基于显微视觉的微球参数检测与转移控制的研究

发布时间：2020-08-20 06:28

【摘要】：在可控核聚变领域中,用于装载聚变燃料的空心微球的直径通常在两百至两千微米之间,其直径和表面质量对聚变实验有至关重要的影响,需要严格控制。目前在大批量微球的粗选工作中主要还是依靠人工检测的方式从中挑选出符合条件的微球,其检测效率低,检测精度难以保证。本文提出了一种基于显微视觉的微球参数检测与转移控制方法,可以实现微球的自动化参数检测及无损转移,提高微球粗选工作的精度和效率。针对微球直径的检测,利用显微视觉技术实现微球边界识别。在对相机中的源图像进行灰度转化和高斯滤波处理后,利用带限幅的自适应直方图均衡化进行图像增强处理,提高微球图像与背景图像的对比度。通过梯度Hough变换对增强后的图像进行圆粗检测,根据粗检测结果中的微球直径和位置信息,设置中心种子区域进行区域填充和轮廓提取,消除微球内部边界。再设置厚度自适应变化的兴趣区域提取微球外壁边界,对边界点进行最小二乘椭圆拟合,得到微球的精确直径和位置信息,实现微球的自动化边界识别。针对微球表面质量的检测,根据微球表面的缺陷程度,分别采用基于特征提取的线性分类方法和基于神经网络的非线性分类方法将微球划分成光滑、粗糙和畸形三种类型。基于特征提取的线性分类方法统计微球内部图像的灰度信息,得到灰度分布函数和累积分布函数。对规范化处理后的累积分布函数进行分段线性拟合,从拟合函数中提取出均匀性和透光性两个特征参数用于定量描述微球表面质量,根据参数设计线性分类器实现微球的缺陷划分。基于神经网络的非线性分类方法则是构建一个三层BP神经网络模型,以微球内部图像的灰度分布和图像背景作为输入信号,利用训练集和验证集优化该模型,将优化后的模型作为非线性分类器实现微球的缺陷划分。针对微球的无损转移,采用真空吸附的夹持方式实现。采用基于位置的视觉伺服控制方法建立机械手拾取操作运动方程,根据放置盘结构设计机械手释放操作的运动方程,运动方程中的系统参数由参数标定程序计算得到。在微球操作平台上设计微球操作系统的单个挑选和循环挑选两种工作模式,实现微球的自动化参数检测及转移功能。为了验证微球参数检测与转移控制方法的性能,设计相关实验进行验证。在微球边界识别实验中,微球直径的平均测量误差为7.81μm,平均重复性测量误差为2.81μm,识别速度达每分钟约53个。在微球缺陷检测及分类实验中,两种分类方法的分类准确程度均在85%以上,但是基于特征提取的线性分类方法的分类准确程度更高,更适合运用于靶球的粗选工作中。在微球无损拾球和释放控制实验中,该视觉伺服系统中的左机械手的平均位置误差为12.72μm,右机械手的平均位置误差为11.61μm。微球转移过程中无损坏现象,转移成功率为83.87%,单只机械手转移速度为40s/个,双手协调转移的速度为30s/个。实验结果验证了基于显微视觉的微球参数检测与转移控制方法的准确性和高效性,显示了微球操作平台自动化检测挑选的方式相对于人工挑选的优势。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41;TL632
【图文】：

微球,靶球,人工操作,实现方法

第 1 章绪论题研究的背景和意义聚变能作为一种新兴能源，运用前景非常广阔。如果可控核聚变能够核聚变发电厂将能够实现几乎无限量的能源供应，以满足二十一世能源的需求。核聚变发电厂在发电过程中几乎不会产生化学污染和，并且从本质上来说也是安全的，因此研究激光诱导惯性约束聚变的应用价值。在 ICF 的核聚变反应中，需要迅速压缩含有氘—氚(2)的燃料的亚毫米级别的空心微球，使其内部的温度和密度比在太阳和密度还要高[1]。根据激光驱动内爆理论的计算可知，作为聚变燃料球，其表面缺陷会在内爆期间被急剧放大，导致打靶失败[2]。心玻璃微球(HGM)，由于具有优秀的球形度，高强度、表面光洁度的 DT 燃料气渗透性等优势，已被广泛用作聚变燃料容器[4]。但是新制备的微球数量多，其直径、表面质量等参数差异较大，需要能够大量的微球中筛选出直径及表面质量满足要求的微球用于后续的实

干涉仪,双通,格林,双臂

John R.Miller 和 Jon E.Sollid 设计了一种楔形干涉仪用于测量玻璃微球的低温燃料层的均匀性[10]，如图 1-2 所示。将一块具有适当倾角的楔形块置于光学采集系统中，光线从背面照射靶球，穿过楔形块后照射在图像采集系统平面上。经过两次不同反射的光线会在平面上产生干涉条纹，然后使用光线跟踪的算法来处理干涉条纹，定量分析靶球低温燃料层的均匀性。该楔式干涉仪是一种简单、有效的测量低温激光聚变靶均匀性的装置，而且对振动、气流和温度波动等干扰非常不敏感。Wedge interferometerObjectImagesDirect imageReference filed of delayed image图 1-2 楔型干涉仪B.W.Weinstein 等人采用一台双通双臂特怀曼-格林干涉仪[11]，如图 1-3 所示。

测量系统,轮廓测量仪,电镜样品

分辨率可达 10nm，可为 ICF 研究提供高图 1-4 改建的电镜样品台微镜（AFM）检测靶球几何参数·利弗莫尔实验室(LLNL)在 20 世纪 80 年代研制同心度的 TOPOⅡ装置[13]。之后 LLNL 与通用原密轴系和 AFM 系统的第一代微球轮廓测量仪，实量[14]。此后，他们通过对该轮廓测量系统的功能进 Spheremapper 和壁厚测量仪 Wallmapper 两部分功如图 1-5 所示[15]。

【参考文献】