CN103676976A - 三维工作台重复定位误差的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维工作台重复定位误差的校正方法，包括：在z轴方向安装图像采集系统，保持三维工作台在z轴方向位置不动，并且，保持图像采集系统的安装位置和拍摄角度均不变；在控制主机控制下，三维工作台在XY平面水平移动至P1点；图像采集系统采集P1点的图像P1；当需要进行重复定位操作时，控制主机再次发送在XY平面移动至P1点的命令；图像采集系统采集再次定位后实际到达点的图像P2；采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)，根据图像大小转换成位置偏移(Δx，Δy)；根据位置偏移得到位置补偿指令，进而进行位置补偿，完成重复定位误差的校正。具有成本低、重复定位误差校正精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于重复定位误差校正技术领域，具体涉及一种三维工作台重复定位误差的校正方法。
背景技术
目前，三维工作台位置控制系统主要为：控制主机通过驱动部件与执行机构连接，而执行机构直接与被控制的三维工作台联动；同时，在三维工作台上直接安装位置检测器件作为实际位置的检测与反馈器件；其工作过程为：控制主机发出三维工作台定位到理论位置坐标的指令，从而通过驱动部件带动执行机构运动，进而带动三维工作台移动；然后，通过位置检测器件检测三维工作台当前实际位置值，并反馈给控制主机；由于系统误差的存在，通常实际位置值与理论位置值存在一定的偏差，控制主机根据偏差的大小再进行位置补偿。其中，驱动部件可采用驱动电机；执行机构采用丝杆。
重复定位是指：将三维工作台从不同的初始位置、采用不同的形式、以不同的速度多次重复运动到同一个位置点的定位操作。重复定位精度是指：在相同条件下，用同样的方法，重复定位到同一个位置点，控制对象位置的一致性。
对于上述的三维工作台位置控制系统，提高重复定位精度的一般方法是：采用光栅编码器作为位置检测器件，用于对当前三维工作台位置的检测与反馈；然后再通过控制主机发出的控制信号对位置进行修正，从而提高重复定位精度。
该种方法能够校正由于驱动电机失步等因素造成的误差，但是，采用光栅编码器作为位置检测器件，一方面，光栅编码器成本较高；另一方面，随着使用时间的延长，光栅编码器检测位置偏移量也会存在精度下降的问题，从而降低了整个三维工作台位置控制系统的重复定位精度。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种三维工作台重复定位误差的校正方法，具有成本低、重复定位误差校正精度高的优点。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种三维工作台重复定位误差的校正方法，包括以下步骤：
S1，建立三维直角坐标系XYZ，该三维直角坐标系的原点为三维工作台的表面中心，X轴和Y轴所在XY平面为所述三维工作台的表面，z轴与所述三维工作台表面垂直；
S2，在z轴方向安装图像采集系统，并改变图像采集系统到所述三维工作台的距离，使所述图像采集系统所采集到的XY平面图像的清晰度满足要求，然后，保持所述三维工作台在z轴方向位置不动，并且，保持图像采集系统的安装位置和拍摄角度均不变；
S3，控制主机向运动控制系统发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P1点；所述图像采集系统采集P1点的图像P1，并将采集到的图像P1发送到所述控制主机；
S4，当需要进行重复定位操作时，控制主机向运动控制系统再次发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P2点；所述图像采集系统采集P2点的图像P2，并将采集到的图像P2发送到所述控制主机；
S5，所述控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)，根据图像大小转换成位置偏移(Δx，Δy)；根据位置偏移得到位置补偿指令，进而进行位置补偿，完成重复定位误差的校正。
优选的，S5中，所述控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)具体为：
S51，对图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合F；
采用同样的方法，对图像P2进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合E；
S52，对所述特征向量集合F中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Fa；
对所述特征向量集合E中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Ea；
S53，采用欧式距离法对集合Fa和集合Ea中的各个特征向量进行特征向量匹配，获得m对匹配的特征向量Fai和特征向量Eai；其中，特征向量Fai属于集合Fa中的元素，特征向量Eai属于集合Ea中的元素；m≥1；
S54，计算每一对特征向量Fai和特征向量Eai的位置偏移坐标(Δai，Δbi)，由此得到m个位置偏移坐标；
S55，求m个位置偏移坐标的位置偏移平均坐标，该位置偏移平均坐标即为图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)。
优选的，S51中，对图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点具体包括以下步骤：
S511，建立图像P1的多个不同尺度的高斯尺度空间；
S512，对于每一个尺度，均使用对应的高斯尺度空间函数检测所述图像P1在该尺度空间的局部极值点；
S513，将在各个尺度下均存在的局部极值点作为所述尺度空间特征点，然后获取该尺度空间特征点的方向，该尺度空间特征点的方向用于获取该尺度空间特征点所对应的特征向量。
优选的，S512中，所述局部极值点为：若图像P1中某个采样点的值高于该采样点所在局部区域的所有采样点的值，则将该采样点作为图像P1的局部极值点。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的三维工作台重复定位误差的校正方法，不需要使用专业的光栅编码器等位置检测器件，而是简单的使用图像采集系统作为位置反馈器件，一方面，降低了误差校正成本；另一方面，基于图像分析获得位置反馈的方法，能够克服随着使用时间的延长，检测位置偏移量精度下降的问题，提高了重复定位误差的校正精度；此外，使用本发明提供的图像分析方法，能够获得精确的位置反馈值，进一步提高了位置反馈精度。
附图说明
图1为本发明提供的三维工作台重复定位误差的校正方法流程示意图；
图2为本发明提供的三维工作台重复定位误差校正所使用的系统结构图；
图3为本发明提供的采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明提供一种三维工作台重复定位误差的校正方法，包括以下步骤：
S1，建立三维直角坐标系XYZ，该三维直角坐标系的原点为三维工作台的表面中心，X轴和Y轴所在XY平面为所述三维工作台的表面，z轴与所述三维工作台表面垂直；
S2，在z轴方向安装图像采集系统，并改变图像采集系统到所述三维工作台的距离，使所述图像采集系统所采集到的XY平面图像的清晰度满足要求，然后，保持所述三维工作台在z轴方向位置不动，并且，保持图像采集系统的安装位置和拍摄角度均不变；
S3，控制主机向运动控制系统发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P1点；所述图像采集系统采集P1点的图像P1，并将采集到的图像P1发送到所述控制主机；
S4，当需要进行重复定位操作时，控制主机向运动控制系统再次发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P2点；所述图像采集系统采集P2点的图像P2，并将采集到的图像P2发送到所述控制主机；
S5，由于重复定位误差的存在，因此，图像P1和图像P2并不完全重合，因此，控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)，根据图像大小转换成位置偏移(Δx，Δy)；根据位置偏移得到位置补偿指令，进而进行位置补偿，完成重复定位误差的校正。
在上述过程中，如图2所示，图像采集系统可以包括CCD相机、摄像头和光源，具体用于拍摄图像。运动控制系统主要用于控制三维工作台在水平和垂直方向的移动，具体可以由运动控制卡、电机驱动器、X轴步进电机、Y轴步进电机和z轴步进电机组成。
需要说明的是，本发明对图像P1和图像P2进行图像匹配而获得位置偏移的具体方法并不限制，下面仅列举一种优选的基于尺度空间的快速图像匹配方法：
本步骤中，如图3所示，控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)具体为：
S51，对图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合F；
采用同样的方法，对图像P2进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合E；
具体的，图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点具体包括以下步骤：
S511，建立图像P1的多个不同尺度的高斯尺度空间；
S512，对于每一个尺度，均使用对应的高斯尺度空间函数检测所述图像P1在该尺度空间的局部极值点；局部极值点为：若图像P1中某个采样点的值高于该采样点所在局部区域的所有采样点的值，则将该采样点作为图像P1的局部极值点。
S513，将在各个尺度下均存在的局部极值点作为所述尺度空间特征点，然后获取该尺度空间特征点的方向，该尺度空间特征点的方向用于获取该尺度空间特征点所对应的特征向量。
S52，对所述特征向量集合F中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Fa；
对所述特征向量集合E中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Ea；
PCA(Principal Components Analysis)为主成分分析方法，属于图像处理中经常使用的降维方法。
S53，采用欧式距离法对集合Fa和集合Ea中的各个特征向量进行特征向量匹配，获得m对匹配的特征向量Fai和特征向量Eai；其中，特征向量Fai属于集合Fa中的元素，特征向量Eai属于集合Ea中的元素；m≥1；
S54，计算每一对特征向量Fai和特征向量Eai的位置偏移坐标(Δai，Δbi)，由此得到m个位置偏移坐标；
S55，求m个位置偏移坐标的位置偏移平均坐标，该位置偏移平均坐标即为图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)。
在得到像素位置偏移(Δa，Δb)后，由于位置偏移(Δx，Δy)与像素位置偏移(Δa，Δb)成线性关系，具体与图像采集系统中相机的焦距、相机到三维工作台的垂直距离相关，因此，可非常简单换算得到位置偏移(Δx，Δy)。
由于本发明采用尺度空间检测特征点，所以即使z轴在移动过程中有松动，导致采集的图像P2没有完全聚焦，也可以和图像P1完成正确匹配，得到准确的位置偏移量，所以，提高了该方法的适应性。
通过上述高精度图像配准方法，结合机器视觉和运控控制，校正三维工作台的重复定位误差，实现了重复定位误差的自动校正，并且每次重复定位时雿会进行校正，故可以克服传统三维工作台校正方法随着时间变化出现定位精度下降的问题。
本发明提供的三维工作台重复定位误差的校正方法，克服了传统数控工作台重复定位误差自动校正存在的技术困难，在三维工作台的基础上增加了固定的图像采集系统，利用图像匹配方法准确得到定位误差，并反馈给控制系统完成误差校正，具有以下优点：
(1)不需要使用专业的光栅编码器等位置检测器件，而是简单的使用图像采集系统作为位置反馈器件，一方面，降低了误差校正成本；另一方面，基于图像分析获得位置反馈的方法，能够克服随着使用时间的延长，检测位置偏移量精度下降的问题，提高了重复定位误差的校正精度；
(2)使用本发明提供的图像分析方法，能够获得精确的位置反馈值，配准准确度在亚像素级，进一步提高了位置反馈精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种三维工作台重复定位误差的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立三维直角坐标系XYZ，该三维直角坐标系的原点为三维工作台的表面中心，X轴和Y轴所在XY平面为所述三维工作台的表面，z轴与所述三维工作台表面垂直；
S2，在z轴方向安装图像采集系统，并改变图像采集系统到所述三维工作台的距离，使所述图像采集系统所采集到的XY平面图像的清晰度满足要求，然后，保持所述三维工作台在z轴方向位置不动，并且，保持图像采集系统的安装位置和拍摄角度均不变；
S3，控制主机向运动控制系统发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P1点；所述图像采集系统采集P1点的图像P1，并将采集到的图像P1发送到所述控制主机；
S4，当需要进行重复定位操作时，控制主机向运动控制系统再次发送移动至目标位置点(x，y)的控制指令，在所述运动控制系统带动下，所述三维工作台在XY平面水平移动至P2点；所述图像采集系统采集P2点的图像P2，并将采集到的图像P2发送到所述控制主机；
S5，所述控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)，根据图像大小转换成位置偏移(Δx，Δy)；根据位置偏移得到位置补偿指令，进而进行位置补偿，完成重复定位误差的校正。
2.根据权利要求1所述的三维工作台重复定位误差的校正方法，其特征在于，S5中，所述控制主机采用快速图像匹配方法计算图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)具体为：
S51，对图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合F；
采用同样的方法，对图像P2进行分析，提取若干个尺度空间特征点；然后，采用局部二进制模式描述各个所述尺度空间特征点，生成由若干个特征向量组成的特征向量集合E；
S52，对所述特征向量集合F中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Fa；
对所述特征向量集合E中的各个特征向量进行PCA降维，得到由若干个降维后的特征向量组成的集合Ea；
S53，采用欧式距离法对集合Fa和集合Ea中的各个特征向量进行特征向量匹配，获得m对匹配的特征向量Fai和特征向量Eai；其中，特征向量Fai属于集合Fa中的元素，特征向量Eai属于集合Ea中的元素；m≥1；
S54，计算每一对特征向量Fai和特征向量Eai的位置偏移坐标(Δai，Δbi)，由此得到m个位置偏移坐标；
S55，求m个位置偏移坐标的位置偏移平均坐标，该位置偏移平均坐标即为图像P1和图像P2的像素位置偏移(Δa，Δb)。
3.根据权利要求2所述的三维工作台重复定位误差的校正方法，其特征在于，S51中，对图像P1进行分析，提取若干个尺度空间特征点具体包括以下步骤：
S511，建立图像P1的多个不同尺度的高斯尺度空间；
S512，对于每一个尺度，均使用对应的高斯尺度空间函数检测所述图像P1在该尺度空间的局部极值点；
S513，将在各个尺度下均存在的局部极值点作为所述尺度空间特征点，然后获取该尺度空间特征点的方向，该尺度空间特征点的方向用于获取该尺度空间特征点所对应的特征向量。
4.根据权利要求3所述的三维工作台重复定位误差的校正方法，其特征在于，S512中，所述局部极值点为：若图像P1中某个采样点的值高于该采样点所在局部区域的所有采样点的值，则将该采样点作为图像P1的局部极值点。
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