量标定，检测系统长时间内的角度漂移以及
机械系统内重要角位置的可重复性。另外，多台光电自准直仪还可组成伺服自准
直仪系统，用于闭环的高速伺服反馈系统，在保证平台正常运行应用中发挥着关
键的作用。
§1.1.2 光电自准直仪的发展历程
自准直技术很早就被人类发现并广泛应用于生产实践，而光电自准直仪是上
世纪四五十年代才面世的，自光电自准直仪诞生之日起，加上之后新型光电探测
器件和计算机技术的飞速发展，古老的自准直技术又被赋予了新的生机与活力。
上世纪八九十年代，光电自准直仪出现快速地更新换代，数字显示读值代替
了之前的转动鼓轮人眼瞄准读数，一维方向测量被二维双轴测量取代，新型光电
探测器投入应用，如电荷耦合器件 CCD，位置敏感探测器 PSD，CMOS 图像传感
器，而且新型的光电自准直仪大都配有 RS-232 等标准接口，将数据直接传输至 PC
基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计
2
进行处理，这些都使得仪器在测量精度，角度分辨能力和动态测量等方面有了较
大幅度的改进，从开始的光学机械式自准直仪到后来应用新型光电探测器自动跟
踪瞄准式的光电自准直仪，测量角度分辨力从 1秒提高到了 0.005 秒。
国际上知名的自准直仪生产厂商有 Moller-Wedel，Taylor Hobson，API 和
Nikon，基于笔者所了解到的情况，其中德国的 Moller-Wedel 是世界上精度最高的
自准直仪的生产厂商，研发自准直仪的历史可追溯到 60 年前，该公司 ELCOMAT
系列电子自准直仪 ELCOMATHR 测量精度在 10 秒范围内可达到±0.01 秒，甚至
可低至 0.005 秒，被誉为世界上精度最高的自准直仪，测量范围 300”；另外，
ELCOMAT3000 在20”内精度±0.1 秒，精度较高，测量范围大至±1000”，测量距
离最长 25 米，可广泛用于实验室及光学车间，ELCOMATvario 可满足一般用户的
需要，测量精度范围±0.4 秒至 3秒测量距离相比于 ELCOMAT3000 较短，最长为
10 米，而且 ELCOMATvario 和ELCOMAT3000 还有一个特点，可以倾斜、垂直使
用，适用于多种场合下的角度测量。
英国 Taylor Hobson 公司的自准直仪产品对我国自准直仪的发展影响深远，从
上世纪 60 年代起，该公司多种型号的自准直仪产品就开始进驻中国内地，八九十
年代引入最多的当属 TA80，这款产品仍属于瞄准读值型自准直仪，以及之后推出
的数字显示式光电自准直仪 DA20，DA400，测量范围扩至±20”和±400”，测量
精度分别为±0.1 秒和±0.2 秒。除了测量过程结果可采用数字显示外，还配有独
立的目视通道，可供初始设置时使用。另外还可通过 RS232 接口与上位机通信，
借助 PC 对平整度，平行度，光学多面体角度误差等测量数据进行计算机处理[3]。
中国早在上世纪 30 年代就开始了自准直仪的研究，到了 70 年代，由北京计
量仪器厂和天津大学精密仪器系共同研制的 702 型光电自准直仪成功面世，这是
我国第一台自准直仪，该仪器可实现双坐标测量，但需手动切换方向，到 80 年代
产品又升级为 C24 光栅自准直仪。90 年代之后，我国开始利用新型的光电探测器
来研制光电自准直仪，1995 年天津大学和航天部合作实现了应用线阵 CCD 的双坐
标光电自准直仪 TJDX- 93，测量范围 480 秒，精度可达到 1秒；1998 年中科院光
电技术研究所成功将四象限探测器应用于自准直测量等。上海光学仪器研究所研
制的型号为 1×5 的光电自准直仪，测量范围 600 秒，测量精度可达 0.5 秒，在该领
域内处于领先地位。近年来，除了高校重点实验室和国家研究机构，另外还有一
些高科技企业也加入了研发高精度自准直仪的行列，如上海研润，天津奥特梅尔
等，这些公司的产品测量精度可低至 0.3 秒，开始向国际小角度测量的先进水平靠
拢。
§1.2 课题来源与研究意义
摘要：

摘要传统的视觉自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差，测量精度较低。后来得以发展的光电自准直仪替代了之前的视觉自准直仪，其利用光电探测器代替人眼瞄准读数，增加了测量精确度。目前较成熟的光电自准直仪是利用线阵CCD作为光电转换器件，精度较高，但不能反映被测物二维方向上的角位移。为了真正实现光电自准直仪的双轴测量，自动读值控制显示，本文研究设计了一套从图像采集，处理到小液晶显示的电学测量系统。文中提出了一种基于面阵图像传感器光电自准直仪嵌入式自动瞄准显示系统的设计方案；研究了面阵CCD与CMOS的成像原理与特性，选择了CMOS作为本系统的图像传感器。实时测量显示系统对图像处理的运算效率要求很高，即对...

展开>> 收起<<
基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计.pdf

共73页,预览8页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：73 页 大小：3.17MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 73
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注