CN105486288A - 一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，包括：图像采集模块，用于采集物体和基底的图像；主控计算机，对实时采集到的物体图像和基底图像进行相关的图像处理，计算出物体和基底对准物的位置信息，从而得到物体和基底的相对位置偏差；嵌入式平台，接收所述主控计算机根据计算结果所产生的驱动控制信号；三自由度移动平台，接收所述嵌入式平台的驱动控制信号，驱动电机及支架机构运动。本发明提出的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，可靠性高，成本低，易于实现，本发明设计了一套自动对准系统，使其成为研究的通用平台，适用于多种目标物的对准。

Description

一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统
技术领域
本发明涉及机器视觉和图像处理领域，且特别涉及一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统。
背景技术
机器视觉系统就是利用机器代替人眼来做各种测量和判断。它是计算机学科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。图像处理和模式识别等技术的快速发展，极大地推动了机器视觉行业应用的发展。
机器视觉系统又称工业视觉系统，其原理是：将产品或区域进行成像，然后根据其图像信息用专用的图像处理软件进行处理，根据处理结果软件能自动判断产品的位置、尺寸、外观信息，并根据人为预先设定的标准进行合格与否的判断，输出其判断信息给执行机构。
设备视觉检查系统能够轻松地提供对准系统，该系统具备的位置反馈可以确保这些部件以正确的方式组装在一起。随着现代工业自动化的发展，机器视觉在检测、识别及控制方面得到了广泛应用。然而目前机器视觉的发展在很多领域还没有完全标准化，尤其在精密对准系统中，还没有形成通用的规范。现有的对准系统仍有相当大的一部分使用的是手动对准，这样不仅耗时耗力，效率和良品率还不是很高，部分自动对准系统掌握在国外大公司手中，价格高昂，操作复杂，不适应我国现有情况。国内提供高性价比的自动对准系统方案还严重匮乏。
发明内容
本发明提出一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，可靠性高，成本低，易于实现，本发明设计了一套自动对准系统，使其成为研究的通用平台，适用于多种目标物的对准。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，包括：
图像采集模块，用于采集物体和基底的图像；
主控计算机，对实时采集到的物体图像和基底图像进行相关的图像处理，计算出物体和基底对准物的位置信息，从而得到物体和基底的相对位置偏差；
嵌入式平台，接收所述主控计算机根据计算结果所产生的驱动控制信号；
三自由度移动平台，接收所述嵌入式平台的驱动控制信号，驱动电机及支架机构运动。
进一步的，所述图像采集模块包括光源、光学镜头、相机和图像采集卡。
进一步的，所述图像采集模块用于进行图像滤波、边缘检测、角点检测、特征提取、系统标定、尺寸测量、定位、跟踪相关操作。
进一步的，所述相机采用CCD摄像机。
进一步的，所述主控计算机为PC工作站。
进一步的，所述主控计算机采用Visualstudio和OpenCV开发工具对图形处理进行编程工作。
进一步的，所述嵌入式平台使用RS-232串口实现与主控计算机的异步通信。
本发明提出一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，采用CCD摄像机通过光学系统分别采集物体和基底的图像，并分别对实时采集到的存放在计算机缓冲区的物体图像和基底图像进行相关的图像处理，计算出物体和基底对准物的位置信息，从而得到物体和基底的相对位置偏差。计算机根据图像处理结果对运动控制系统进行操作，驱动工作台沿x、y、z方向移动，使两个物体在图像中的位置重合，最终实现自动对准。本发明的意义在于可靠性高，成本低，易于实现。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的视觉伺服对准系统结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的OpenCV模块结构示意图。
图3所示为本发明较佳实施例的嵌入式平台结构示意图。
图4所示为本发明较佳实施例的三自由度移动平台运动方向示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的视觉伺服对准系统结构示意图。本发明提出一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，包括：图像采集模块，用于采集物体和基底的图像；主控计算机，对实时采集到的物体图像和基底图像进行相关的图像处理，计算出物体和基底对准物的位置信息，从而得到物体和基底的相对位置偏差；嵌入式平台，接收所述主控计算机根据计算结果所产生的驱动控制信号；三自由度移动平台，接收所述嵌入式平台的驱动控制信号，驱动电机及支架机构运动。
根据本发明较佳实施例，本发明包括4大模块：图像采集模块、主控计算机、ARM嵌入式平台、三自由度移动平台。图像采集模块主要负责图像采集工作，作为整个系统的输入，图像质量的好坏直接决定了后续处理的精度和可靠性，从控制的角度，也可将其视为视觉系统的反馈通道；主控计算机是系统的核心，负责接收图像信息、图像处理分析、尺寸测量、计算控制量等任务，这部分工作大多是由主控计算机上的软件来完成；ARM嵌入式平台主要负责接收运动控制量，发出运动控制指令及接收移动平台各种状态信息；三自由度移动平台是系统的执行机构，包括各种运动电机及支架机构。
本发明的图像采集模块主要是设置相机参数，控制相机，获取图像。图像采集子系统一般由光源、光学镜头、相机和图像采集卡等构成，在此基础上，配以必要的软件，完成图像采集功能。
照明光源作为机器视觉系统输入的重要部件，它的好坏直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的视觉光源，以达到最佳效果。常见的光源有：LED环形光源、低角度光源、背光源、条形光源、同轴光源、冷光源、点光源、线型光源和平行光源等。
镜头在机器视觉系统中主要负责光束调制，并完成信号传递。镜头类型包括：标准、远心、广角、近摄和远摄等，选择依据一般是根据相机接口、拍摄物距、拍摄范围、CCD尺寸、畸变允许范围、放大率、焦距和光圈等。
相机在机器视觉系统中最本质功能就是将光信号转变为电信号，与普通相机相比，它具有更高的传输力、抗干扰力以及稳定的成像能力。按照不同标准可有多种分类：按输出信号方式，可分为模拟工业相机和数字工业相机；按芯片类型不同，可分CCD工业相机和CMOS工业相机，这种分类方式最为常见。
图像采集卡虽然只是完整机器视觉系统的一个部件，但它同样非常重要，直接决定了摄像头的接口：黑白、彩色、模拟、数字等。比较典型的有PCI采集卡、1394采集卡、VGA采集卡和GigE千兆网采集卡。这些采集卡中有的内置多路开关，可以连接多个摄像机，同时抓拍多路信息。
机器视觉软件是机器视觉系统中自动化处理的关键部件，根据具体应用需求，对软件包进行二次开发，可自动完成对图像采集、显示、存储和处理。在选购机器视觉软件时，一定要注意开发硬件环境、开发操作系统、开发语言等，确保软件运行稳定，方便二次开发。
图像采集模块是系统获取图像的输入口，其所获图像质量的好坏直接决定了后续处理的精度和可靠性。本发明采用的是占市面63％以上的ZC301芯片的摄像头，在系统的软件层设计中进行了相应驱动移植，内核选项添加了SPCASXX驱动，并且加载了模块，相机可采用CCD摄像机。OpenCV程序中默认的设备为/dev/video0，在程序中直接调用cvCaptureFromCAM函数就可以获取摄像头，并进行图像的采集。
本发明的主控计算机的图像处理模块的功能主要是对图像进行预处理、边缘检测、角点检测和特征提取等操作。标定、计算模块是使用图像处理模块得到的数据，通过调用不同的标定算法对相机进行标定，它与图像处理模块同为系统的核心内容，它们的性能好坏直接决定了系统的性能。图像处理分析子系统是整个系统的核心，根据任务不同，它可完成图像滤波、边缘检测、特征提取、系统标定、尺寸测量、定位、跟踪等功能。它接收图像采集子系统的输出，向运动控制与驱动子系统发送处理结果。在本发明中，这部分工作是由主控计算机来完成，主控计算机可以是PC工作站，也可以是嵌入式系统，这可根据具体应用进行选择。本文所设计的系统主要是为了研究和验证机器视觉的各项技术，而不局限于某一具体的应用，因此选择了通用PC作为主控计算机。它具有良好的柔性，便于扩展，并且可充分利用PC的软硬件资源。本发明使用Visualstudio+OpenCV开发工具对图形处理进行编程工作。0penCV主体分为5个模块，其中4个模块如图2所示。OpenCV是英特尔开源计算机视觉库，是一个跨平台的由中、高层API构成的视觉函数库。它由一系列C函数和少量c++类构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，这就避免了我们在一些成熟低水平算法上的重复研究，节省了大量时间。更重要的是它对非商业用途和商业用途都是免费(FREE)的，不会对我们的设备成本造成压力。
本发明的ARM嵌入式平台的任务主要是接收PC平台发出的控制量，并将此结果转换成电机控制信号，控制电机的运动，结构框图如图3所示。ARM嵌入式平台是运动控制的中枢，它接收图像处理分析子系统的输出，经过解算，向电机发出控制信号。此项任务由自行设计的基于ARMCortex-M4内核的STM32F407芯片组成的系统来承担。本发明的控制电路是以STM32F407为核心自行设计，它能够独立控制3路电机的运动、各种限位信号及保护信号。该模块的主要功能，一是与上位机通过串口交互，接收上位机指令。本发明使用RS-232串口实现PC平台与ARM嵌入式平台的异步通信。使用MAX202E及其外围器件构成RS232接口转换电路，完成RS232信号与TTL信号电平互相转换的功能。它可将输入的RS232信号转换为TTL信号，也可将输出的TTL信号转换为RS232信号。二是计算控制量并输出控制信号，与电机驱动系统交互。
本发明设计的三自由度运动平台可完成X、Y、Z三个方向的平移，被测物体放置在中间的圆盘上，相机固定在上部的横梁上。加入与其一起运动的拾取机构后，可完成更多的复杂任务，如分拣、装配等等，上下平移运动可模拟实际工业中的上下料动作。此运动平台完全自行设计、安装，它可完成X、Y、Z三个方向的平移运动，共计3个运动自由度，如图4所示。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于采集物体和基底的图像；
主控计算机，对实时采集到的物体图像和基底图像进行相关的图像处理，计算出物体和基底对准物的位置信息，从而得到物体和基底的相对位置偏差；
嵌入式平台，接收所述主控计算机根据计算结果所产生的驱动控制信号；
三自由度移动平台，接收所述嵌入式平台的驱动控制信号，驱动电机及支架机构运动。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述图像采集模块包括光源、光学镜头、相机和图像采集卡。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述图像采集模块用于进行图像滤波、边缘检测、角点检测、特征提取、系统标定、尺寸测量、定位、跟踪相关操作。
4.根据权利要求2所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述相机采用CCD摄像机。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述主控计算机为PC工作站。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述主控计算机采用Visualstudio和OpenCV开发工具对图形处理进行编程工作。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的视觉伺服对准系统，其特征在于，所述嵌入式平台使用RS-232串口实现与主控计算机的异步通信。
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