苗同升+陳瑋+汪地+肖昊江+穆元春

文章編號： 10055630(2014)03026706

收稿日期： 20131220

作者簡介： 苗同升(1988),男,碩士研究生,主要從事嵌入式方面的研究。通訊作者： 汪地(1968),男,研究員,博士,主要從事嵌入式開發(fā)與機器人方面的研究。

摘要： 針對太陽能會聚鏡產(chǎn)品出廠檢測的需要,以及傳統(tǒng)人工檢測方法對技術(shù)人員技術(shù)的高要求和檢測易受天氣條件的限制,對太陽能會聚鏡檢測進行了深入的研究,基于PLC控制技術(shù)和圖像處理技術(shù),開發(fā)了太陽能會聚鏡在線檢測系統(tǒng)。介紹了一種太陽能會聚鏡快速檢測系統(tǒng)通過控制裝有一組平行排列激光頭的橫梁上下運動,來模擬太陽光照射,通過攝像頭捕捉位于反射鏡焦點的光靶成像,計算出反射鏡成像偏差,進而對反射鏡的狀態(tài)進行評估。通過該系統(tǒng),實現(xiàn)了對太陽能會聚鏡的同步、實時快速檢測。

關(guān)鍵詞： 太陽能; 會聚鏡; 快速檢測; OpenCV

中圖分類號： TP 391文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.017

The design of a fast testing system for the solar concentrating reflector

MIAO Tongsheng1, CHEN Wei2, WANG Di1, XIAO Haojiang2, MU Yuanchun2

(1.Shanghai Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Robotics, Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2.China Building Materials Science Research Institute, Beijing 100024, China)

Abstract： Due to the test requirement of the solar mirror products before delivery, the traditional testing method needs excellent skills and the test environment is easily affected by weather conditions. We did indepth research on the testing system. Based on the implement of the PLC technology and the image processing technology, online solar reflectors testing system is developed in our lab. This paper introduces a kind of rapid detection system of solar convergent mirror. By controlling the beam which is equipped with a set of parallel lasers to simulate the sunlight, try to capture the light spots in the mirror focus, calculate the mirror imaging deviation, and then evaluate the quality of the mirror. Using this system, people can detect the solar convergent mirror system synchronously and in realtime.

Key words： solar energy; convergent mirror; fast testing; OpenCV

引言太陽能是一種新興的可再生能源,太陽能的利用有被動式利用(光熱轉(zhuǎn)換)和光電轉(zhuǎn)換兩種方式,通常也可以稱作太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電(光伏發(fā)電)［1］。聚光型太陽熱發(fā)電(CSP)和太陽光發(fā)電(PV)除了以太陽電磁波為能量源這一點之外,是完全不同的發(fā)電技術(shù)。二者相比,太陽熱發(fā)電(CSP)具有許多太陽光發(fā)電(PV)無法比擬的特點,比如:發(fā)電成本相對較低,可與火力發(fā)電站并設(shè)并共用配管系統(tǒng)和渦輪機,可將白天用不完的熱儲存在熔融鹽中用于夜間發(fā)電等優(yōu)點。曲面反射鏡是太陽能熱發(fā)電(CSP)系統(tǒng)集熱器的重要部件。如何快速、準(zhǔn)確對曲面鏡面進行質(zhì)量檢驗是太陽光曲面反射鏡大批量生產(chǎn)中所要解決的關(guān)鍵問題之一。對曲面的性能進行測試,通常采用直接法和間接法兩種方法。(1)直接法,即直接測試反射曲面的會聚性能,通常是采用將反射鏡直接放置到陽光下照射的方式,通過觀察光斑的大小對反射鏡進行性能評估。這種方法需要在野外作業(yè),操作者的勞動強度,尤其是在酷暑季節(jié),同時受天氣的影響較大,檢測只能是定性而無法做到精確的定量。(2)間接法,通過精確測試曲面鏡的曲面幾何尺寸,并和理論值進行比較,對鏡面的加工精度和會聚性能進行評估。間接法可采用各種高精度的幾何尺寸檢測方式,例如三坐標(biāo)測量機和激光跟蹤儀等,測試的精度比較高,但這些高精度的測試設(shè)備,價格十分昂貴,而且測量的速度比較慢。由于要進行世界坐標(biāo)和工件坐標(biāo)的復(fù)雜轉(zhuǎn)換,后期處理工作也較為復(fù)雜,無法滿足實時在線檢測的要求。本文構(gòu)建了一個太陽能反射鏡的快速檢測系統(tǒng),利用一組平行的激光頭來模擬太陽光照射,通過反射光線在安裝于焦點上的光靶成像來檢測反射鏡的偏差,進而對反射鏡的狀態(tài)進行實時快速評估。圖1控制邏輯框圖

Fig.1Control logical diagram1系統(tǒng)總體方案光學(xué)儀器第36卷

第3期苗同升，等：一種槽式太陽能反射鏡快速檢測系統(tǒng)的設(shè)計

圖2反射鏡檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.2The mirror test system structure diagram太陽能會聚鏡快速檢測系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示,整個系統(tǒng)由攝像頭、PC機、控制器、電機驅(qū)動器、電機等組成。攝像頭所采集的圖像被傳輸?shù)絇C機,PC機通過信號線與控制器相連,控制器通過驅(qū)動器帶動驅(qū)動電機運動,控制器還控制激光管陣列各個激光頭的亮滅,實現(xiàn)光點的掃描?；镜墓ぷ髁鞒虨?當(dāng)接收到測試任務(wù)時,作為主控和圖像處理的PC機先將啟動指令下達(dá)給控制器,由它來控制驅(qū)動電機帶動橫梁運動。首先先回到最下面的起始點,完成歸零,然后以勻速方式由下向上運動,直至到達(dá)上極限點(由限位開關(guān)控制),與此同時,PLC控制器控制激光管陣列中的激光管依次從左到右點亮,待最右邊的光管點亮后再最左邊的激光管起從左到右點亮,如此循環(huán)往復(fù),由此完成對鏡面區(qū)域的掃描。攝像頭所拍攝的光靶所成的像,被轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并被傳輸?shù)絇C機,PC機上運行的圖像處理軟件獲取圖像點的坐標(biāo),并存放于一個一維數(shù)組中。在測量結(jié)束后根據(jù)坐標(biāo)算出每一個點與中心線的偏差值,針對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理,既可以根據(jù)總的統(tǒng)計結(jié)果來判斷鏡面反射率是否合格,也可以根據(jù)每一個值的偏差值來找出究竟是哪些測量點所測量出來的結(jié)果超差,超差了多少等等。2系統(tǒng)的具體實現(xiàn)在具體實現(xiàn)中,將整個系統(tǒng)分為機械平臺、控制器和圖像處理子系統(tǒng)三部分。下面將對這幾部分分別介紹。

2.1機械平臺太陽能反射鏡快速檢測系統(tǒng)的機械平臺如圖2所示,待測反射鏡面的母線與地面垂直放置,測量機構(gòu)的機械機構(gòu)主要由底座、龍門框架、橫梁和光靶支架構(gòu)成。底座垂直于龍門框架,在龍門框架的兩側(cè)安裝有直線導(dǎo)軌,橫梁的兩端被固定在這兩條直線導(dǎo)軌上,可由驅(qū)動電機驅(qū)動絲杠在龍門框架上做垂直上下運動。橫梁上等間距平行安裝了多個激光發(fā)射管,這些激光管的光軸與待測拋物面的對稱軸平行,且與通過該拋物面對稱軸的切平面垂直,以模擬太陽光入射到拋物面反射鏡面的情形。在橫梁的適當(dāng)位置安裝有光靶支架,該支架上安裝有投射型光靶和CCD攝像頭。光靶被安裝在反射鏡面的焦點上,CCD攝像頭置于光靶的后面,可以獲取鏡面反射光在光靶上的像。 CCD攝像頭的像被傳輸?shù)桨惭b于PC機的圖像采集卡上,轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻,經(jīng)過圖像處理后就可獲得反射光斑的位置。在理想狀態(tài)下,所有光斑都應(yīng)被反射到光靶的中心。但實際應(yīng)用中反射鏡可能出現(xiàn)局部畸變,使反射光斑偏離光靶中心。通過統(tǒng)計鏡面上各點反射光斑在靶上的位置,可以評價反射鏡曲面的聚光性能。

2.2控制子系統(tǒng)控制器實現(xiàn)方案有幾種,一種是采用PC機,另一種是采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn),還有一種方案是采用PLC來實現(xiàn)。PC機的功能比較強大,但為了實現(xiàn)輸入輸出功能,需要配置多塊外接板卡才能實現(xiàn),成本比較高;采用基于ARM的嵌入式控制器,具有低成本,低功耗和高可靠性的特點,但是需要對軟件和硬件都比較精通,開發(fā)的復(fù)雜度相對比較大?？删幊炭刂破?programmable controller)是計算機家族中的一員,是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的［2］。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(programmable logical controller,PLC)［3］。從本質(zhì)上說PLC也是由嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)的,但是與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)不同,PLC是為工業(yè)化應(yīng)用而量身打造的專用系統(tǒng),對輸入輸出通道已經(jīng)采用了繼電器或者是光隔,具有良好的光電隔離特性和較強的設(shè)備驅(qū)動能力,以及很強的抗干擾能力。另外,為了便于編程應(yīng)用,采用了圖形化的編程指令系統(tǒng),如梯形圖等使得開發(fā)流程得到了簡化。

2.3圖像處理及人機交互子系統(tǒng)圖像處理及人機交互子系統(tǒng)在一臺運行Windows操作系統(tǒng)的PC機上實現(xiàn)。之所以這樣考慮,主要是因為圖像處理和友好的人機界面都需要有強大的計算能力以及豐富靈活的外部接口和存儲空間作為支撐。在測量過程中,控制器與圖像處理子系統(tǒng)需要按照一定的時序同步工作,需要運用某種通信機制來實現(xiàn)兩者的協(xié)同。圖3太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)機械平臺

Fig.3Solar reflectors detection system

mechanical platform圖像處理模塊,主要完成對所采集的光靶圖像進行處理,測量出反射鏡實際反射點與理想焦點位置的偏差。開放源代碼的計算機視覺類庫OpenCV是由Intel公司開發(fā)出來的［4］,具有良好的獨立性,包含了500多個C函數(shù)和C++函數(shù)類,不依賴于外部庫函數(shù),即可獨立運行,也可以在運行的時候使用其他外部庫。OpenCV具有良好的跨平臺性,是由跨平臺的中高層API構(gòu)成,為程序員提供了能在很多平臺上都適用的移植性好的算法,很好地支持Windows、Liunx,也可以在大多數(shù)的編譯器下工作,具有豐富的圖像處理函數(shù)。OpenCV中的算法都是基于封裝于IPL的具有很高靈活性的動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),基于Intel處理器指令及開發(fā)的優(yōu)化代碼,所以處理速度相當(dāng)快。OpenCV不論對商業(yè)還是非商業(yè)都是免費的,而且它的代碼是公開的,研究者可以對他的源代碼進行修改,也可以把自己研發(fā)的新類庫加進去,這樣自己的代碼也可能被別人廣泛使用,OpenCV的這一優(yōu)點是其他的開發(fā)軟件所不具有的。在具體實現(xiàn)中,采用VC2008來進行開發(fā),通過調(diào)用OpenCV的函數(shù)來實現(xiàn)對采集到的光靶上的激光點坐標(biāo)位置進行檢測。人機交互模塊主要用于快速反射鏡檢測系統(tǒng)與操作者之間的人機交互,包括整個檢測系統(tǒng)的啟?？刂?視頻檢測圖像的實時顯示,測量結(jié)果的實時顯示及測量數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)出分析等工作。

2.4實驗平臺的構(gòu)建為了驗證上述檢測原理的正確性,搭建了一個50 cm×50 cm的運動平臺,如圖3所示。5個激光管通過萬向支架被安裝在一個可上下移動的托架上,每個激光管的間距為12.5 cm。如果取垂直方向與水平方向的間距相同的話,垂直方向需要有5個停留位置,這樣共需要采集5×5=25幀圖像。托架通過同步帶由直流伺服電機帶動可以做上下運動。在支架的兩端安裝了兩個限位開關(guān)用于上下限位;在托架上安裝了一個接收光靶的組件,該組件由一個半透光靶和攝像頭組成,安裝在由遮光布和支架構(gòu)成的腔體中,半透光靶正好位于反射鏡的焦點上,外形尺寸為145 cm×109 cm,這樣如果采集的圖像分辨率為640×480,每個像素的分辨率可達(dá)0.23 mm。攝像頭采用了Microsoft的1 080 p高清攝像頭Lifecam studio,分辨率達(dá)到500萬像素,采樣速度最快可達(dá)到30幀/s,并采用usb2.0接口,能方便的與PC機進行連接,體積非常小巧而且具有自動對焦功能,焦距較短?？刂破饔捎谝紤]利用PWM脈沖來驅(qū)動直流伺服電機運動,故采用了晶體管輸出型的PLC,具體實現(xiàn)中選用了三菱的FX2N30MT。為了與采用不同電平的主機、驅(qū)動器、傳感器等匹配,設(shè)計了電平轉(zhuǎn)換板。整個控制子系統(tǒng)安裝在一個鋁合金的機箱中,在機箱中安裝有24 V和5 V開關(guān)電源、PLC及相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換接口電路以及激光管的驅(qū)動電路和電機驅(qū)動器等,通過航空插頭與機械本體和PC機相連。PC機和控制器的同步利用了PC機本身的并口與PLC的輸入輸出口來實現(xiàn)(由于電平不同,需要進行適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換)。激光頭的底座在設(shè)計時已經(jīng)考慮了調(diào)節(jié)的需要。通過螺絲可調(diào)節(jié)俯仰角或讓激光頭繞Z軸旋轉(zhuǎn),橫梁采用了標(biāo)準(zhǔn)鋁合金型材來制作,激光座通過鎖緊螺母固定于橫梁的滑槽中。松開螺母后,底座可在滑槽中自由運動,這樣便于調(diào)整激光頭間的間距。在一般的印象中,激光頭的光束可以近似為一個非常細(xì)小的光點,一致性非常好,但是從實測的情況看,激光點其實是由一套透鏡系統(tǒng)來進行聚焦的。而且在不同的工作電流下激光點的大小會有所變化,如果電流比較大光暈也會擴大,從而會影響到光電的識別及測量的精度。經(jīng)過實際的實驗比較,在激光點的光束可識別的前提下,優(yōu)化了工作電流,使激光光點直徑盡可能小。對于實際使用的高同心度精密激光頭,額定的工作電壓為3.3 V左右,當(dāng)供電電壓調(diào)節(jié)在2.1~2.2 V時可滿足試驗距離與光斑尺寸要求。對于一種視頻模式而言,攝像頭的長寬方向的總像素數(shù)是固定的,例如對于640×480視頻模式下,一個攝像頭的水平方向上有640個點,垂直方向上有480個點。要想根據(jù)成像進行定量的分析,就必須計算出1個像素對應(yīng)的距離。經(jīng)過上述校準(zhǔn)后,攝像頭與靶面間已經(jīng)能夠保證攝像頭的光軸與靶面垂直且交于靶面的中心點。在具體實施中,采用了Microsoft生產(chǎn)的高清攝像頭,該攝像頭具有自動對焦功能,調(diào)節(jié)攝像頭與靶面的相對位置,使得攝像頭的主光軸與靶面垂直,并且與靶面的中心點重合,且調(diào)整距離使得靶面的圖像基本占據(jù)攝像頭的整個視野,此時測得攝像頭到靶面的距離為20 cm,由此計算出像素點距離當(dāng)量為0.226 6 mm。3整個檢測系統(tǒng)的基本流程在太陽能檢測系統(tǒng)原理樣機中,橫梁的最大行程是50 cm,對應(yīng)直流伺服電機的脈沖數(shù)是13 000個脈沖。橫梁共有5個激光頭,分5行掃描,這樣在進行前一行掃描后需要下移3 250個脈沖,再進行下一行掃描,直至5行掃描結(jié)束。整個系統(tǒng)需要激光頭掃描和圖像采集子系統(tǒng)的密切配合。太陽能會聚鏡檢測系統(tǒng)總體流程圖如圖4所示(以5×5激光管陣列為例),整個流程可分為以下幾步:(1)分別開啟圖像處理子系統(tǒng)和控制器的電源開關(guān),待圖像處理子系統(tǒng)所在的PC機操作系統(tǒng)啟動后,運行該軟件,系統(tǒng)開始運行,并最終顯示圖像處理子系統(tǒng)主界面,如圖5所示。圖像處理子系統(tǒng)和系統(tǒng)控制子系統(tǒng)完成了一系列初始化工作,并進入等待狀態(tài)。(2)單擊圖像處理子系統(tǒng)的“開始”按鈕。圖像處理子系統(tǒng)先向控制器發(fā)出觸發(fā)信號,然后進入等待狀態(tài);控制器在接收到觸發(fā)信號后,首先驅(qū)動直流伺服電機通過同步帶帶動橫梁完成回零動作,在橫梁到達(dá)初始位置時,會觸發(fā)上限位傳感器,使橫梁的向上運動停止,并同時向圖像處理子系統(tǒng)發(fā)出同步信號。

圖4太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的基本流程

Fig.4The basic process of solar reflector detection system

(3)控制器以相同的時間間隔依次點亮5個激光管,完成一次水平掃描。圖像處理子系統(tǒng)接收到同步信號后按照同樣時間間隔進行采樣。在實驗系統(tǒng)中激光掃描和圖像采集的時間間隔均為1 s,這樣對每個激光點都進行一次采樣。在采集到圖像后,圖像處理系統(tǒng)會計算相應(yīng)的激光點中心坐標(biāo),以及距離中心點的半徑距離,并將測量結(jié)果及統(tǒng)計信息動態(tài)顯示在屏幕上。圖像處理子系統(tǒng)進入等待狀態(tài),等待下一行掃描的開始。而控制系統(tǒng)的步數(shù)計數(shù)器加一,控制系統(tǒng)通過電機驅(qū)動橫梁運行到下一行的測量位置。當(dāng)總的步數(shù)<5,意味著整體掃描過程還沒結(jié)束,這時系統(tǒng)重復(fù)步驟3。圖5圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面

Fig.5Image processing subsystem of the

humancomputer interaction interface(4)若總的步數(shù)≥5,說明整體的測量過程已經(jīng)結(jié)束,控制器回到步驟2狀態(tài),等待圖像處理系統(tǒng)發(fā)出新的“開始”信號,開始下一件樣品的檢測流程。4實驗結(jié)果如圖5所示為太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面圖。檢測員可以按動“開始”按鈕用于啟動一個測試流程?！巴Ｖ埂卑粹o用于停止測試過程,“退出”用于退出圖像處理子系統(tǒng)?！扒辶恪卑粹o用于將檢測結(jié)果清零,重新開始進行計數(shù)。整個系統(tǒng)正常工作后,檢驗員等待系統(tǒng)完成整個檢測過程,檢驗完成后,人機交互界面上會自動顯示檢驗的結(jié)果,檢測員可以直觀地根據(jù)界面上激光點數(shù)目和所在的位置判定反射鏡的質(zhì)量。在主框架中,除了按鈕以外,界面包含三個顯示區(qū)域,其中最右面的區(qū)域里是圖像顯示區(qū),用于實時顯示攝像頭捕獲的圖像;中間的部分顯示“步數(shù)”(當(dāng)前掃描的激光點號),“物理坐標(biāo)”顯示當(dāng)前激光點的中心點坐標(biāo),單位為毫米;左邊的框中包含了很多項目,其中“總幀數(shù)”為當(dāng)前的總點數(shù),成功數(shù)為被正確識別的激光點的點數(shù),失敗數(shù)為沒有被識別的激光點數(shù),“0~5”、“5~10”、“10~15”……分別為經(jīng)過激光點經(jīng)過反射鏡在靶上成像點與中心點距離的統(tǒng)計數(shù),類似與打靶的環(huán)數(shù),“輪數(shù)”為當(dāng)前掃描的行數(shù),“點數(shù)”為當(dāng)前掃描的總點數(shù),因目前程序設(shè)置每個光點只掃描一次,“點數(shù)”與“幀數(shù)”是相等的。經(jīng)過一輪測試后,圖像窗口顯示的是最后一次測量的圖片。在統(tǒng)計信息欄可看到,總共采集了25個點,成功數(shù)為25,失敗數(shù)為0。后面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)距離中心點距離在10~15有6個,15~20的點有9個,20~25有5個,25~30有2個,30~35有3個,而輪數(shù)為5(相當(dāng)于行數(shù)),點數(shù)為5。整個檢測過程約需50 s。5結(jié)論通過上述實驗證明,所介紹的太陽能會聚鏡快速檢測方法是切實可行的,機械平臺在上下運動的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)與圖像處理子系統(tǒng)的同步。出于成本的考慮,該樣機幅面僅為50 cm×50 cm,而生產(chǎn)實際中,RP3型的反射鏡幅面約為170 cm×170 cm,如果還是按照間距為10 cm左右一個激光管的密度的話,需要安裝18個激光管,整個過程需要掃描18×18=324個點,假設(shè)檢測過程為3 min的話,去掉機械運動的試劑,每個光點的檢測時間約為0.2 s,對應(yīng)的圖像處理速度為5幀/s,對windows平臺下的OpenCV完全能夠勝任。從精度上來說,如果采用和樣機相同的光靶結(jié)構(gòu),像素分辨率為0.226 mm,由此可計算出該系統(tǒng)能分辨的角度約為0.004 533°(合0.079 mrad),說明該系統(tǒng)的精度完全可以滿足對反射鏡的測量要求。本文對太陽能反射鏡的快速檢測進行了研究,給出了一種對太陽能反射鏡進行快速實時檢測的方案,并設(shè)計了原理樣機對基本方案進行了驗證,通過理論分析與實際驗證,證明該方案是可行的。

參考文獻：

［1］張春陽.太陽能熱利用技術(shù)［M］.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2009:267268.

［2］李建行.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

［3］張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例(西門子S7200系列)［M］.北京:中國電力出版社,2005.

［4］于仕琪.OpenCV教程基礎(chǔ)篇［M］.于仕琪,劉瑞禎,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

圖4太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的基本流程

Fig.4The basic process of solar reflector detection system

(3)控制器以相同的時間間隔依次點亮5個激光管,完成一次水平掃描。圖像處理子系統(tǒng)接收到同步信號后按照同樣時間間隔進行采樣。在實驗系統(tǒng)中激光掃描和圖像采集的時間間隔均為1 s,這樣對每個激光點都進行一次采樣。在采集到圖像后,圖像處理系統(tǒng)會計算相應(yīng)的激光點中心坐標(biāo),以及距離中心點的半徑距離,并將測量結(jié)果及統(tǒng)計信息動態(tài)顯示在屏幕上。圖像處理子系統(tǒng)進入等待狀態(tài),等待下一行掃描的開始。而控制系統(tǒng)的步數(shù)計數(shù)器加一,控制系統(tǒng)通過電機驅(qū)動橫梁運行到下一行的測量位置。當(dāng)總的步數(shù)<5,意味著整體掃描過程還沒結(jié)束,這時系統(tǒng)重復(fù)步驟3。圖5圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面

Fig.5Image processing subsystem of the

humancomputer interaction interface(4)若總的步數(shù)≥5,說明整體的測量過程已經(jīng)結(jié)束,控制器回到步驟2狀態(tài),等待圖像處理系統(tǒng)發(fā)出新的“開始”信號,開始下一件樣品的檢測流程。4實驗結(jié)果如圖5所示為太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面圖。檢測員可以按動“開始”按鈕用于啟動一個測試流程?！巴Ｖ埂卑粹o用于停止測試過程,“退出”用于退出圖像處理子系統(tǒng)?！扒辶恪卑粹o用于將檢測結(jié)果清零,重新開始進行計數(shù)。整個系統(tǒng)正常工作后,檢驗員等待系統(tǒng)完成整個檢測過程,檢驗完成后,人機交互界面上會自動顯示檢驗的結(jié)果,檢測員可以直觀地根據(jù)界面上激光點數(shù)目和所在的位置判定反射鏡的質(zhì)量。在主框架中,除了按鈕以外,界面包含三個顯示區(qū)域,其中最右面的區(qū)域里是圖像顯示區(qū),用于實時顯示攝像頭捕獲的圖像;中間的部分顯示“步數(shù)”(當(dāng)前掃描的激光點號),“物理坐標(biāo)”顯示當(dāng)前激光點的中心點坐標(biāo),單位為毫米;左邊的框中包含了很多項目,其中“總幀數(shù)”為當(dāng)前的總點數(shù),成功數(shù)為被正確識別的激光點的點數(shù),失敗數(shù)為沒有被識別的激光點數(shù),“0~5”、“5~10”、“10~15”……分別為經(jīng)過激光點經(jīng)過反射鏡在靶上成像點與中心點距離的統(tǒng)計數(shù),類似與打靶的環(huán)數(shù),“輪數(shù)”為當(dāng)前掃描的行數(shù),“點數(shù)”為當(dāng)前掃描的總點數(shù),因目前程序設(shè)置每個光點只掃描一次,“點數(shù)”與“幀數(shù)”是相等的。經(jīng)過一輪測試后,圖像窗口顯示的是最后一次測量的圖片。在統(tǒng)計信息欄可看到,總共采集了25個點,成功數(shù)為25,失敗數(shù)為0。后面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)距離中心點距離在10~15有6個,15~20的點有9個,20~25有5個,25~30有2個,30~35有3個,而輪數(shù)為5(相當(dāng)于行數(shù)),點數(shù)為5。整個檢測過程約需50 s。5結(jié)論通過上述實驗證明,所介紹的太陽能會聚鏡快速檢測方法是切實可行的,機械平臺在上下運動的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)與圖像處理子系統(tǒng)的同步。出于成本的考慮,該樣機幅面僅為50 cm×50 cm,而生產(chǎn)實際中,RP3型的反射鏡幅面約為170 cm×170 cm,如果還是按照間距為10 cm左右一個激光管的密度的話,需要安裝18個激光管,整個過程需要掃描18×18=324個點,假設(shè)檢測過程為3 min的話,去掉機械運動的試劑,每個光點的檢測時間約為0.2 s,對應(yīng)的圖像處理速度為5幀/s,對windows平臺下的OpenCV完全能夠勝任。從精度上來說,如果采用和樣機相同的光靶結(jié)構(gòu),像素分辨率為0.226 mm,由此可計算出該系統(tǒng)能分辨的角度約為0.004 533°(合0.079 mrad),說明該系統(tǒng)的精度完全可以滿足對反射鏡的測量要求。本文對太陽能反射鏡的快速檢測進行了研究,給出了一種對太陽能反射鏡進行快速實時檢測的方案,并設(shè)計了原理樣機對基本方案進行了驗證,通過理論分析與實際驗證,證明該方案是可行的。

參考文獻：

［1］張春陽.太陽能熱利用技術(shù)［M］.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2009:267268.

［2］李建行.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

［3］張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例(西門子S7200系列)［M］.北京:中國電力出版社,2005.

［4］于仕琪.OpenCV教程基礎(chǔ)篇［M］.于仕琪,劉瑞禎,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

圖4太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的基本流程

Fig.4The basic process of solar reflector detection system

(3)控制器以相同的時間間隔依次點亮5個激光管,完成一次水平掃描。圖像處理子系統(tǒng)接收到同步信號后按照同樣時間間隔進行采樣。在實驗系統(tǒng)中激光掃描和圖像采集的時間間隔均為1 s,這樣對每個激光點都進行一次采樣。在采集到圖像后,圖像處理系統(tǒng)會計算相應(yīng)的激光點中心坐標(biāo),以及距離中心點的半徑距離,并將測量結(jié)果及統(tǒng)計信息動態(tài)顯示在屏幕上。圖像處理子系統(tǒng)進入等待狀態(tài),等待下一行掃描的開始。而控制系統(tǒng)的步數(shù)計數(shù)器加一,控制系統(tǒng)通過電機驅(qū)動橫梁運行到下一行的測量位置。當(dāng)總的步數(shù)<5,意味著整體掃描過程還沒結(jié)束,這時系統(tǒng)重復(fù)步驟3。圖5圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面

Fig.5Image processing subsystem of the

humancomputer interaction interface(4)若總的步數(shù)≥5,說明整體的測量過程已經(jīng)結(jié)束,控制器回到步驟2狀態(tài),等待圖像處理系統(tǒng)發(fā)出新的“開始”信號,開始下一件樣品的檢測流程。4實驗結(jié)果如圖5所示為太陽能反射鏡檢測系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng)的人機交互界面圖。檢測員可以按動“開始”按鈕用于啟動一個測試流程?！巴Ｖ埂卑粹o用于停止測試過程,“退出”用于退出圖像處理子系統(tǒng)。“清零”按鈕用于將檢測結(jié)果清零,重新開始進行計數(shù)。整個系統(tǒng)正常工作后,檢驗員等待系統(tǒng)完成整個檢測過程,檢驗完成后,人機交互界面上會自動顯示檢驗的結(jié)果,檢測員可以直觀地根據(jù)界面上激光點數(shù)目和所在的位置判定反射鏡的質(zhì)量。在主框架中,除了按鈕以外,界面包含三個顯示區(qū)域,其中最右面的區(qū)域里是圖像顯示區(qū),用于實時顯示攝像頭捕獲的圖像;中間的部分顯示“步數(shù)”(當(dāng)前掃描的激光點號),“物理坐標(biāo)”顯示當(dāng)前激光點的中心點坐標(biāo),單位為毫米;左邊的框中包含了很多項目,其中“總幀數(shù)”為當(dāng)前的總點數(shù),成功數(shù)為被正確識別的激光點的點數(shù),失敗數(shù)為沒有被識別的激光點數(shù),“0~5”、“5~10”、“10~15”……分別為經(jīng)過激光點經(jīng)過反射鏡在靶上成像點與中心點距離的統(tǒng)計數(shù),類似與打靶的環(huán)數(shù),“輪數(shù)”為當(dāng)前掃描的行數(shù),“點數(shù)”為當(dāng)前掃描的總點數(shù),因目前程序設(shè)置每個光點只掃描一次,“點數(shù)”與“幀數(shù)”是相等的。經(jīng)過一輪測試后,圖像窗口顯示的是最后一次測量的圖片。在統(tǒng)計信息欄可看到,總共采集了25個點,成功數(shù)為25,失敗數(shù)為0。后面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)距離中心點距離在10~15有6個,15~20的點有9個,20~25有5個,25~30有2個,30~35有3個,而輪數(shù)為5(相當(dāng)于行數(shù)),點數(shù)為5。整個檢測過程約需50 s。5結(jié)論通過上述實驗證明,所介紹的太陽能會聚鏡快速檢測方法是切實可行的,機械平臺在上下運動的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)與圖像處理子系統(tǒng)的同步。出于成本的考慮,該樣機幅面僅為50 cm×50 cm,而生產(chǎn)實際中,RP3型的反射鏡幅面約為170 cm×170 cm,如果還是按照間距為10 cm左右一個激光管的密度的話,需要安裝18個激光管,整個過程需要掃描18×18=324個點,假設(shè)檢測過程為3 min的話,去掉機械運動的試劑,每個光點的檢測時間約為0.2 s,對應(yīng)的圖像處理速度為5幀/s,對windows平臺下的OpenCV完全能夠勝任。從精度上來說,如果采用和樣機相同的光靶結(jié)構(gòu),像素分辨率為0.226 mm,由此可計算出該系統(tǒng)能分辨的角度約為0.004 533°(合0.079 mrad),說明該系統(tǒng)的精度完全可以滿足對反射鏡的測量要求。本文對太陽能反射鏡的快速檢測進行了研究,給出了一種對太陽能反射鏡進行快速實時檢測的方案,并設(shè)計了原理樣機對基本方案進行了驗證,通過理論分析與實際驗證,證明該方案是可行的。

參考文獻：

［1］張春陽.太陽能熱利用技術(shù)［M］.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2009:267268.

［2］李建行.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

［3］張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例(西門子S7200系列)［M］.北京:中國電力出版社,2005.

［4］于仕琪.OpenCV教程基礎(chǔ)篇［M］.于仕琪,劉瑞禎,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.