CN105180905A - 一种双相机视觉定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种双相机视觉定位系统及方法，包括底座机架，底座机架上安装有两个X轴运动模块、Y轴运动模块和Z轴运动模块，它们两两之间相互垂直，Z轴运动模块下部安装有转动模块，转动模块上安装有吸嘴，机架底部的相机固定装置上左右分别安装有粗定位相机和精定位相机，分别与工控机电连接，粗定位相机和精定位相机上分别安装有镜头一和镜头二，手动控制吸嘴将工件分别移动到粗定位相机、精定位相机的视场定位并记录坐标参数，通过工控机控制四轴运动平台运动，按照所记录的坐标参数移动工件，对其特征区域进行粗定位后，移动至精定位相机的视场进行高精度视觉定位，能够改善相机镜头畸变对定位精度的影响，提高视觉定位精度，具有运行可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于视觉定位技术领域，特别涉及一种双相机视觉定位系统及方法。
背景技术
在视觉定位领域，一般采用机械手或是吸嘴拾取工件，将其移动到相机的位置进行图像采集，利用视觉软件中的定位算法对采集的图像进行定位，然后根据图像坐标与物理坐标的转换实现对工件的实际位置定位。传统定位方法是对工件拾取后进行视觉定位，采用上视角度，全景定位。
视觉定位的精度主要依靠相机的制造精度、采集图像的方式以及视觉算法的优良程度。相机镜头制造精度与成像芯片的贴装精度对成像有很大影响。镜头有畸变，如枕型畸变、桶形畸变，与光轴相切的平面上，与中心距离越远则畸变越大。而畸变是无法消除的，只能改善，即使使用一些优化算法，相机的畸变也不会消除，畸变将始终影响视觉识别定位的精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种双相机视觉定位系统及方法，能够改善相机镜头畸变对定位精度的影响，提高视觉定位精度，具有精度高、运行可靠的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双相机视觉定位系统，包括呈“凹”字型结构的底座机架11，底座机架11上左右各水平安装有一个X轴运动模块7，两个X轴运动模块7上跨接有Y轴运动模块8，Y轴运动模块8中部垂直安装有Z轴运动模块9，Z轴运动模块9下部安装有绕Z轴转动的转动模块10，所述X轴运动模块7、Y轴运动模块8、Z轴运动模块9两两之间相互垂直，转动模块10上安装有吸嘴6；
机架11底部安装有相机固定装置5，相机固定装置5上左右分别安装有粗定位相机2和精定位相机1，粗定位相机2和精定位相机1分别通过GigE接口数据线与工控机电连接，粗定位相机2和精定位相机1上分别安装有镜头一12和镜头二13，镜头一12和镜头二13上分别安装有光源一4和光源二3。
所述吸嘴6与粗定位相机2、精定位相机1垂直设置。
所述精定位相机1和粗定位相机2均采用像素相同的CCD工业相机。
所述X轴运动模块7包括同步带一7-1，同步带一7-1套在同步带轮一7-2上并与其滑动连接，同步带轮一7-2通过轴承安装在支撑结构一7-3上，支撑结构一7-3上固定安装有伺服电机一7-6，伺服电机一7-6动力输出传递至同步带轮一7-2，支撑结构一7-3及导轨一7-4固定在机架11上，导轨一7-4与滑座一7-5滑动连接，滑座一7-5与同步带一7-1的上侧固定在一起。
所述位于左、右的X轴运动模块7通过连轴7-7联接，Y轴运动模块8与X轴运动模块7结构相同。
所述Z轴运动模块9包括同步带二9-4，同步带二9-4套在同步带轮二9-5上并与其滑动连接，同步带轮二9-5通过轴承安装在支撑结构二9-6上，支撑结构二9-6上固定安装有伺服电机二9-1，伺服电机二9-1动力输出传递至同步带轮二9-5，支撑结构二9-6及导轨二9-2固定在基板9-7上，导轨二9-2与滑座二9-3滑动连接，滑座二9-3与同步带二9-4的上侧固定在一起。
所述转动模块10包括伺服电机10-1，伺服电机10-1固定在支撑结构10-4上，支撑结构10-4与基板9-7固定连接，伺服电机10-1通过联轴器10-2将动力输出至吸嘴夹持器10-3，吸嘴夹持器10-3夹持吸嘴6。
所述工控机安装有视觉定位软件，用以完成与用户之间的交互通讯，同时进行图像处理与图像分析定位，工控机的显示器用于显示视觉定位软件的界面以及采集的图像信息。
一种双相机视觉定位方法，包括以下步骤：
步骤一：确定两部相机的XY平面坐标：
手动控制四轴运动平台，将吸嘴6移动到粗定位相机2的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(X1，Y1)；手动控制四轴运动平台，将吸嘴6移动到精定位相机1的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(X2，Y2)；
步骤二：确定所要定位工件的XYZ坐标系运动位置坐标：
通过吸嘴6拾取工件并移动到粗定位相机2的中心位置，通过调整吸嘴6的Z轴位置使工件的全景占据图像最短边的3/4区域，记录此时的世界坐标参数为(X1，Y1，Z1)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对粗定位相机2进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
通过吸嘴6拾取工件并移动到精定位相机1的中心位置，通过调整吸嘴6的Z轴位置使工件的待定位特征区域占据图像最短边的3/4区域，记录此位置的世界坐标参数为(X2，Y2，Z2)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对精定位相机1进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
步骤三：实现视觉识别定位自动化控制：
通过工控机控制四轴运动平台运动，以(X1，Y1，Z1)为坐标参数，通过吸嘴6拾取工件移动到粗定位相机2的中心，使工件的全景图呈现在粗定位相机2的视场里，进行图像采集，利用视觉定位软件对采集的图像进行图像识别并提取特征区域，对特征区域进行图像中心粗定位，记录特征区域的中心像素坐标，根据粗定位相机2标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将特征区域的中心像素坐标换算成世界坐标，计算此坐标与精定位相机1中心像素坐标的相对位置关系，以坐标(X2，Y2，Z2)为坐标参数，通过吸嘴6将工件移动到精定位相机1的视场中心，使工件的特征区域中心定位在精定位相机1的中心位置，精定位相机1进行图像采集，对特征区域进行进一步的图像处理、图像识别，进行高精度视觉图像定位，得到特征区域的高精度图像中心像素坐标，根据精定位相机1标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将特征区域的图像中心像素坐标换算成世界坐标。
由于本发明采用双相机定位方法，比用单一同样相机定位提高了一个精度等级，通过两部CCD工业相机对工件进行视觉定位，粗定位相机采集的图像信息用于寻找工件特征区域位置，主要实现对特征区域的识别粗定位，以提高识别率与识别速度为主，采用与精定位相机像素相同的CCD相机，图像定位精度<0.01mm，精定位相机1以提高精度为主，图像定位精度<0.001mm，精定位相机采集的图像信息对特征区域进一步定位，在精定位相机的视场范围内，工件的特征区域占据大部分视场，即对特征区域进行了放大，特征区域占据的像素多，而且其在成像的光轴附近，畸变小，提高了视觉定位的精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本底座机架11底部局部放大图。
图3为X轴运动模块7的结构示意图。
图4为Z轴运动模块9以及转动模块10的结构示意图。
图5为本发明应用实例的粗定位视场图。
图6为本发明应用实例的精定位视场图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2，一种双相机视觉定位系统，包括呈“凹”字型结构的底座机架11，底座机架11上左右各水平安装有一个X轴运动模块7，两个X轴运动模块7上跨接有Y轴运动模块8，Y轴运动模块8中部垂直安装有Z轴运动模块9，Z轴运动模块9下部安装有绕Z轴转动的转动模块10，所述X轴运动模块7、Y轴运动模块8、Z轴运动模块9两两之间相互垂直，X轴运动模块7、Y轴运动模块8、Z轴运动模块9、转动模块10构成四维运动平台，转动模块10上安装有吸嘴6，实现对工件的拾取和安置；
机架11底部安装有相机固定装置5，相机固定装置5上左右分别安装有粗定位相机2和精定位相机1，粗定位相机2和精定位相机1分别通过GigE接口数据线与工控机电连接，进行图像数据的传输，粗定位相机2和精定位相机1上分别安装有镜头一12和镜头二13，镜头一12和镜头二13上分别安装有光源一4和光源二3。
所述吸嘴6与粗定位相机2、精定位相机1垂直设置。
所述精定位相机1和粗定位相机2均采用像素相同的CCD工业相机。
所述工控机安装有视觉软件，用以完成与用户之间的交互通讯，进行图像处理与图像分析定位，视觉软件通过VS2010编程平台与OpenCV图像处理函数库联合设计，工控机的显示器用于显示视觉软件的界面以及采集的图像信息。
参见图3，所述X轴运动模块7包括同步带一7-1，同步带一7-1套在同步带轮一7-2上并与其滑动连接，同步带轮一7-2通过轴承安装在支撑结构一7-3上，支撑结构一7-3上固定安装有伺服电机一7-6，伺服电机一7-6动力输出传递至同步带轮一7-2，为其运动提供动力，支撑结构一7-3及导轨一7-4固定在机架11上，导轨一7-4与滑座一7-5滑动连接，滑座一7-5与同步带一7-1的上侧固定在一起。所述位于左、右的X轴运动模块7通过连轴7-7联接，Y轴运动模块8与X轴运动模块7结构相同。
参见图4，所述Z轴运动模块9包括同步带二9-4，同步带二9-4套在同步带轮二9-5上并与其滑动连接，同步带轮二9-5通过轴承安装在支撑结构二9-6上，支撑结构二9-6上固定安装有伺服电机二9-1，伺服电机二9-1动力输出传递至同步带轮二9-5，为其运动提供动力，支撑结构二9-6及导轨二9-2固定在基板9-7上，导轨二9-2与滑座二9-3滑动连接，滑座二9-3与同步带二9-4的上侧固定在一起。
所述转动模块10包括伺服电机10-1，伺服电机10-1固定在支撑结构10-4上，支撑结构10-4与基板9-7固定连接，伺服电机10-1通过联轴器10-2将动力输出至吸嘴夹持器10-3，吸嘴夹持器10-3夹持吸嘴6。
参见图5、图6，本发明应用的选用长方形工件14进行说明，长方形工件14上具有圆形特征，采用双相机视觉定位方法对圆形特征进行精确定位，步骤如下：
步骤一：确定两部相机的XY平面世界坐标：
手动控制四轴运动平台，通过观察工控机显示器的实时图像信息，将吸嘴6移动到粗定位相机2的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(220，200)(单位mm)；手动控制四轴运动平台，通过观察工控机显示器的实时图像信息，将吸嘴6移动到精定位相机1的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(300，200)(单位mm)；
步骤二：确定长方形工件14的XYZ坐标系运动位置坐标：
通过吸嘴6拾取长方形工件14并移动到粗定位相机2的中心位置，通过调整吸嘴6的Z轴位置使长方形工件14的全景占据图像最短边的3/4区域，记录此时的世界坐标参数为(220，200，50)(单位mm)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对粗定位相机2进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
通过吸嘴6拾取长方形工件14并移动到精定位相机1的中心位置，通过调整吸嘴6的Z轴位置使长方形工件14的待定位特征区域占据图像最短边的3/4区域，记录此位置的世界坐标参数为(300，200，20)(单位mm)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对精定位相机1进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
步骤三：实现视觉识别定位自动化控制：
通过工控机控制四轴运动平台运动，以(220，200，50)(单位mm)为坐标参数，通过吸嘴6拾取长方形工件14移动到粗定位相机2的中心，使工件的全景图呈现在粗定位相机2的视场里，进行图像采集，利用视觉定位软件对采集的图像进行图像识别并提取圆形特征区域，对圆形特征区域进行图像坐标系上的中心粗定位，记录特征区域的中心像素坐标(800,384)(单位像素)，根据粗相机2标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将圆形特征区域的图像中心像素坐标换算成世界坐标(200,180)(单位mm)，计算此坐标与精定位相机1中心像素坐标的相对位置关系，以坐标(300，200，20)(单位mm)为坐标参数，通过吸嘴6将长方形工件14移动到精定位相机1的视场中心，使长方形工件14的圆形特征区域中心定位在精定位相机1的中心位置，精定位相机1进行图像采集，对圆形特征区域进行进一步的图像处理、图像识别，进行高精度视觉定位，得到圆形特征区域的高精度图像中心像素坐标(1040.18,760.34)(单位像素)，根据精定位相机1标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将圆形特征区域的图像中心像素坐标换算成世界坐标(284.75,197.35)(单位mm)，为进一步的贴装、插件提供高精度定位坐标。
Claims (9)
1.一种双相机视觉定位系统，包括呈“凹”字型结构的底座机架(11)，其特征在于，底座机架(11)上左右各水平安装有一个X轴运动模块(7)，两个X轴运动模块(7)上跨接有Y轴运动模块(8)，Y轴运动模块(8)中部垂直安装有Z轴运动模块(9)，Z轴运动模块(9)下部安装有绕Z轴转动的转动模块(10)，所述X轴运动模块(7)、Y轴运动模块(8)、Z轴运动模块(9)两两之间相互垂直，转动模块(10)上安装有吸嘴(6)；
机架(11)底部安装有相机固定装置(5)，相机固定装置(5)上左右分别安装有粗定位相机(2)和精定位相机(1)，粗定位相机(2)和精定位相机(1)分别通过GigE接口数据线与工控机电连接，粗定位相机(2)和精定位相机(1)上分别安装有镜头一(12)和镜头二(13)，镜头一(12)和镜头二(13)上分别安装有光源一(4)和光源二(3)。
2.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述吸嘴(6)与粗定位相机(2)、精定位相机(1)垂直设置。
3.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述精定位相机(1)和粗定位相机(2)均采用像素相同的CCD工业相机。
4.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述X轴运动模块(7)包括同步带一(7-1)，同步带一(7-1)套在同步带轮一(7-2)上并与其滑动连接，同步带轮一(7-2)通过轴承安装在支撑结构一(7-3)上，支撑结构一(7-3)上固定安装有伺服电机一(7-6)，伺服电机一(7-6)动力输出传递至同步带轮一(7-2)，支撑结构一(7-3)及导轨一(7-4)固定在机架(11)上，导轨一(7-4)与滑座一(7-5)滑动连接，滑座一(7-5)与同步带一(7-1)的上侧固定在一起。
5.根据权利要求1或4所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述位于左、右的X轴运动模块(7)通过连轴(7-7)联接，Y轴运动模块(8)与X轴运动模块(7)结构相同。
6.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述Z轴运动模块(9)包括同步带二(9-4)，同步带二(9-4)套在同步带轮二(9-5)上并与其滑动连接，同步带轮二(9-5)通过轴承安装在支撑结构二(9-6)上，支撑结构二(9-6)上固定安装有伺服电机二(9-1)，伺服电机二(9-1)动力输出传递至同步带轮二(9-5)，支撑结构二(9-6)及导轨二(9-2)固定在基板(9-7)上，导轨二(9-2)与滑座二(9-3)滑动连接，滑座二(9-3)与同步带二(9-4)的上侧固定在一起。
7.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述转动模块(10)包括伺服电机(10-1)，伺服电机(10-1)固定在支撑结构(10-4)上，支撑结构(10-4)与基板(9-7)固定连接，伺服电机(10-1)通过联轴器(10-2)将动力输出至吸嘴夹持器(10-3)，吸嘴夹持器(10-3)夹持吸嘴(6)。
8.根据权利要求1所述的一种双相机视觉定位系统及方法，其特征在于，所述工控机安装有视觉定位软件，用以完成与用户之间的交互通讯，同时进行图像处理与图像分析定位，工控机的显示器用于显示视觉定位软件的界面以及采集的图像信息。
9.一种双相机视觉定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定两部相机的XY平面坐标：
手动控制四轴运动平台，将吸嘴(6)移动到粗定位相机(2)的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(X1，Y1)；手动控制四轴运动平台，将吸嘴(6)移动到精定位相机(1)的中心位置，记录此时的世界坐标参数为(X2，Y2)；
步骤二：确定所要定位工件的XYZ坐标系运动位置坐标：
通过吸嘴(6)拾取工件并移动到粗定位相机(2)的中心位置，通过调整吸嘴(6)的Z轴位置使工件的全景占据图像最短边的3/4区域，记录此时的世界坐标参数为(X1，Y1，Z1)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对粗定位相机(2)进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
通过吸嘴(6)拾取工件并移动到精定位相机(1)的中心位置，通过调整吸嘴(6)的Z轴位置使工件的待定位特征区域占据图像最短边的3/4区域，记录此位置的世界坐标参数为(X2，Y2，Z2)，调整相机的焦距、光圈参数，调整光源的明亮程度使成像清晰；对精定位相机(1)进行标定，从而得到图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系；
步骤三：实现视觉识别定位自动化控制：
通过工控机控制四轴运动平台运动，以(X1，Y1，Z1)为坐标参数，通过吸嘴(6)拾取工件移动到粗定位相机(2)的中心，使工件的全景图呈现在粗定位相机(2)的视场里，进行图像采集，利用视觉定位软件对采集的图像进行图像识别并提取特征区域，对特征区域进行图像中心粗定位，记录特征区域的中心像素坐标，根据粗定位相机(2)标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将特征区域的中心像素坐标换算成世界坐标，计算此坐标与精定位相机(1)中心像素坐标的相对位置关系，以坐标(X2，Y2，Z2)为坐标参数，通过吸嘴(6)将工件移动到精定位相机(1)的视场中心，使工件的特征区域中心定位在精定位相机(1)的中心位置，精定位相机(1)进行图像采集，对特征区域进行进一步的图像处理、图像识别，进行高精度视觉图像定位，得到特征区域的高精度图像中心像素坐标，根据精定位相机(1)标定的图像像素坐标系与世界坐标系的转换关系，将特征区域的图像中心像素坐标换算成世界坐标。
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