CN108195319B - 一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法 - Google Patents

一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，是通过视觉成像系统的倾斜光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型以及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法。本发明能有效提高带倒角工件倾斜成像的视觉定位精度，扩展了倾斜成像视觉系统的适用范围，提高了设备自动、智能化程度，推动制造企业工艺升级。

Description

一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法
技术领域
本发明涉及机器视觉自动加工领域，特别涉及一种带倒角的工件自动定位方法。
背景技术
在视觉辅助定位加工系统中，机器视觉用来准确定位待加工工件的位置。当加工装置与成像系统存在位置干涉时，为保证加工装置的工作条件，通常将成像系统倾斜装置于加工装置旁，导致待加工工件相对于成像系统处于倾斜状态。此时通过张正友标定法，视觉系统可精确获取标定平面的对象参数，包括尺寸、坐标等。对于棱角清晰的工件，将其检测面轮廓与标定面重合后，通过识别检测面的形状也可准确获取检测面参数。
但是对于检测面有倒角的工件，使用工件轮廓进行定位时，其在常用视觉系统中形成的图像形状随着工件位置的变化而变化，无法准确定位检测面的尺寸和位置，造成倾斜立体工件定位时的轮廓精度较差，无法应用于工业生产加工。即便使用昂贵的远心镜头，也无法避免工件倒角对定位精度的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，是通过视觉成像系统的倾斜光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型以及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
所述带倒角工件为长方体，倒角半径为r，长宽高依次为l、w和h；根据针孔成像模型，所述相机成像中心坐标为针孔相机模型的聚焦中心M(x0,y0,z0)；所述视觉系统倾斜成像时，图像中可以观察到工件的完整的近端底边和不完整的远端倒角边，近端采集到的边缘为工件的底边，远端采集到的边缘为工件的倒角弧边；设定：
在XOZ平面的X方向上，近端底边中点坐标为Prx，远端可观察到的弧边中点坐标为Plx，图像处理时计算的近端和远端定位坐标为Prx’和Plx’，Prx’的坐标为(a,br,0),Plx’的坐标为(c,bl,0)，Plx’对应的实际边界点坐标为A(xa,ya,za)。
由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000021
Prx’对应的实际边界点坐标为B(xb,yb,zb)。由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000022
同理，在YOZ平面的Y方向上，近端成像中点Pry’三维坐标为(dr,e,0),远端成像中点Ply’三维坐标为(dl,f,0)。Ply’对应的实际边界点坐标为C(xc,yc,zc)。由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000023
Pry’对应的实际边界点坐标为D(xd,yd,zd)。由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000024
其特征在于：
工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次Prx’点的坐标分别为(a1,br1,0)、(a2,br2,0)，提取两次Plx’点的坐标分别为(c1,bl1,0)、(c2,bl2,0)，根据工件的长度，忽略bl1-br1、bl2-br2的影响，由式(1)和式(2)可得：
Figure GDA0002380931480000025
同理，在Y方向上，工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿Y方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次Pry’点的坐标分别为(dr1,e1,0)、(dr2,e2,0)，提取两次Ply’点的坐标分别为(dl1,f1,0)、(dl2,f2,0)，根据工件的宽度，忽略dl1-dr1、dl2-dr2的影响，由式(3)和式(4)可得：
Figure GDA0002380931480000031
由公式(5)和(6)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：
Figure GDA0002380931480000032
由公式(7)计算出相机成像中心坐标M(x0,y0,z0)的坐标，完成标定。
每次执行视觉定位后，由工件定位坐标与实际坐标的关系函数公式(1)、(2)、(3)、(4)可得到工件实际边界中点投影到标定平面上的坐标A、B、C、D的值，即实现带倒角工件的视觉倾斜精准定位。
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：使用Sobel图像处理算法提取边缘中心点。在XOZ平面的X方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为90度，即
Figure GDA0002380931480000033
在YOZ平面的Y方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为0度，即
Figure GDA0002380931480000034
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：利用A与B的间距、C与D的间距和l、w相比较，还可计算出定位工件与标准工件的尺寸偏差。
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：视觉系统在横向和纵向的倾斜方向均为向标定坐标系的正方向倾斜；当倾斜方向改变时，利用本发明公开的原理得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当工件为直线倒角时，利用本发明公开的原理得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当工件模型是圆柱体或类似于长方体、圆柱体时，利用本发明公开的原理得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
如上所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当(bl-br)/l的绝对值和(dl-dr)/w的绝对值均小于5％时，可有效保证定位精度。
本发明的有益效果是：
1、提高相机倾斜时的视觉定位精度，特别是对带倒角的立体工件的视觉定位。在实际生产中定位准确，稳定可靠，大幅提高了生产效率；
2、修正实际作业区域相对标定位置改变后的空间坐标的精确度，补偿视觉采集、计算的误差；
3、通过工件模型和二维成像实现三维工件的定位，提高了设备自动、智能化程度，推动制造企业工艺升级。
附图说明
图1为本发明中的成像系统结构图；
图2为本发明中的作业工件标定面图；
图3为相机倾斜成像结构图；
图4为相机远端成像结构图；
图5为相机近端成像结构图；
附图1中标记说明：加工工件1、加工区域2、加工装置3、视觉光源4、工业镜头5、工业相机6、控制器7；
附图2中标记说明：加工工件1、加工区域2、标定平面13；
L：标定面基准线
Lc1：远端成像光路；
Lc2：近端成像光路；
M：针孔相机模型的聚焦中心点，即相机成像中心；
N：相机成像中心M在标定平面13上的投影点；
Prx：X方向上近端底边中点；
Plx：X方向上远端可观察到的弧边中点；
Prx‘：Prx在标定平面13上的对应点；
Plx‘：Plx在标定平面13上的对应点；
Pry：Y方向上近端底边中点；
Ply：Y方向上远端可观察到的弧边中点；
Pry‘：Pry在标定平面13上的对应点；
Ply‘：Ply在标定平面13上的对应点；
A：x轴方向远端成像时工件的实际边界点坐标；
B：x轴方向近端成像时工件的实际边界点坐标；
C：y轴方向远端成像时工件的实际边界点坐标；
D：y轴方向近端成像时工件的实际边界点坐标。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中，加工工件1位于加工装置3所覆盖的加工区域2中，工业相机6倾斜安装在加工装置3的右侧，工业镜头5固定在工业相机6上，环形视觉光源4与工业镜头5同角度照射在加工区域2上并覆盖加工区域2，工业相机6和加工装置3由控制器7统一控制。
使用现有标定技术—张正友标定法标定工业相机6和工业镜头5，获取工业相机6和工业镜头5的内参数和外参数。此时，标定平面13上的平面对象可准确进行视觉检测和定位。
已知带倒角的长方体待加工工件1，其倒角半径r为3.415毫米、长l为14毫米、宽w为16毫米、高h为6毫米。
以标定平面13和标定原点为基准，规定相机6的针孔相机模型的聚焦中心点坐标为M(x0,y0,z0)。下面从X和Y方向上分别分析成像系统光路图。
本发明中，由于相机6处于倾斜状态，图像中可以观察到一个完整的倒角边和一个不完整的倒角边，如图3所示。定义完整的倒角边为近端，不完整的倒角边为远端。近端采集到的工件1的边缘为工件1底边，远端采集到的工件1的边缘为工件1倒角弧边。
在XOZ平面的X方向上，近端底边中点坐标为Prx，远端可观察到的弧边中点坐标为Plx，图像处理时计算的定位坐标为Prx’和Plx’，Prx’的坐标为(a,br,0),Plx’的坐标为(c,bl,0)，Plx’对应的实际边界点坐标为A(xa,ya,za)。如图4所示，由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000061
Prx’对应的实际边界点坐标为B(xb,yb,zb)。由图5所示，由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000062
同理，在YOZ平面的Y方向上，近端成像中点Pry’三维坐标为(dr,e,0),远端成像中点Ply’三维坐标为(dl,f,0)。Ply’对应的实际边界点坐标为C(xc,yc,zc)。如图4所示，由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000063
Pry’对应的实际边界点坐标为D(xd,yd,zd)。如图5所示，由几何关系可得：
Figure GDA0002380931480000064
工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次Prx’点的坐标分别为(a1,br1,0)、(a2,br2,0)，提取两次Plx’点的坐标分别为(c1,bl1,0)、(c2,bl2,0)，根据工件的长度，忽略bl1-br1、bl2-br2的值，由式(10)和式(11)可得：
Figure GDA0002380931480000065
同理，在Y方向上，工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，使用图像处理算法提取两次Pry’点的坐标分别为(dr1,e1,0)、(dr2,e2,0)，提取两次Ply’点的坐标分别为(dl1,f1,0)、(dl2,f2,0)，根据工件的宽度，忽略dl1-dr1、dl2-dr2的值，由式(12)和式(13)可得：
Figure GDA0002380931480000066
由公式(14)和(15)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：
Figure GDA0002380931480000067
由公式(16)计算出相机成像中心坐标M(x0,y0,z0)的坐标，完成标定。本实施例中，两次Prx’点的坐标分别为(17.2,19,0)、(30.075,26.141,0)，两次Plx’点的坐标分别为(1,19,0)、(15,26.141,0)，两次Pry’点的坐标分别为(6,31,0)、(20.306,37.426,0)，提取两次Ply’点的坐标分别为(6,13,0)、(20.306,20,0)，由公式(16)计算出相机成像中心坐标M(55.011,66.998,54.001)的坐标。
当视觉系统检测的坐标Plx’点为(15,26.141,0)、Prx’点为(30.075,26.141,0)、Ply’点为(20.306,20,0)、Pry’点为(20.306,37.426,0)时，通过公式(10)、(11)、(12)、(13)分别计算出A、B、C、D点的坐标分别为(13.306,26.141,0)、(27.306,26.141,0)、(20.306,18.141,0)、(20.306,34.14,0)，即为工件实际直角边界中点投影到标定平面上的坐标。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，是通过视觉成像系统的倾斜光路图分析工件倒角对成像位置的影响，利用待定位工件的几何模型以及其与相机成像中心的相对位置建立工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数，利用标准工件多次标定来计算相机成像中心坐标，得到工件定位坐标与实际坐标的关系函数，最后根据每次定位结果计算出工件的实际坐标，实现倒角工件精准定位的方法；所述带倒角工件为长方体，倒角半径为r，长宽高依次为l、w和h；根据针孔成像模型，所述相机成像中心坐标为针孔相机模型的聚焦中心M(x0,y0,z0)；所述视觉系统倾斜成像时，图像中可以观察到工件的完整的近端底边和不完整的远端倒角边；设定：
在XOZ平面的X方向上，近端底边中点坐标为Prx，远端可观察到的弧边中点坐标为Plx，图像处理时计算的近端和远端定位坐标为Prx’和Plx’，Prx’的坐标为(a,br,0),Plx’的坐标为(c,bl,0)，Plx’对应的实际边界点坐标为A(xa,ya,za)，由几何关系可得：
Figure FDA0002462477760000011
Prx’对应的实际边界点坐标为B(xb,yb,zb)，由几何关系可得：
Figure FDA0002462477760000012
同理，在YOZ平面的Y方向上，近端成像中点Pry’三维坐标为(dr,e,0),远端成像中点Ply’三维坐标为(dl,f,0)，Ply’对应的实际边界点坐标为C(xc,yc,zc)；由几何关系可得：
Figure FDA0002462477760000013
Pry’对应的实际边界点坐标为D(xd,yd,zd)，由几何关系可得：
Figure FDA0002462477760000014
其特征在于：
工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿X方向上移动工件并检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次Prx’点的坐标分别为(a1,br1,0)、(a2,br2,0)，提取两次Plx’点的坐标分别为(c1,bl1,0)、(c2,bl2,0)，根据工件的长度，忽略bl1-br1、bl2-br2的影响，由式(1)、(2)可得：
Figure FDA0002462477760000021
同理，在Y方向上，工业相机第一次拍摄带倒角的工件获取相关位置后，通过沿Y方向上移动工件并再检测出位置信息，使用图像处理算法提取两次Pry’点的坐标分别为(dr1,e1,0)、(dr2,e2,0)，提取两次Ply’点的坐标分别为(dl1,f1,0)、(dl2,f2,0)，根据工件的宽度，忽略dl1-dr1、dl2-dr2的影响，由式(3)、(4)可得：
Figure FDA0002462477760000022
由公式(5)和(6)计算得到工件定位坐标、实际坐标和相机成像中心坐标的函数关系式：
Figure FDA0002462477760000023
由公式(7)计算出相机成像中心坐标M(x0,y0,z0)的坐标，完成标定；
每次执行视觉定位后，由工件定位坐标与实际坐标的关系函数公式(1)、(2)、(3)、(4)可得到工件实际边界中点投影到标定平面上的坐标A、B、C、D的值，即实现带倒角工件的视觉倾斜精准定位。
2.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：使用Sobel图像处理算法提取边缘中心点；在XOZ平面的X方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为90度，即
Figure FDA0002462477760000024
在YOZ平面的Y方向上，Sobel算子使用的卷积模板方向为0度，即
Figure FDA0002462477760000025
。
Figure FDA0002462477760000025
3.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：利用A与B的间距、C与D的间距和l、w相比较，还可计算出定位工件与标准工件的尺寸偏差。
4.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：视觉系统在横向和纵向的倾斜方向均为向标定坐标系的正方向倾斜；当倾斜方向改变时，利用该倾斜定位方法得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
5.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当工件为直线倒角时，利用该倾斜定位方法得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
6.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当工件模型是圆柱体或类似于长方体、圆柱体时，利用该倾斜定位方法得到新的坐标公式后，也可实现精准定位。
7.如权利要求1所述的一种带倒角工件的视觉倾斜定位方法，其特征在于：当(bl-br)/l的绝对值和(dl-dr)/w的绝对值均小于5％时，可有效保证定位精度。
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