CN104865893B - 运动平台控制系统和运动平台误差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动平台控制系统和运动平台误差计算方法，上述运动平台控制系统利用机器视觉系统对大尺寸加工平台进行误差校正，校正过程简单，校正精度高，并且校正的结果稳定性高，重复性强。上述运动平台误差计算方法对样本的采样条件要求简单，误差计算过程中收敛速度快，并且可以通过多次迭代，提高误差的计算精度。

Description

运动平台控制系统和运动平台误差计算方法

技术领域

本发明涉及工业运动控制技术领域，具体涉及一种运动平台控制系统和运动平台误差计算方法。

背景技术

在精密加工领域，人们通常使用高精度加工平台对物料进行加工，其二维运动平台的定位精度对高精度加工平台的整体精度有很大影响。二维运动平台的误差来自于运动平台的机械误差，例如导轨的安装精度，伺服电机的运动精度等，这些误差属于固定值，可以对其进行误差校正,进而提高二维运动平台的定位精度。传统的校正方法通常采用激光干涉仪或者标准量块对运动平台进行校正，采用激光干涉仪校正方法，其操作步骤繁琐，操作时间长，数据处理量大，并且激光干涉仪容易受到外部环境的影响；采用标准量块校正方法，受标准量块的尺寸及被测平台的形状影响，其使用范围受到一定限制。

针对上述缺陷，人们开发了利用机器视觉系统来对运动平台进行误差校正的装置。机器视觉系统就是利用机器代替人眼来对被测物体进行测量和判断，机器视觉系统通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种类型）将被摄取目标转换成图像信号，并将上述图像信号传送给专用的图像处理系统，根据图像信号中像素分布、亮度和颜色等信息，将图像信号转变成数字信号，图像系统对这些数字信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而对被测物体进行测量和判断，并根据判别的结果来控制现场的设备动作。一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、相机（包括CCD相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。但是由于机器视觉系统中图像摄取装置的取景范围小，现有的机器视觉误差校正装置对被测物体的尺寸有要求，只能适用于小尺寸运动平台的误差校正，对大尺寸运动平台无法进行误差校正。

鉴于此，有必要提供一种新的运动平台控制系统和运动平台误差计算方法以解决上述不足。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种运动平台控制系统和运动平台误差计算方法，使采用该运动平台控制系统的大尺寸加工平台具有良好的误差校正精度。

为实现该目的，本发明提供一种运动平台控制系统，包括：二维运动平台和运动控制模块；

上述二维运动平台与上述运动控制模块连接，上述运动控制模块测量上述二维运动平台的位移误差，并控制上述二维运动平台的位移。

进一步的，上述运动控制模块包括误差标定模块和误差计算模块；

上述误差标定模块与上述误差计算模块连接，上述误差计算模块与上述二维运动平台连接。

进一步的，上述误差标定模块包括载物台和标定板，上述误差计算模块包括机器视觉模块和数据处理模块；

上述载物台设置在上述二维运动平台下方；

上述标定板放置在上述载物台上；

上述机器视觉模块设置在上述二维运动平台上，与上述二维运动平台同步运动；

上述数据处理模块与上述机器视觉模块连接。

进一步的，上述二维运动平台包括X向导轨、与上述X向导轨垂直放置的Y向导轨、X向伺服电机、Y向伺服电机、运动头；

上述运动头与上述X向导轨和上述Y向导轨连接，上述X向伺服电机与上述X向导轨连接，上述Y向伺服电机与上述Y向导轨连接。

进一步的，上述二维运动平台上设置有与上述运动头同步运动的机器视觉模块。

进一步的，上述标定板为具有固定间距图案阵列的平板，上述固定间距图案设置有定位标记点、仿射变换参考标记点和平台数据采集标记点。

本发明还提供一种运动平台误差计算方法，包括以下步骤：

生成标定板的标准图像；

获取上述标定板的序列图像；

将上述序列图像进行拟合，获取上述标定板在运动平台全部运动范围内的完整图像；

将上述完整图像与上述标准图像进行对比，获取上述运动平台在上述标定板上的定位标记点处的误差值。

进一步的，上述获取上述标定板的序列图像的步骤具体为：

将上述标定板固定在载物台的左半部，获取上述标定板的第一幅图像；

将上述标定板固定在上述载物台的右半部，获取上述标定板的第二幅图像。

进一步的，上述第一幅图像和上述第二幅图像部分重合。

进一步的，上述获取上述标定板的序列图像的步骤具体为：

将上述标定板固定在载物台的上半部，获取上述标定板的第三幅图像；

将上述标定板固定在上述载物台的下半部，获取上述标定板的第四幅图像。

进一步的，上述第三幅图像和上述第四幅图像部分重合。

进一步的，上述获取上述标定板的序列图像的步骤具体为：

将上述标定板固定在载物台的左上部，获取上述标定板的第五幅图像；

将上述标定板固定在上述载物台的左下部，获取上述标定板的第六幅图像；

将上述标定板固定在上述载物台的右下部，获取上述标定板的第七幅图像；

将上述标定板固定在上述载物台的右上部，获取上述标定板的第八幅图像。

进一步的，上述第五幅图像、上述第六幅图像、上述第七幅图像和上述第八幅图像彼此部分重合。

进一步的，上述生成标定板的标准图像的步骤具体为：

按标定板的标定参数和载物台的尺寸范围，生成尺寸与上述运动平台运动范围相同的上述标定板的标准图像。

上述运动平台控制系统利用机器视觉系统对大尺寸加工平台进行误差校正，校正过程简单，校正精度高，并且校正的结果稳定性高，重复性强。上述运动平台误差计算方法对样本的采样条件要求简单，误差计算过程中收敛速度快，并且可以通过多次迭代，提高误差的计算精度。

附图说明

图1为本发明提供的运动平台控制系统的结构框图。

图2为为本发明提供的运动平台误差计算方法的流程图。

图3为Bezier曲面拼接示意图。

图4为两张三次Bezier曲面的拼接示意图。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合和相互结合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，为本发明提供的运动平台控制系统的结构框图。

在本实施例中，运动平台控制系统包括二维运动平台100和运动控制模块200；二维运动平台100与运动控制模块200连接，运动控制模块200测量二维运动平台100的位移误差，并控制二维运动平台100的位移。

二维运动平台100固定在加工平台的本体上，并可以在加工平台的本体上作二维平面运动。二维运动平台100接收运动控制模块200发出的运动指令信息，并按上述运动指令信息进行移动。

在本实施例中，运动控制模块200包括误差标定模块201和误差计算模块202；误差标定模块201与误差计算模块202连接，误差计算模块202与二维运动平台100连接。

误差标定模块201用于标定二维运动平台100的位移误差，应当说明的是，在本实施例中，误差标定模块201标定的二维运动平台100的位移误差是以图像形式反映的。误差计算模块202用于将上述误差标定模块201标定的以图像形式反映的二维运动平台100的位移误差转换为数字信息，并将上述数字信息处理为二维运动平台100在各标记点处的位移误差值。在本实施例中，误差计算模块202还可以根据计算得到的位移误差值，对二维运动平台100在对应标记点处的坐标值进行校正，即对二维运动平台的位移进行误差校正。

在本实施例中，误差标定模块201包括载物台2012和标定板2011，误差计算模块202包括机器视觉模块2021和数据处理模块2022；载物台2012设置在二维运动平台100下方；标定板2011放置在载物台2012上；机器视觉模块2021设置在二维运动平台100上，与二维运动平台100同步运动；数据处理模块2022与机器视觉模块2021连接。

机器视觉系统就是利用机器代替人眼来对被测物体进行测量和判断。机器视觉系统通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种类型）将被摄取目标转换成图像信号，并将上述图像信号传送给专用的图像处理系统，根据图像信号中像素分布、亮度和颜色等信息，将图像信号转变成数字信号，图像系统对这些数字信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而对被测物体进行测量和判断，并根据判别的结果来控制现场的设备动作。一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、相机（包括CCD相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。

在本实施例中，二维运动平台100包括X向导轨、与上述X向导轨垂直放置的Y向导轨、X向伺服电机、Y向伺服电机、运动头；上述运动头与上述X向导轨和上述Y向导轨连接，上述X向伺服电机与上述X向导轨连接，上述Y向伺服电机与上述Y向导轨连接。X向导轨和Y向导轨为运动头的二维平面运动提供位移轨道，X向伺服电机和Y向伺服电机分别为运动头在X向导轨和Y向导轨上的位移提供动力。

应当说明的是，X向伺服电机和Y向伺服电机分别与运动控制模块200连接，接收运动控制模块200发出的运动指令信息，并按上述运动指令信息控制运动头的位移，在本实施例中，二维运动平台100的运动反映为运动头的二维运动。运动头上设置有外设接口，可以安装激光头、刀具、喷砂头等加工设备，本发明对运动头上可安装的加工设备的类型不作限制。

在本实施例中，载物台是固定在加工平台本体上的，其相对于加工平台的坐标是固定不变的，载物台2012上还设置有固定装置，上述固定装置可以将标定板2011固定在载物台2012上，使标定板2011在误差校正过程中不会发生移动。机器视觉模块2021设置在二维运动平台100上，机器视觉模块2021可以与二维运动平台100同步运动，即机器视觉模块2021与运动头同步运动，机器视觉模块2021与运动头之间的相对位置是固定不变的。载物台2012设置在二维运动平台100下方，二维运动平台100可以在载物台2012的上部空间中作二维平面运动。应当说明的是，载物台2012的尺寸范围大于等于二维运动平台100的运动范围，以保证机器视觉模块2021在随二维运动平台100同步运动时，在二维运动平台100的整个运动范围内都可以获取标定板2011的图像。

在本实施例中，标定板2011为具有固定间距图案阵列的平板，上述固定间距图案上设置有定位标记点、仿射变换参考标记点和平台数据采集标记点。标定板2011可以采用市场上现有的标准标定板，也可以根据加工平台的实际情况进行制作，本发明对此不作限制。

应当说明的是，在其它实施例中，也可以将二维运动平台100和载物台2012的运动状态调换，即设置二维运动平台100固定在加工平台的本体上不作运动，载物台2012作二维平面内运动，此时X向导轨、Y向导轨分别与载物台2012连接，X向伺服电机和Y向伺服电机分别与运动控制模块200连接，接收运动控制模块200发出的运动指令信息，并按上述运动指令信息控制载物台2012的位移。

如图2所示，为本发明提供的运动平台误差计算方法的流程图，包括以下步骤：

S201：生成标定板的标准图像。

由于标定板2011为具有固定间距图案阵列的平板，所以可以利用实际取用的标定板2011上的图案排列规则，由运动控制模块200合成无限大尺寸的标定板2011的标准图像。

应当说明的是，上述标准图像并不是机器视觉模块2021实际拍摄的标定板2011的图像，而是利用标定板2011上的图案排列规则合成的理论图像，上述标准图像上的图案排列规则与实际取用的标定板2011上的图案排列规则完全相同，并且上述标准图像上的定位标记点、仿射变换参考标记点和平台数据采集标记点也与实际取用的标定板2011上的完全相同。

S202：获取标定板的序列图像。

将标定板2011固定在载物台2012上，二维运动平台100按设定的运动轨迹运动，带动运动头按规定的运动轨迹运动，设置在二维运动平台100上的机器视觉模块2021获取标定板2011的序列图像。

应当说明的是，在获取标定板2011的序列图像的整个过程中，机器视觉模块2021获取的标定板2011的图像与二维运动平台100的理论坐标值是对应的。即二维运动平台100接收一个位移指令，并按上述位移指令移动到理论位置，此时二维运动平台100上的运动头获得一个理论坐标值，机器视觉模块2021获取此时标定板2011的一幅图像，在上述图像与上述理论坐标值之间建立映射关系；二维运动平台100接收另一个位移指令，并按上述位移指令移动到另一个理论位置，此时二维运动平台100上的运动头获得另一个理论坐标值，机器视觉模块2021获取此时标定板2011的另一幅图像，在上述另一幅图像与上述另一个理论坐标值之间建立映射关系；以此类推，在机器视觉模块2021获取的所有标定板2011的图像与运动头的理论坐标值之间建立映射关系。

应当说明的是，在本实施例中，以二维运动平台100的最大运动范围来设定二维运动平台100的运动轨迹，以保证机器视觉模块2021在随二维运动平台100运动时，在二维运动平台100的最大运动范围内都可以获取标定板2011的图像，误差计算模块202可以对二维运动平台100的全部运动范围进行误差校正。

S203：将上述序列图像进行拟合，获取标定板在运动平台全部运动范围内的完整图像。

图像的拟合可以利用Bezier曲面拼接原理来实现。

设两张m×n次Bezier曲面

分别由控制顶点P_ij和Q_ij定义。

如果要求两曲面达到G⁰连续，则它们有公共的边界，即：

P(1，v)＝Q(0，v)

于是有P_ni＝Q_0i，(i＝0，1，…，m)

如果同时要求沿该公共边界达到G¹连续，则两曲面在该边界上有公共的切平面。因此曲面的法向矢量应当是跨界连续的，而曲面的偏导切向矢量不必跨界连续，如图3所示，仅需Pv（1，v）、Qv（0，v）共线，Pu（1，v）、Pv（1，v），Qu（0，v）、Qv（0，v）共面即可。

由此：Q_u(0，v)×Q_v(0，v)＝α(v)P_u(1，v)×P_v(1，v)

下面来研究满足这个方程的两种方法。

（1）最简单的取解是：

Q_u(0，v)＝α(v)P_u(1，v)

这相当于要求合成曲面上v为常数的所有曲线，在跨界时有切向的连续性。为了保证等式两边关于v的多项式次数相同，必须取α(v)＝α（一个正常数）。于是有：

即Q_li-Q_0i＝α(P_ni-P_n-lj)(α)0，i=0，1，…，m)

如图4所示为两张三次Bezier曲面的拼接示意图。

（2）P(1,v)=Q(0,v)使得两张曲面在边界达到G¹连续时，只涉及面P(u，v)和Q(u，v)的两列控制顶点，比较容易控制。

用这种方法匹配合成的曲面的边界，u向和v向是光滑连续的。实际上，该式的限制是苛刻的。为了构造合成曲面时有更大的灵活性，Bezier在1972年放弃把P(1，v)＝Q(0，v)作为G¹连续的条件，而以Q_u(0，v)＝α(v)P_u(1，v)+β(v)P_v(1，v)来满足Q_u(0，v)×Q_v(0，v)＝α(v)P_u(1，v)×P_v(l，v)，这仅仅要求Q_u(0,v)位于P_u(1，v)和P_v(1，v)所在的同一个平面内，也就是曲面P(u，)，)边界上相应点处的切平面，这样就有了更大的余地，但跨界切矢在跨越曲面的边界时就不再连续了。

同样，为了保证等式两边关于v的多项式次数相同，α须为任意正常数，β(v)是v的任意线性函数。

为了实现多张曲面拼接，需要更多的自由度和更为宽松的条件才可能实现。为实现这一目标往往需要更高阶的曲面，对低阶曲面可通过升阶方法提高阶次。

经过图像拟合，机器视觉模块2021获取的小尺寸的标定板2011图像将合成为大尺寸的标定板2011图像。在本实施例中，上述合成的标定板2011图像将覆盖整个载物台2012，由于载物台2012的尺寸范围大于等于二维运动平台100的运动范围，所以上述合成的标定板2011图像包括了二维运动平台100全部运动范围内的完整图像。

S204：将上述完整图像与上述标准图像进行对比，获取运动平台在标定板上的定位标记点处的误差值。

机器视觉模块2021将上述图像信号传送给专用的图像处理系统，根据图像信号中像素分布、亮度和颜色等信息，将图像信号转变成数字信号，图像系统对这些数字信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而获取标定板2011上各定位标记点的测量值。将步骤S203中拟合的完整图像与步骤S201中生成的标准图像进行图像对比，获取标定板2011图像上各定位标记点处的误差值。

应当说明的是，由于机器视觉模块2021与运动头之间的相对位置是固定不变的，故可以在运动头与机器视觉模块2021获取的标定板2011的图像上各定位标记点之间建立映射关系，即运动头的坐标值与标定板2011上各定位标记点的坐标值之间存在固定的映射关系，通过上述固定的映射关系，运动头的坐标值可以通过标定板2011上各定位标记点的坐标值来反映。

在本实施例中，运动头按运动控制模块200发出的运动指令信息移动后，运动头将获得在一个二维空间中的理论坐标值，上述理论坐标值将保存在运动控制模块200中，运动控制模块200在运动头理论坐标值和标定板2011标准图像上各定位标记点的坐标值之间建立映射关系，上述运动头理论坐标值通过标定板2011标准图像上各定位标记点的坐标值反映；运动头的实际坐标值可以通过拟合后的标定板2011图像上的各定位标记点的坐标值反映。最终，运动头的理论坐标值和实际坐标值，可以通过标定板2011的标准图像和拟合后的图像来反映，标定板2011图像上各定位标记点处的误差值，可以反映运动头的理论坐标值和实际坐标值之间的误差值。

进一步的，步骤S202：获取标定板的序列图像的步骤具体为：

将标定板2011固定在载物台2012的左半部，获取标定板2011的第一幅图像；

将标定板2011固定在载物台2012的右半部，获取标定板2011的第二幅图像。

应当说明的是，为保证上述第一幅图像和上述第二幅图像能拟合为一张图像，必须使上述第一幅图像和上述第二幅图像部分重合。

进一步的，步骤S202：获取标定板的序列图像的步骤还可以是：

将标定板2011固定在载物台2012的上半部，获取标定板2011的第三幅图像；

将标定板2011固定在载物台2012的下半部，获取标定板2011的第四幅图像。

应当说明的是，为保证上述第三幅图像和上述第四幅图像能拟合为一张图像，必须使上述第三幅图像和上述第四幅图像部分重合。

进一步的，步骤S202：获取标定板的序列图像的步骤还可以是：

将标定板2011固定在载物台2012的左上部，获取标定板2011的第五幅图像；

将标定板2011固定在载物台2012的左下部，获取标定板2011的第六幅图像；

将标定板2011固定在载物台2012的右下部，获取标定板2011的第七幅图像；

将标定板2011固定在载物台2012的右上部，获取标定板2011的第八幅图像。

应当说明的是，为保证上述第五幅图像、上述第六幅图像、上述第七幅图像和上述第八幅能拟合为一张图像，必须使上述第五幅图像、上述第六幅图像、上述第七幅图像和上述第八幅图像彼此部分重合。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种运动平台误差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成标定板的标准图像；

获取所述标定板的序列图像；

将所述序列图像进行拟合，获取所述标定板在运动平台全部运动范围内的完整图像；

将所述完整图像与所述标准图像进行对比，获取所述运动平台在所述标定板上的定位标记点处的误差值。

2.如权利要求1所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述获取所述标定板的序列图像的步骤具体为：将所述标定板固定在载物台的左半部，获取所述标定板的第一幅图像；

将所述标定板固定在所述载物台的右半部，获取所述标定板的第二幅图像。

3.如权利要求2所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述第一幅图像和所述第二幅图像部分重合。

4.如权利要求1所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述获取所述标定板的序列图像的步骤具体为：

将所述标定板固定在载物台的上半部，获取所述标定板的第三幅图像；

将所述标定板固定在所述载物台的下半部，获取所述标定板的第四幅图像。

5.如权利要求4所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述第三幅图像和所述第四幅图像部分重合。

6.如权利要求1所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述获取所述标定板的序列图像的步骤具体为：

将所述标定板固定在载物台的左上部，获取所述标定板的第五幅图像；

将所述标定板固定在所述载物台的左下部，获取所述标定板的第六幅图像；

将所述标定板固定在所述载物台的右下部，获取所述标定板的第七幅图像；

将所述标定板固定在所述载物台的右上部，获取所述标定板的第八幅图像。

7.如权利要求6所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述第五幅图像、所述第六幅图像、所述第七幅图像和所述第八幅图像彼此部分重合。

8.如权利要求1所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，所述生成标定板的标准图像的步骤具体为：

按标定板的标定参数和运动平台的运动范围，生成尺寸与所述运动平台运动范围相同的所述标定板的标准图像。

9.一种运动平台控制系统，用于实现权利要求1￣8任意一项所述的运动平台误差计算方法，其特征在于，包括：二维运动平台和运动控制模块；

所述二维运动平台与所述运动控制模块连接，所述运动控制模块测量所述二维运动平台的位移误差，并控制所述二维运动平台的位移；

所述运动控制模块包括误差标定模块和误差计算模块；

所述误差标定模块与所述误差计算模块连接，所述误差计算模块与所述二维运动平台连接；

所述误差标定模块标定二维运动平台的位移误差以图像形式反映；

所述误差计算模块将所述以图像形式反映的位移误差转换为数字信息，处理所述数字信息为所述二维运动平台上各标记点处的位移误差值，并对二维运动平台的位移进行误差校正；

所述误差标定模块包括载物台和标定板，所述误差计算模块包括机器视觉模块和数据处理模块；

所述载物台设置在所述二维运动平台下方；

所述标定板放置在所述载物台上；

所述机器视觉模块设置在所述二维运动平台上，与所述二维运动平台同步运动；

所述数据处理模块与所述机器视觉模块连接；

所述标定板为具有固定间距图案阵列的平板，所述固定间距图案上设置有定位标记点、仿射变换参考标记点和平台数据采集标记点。

10.如权利要求9所述的运动平台控制系统，其特征在于，所述二维运动平台包括X向导轨、与所述X向导轨垂直放置的Y向导轨、X向伺服电机、Y向伺服电机、运动头；

所述运动头与所述X向导轨和所述Y向导轨连接，所述X向伺服电机与所述X向导轨连接，所述Y向伺服电机与所述Y向导轨连接。