CN108037132B - 一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及方法 - Google Patents

一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及方法，该系统包括视觉传感器、环形光源、支架、转盘、三个同步触发传感器，待检测的干电池放置在转盘中心，转盘保持绕中轴线匀速旋转，三个同步触发传感器按120度的间隔均匀分布在转盘侧面，环形光源置于视觉传感器前端，视觉传感器安装在支架上，支架末端的轴线与竖直方向成固定夹角且其延长线与干电池的轴线相交于干电池的顶端；视觉传感器与同步触发传感器、环形光源连接，用于解决干电池定位、光源控制以及图像采集的高速同步问题。该发明解决了当前只能利用人眼视觉检查干电池是否存在浆层纸卷绕缺陷的问题，具有完全自动化、检测速度快、系统可靠性高等优点。

Description

一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及 方法
技术领域
本发明涉及视觉传感器技术领域，具体涉及一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及方法。
背景技术
在干电池生产过程中，由于其流程繁琐和工艺复杂，容易出现碳棒、封口胶、底碗纸、碳棒、浆层纸等方面的缺陷。其中，浆层纸是位于干电池锌筒内部的隔膜纸，需在卷绕后整个插入锌筒内，因此其所处位置空间较深而窄，而一旦浆层纸的卷绕存在缺陷时则极易导致后续干电池使用中出现漏液、慢性短路等问题。如果在锌筒外某一固定位置进行图像采集，由于拍摄角度的局限性，仅能获取携带浆层纸部分边缘信息的图像，无法判断浆层纸是否与锌筒紧密贴合或者边缘全部对齐，故目前只能通过人工视觉的方式进行检查。然而，在长时间且高强度的工作状态下，因注意力下降而导致的不良品漏检以及误判是无法避免的，因此而直接导致的电池质量事故也经常发生。
与此同时，随着工业自动化水平提升以及产品制造的标准不断提高，视觉传感在智能制造如电子制造装备、机器人等领域中的应用日益广泛。传统的视觉系统主要依赖PC平台，系统庞大、构造复杂、集成度低、协调性差。而视觉传感器是具有图像采集处理、数据传输能力的功能专门化嵌入式视觉系统，可实现目标识别定位、尺寸测量、缺陷检测、条码识别等功能，其模块化、小型化、分布式、简单易用、低成本等优点使其成为视觉系统的必然发展趋势。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统及方法，旨在解决当前干电池浆层纸卷绕缺陷检测中人工视觉方式的可靠性和效率低以及机器视觉方式的拍摄角度受限的问题。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统，所述的视觉传感器系统包括视觉传感器1、环形光源2、支架3、转盘4和若干个同步触发传感器5，待检测的干电池6正立放置在所述的转盘4中心，所述的转盘4保持绕中轴线匀速旋转，若干个同步触发传感器5等间隔均匀分布在所述的转盘4侧面；所述的环形光源2置于所述的视觉传感器1前端，所述的视觉传感器1安装在所述的支架3上，所述的支架3末端的轴线与竖直方向成固定夹角且其延长线与正立放置的干电池6的轴线相交于干电池6的顶端；所述的视觉传感器1与若干个同步触发传感器5电连接，根据同步触发传感器5的数字量信号精确控制干电池6图像的拍摄位置；所述的视觉传感器1还与所述的环形光源2电连接，用于在采集图像时提供照明。
进一步地，同步触发传感器的数量为3个，3个同步触发传感器5按120度的间隔均匀分布在所述的转盘4侧面。
进一步地，所述的视觉传感器1包括依次连接的同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块，所述的同步触发模块分别与环形光源2和若干个同步触发传感器5相连，用于实现光源及图像采集的同步；所述的光源驱动模块与环形光源2相连，并用于驱动相连的环形光源2，所述的图像处理模块用于采集图像并进行缺陷检测。
进一步地，所述的同步触发模块处理同步触发传感器5获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块高速频闪，该光源触发信号经延时产生图像采集触发信号，控制图像处理模块采集图像。
进一步地，所述的视觉传感器1的轴线与干电池6的轴线存在夹角且该角度值为15°。
进一步地，所述的环形光源2为红外光源；所述的同步触发传感器5采用漫反射型光纤式光电开关。
进一步地，所述的转盘4的侧面装有非透明挡片7，该挡片7经过同步触发传感器5时会触发其向外传输开关量信号。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的方法，所述的方法包括下列步骤：
S1、视觉传感器1初始化，同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块依次进行默认值设定；
S2、视觉传感器1循环判断若干个同步触发传感器5是否已产生开关量信号，若任一同步触发传感器5已触发则转至下一步，否则继续等待开关量信号；
S3、视觉传感器1的同步触发模块处理同步触发传感器5获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块，实现环形光源的高速频闪；
S4、上述光源触发信号经延时后产生图像采集触发信号，视觉传感器1控制图像处理模块利用全局电子快门进行高速图像采集；
S5、图像采集完毕后，视觉传感器1的光源驱动模块停止工作，与之连接的环形光源2随即熄灭；
S6、视觉传感器1的图像处理模块针对采集到的图像进行缺陷检测，待检测完毕后通过外部通讯接口输出最终结果。
进一步地，所述的步骤S6过程如下：
S601、采用直方图均衡化对采集到的干电池图像进行图像增强，改善图像的对比度并突出特征区域；
S602、利用邻域平均法实现滤波处理，消除图像的干扰噪声；
S603、联合携带灰度方向的快速特征点检测和基于多像素块比较的二进制描述向量对具有明显特征的干电池外筒进行粗定位，找出浆层纸边缘所在的感兴趣区域，缩小搜索范围以便于后续缺陷判定的开展；
S604、采用基于自适应阈值的改进最大类间方差法对所述的感兴趣区域进行阈值分割，得到二值图像；
S605、在所述的二值图像中利用Canny算子提取边缘，再根据浆层纸的边缘特征进行筛选，从而得到目标轮廓；
S606、以像素为单位遍历所述的目标轮廓，基于梯度响应计算判断其是否存在突变，若响应值大于指定阈值则判定为缺陷，否则即视为正常；
进一步地，所述的步骤S603中对池外筒进行粗定位过程如下
S6031、先检测特征点，其判定公式为
Figure BDA0001522276010000041
Figure BDA0001522276010000042
式中：I(m)是中心像素点的灰度值，I(x)是圆形区域上任意一点的灰度值，εI是灰度值之差的阈值，N是所有圆形区域上的点与中心点的响应函数值之和，当N大于一定阈值时可判定该中心点为特征点；
S6032、进而求出各特征点的灰度方向，其计算公式为：
Figure BDA0001522276010000043
式中：m01,m10是该特征点邻域的1阶不变矩；
S6033、在各特征点的邻域内随机选取n对位置(xi,yi)，组成一个无向的2×n描述矩阵，记为：
Figure BDA0001522276010000051
然后采用经灰度方向θ确定的仿射变换矩阵Rθ对S进行旋转，从而得到新的有向位置矩阵：
Figure BDA0001522276010000052
根据上述位置矩阵进行各像素块的逐一比较，可生成一个n维二进制描述向量；
S6034、待所有特征点的二进制描述向量计算完毕后，利用暴力搜索的方式得到粗匹配对，然后基于近邻比值、双向匹配、夹角余弦的约束联合进行匹配提纯，最终通过反复迭代的方法获得模板图像相对于目标图像的变换矩阵，从而实现干电池外筒的粗定位。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)可在仅使用一个视觉传感器的情况下借助转盘获取干电池浆层纸的整个边缘，系统结构简单，成本低廉；
(2)通过飞行视觉手段检测干电池的浆层纸缺陷，可实现高速同步和完全自动化；
(3)能够在复杂的光照条件下实现干电池外筒的快速粗定位并进行缺陷检测，精度高，抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明中公开的用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统总体结构示意图；
图2是本发明中公开的同步触发传感器与转盘安装位置示意图；
图3是本发明中公开的视觉传感器与干电池安装位置示意图；
图4是本发明中公开的用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的方法的流程图；
图5是本发明中公开的浆层纸缺陷检测流程图；
图中所示：1-视觉传感器，2-环形光源，3-支架，4-转盘，5-同步触发传感器，6-干电池，7-挡片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1至图3所示，一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统，包括视觉传感器1、环形光源2、支架3、转盘4、若干个同步触发传感器5，待检测的干电池6放置在转盘4中心，转盘4保持绕中轴线匀速旋转，若干个同步触发传感器5等间隔均匀分布在转盘4侧面。
本实施例中，同步触发传感器的数量为3个，3个同步触发传感器5按120度的间隔均匀分布在转盘4侧面。同理，也可采用4个同步触发传感器，4个同步触发传感器5按90度的间隔均匀分布在转盘4侧面。上述同步触发传感器的数量不构成对本发明技术方案的限制。
环形光源2置于视觉传感器1前端，视觉传感器1安装在支架3上，支架3末端的轴线与竖直方向成固定夹角且其延长线与干电池6的轴线相交于干电池6的顶端；所述视觉传感器1与若干个同步触发传感器5电连接，可根据同步触发传感器5的数字量信号精确控制干电池6图像的拍摄位置，通过三个不同位置的图像以确保能检测到浆层纸的完整边缘，所述的视觉传感器1还与环形光源2电连接，用于在采集图像时提供照明。
所述的视觉传感器1包括同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块，所述的同步触发模块用于实现光源及图像采集的同步，所述的光源驱动模块用于驱动环形光源2，所述的图像处理模块用于采集图像并进行缺陷检测。
所述的同步触发模块处理同步触发传感器5获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块高速频闪，该光源触发信号经延时产生图像采集触发信号，控制图像处理模块采集图像。
所述的视觉传感器1的轴线与干电池6的轴线存在夹角且该角度值为15°，在此角度下可获得具有大小合适的浆层纸边缘的干电池图像。
所述的环形光源2为红外光源。
所述的同步触发传感器5可采用漫反射型光纤式光电开关。
所述的转盘4的侧面装有非透明挡片7，该挡片7经过同步触发传感器5时会触发其向外传输开关量信号。
上述实施例中，视觉传感器系统将视觉传感器与同步触发传感器、环形光源连接，用于解决干电池定位、光源控制以及图像采集的高速同步问题。该系统解决了当前只能利用人眼视觉检查干电池是否存在浆层纸卷绕缺陷的问题，具有完全自动化、检测速度快、系统可靠性高等优点。
实施例二
本实施例基于上述实施例公开的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的视觉传感器系统，给出了一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的方法，如图4所示，本实施例提供的用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测的方法，包括步骤：
S1、视觉传感器1初始化，同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块等依次进行默认值设定；
S2、视觉传感器1循环判断若干个同步触发传感器5是否已产生开关量信号，若任一同步触发传感器5已触发则转至下一步，否则继续等待开关量信号；
S3、视觉传感器1的同步触发模块处理同步触发传感器5获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块，实现环形光源的高速频闪；
S4、上述光源触发信号经延时后产生图像采集触发信号，图像视觉传感器1控制图像处理模块利用全局电子快门进行高速图像采集；
S5、图像采集完毕后，视觉传感器1的光源驱动模块停止工作，与之连接的环形光源2随即熄灭以延长使用寿命；
S6、视觉传感器1的图像处理模块针对采集到的图像进行缺陷检测，待检测完毕后通过外部通讯接口输出最终结果。
该步骤S6输出最终结果后完成一次检测，并转至步骤S2进行下一次干电池的检测。
具体而言，在进行步骤S1之前，还包括步骤：
干电池6已放置于转盘4中心，转盘4已开始转动并维持匀速。
具体而言，如图5所示，所述的步骤S6具体包括：
S601、采用直方图均衡化对采集到的干电池图像进行图像增强，改善图像的对比度并突出特征区域；
S602、利用邻域平均法实现滤波处理，消除图像的干扰噪声；
S603、联合携带灰度方向的快速特征点检测和基于多像素块比较的二进制描述向量对具有明显特征的干电池外筒进行粗定位，找出浆层纸边缘所在的感兴趣区域，缩小搜索范围以便于后续缺陷判定的开展；
S604、采用基于自适应阈值的改进最大类间方差法对所述的感兴趣区域进行阈值分割，得到二值图像；
S605、在所述的二值图像中利用Canny算子提取边缘，再根据浆层纸的边缘特征进行筛选，从而得到目标轮廓；
S606、以像素为单位遍历所述的目标轮廓，基于梯度响应计算判断其是否存在突变，若响应值大于指定阈值则判定为缺陷，否则即视为正常；
具体而言，所述的步骤S603的粗定位方法具体为：
S6031、先检测特征点，其判定公式为
Figure BDA0001522276010000091
Figure BDA0001522276010000092
式中：I(m)是中心像素点的灰度值；I(x)是圆形区域上任意一点的灰度值；εI是灰度值之差的阈值；N是所有圆形区域上的点与中心点的响应函数值之和，当N大于一定阈值时可判定该中心点为特征点，该阈值设为16。
S6032、进而求出各特征点的灰度方向，其计算公式为：
Figure BDA0001522276010000093
式中：m01,m10是该特征点邻域的1阶不变矩。
S6033、在各特征点的邻域内随机选取n对位置(xi,yi)，组成一个无向的2×n描述矩阵，记为：
Figure BDA0001522276010000094
然后采用经灰度方向θ确定的仿射变换矩阵Rθ对S进行旋转，从而得到新的有向位置矩阵：
Figure BDA0001522276010000095
根据上述位置矩阵进行各像素块的逐一比较，可生成一个n维二进制描述向量。
S6034、待所有特征点的二进制描述向量计算完毕后，利用暴力搜索的方式得到粗匹配对，然后基于近邻比值、双向匹配、夹角余弦等多种约束联合进行匹配提纯，最终通过反复迭代的方法获得模板图像相对于目标图像的变换矩阵，从而实现干电池外筒的粗定位。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，应用于视觉传感器系统，其特征在于，所述的视觉传感器系统包括视觉传感器、环形光源、支架、转盘和若干个同步触发传感器，待检测的干电池正立放置在所述的转盘中心，所述的转盘保持绕中轴线匀速旋转，若干个同步触发传感器等间隔均匀分布在所述的转盘侧面；所述的环形光源置于所述的视觉传感器前端，所述的视觉传感器安装在所述的支架上，所述的支架末端的轴线与竖直方向成固定夹角且其延长线与正立放置的干电池的轴线相交于干电池的顶端；所述的视觉传感器与若干个同步触发传感器电连接，根据同步触发传感器的数字量信号精确控制干电池图像的拍摄位置；所述的视觉传感器还与所述的环形光源电连接，用于在采集图像时提供照明；
所述的检测方法包括下列步骤：
S1、视觉传感器初始化，同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块依次进行默认值设定；
S2、视觉传感器循环判断若干个同步触发传感器是否已产生开关量信号，若任一同步触发传感器已触发则转至下一步，否则继续等待开关量信号；
S3、视觉传感器的同步触发模块处理同步触发传感器获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块，实现环形光源的高速频闪；
S4、上述光源触发信号经延时后产生图像采集触发信号，视觉传感器控制图像处理模块利用全局电子快门进行高速图像采集；
S5、图像采集完毕后，视觉传感器的光源驱动模块停止工作，与之连接的环形光源随即熄灭；
S6、视觉传感器的图像处理模块针对采集到的图像进行缺陷检测，待检测完毕后通过外部通讯接口输出最终结果；所述的步骤S6过程如下：
S601、采用直方图均衡化对采集到的干电池图像进行图像增强，改善图像的对比度并突出特征区域；
S602、利用邻域平均法实现滤波处理，消除图像的干扰噪声；
S603、联合携带灰度方向的快速特征点检测和基于多像素块比较的二进制描述向量对具有明显特征的干电池外筒进行粗定位，找出浆层纸边缘所在的感兴趣区域，缩小搜索范围以便于后续缺陷判定的开展；
S604、采用基于自适应阈值的改进最大类间方差法对所述的感兴趣区域进行阈值分割，得到二值图像；
S605、在所述的二值图像中利用Canny算子提取边缘，再根据浆层纸的边缘特征进行筛选，从而得到目标轮廓；
S606、以像素为单位遍历所述的目标轮廓，基于梯度响应计算判断其是否存在突变，若响应值大于指定阈值则判定为缺陷，否则即视为正常；
其中，所述的步骤S603中对干电池外筒进行粗定位过程如下：
S6031、先检测特征点，其判定公式为
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
式中：I(m)是中心像素点的灰度值，I(x)是圆形区域上任意一点的灰度值，εI是灰度值之差的阈值，N是所有圆形区域上的点与中心点的响应函数值之和，当N大于一定阈值时可判定该中心点为特征点；
S6032、进而求出各特征点的灰度方向，其计算公式为：
Figure QLYQS_3
式中：m01,m10是该特征点邻域的1阶不变矩；
S6033、在各特征点的邻域内随机选取n对位置(xi,yi)，组成一个无向的2×n描述矩阵，记为：
Figure QLYQS_4
然后采用经灰度方向θ确定的仿射变换矩阵Rθ对S进行旋转，从而得到新的有向位置矩阵：
Figure QLYQS_5
根据上述位置矩阵进行各像素块的逐一比较，可生成一个n维二进制描述向量；
S6034、待所有特征点的二进制描述向量计算完毕后，利用暴力搜索的方式得到粗匹配对，然后基于近邻比值、双向匹配、夹角余弦的约束联合进行匹配提纯，最终通过反复迭代的方法获得模板图像相对于目标图像的变换矩阵，从而实现干电池外筒的粗定位。
2.根据权利要求1所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，同步触发传感器的数量为3个，3个同步触发传感器按120度的间隔均匀分布在所述的转盘侧面。
3.根据权利要求1所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，所述的视觉传感器包括依次连接的同步触发模块、光源驱动模块、图像处理模块，所述的同步触发模块分别与环形光源和若干个同步触发传感器相连，用于实现光源及图像采集的同步；所述的光源驱动模块与环形光源相连，并用于驱动相连的环形光源，所述的图像处理模块用于采集图像并进行缺陷检测。
4.根据权利要求3所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，所述的同步触发模块处理同步触发传感器获取的位置信息，产生光源触发信号控制光源驱动模块高速频闪，该光源触发信号经延时产生图像采集触发信号，控制图像处理模块采集图像。
5.根据权利要求1所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，所述的视觉传感器的轴线与干电池的轴线存在夹角且角度值为15°。
6.根据权利要求1所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，所述的环形光源为红外光源；所述的同步触发传感器采用漫反射型光纤式光电开关。
7.根据权利要求1所述的一种用于干电池浆层纸卷绕缺陷检测方法，其特征在于，所述的转盘的侧面装有非透明挡片，该挡片经过同步触发传感器时会触发其向外传输开关量信号。
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