CN109002008A - 一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，包括十字滑台机构、单目视觉单元、图像采集卡、运动控制装置,所述十字滑台机构安装在底座上，由滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，工作平台在X、Y方向均可直线运动；所述单目视觉单元，固定在十字滑台机构上方，摄取目标刀具图像以及信号的转换、传输、将光信号转化成电信号存入图像采集卡缓冲区；所述图像采集卡，用于将相机传输的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数字信号，经过高速PCI总线将采集图像数字信号传输到计算机。本发明能够提高十字滑台自动校准精度，具有操作方便，省时省力的优点，可用于解决目前十字滑台自动校准的技术难题。

Description

一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统

技术领域

本发明涉及于单目视觉、目标识别及目标定位领域，具体涉及一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统。

背景技术

在自动化加工、自动装配、分拣等领域，基于机器视觉的伺服控制是近年来研究的热点。对于自动化生产线上的机器来说，为了完成一定的动作，比如，“抓取—放置”，其前提是先对被测目标的快速识别定位。自动识别的技术有多种，包括移动机器人导航定位系统、无人机侦察系统、装配机器人定位系统等。其中视觉以其非接触、采样周期短、柔性和智能化等优点迅速得到了广泛的应用。对十字滑台引入视觉装置具有重要意义，可以模仿人类眼睛来感知外部工作环境，从工作环境中识别目标，从而获取信息。通过步进电机控制十字滑台快速移动定位该被测目标，比激光定位、雷达定位更准确。应用视觉解决零件自动识别、定位等问题，需要对被测目标进行图像处理，特征提取，建立识别算法，确定目标物体位置。

双目视觉定位理论上能够精确定位目标，但是在现实应用中，双目视觉定位还处于起步阶段。立体匹配作为双目视觉的核心，无论从理论上还是从技术上都存在不足，计算繁琐、速度低下。然而单目视觉模型构造简单，避免了视觉数据融合，具有实时检测特点。本发明是基于单目视觉的十字滑台自动校准装置。把单目视觉技术和十字滑台机构相结合，利用单目视觉技术获取被测目标和周围环境的信息。在机器视觉中利用数字图像处理，根据成像平面坐标系与摄像机之间的坐标转换算法，可以定位出目标物相对于摄像机坐标位置。从而识别被测目标，对被测目标快速定位，实现十字滑台的自动校准整个过程。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，以解决上述背景技术中提出的从工作环境中识别目标，从而获取信息。对被测目标进行图像处理，特征提取，建立识别算法，确定目标物体位置，通过步进电机控制十字滑台快速移动定位问题，提高对被测目标的快速定位实现十字滑台的自动校准。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，包括十字滑台机构、单目视觉单元、图像采集卡、运动控制装置,所述十字滑台机构安装在底座上，由滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，工作平台在X、Y方向均可直线运动；所述单目视觉单元，固定在十字滑台机构上方，摄取目标刀具图像以及信号的转换、传输、将光信号转化成电信号存入图像采集卡缓冲区；所述图像采集卡，用于将相机传输的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数字信号，经过高速PCI总线将采集图像数字信号传输到计算机；所述运动控制装置，用于将计算机处理的信号输入给系统运动控制器，控制器给电机驱动器发送控制指令，电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程。

优选的，所述十字滑台机构包括导轨座、移动滑块、工作平台、步进电动机、滚珠丝杠螺母副和光栅尺；所述步进电动机为执行元件，驱动滚珠丝杠；所述滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，实现工作平台在X、Y方向的直线运动；所述光栅尺用于单目视觉单元在滚动导轨移动时，产生的信号经过处理后传输到计算机。

优选的，所述十字滑台机构还包括联轴器、限位开关；所述联轴器为莲花弹性联轴器，于连接步进电机轴和滚珠丝杠；所述限位开关安装在底座上限制十字滑台的移动极限位置。

优选的，所述单目视觉单元由涡轮蜗杆步进电机驱动，具有反行程自锁功能，涡轮蜗杆步进电机通过弹性联轴器、轴上安装键带动旋转轴旋转，旋转轴与旋转臂连接，通过深沟球轴承安装在轴承支架上。

优选的，所述单目视觉单元从功能上包括数字图像的获取、图像的预处理、图像分割和图像识别。

优选的，所述单目视觉单元是一种安装在十字滑台上方用于刀具图像的摄取以及信号的转换、储存与传输的CCD摄像机。

优选的，所述CCD摄像机输出标准的单色视频、复合信号、RGB信号，或是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号。

优选的，所述图像采集卡将电信号转换成图像数字信号并将处理结果通过PCI总线串口与上位PC机通信。

优选的，所述运动控制装置包括运动控制卡、电机驱动器、步进电机、增量式编码器；所述运动控制卡接收计算机发送的图像处理信号，且运动控制卡与电机驱动器连接，由运动控制卡发送控制指令给电机驱动器。

优选的，所述电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程；所述增量式编码器作为位置反馈元件参与闭环控制用来反馈电机速度信息，并将反馈信息输送给运动控制卡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够提高十字滑台自动校准精度，具有操作方便，省时省力的优点，可用于解决目前十字滑台自动校准的技术难题。

附图说明

图1为本发明提供的十字滑台自动校准系统硬件图，

图2为本发明提供的自动校准流程图。

图中：1.CCD摄像机、2.PC机、3.回转工作平台、4.V型块、5.被测目标、6.轴承支架、7.旋转臂、8.旋转轴、9.联轴器、10.步进电机、11.X轴导轨、12.Y轴导轨。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明进行具体、完整地说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式。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。

请参阅图1，一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，所述自动校准系统具体包括十字滑台机构，安装在底座上，由滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，用于实现工作平台在X、Y方向的直线运动；单目视觉单元，固定在十字滑台机构上方，用于摄取目标刀具图像以及信号的转换、传输、将光信号转化成电信号存入图像采集卡缓冲区；图像采集卡，将相机传输的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数字信号，经过高速PCI总线将采集图像数字信号传输到计算机；以及运动控制装置，将计算机处理的信号输入给系统运动控制器，控制器给电机驱动器发送控制指令，电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程。

十字滑台机构包括导轨座、移动滑块、工作平台、步进电动机、滚珠丝杠螺母副，以及光栅尺等部件；

具体的，步进电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠。

具体的，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，实现工作平台在X、Y方向的直线运动。

具体的，光栅尺用于单目视觉单元在滚动导轨移动时，产生的信号经过处理后传输到计算机。

十字滑台机构还包括联轴器、限位开关；

具体的，联轴器是一种莲花弹性联轴器，用于连接步进电机轴和滚珠丝杠。

具体的，限位开关安装在底座上用于限制十字滑台的移动极限位置，起到安全保护作用。

单目视觉单元由涡轮蜗杆步进电机驱动，有反行程自锁功能。涡轮蜗杆步进电机通过弹性联轴器、轴上安装键带动旋转轴旋转，旋转轴与旋转臂连接，通过深沟球轴承安装在轴承支架上。

单目视觉单元从功能上包括数字图像的获取、图像的预处理、图像分割和图像识别。

具体的，单目视觉单元是一种安装在十字滑台上方的CCD摄像机，用于刀具图像的摄取以及信号的转换、储存与传输。

具体的，CCD摄像机可能是输出标准的单色视频、复合信号、RGB信号，也可能是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号等。

图像采集卡将电信号转换成图像数字信号并将处理结果通过PCI总线串口与上位PC机通信。

运动控制装置包括运动控制卡、电机驱动器、步进电机、增量式编码器；所述运动控制卡用于接收计算机发送的图像处理信号，运动控制卡与电机驱动器连接，由运动控制卡发送控制指令给电机驱动器。

具体的，电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程。

具体的，增量式编码器作为位置反馈元件参与闭环控制用来反馈电机速度信息，并将反馈信息输送给运动控制卡。

请参阅图2，本发明一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统自动校准过程如下：

步骤1：在进行一种基于单目视觉的十字滑台自动校准之前首先要进行相机的标定，将摄像机坐标系、被测目标坐标系以及十字滑台坐标系的统一，最终在十字滑台坐标系中实现单目视觉的自动校准；

步骤2：LED光源发出的光经过准直光路形成平行光投射到被测目标上，刀具轮廓经过物镜系统成像到固定在旋转臂上方的面阵CCD摄像机上，将被测目标图像经过光电信号转换存入图像采集卡缓冲区；

步骤3：经过采集卡将采集的电信号转换为数字图像信号，对图像自动对焦，变焦调整，判断是否正焦，进行对焦调整；

步骤4：光栅尺读入十字滑台X、Y轴移动数据，在滚动导轨移动时产生的信号经过处理后传输到计算机；

步骤5：在采集过程中，由于受到光线不均匀等因素影响，图像会变模糊，需要对图像预处理，所述图像预处理，通过几何变换对数字图像进行初步调整，便于图像识别和处理；

步骤6：将彩色图像转化为灰度图像进行图像灰度化处理，所述灰度化处理可以直接调用图像采集卡里的库函数，要求传输灰度信号，屏蔽颜色信号；

步骤7：利用边缘临近一阶或二阶方向导数变化规律进行边缘检测，考察某个邻域内灰度的变化，所述边缘是图像的最基本特征，周围象素灰度有阶跃变化或屋顶变化的象素集合；边缘检测算子检查每个象素的邻域并对灰度变化率进行量化和方向的确定，优选的本发明选择Sobel边缘算子；

步骤8：利用Sobel算子计算出各象素点灰度值时，对各象素点进行二值化处理，设二值化阀值为T，计算后象素f(x,y)，二值化处理后为：程序中用自定义的void sobel Edge()函数来进行边缘检测及二值化处理；

步骤9：图像分割时，对图像进行抽象化并提取图像的几何特征，通过与周围像素点的比较，获取轮廓上各象素点的坐标，在识别阶段，对图像的特征进行处理，找出需要识别的被测目标，用识别算法提取被测目标在图像平面上的位置信息；

步骤10：计算出被测目标的型心坐标，型芯坐标计算公式为最后用定位算法得出被测目标的型芯在十字滑台坐标系中的位置和姿态；

步骤11：将被测目标位姿信号输入到运动控制器，控制器通过计算相关参数得到电机驱动器的控制信号，电机驱动器根据控制信号通过控制步进电机脉冲控制步进电机的角位移驱动步进电机按照期望的轨迹运动，进而控制十字滑台的移动，完成自动校准的整个过程。

本发明能够提高十字滑台自动校准精度，具有操作方便，省时省力的优点，可用于解决目前十字滑台自动校准的技术难题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，包括十字滑台机构、单目视觉单元、图像采集卡、运动控制装置，其特征在于：所述十字滑台机构安装在底座上，由滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，工作平台在X、Y方向均可直线运动；所述单目视觉单元，固定在十字滑台机构上方，摄取目标刀具图像以及信号的转换、传输、将光信号转化成电信号存入图像采集卡缓冲区；所述图像采集卡，用于将相机传输的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数字信号，经过高速PCI总线将采集图像数字信号传输到计算机；所述运动控制装置，用于将计算机处理的信号输入给系统运动控制器，控制器给电机驱动器发送控制指令，电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述十字滑台机构包括导轨座、移动滑块、工作平台、步进电动机、滚珠丝杠螺母副和光栅尺；所述步进电动机为执行元件，驱动滚珠丝杠；所述滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，实现工作平台在X、Y方向的直线运动；所述光栅尺用于单目视觉单元在滚动导轨移动时，产生的信号经过处理后传输到计算机。

3.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述十字滑台机构还包括联轴器、限位开关；所述联轴器为莲花弹性联轴器，于连接步进电机轴和滚珠丝杠；所述限位开关安装在底座上限制十字滑台的移动极限位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述单目视觉单元由涡轮蜗杆步进电机驱动，具有反行程自锁功能，涡轮蜗杆步进电机通过弹性联轴器、轴上安装键带动旋转轴旋转，旋转轴与旋转臂连接，通过深沟球轴承安装在轴承支架上。

5.根据权利要求4所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述单目视觉单元从功能上包括数字图像的获取、图像的预处理、图像分割和图像识别。

6.根据权利要求4所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述单目视觉单元是一种安装在十字滑台上方用于刀具图像的摄取以及信号的转换、储存与传输的CCD摄像机。

7.根据权利要求6所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述CCD摄像机输出标准的单色视频、复合信号、RGB信号，或是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述图像采集卡将电信号转换成图像数字信号并将处理结果通过PCI总线串口与上位PC机通信。

9.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述运动控制装置包括运动控制卡、电机驱动器、步进电机、增量式编码器；所述运动控制卡接收计算机发送的图像处理信号，且运动控制卡与电机驱动器连接，由运动控制卡发送控制指令给电机驱动器。

10.根据权利要求9所述的一种基于单目视觉的十字滑台自动校准系统，其特征在于：所述电机驱动器根据控制指令给步进电机发送脉冲指令驱动十字滑台按照期望的轨迹运动，完成自动校准整个过程；所述增量式编码器作为位置反馈元件参与闭环控制用来反馈电机速度信息，并将反馈信息输送给运动控制卡。