CN104763928B - 一种用于机器视觉***的led光源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器视觉***的LED光源及其控制方法，该LED光源包括环形底板、单片机以及高度测量传感器，环形底板上均匀地设有多个沿径向的传动轨道，传动轨道上设有LED模组以及用于带动LED模组沿传动轨道移动的传动部件，高度测量传感器安装在环形底板的一侧，单片机用于根据高度测量传感器所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径。本发明可通过采集LED光源与照射面的距离值后，控制传动部件的动作从而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径，从而在不同高度照明的情况下，实现均匀照明，使得机器视觉***采集到视觉效果较好的图像，可广泛应用于机器视觉***中。

Description

一种用于机器视觉***的LED光源及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器视觉的光源领域，特别是涉及一种用于机器视觉***的LED光源及其控制方法。

背景技术

机器视觉技术主要是用计算机来模拟人类的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。由于机器视觉是用机器来取代人眼来观察和判断，所以常用于大批量生产过程的产品质量检测，不适合人的危险环境和人眼视觉难以满足的场合。而且机器视觉大大提高检测的精度和速度，避免的人眼观察带来的偏差和误差。因此，机器视觉在各个领域得到很广泛的应用，如航空航天、工业、军事、民用等等领域。

机器视觉***的输入端口一般都是图像采集***，例如工业相机。采集到一个视觉效果好，对比度大的图像可以大大减少后期的图像处理工作量。照明***是决定所采集图像的质量的重要因素。目前，市面上应用于机器视觉***的照明光源一般是环形照明光源，这些环形照明光源基本都是固定直径的，即光源的直径是不可变的。

对于目前的这种环形照明光源来说，如果要维持均匀的照明效果，就只能在一个比较小的高度变化范围内移动。机器视觉***对不同特征进行检测，一般需要不同高度的照明光线，即需要光线从不同方向入射。因此，当为了满足机器视觉***的检测要求，对环形照明光源的高度进行调节时，往往会得到照射不均匀的效果，导致所采集图像的视觉效果较差。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种用于机器视觉***的LED光源，本发明的另一目的是提供一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于机器视觉***的LED光源，包括环形底板、单片机以及用于采集LED光源与照射面的距离值的高度测量传感器，所述环形底板上均匀地设有多 个沿径向的传动轨道，所述传动轨道上设有LED模组以及用于带动LED模组沿传动轨道移动的传动部件，所述高度测量传感器安装在环形底板的一侧，所述单片机用于根据高度测量传感器所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径。

进一步，所述环形底板在每个传动轨道的靠近环形底板的中心的末端设有固定支撑座，所述传动部件与固定支撑座连接，所述传动部件包括电机、电机支撑座、联轴器、丝杆、滑块轨道以及可在滑块轨道上滑动的滑块，所述电机支撑座和滑块轨道均安装在环形底板上，所述电机安装在电机支撑座上，所述丝杆的一端通过联轴器与电机连接，所述丝杆的另一端与固定支撑座连接，所述滑块套设在丝杆上，所述LED模组与滑块连接，多个传动部件的电机之间并联地与单片机连接且运动一致。

进一步，所述滑块的两侧均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮。

进一步，所述环形底板在每个丝杆的两端的下方均安装有用于对滑块进行限位的行程开关。

进一步，所述LED模组包括LED基板、LED矩形阵列和漫射罩，所述LED矩形阵列和漫射罩依次安装在LED基板上，所述LED基板倒置安装在传动部件上。

进一步，还包括外壳，所述外壳在正对环形底板的中心开口的位置设有与该中心开口相同尺寸的中心孔。

进一步，所述单片机根据下式调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径：

上式中，r表示多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径的调节值，h表示高度测量传感器所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数，r₀表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，包括：

S1、实时采用高度测量传感器采集LED光源距离照射面的距离值；

S2、根据高度测量传感器所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径；

S3、获取当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径后，计算获得LED模组的移动位移；

S4、根据计算获得的移动位移控制多个传动部件的动作从而带动LED模组进行移动。

进一步，所述步骤S2，其具体为：

结合下式，根据高度测量传感器所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径：

上式中，h表示高度测量传感器所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数。

进一步，所述步骤S3，其具体为：

获取LED模组组成的圆形光源阵列的初始照明半径后，根据下式计算获得LED模组的移动位移r：

r＝r₁-r₀

上式中，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，r⁰表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

本发明的有益效果是：本发明的一种用于机器视觉***的LED光源，包括环形底板、单片机以及用于采集LED光源与照射面的距离值的高度测量传感器，所述环形底板上均匀地设有多个沿径向的传动轨道，所述传动轨道上设有LED模组以及用于带动LED模组沿传动轨道移动的传动部件，所述高度测量传感器安装在环形底板的一侧，所述单片机用于根据高度测量传感器所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径。本LED光源可通过采集LED光源与照射面的距离值后，控制传动部件的动作从而 调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径，从而在改变入射光线的方向即不同高度照明的情况下，也能实现均匀照明，可以使得机器视觉***采集到视觉效果较好的图像。本LED光源结构简单且调节方便。

另外，本LED光源的各LED模组均设有漫射罩，可以使得光线在空间分布更加均匀，照射效果更均匀。

本发明的另一有益效果是：一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，包括：S1、实时采用高度测量传感器采集LED光源距离照射面的距离值；S2、根据高度测量传感器所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径；S3、获取当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径后，计算获得LED模组的移动位移；S4、根据计算获得的移动位移控制多个传动部件的动作从而带动LED模组进行移动。本控制方法可通过采集LED光源与照射面的距离值后，控制传动部件的动作从而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径，从而在改变入射光线的方向即不同高度照明的情况下，也能实现均匀照明，可以使得机器视觉***采集到视觉效果较好的图像。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种用于机器视觉***的LED光源的第一立体结构示意图；

图2是本发明的一种用于机器视觉***的LED光源的第二立体结构示意图；

图3是本发明的一种用于机器视觉***的LED光源的内部结构示意图；

图4是本发明的一种用于机器视觉***的LED光源的外壳的结构示意图；

图5是本发明的一具体实施例所建立的笛卡尔坐标系的示意图；

图6是本发明的一具体实施例中LED光源照明高度为140mm时，照射面的照度分布图；

图7是图6中的直线x＝0处的照度曲线图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明提供了一种用于机器视觉***的LED光源，包括环形底板1、单片机以及用于采集LED光源与照射面的距离值的高度测量传感 器21，所述环形底板1上均匀地设有多个沿径向的传动轨道16，所述传动轨道16上设有LED模组以及用于带动LED模组沿传动轨道16移动的传动部件，所述高度测量传感器21安装在环形底板1的一侧，所述单片机用于根据高度测量传感器21所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径。

进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述环形底板1在每个传动轨道16的靠近环形底板1的中心的末端设有固定支撑座2，所述传动部件与固定支撑座2连接，所述传动部件包括电机11、电机支撑座13、联轴器10、丝杆9、滑块轨道3以及可在滑块轨道3上滑动的滑块4，所述电机支撑座13和滑块轨道3均安装在环形底板1上，所述电机11安装在电机支撑座13上，所述丝杆9的一端通过联轴器10与电机11连接，所述丝杆9的另一端与固定支撑座2连接，所述滑块4套设在丝杆9上，所述LED模组与滑块4连接，多个传动部件的电机11之间并联地与单片机连接且运动一致。

进一步作为优选的实施方式，所述滑块4的两侧均设有用于带动滑块4在滑块轨道3上滑动的滑轮5。

进一步作为优选的实施方式，所述环形底板1在每个丝杆9的两端的下方均安装有用于对滑块4进行限位的行程开关20。

进一步作为优选的实施方式，所述LED模组包括LED基板6、LED矩形阵列8和漫射罩14，所述LED矩形阵列8和漫射罩14依次安装在LED基板6上，所述LED基板6倒置安装在传动部件上。

进一步作为优选的实施方式，参照图4，还包括外壳17，所述外壳17在正对环形底板1的中心开口的位置设有与该中心开口相同尺寸的中心孔18。

进一步作为优选的实施方式，所述单片机根据下式调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径：

上式中，r表示多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径的调节值，h表示高度测量传感器21所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数，r₀表示当前 时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

本发明还提供了一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，包括：

S1、实时采用高度测量传感器21采集LED光源距离照射面的距离值；

S2、根据高度测量传感器21所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径；

S3、获取当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径后，计算获得LED模组的移动位移；

S4、根据计算获得的移动位移控制多个传动部件的动作从而带动LED模组进行移动。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其具体为：

结合下式，根据高度测量传感器21所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径：

上式中，h表示高度测量传感器21所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其具体为：

获取LED模组组成的圆形光源阵列的初始照明半径后，根据下式计算获得LED模组的移动位移r：

r＝r₁-r₀

上式中，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，r⁰表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

参照图1至图4，一种用于机器视觉***的LED光源，包括环形底板1、单片机以及用于采集LED光源与照射面的距离值的高度测量传感器21，环形底板1上均匀地设有多个沿径向的传动轨道16，传动轨道16上设有LED模组以及用 于带动LED模组沿传动轨道16移动的传动部件，高度测量传感器21安装在环形底板1的一侧，单片机用于根据高度测量传感器21所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径。多个LED模组是关于环形底板1的中心呈中心对称分布的。本发明的LED模组可以在传动部件的带动下沿传动轨道16移动，因此本LED光源的半径是可调的，可以在不同高度的照明环境下调节LED模组组成的环形阵列的半径，从而在满足不同高度的照明要求的同时，可以照样实现均匀照明。

本实施例中，传动轨道16的数量为偶数个。如图2所示，传动轨道16沿径向是指每个传动轨道16均分别分布在过环形底板1的中心的一直线上，所有传动轨道16可以看作是均匀地分布在一个圆形的多个半径上的。

需要注意，图1是本LED光源的简单立体结构示意图，主要是展示环形底板1、传动轨道16之间的关系，并未限定详细的传动部件和LED模组的实施形式。图3展示了本实施例的传动部件和LED模组的一种实现方式，环形底板1在每个传动轨道16的靠近环形底板1的中心的末端设有固定支撑座2，传动部件与固定支撑座2连接，传动部件包括电机11、电机支撑座13、联轴器10、丝杆9、滑块轨道3以及可在滑块轨道3上滑动的滑块4，电机支撑座13通过连接件固定在环形底板1上，滑块轨道3安装在环形底板1上，电机11通过螺钉12安装在电机支撑座13上，丝杆9的一端通过联轴器10与电机11连接，丝杆9的另一端与固定支撑座2连接，滑块4套设在丝杆9上，LED模组与滑块4通过螺钉7连接，多个传动部件的电机11之间并联地与单片机连接且运动一致，从而使得LED模组可以保持均匀的环形阵列，维持均匀照度。

优选的，滑块4的两侧均设有用于带动滑块4在滑块轨道3上滑动的滑轮5。滑块4与滑轮5通过螺钉19连接，滑轮5是为了减少滑块4移动的摩擦力，滑块4两侧的滑轮5与滑块轨道3配合，实现滑块4的来回滑动，从而带动LED模组的运动，从而使得在不同高度的照明环境下，可以通过调节LED模组的运动来调节本LED光源的直径，从而实现均匀照明。图1和图3中为了表现出LED光源的其它组件，只画出了一个滑块轨道3，实际上，滑块轨道3的数量是两个，对称地分布在丝杆9的两端，滑块4在两侧的滑轮5与滑块轨道3的配合下在丝杠9上来回滑动。

优选的，环形底板1在每个丝杆9的两端的下方均安装有用于对滑块4进行限位的行程开关20，行程开关20可以防止滑块4的位移超出行程范围。

LED模组是由LED灯构成的照明模组，本实施例中，LED模组包括LED基板6、LED矩形阵列8和漫射罩14，LED矩形阵列8和漫射罩14依次安装在LED基板6上，LED基板6倒置安装在传动部件上。详细地，漫射罩14通过楔子15安装在LED基板6上。本LED光源的LED模组在使用状态下是朝向照射的，“LED基板6倒置安装在传动部件上”描述的是本LED光源在使用状态下的安装情况。漫射罩14可以使得LED矩形阵列发出的光线在空间分布更加均匀，使得照射效果更均匀。

本LED光源还包括外壳17，外壳17在正对环形底板1的中心开口的位置设有与该中心开口相同尺寸的中心孔18。中心孔18作为机器视觉***摄像机采集图像的入口，摄像机穿过中心孔18伸到本LED光源的下方进行图像采集。

实际使用中，本实施例的LED光源还设有控制LED模组的工作状态的开关按钮，以及用于控制单片机对LED电源的圆形光源阵列的半径进行调节的工作按钮，对本LED光源的具体操作步骤如下：

步骤1，将本LED光源固定在机器视觉检测***的图像采集端，并且使得图像采集端的摄像机的轴心与光源中心开孔对心。

步骤2，根据需要检测特征的范围，将本LED光源调整到适应的高度。

步骤3，按下开关按钮，LED模组工作；按下工作按钮，高度测量传感器21检测照射面高度，并通过单片机控制，自动调节LED模组组成的圆形光源阵列的半径，光源正式工作，摄像机开始采集图像。

步骤4，当光源照射高度发生变化时，调节光源高度之后，再按下工作按钮，重新调节LED模组组成的圆形光源阵列的半径。

步骤5，当***工作完毕，按下复位按钮，使得LED模组的位置复原初始位置，再按下开关按钮，关闭光源。

步骤3和步骤4中单片机调节LED模组组成的圆形光源阵列的半径，是根据下式进行的：

上式中，r表示多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径的调节值，h表示高度测量传感器21所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数，r⁰表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

实施例二

一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，包括：

S1、实时采用高度测量传感器21采集LED光源距离照射面的距离值；

S2、根据高度测量传感器21所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径；

S3、获取当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径后，计算获得LED模组的移动位移；

S4、根据计算获得的移动位移控制多个传动部件的动作从而带动LED模组进行移动。

本实施例中，步骤S2具体为：

结合下式，根据高度测量传感器21所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径：

上式中，h表示高度测量传感器21所采集的距离值，r¹表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数。

本实施例中，步骤S3具体为：

获取LED模组组成的圆形光源阵列的初始照明半径后，根据下式计算获得LED模组的移动位移r：

r＝r₁-r₀

上式中，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，r₀表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

详细的，结合图3中传动部件的具体实施方式，设丝杆9螺距为p，电机 11每M个脉冲旋转一圈，要求速度为N圈/秒，则脉冲频率为MHz，脉冲周期为则在步骤S3中计算获得移动位移r后，单片机驱动电机11需要的脉冲数为

以下描述本实施例对LED光源进行半径调节的原理：

实施例一的LED光源是属于直接照明光源。直接照明主要是针对工件的凹凸特征的照明，为了突显出需要检测的特征，例如高台，盲孔等等。目前市面上的直接照明的环形光源往往是固定形式。这种固定形式光源在不同高度照明时，往往会使得照射面的中心照度偏高或偏低，很难实现均匀照明。而本实施例的LED光源，可以控制LED模组组成的圆形光源阵列的半径，实现不同高度照明时，也能得到照度较均匀的视觉效果。其原理就是满足照射面的照度曲线在照射面的中心的一次导数和二次导数分别为零。如图5所示，以照射面的中心为坐标原点，建立笛卡尔坐标系(x,y,z)。则照射面的照度公式E(x,y)为式子(1)所示。

其中，I₀为LED法向光强度，m表示与LED模组的发光特性相关的系数，θ表示任一LED模组的中心与原点的连线与其法线的夹角，d表示任一LED模组的中心与原点的距离，(x_i,y_i,h)为LED模组的中心坐标值，其中h表示光源照明高度。由于LED模组组成了圆形光源阵列，而且阵列数目为偶数。设LED模组的数目为N，则第n组LED模组的中心坐标值可为其中l为LED模组组成的圆形光源阵列的半径。则式子(1)可化为式子(2)，如下。

若要得到均匀的照明效果，照上面所述要求，应满足式子(3)、(4)。由于N为偶数，所以式子(3)恒满足。所以由式子(4)可以得到，要得到均匀的照明 效果，照明高度h与LED模组的圆形半径l应满足函数公式(5)。

式子(5)即照明高度h与LED模组的圆形半径l的函数关系。通过改变光源的高度来改变入射光线方向的同时，并且以相匹配的LED模组的圆形半径l来达到均匀照射的照明效果。说明书附图6为本发明机器视觉***LED光源照明高度为140mm，照射面的照度分布图。图7为图6中直线x＝0处的照度曲线，由图中可看出，在100mm～-100mm范围为的均匀度为86％(最小照度除以最大照度)。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种用于机器视觉***的LED光源，其特征在于，包括环形底板(1)、单片机以及用于采集LED光源与照射面的距离值的高度测量传感器(21)，所述环形底板(1)上均匀地设有多个沿径向的传动轨道(16)，所述传动轨道(16)上设有LED模组以及用于带动LED模组沿传动轨道(16)移动的传动部件，所述高度测量传感器(21)安装在环形底板(1)的一侧，所述单片机用于根据高度测量传感器(21)所采集的距离值控制多个传动部件的动作进而调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径；

所述LED模组包括LED基板(6)、LED矩形阵列(8)和漫射罩(14)，所述LED矩形阵列(8)和漫射罩(14)依次安装在LED基板(6)上，所述LED基板(6)倒置安装在传动部件上；

所述环形底板(1)在每个传动轨道(16)的靠近环形底板(1)的中心的末端设有固定支撑座(2)，所述传动部件与固定支撑座(2)连接，所述传动部件包括电机(11)、电机支撑座(13)、联轴器(10)、丝杆(9)、滑块轨道(3)以及可在滑块轨道(3)上滑动的滑块(4)，所述电机支撑座(13)和滑块轨道(3)均安装在环形底板(1)上，所述电机(11)安装在电机支撑座(13)上，所述丝杆(9)的一端通过联轴器(10)与电机(11)连接，所述丝杆(9)的另一端与固定支撑座(2)连接，所述滑块(4)套设在丝杆(9)上，所述LED模组与滑块(4)连接，多个传动部件的电机(11)之间并联地与单片机连接且运动一致。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器视觉***的LED光源，其特征在于，所述滑块(4)的两侧均设有用于带动滑块(4)在滑块轨道(3)上滑动的滑轮(5)。

3.根据权利要求1所述的一种用于机器视觉***的LED光源，其特征在于，所述环形底板(1)在每个丝杆(9)的两端的下方均安装有用于对滑块(4)进行限位的行程开关(20)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种用于机器视觉***的LED光源，其特征在于，还包括外壳(17)，所述外壳(17)在正对环形底板(1)的中心开口的位置设有与该中心开口相同尺寸的中心孔(18)。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种用于机器视觉***的LED光源，其特征在于，所述单片机根据下式调节多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径：

$r=\sqrt{\frac{2}{m+3}}h-r_0$

上式中，r表示多个LED模组组成的圆形光源阵列的半径的调节值，h表示高度测量传感器(21)所采集的距离值，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数，r₀表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。

6.一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，其特征在于，包括：

S1、实时采用高度测量传感器(21)采集LED光源距离照射面的距离值；

S2、根据高度测量传感器(21)所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径；

S3、获取当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径后，计算获得LED模组的移动位移；

S4、根据计算获得的移动位移控制多个传动部件的动作从而带动LED模组进行移动；

所述步骤S2，其具体为：

结合下式，根据高度测量传感器(21)所采集的距离值计算LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径：

$r_1=\sqrt{\frac{2}{m+3}}h$

上式中，h表示高度测量传感器(21)所采集的距离值，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，m表示与LED模组的发光特性相关的系数。

7.根据权利要求6所述的一种用于机器视觉***的LED光源的控制方法，其特征在于，所述步骤S3，其具体为：

获取LED模组组成的圆形光源阵列的初始照明半径后，根据下式计算获得LED模组的移动位移r：

r＝r₁-r₀

上式中，r₁表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的最佳照明半径，r₀表示当前时刻LED模组组成的圆形光源阵列的照明半径。