CN109077339A - 食品打印机承印物位置识别装置及校准方法和识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种食品打印机承印物位置识别装置及校准方法和识别方法，自动识别装置，包括设置在食品打印机本体上的控制器、电机、顶部摄像头、置物台和位置传感器。通过设置承印物位置的自动识别装置，打印时只需将承印物任意放置在置物台上，电机驱动置物台带动承印物向上移动，使承印物上表面打印区出到顶部摄像头的垂直距离为H，顶部摄像头采集承印物上表面打印区多个点的位置信息，并通过控制器确定承印物的位置和承印物上表面打印区的形状，然后据此调整食品打印机打印头的位置，进行打印，使打印出的图形图案出现在期望位置，确保打印位置准确，不受杯子形状的限制，且操作简单。

Description

食品打印机承印物位置识别装置及校准方法和识别方法

技术领域

本发明具体涉及一种食品打印机承印物位置识别装置。

背景技术

目前的食品打印机，打印的成型中心都是确定的，即需要将承印物放置到打印机规定的特有位置上，才可以完成一次良好的打印。由于人工放置总不可避免地存在误差，常常导致图形图案没有出现在原本期望的位置上。比如咖啡拉花机中，操作者期望由咖啡拉花机制作的拉花图案的中心，能够和咖啡杯的中心对准，但实际上，由于人工放置缺乏准确的参照，往往打印出的拉花图案偏离了咖啡杯的中心，并且打印的内容超越到咖啡杯以外。

以后的改进方案有两种，第一种是直接在承印物的托板上挖出一个凹槽，以诱导用户在放置承印物的时候将其置于凹槽中心，该方式的优点在于将承印物放置的误差缩小到了凹槽的范围内，但是缺点依然没有根治上述中心偏移问题。另一种方案是直接在承印物的托板上抠出一个洞作为支架，这样杯子可以沉入其中，虽然能解决完全对准中心的问题，但是该方案严重的限制了承印物容器，如只能采用没有把手的咖啡杯。

此外，目前的食品打印机，仅支持较少的几种口径的杯形，或采用手工调整打印图案的缩放比例，使之正好和承印物表面口径匹配，此类操作过程繁琐，增加人工操作难度，增加人工成本，并且不佳的设置甚至会使得打印失败，浪费原料。

发明内容

本发明提供了一种食品打印机承印物位置识别装置及校准方法和识别方法，为了解决现有技术中在食品打印过程中，承印物放置缺乏准确性，导致打印出的图形图案没有出现在原本期望位置的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明在采取如下技术方案：

一种食品打印机承印物位置识别装置，包括设置在食品打印机本体上的控制器、电机、顶部摄像头、置物台和位置传感器；

所述电机用于驱动置物台进行升、降，置物台上表面设置有用于辅助建立摄像头视野坐标和实际坐标之间函数关系的标记基准图形，标记基准图形上标记有多个基准点；

所述顶部摄像头位于置物台上方，其视野能够完全覆盖置物台；位置传感器用于测定置物台上表面或承印物上表面离摄像头的垂直距离；

所述电机、顶部摄像头和位置传感器与控制器之间电连接。

将承印物放置在置物台上，电机驱动置物台带动承印物向上移动，使承印物上表面打印区出到顶部摄像头的垂直距离为H，顶部摄像头采集承印物上表面打印区多个点的位置信息，并通过控制器确定承印物的位置和承印物上表面打印区的形状，然后据此调整食品打印机打印头的位置，进行打印，使打印出的图形图案出现在期望位置，确保打印准确性。

进一步改进，所述位置传感器为摄像头、激光传感器、红外线距离传感器、微波传感器或超声波距离传感器中的一种。

进一步改进，所述标记基准图形为可被顶部摄像头明显观测到的特征图像，标记基准图形上有多个基准点，且多个基准点在实际坐标系中的坐标值已知，便于自动校准自动识别装置，调整打印头。

进一步改进，所述食品打印机本体上安置有补光光源，当环境光线不足时，为顶部摄像头提供补光，确保为顶部摄像头能够清楚的识别承印物。

食品打印机承印物位置识别装置的自动校准方法，包括如下步骤：

步骤1，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使标记基准图形到顶部摄像头之间的垂直距离为H；

步骤2，以标记基准图形的中心为坐标原点O，在距离摄像图垂直距离为H的水平面上建立的直角坐标系XOY，记为实际坐标系；以摄像头为坐标原点O’，在摄像头所在平面上建立的直角坐标系UO’V，记为摄像头视野坐标系；

步骤3，标记基准图形上各个基准点在实际坐标系中的坐标值已知，通过摄像头采集标记基准图形上不少于3个基准点，并记录基准点在摄像头视野坐标中的坐标值；设定基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；控制器根据各个基准点在摄像头视野坐标和实际坐标系中的坐标值，计算得出函数f(x，y)，使f(x，y)＝(u，v)；此时f(x，y)为标记基准图形距顶部摄像头垂直距离为H时，标记基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤4，完成上述操作后，即完成了校准，就可以正常使用食品打印机进行加工了，当使用一段时间之后，出现较大的打印误差后，可再次重复步骤1-3再次进行自动校准。

进一步改进，采用如下公式表示f(x，y)＝(u，v)，

其中，δ_x(x,y)和δ_y(x,y)分别表示在x和y方向的畸变量，采用校正模型进行校正，常用的有多项式模型和MQ模型；从食品打印机运算能力考虑，采用多项式模型来表示f(x，y)＝(u，v)：

其中，a_jk和b_jk是二元方程组的系数，m、j、k均为自然数；该系数可以根据各个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头视野坐标中的坐标值，按最小二乘法来进行求解；对于m次多项式，至少选择(m+1)(m+2)/2个基准点。

进一步改进，所述m＝2，即采用2次多项式表示f(x，y)＝(u，v)：

根据六个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头机器视觉像素坐标系的坐标按最小二乘法来进行求解，得到

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅的值，即求得f(x，y)。

食品打印机承印物位置的自动识别方法，包括如下步骤：

步骤一：将承印物放置在置物台上，且位于顶部摄像头下方，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使承印物上表面到顶部摄像头之间的垂直距离为H，此时承印物上表面为直角坐标系XOY所在平面，设定承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；此时f(x，y)为承印物上表面距顶部摄像头垂直距离为H时，承印物上表面任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤二：控制器依据自动校准过程中的函数关系f(x，y)＝(u，v)，求取(x,y)＝f^-1(u,v)，即当前承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标值；

步骤三：控制器控制顶部摄像头采集承印物上表面边缘的多个不同点，获得这些点在摄像头视野坐标系中的坐标值，并代入(x,y)＝f^-1(u,v)，计算出对应的不同点在承印物上表面实际坐标系中的坐标值，由此得出承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值；

步骤四：将承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值信息传送给食品打印机，食品打印机获得当前承印物的位置和打印区的具体形状，然后食品打印机调整打印头的位置，进行打印。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过设置承印物位置的自动识别装置，打印时只需将承印物任意放置在置物台上，电机驱动置物台带动承印物向上移动，使承印物上表面打印区出到顶部摄像头的垂直距离为H，顶部摄像头采集承印物上表面打印区多个点的位置信息，并通过控制器确定承印物的位置和承印物上表面打印区的形状，然后据此调整食品打印机打印头的位置，进行打印，使打印出的图形图案出现在期望位置，确保打印位置准确，不受杯子形状的限制，且操作简单。

2、通过对食品打印机承印物位置识别装置的自动校准，在食品打印机在初次使用时，或者因搬运、机械安装过、部件老化等造成顶部摄像头移位，导致打印出现较大误差后，进行自动校准，操作方便，保证打印位置精确度。

附图说明

图1为本发明所述食品打印机承印物位置识别装置未放置承印物时的立体图。

图2为图1的正视图。

图3图1的俯视图。

图4为顶部摄像头机器视野图。

图5为自动校准过程中六个基准点的顶部摄像头机器视野图。

图6为本发明所述食品打印机承印物位置识别装置放置承印物时的结构图。

图7为图6的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一：

如图1所示，一种食品打印机承印物位置识别装置，包括设置在食品打印机本体7上的控制器(图中未示出)、电机(图中未示出)、顶部摄像头1、第一位置传感器21和第二位置传感器22，以及设置在置物台上的标记基准图形3。

食品打印机本体7上安装了摄像头支撑架4，位置传感器支撑架5，和置物托台支撑架8。

顶部摄像头1安装在摄像头支撑架4上，摄像头的视野区垂直朝下，在任何情况其视野均可覆盖置物台6。

在本实施例中，第一位置传感器21是激光发射器，第二位置传感器22是激光接收器，两者处于同一水平线23上，以保证由第一位置传感器21发射的激光光线23能被第二位置传感器22激光接收器所接受到，该水平线23在垂直方向上与顶部摄像头1的底部保持固定的高度差H。在其他实施例中，位置传感器也可以为摄像头、红外线距离传感器、微波传感器或超声波距离传感器中一种。

在本实施例中，食品打印机本体7上安置有补光光源。

将承印物放置在置物台上，电机驱动置物台带动承印物向上移动，使承印物上表面打印区出到顶部摄像头的垂直距离为H，顶部摄像头采集承印物上表面打印区多个点的位置信息，并通过控制器确定承印物的位置和承印物上表面打印区的形状，然后据此调整食品打印机打印头的位置，进行打印，使打印出的图形图案出现在期望位置，确保打印准确性。

实施例二：

如图2所示，当初次使用所述自动识别装置或用户恢复为出厂设置后，需要对自动识别装置自动校准，校准时置物台6升高直至正好遮挡由第一位置传感器21所发出的激光，此时置物台6顶面处于水平线23上，即置物台6顶面距顶部摄像头1底部的垂直距离正好为H。此时顶视图如图3所示，由于标记基准图形3处于置物托台6的顶部表面，且标记基准图形3厚度可以忽略，则其与摄像头1底部的垂直距离也为H。

此时摄像头所采集到的视野如图4所示，由于机械安装过程中存在的误差、摄像头自身内部传感器的偏差和运输过程中的形变等因素，导致摄像头所采集到的标记基准图形3的标记基准图形中心31与摄像头机器视觉中心11存在一定的偏差，且标记基准图形3在摄像头中的机器视觉标记基准图形32。

自动校准包括如下步骤：

步骤1，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使标记基准图形到顶部摄像头之间的垂直距离为H；

步骤2，以标记基准图形的中心为坐标原点O，在距离摄像图垂直距离为H的水平面上建立的直角坐标系XOY，记为实际坐标系；以摄像头为坐标原点O’，在摄像头所在平面上建立的直角坐标系UO’V，记为摄像头视野坐标系；

步骤3，标记基准图形上各个基准点在实际坐标系中的坐标值已知，通过摄像头采集标记基准图形上不少于3个基准点，并记录基准点在摄像头视野坐标中的坐标值；设定基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；控制器根据各个基准点在摄像头视野坐标和实际坐标系中的坐标值，计算得出函数f(x，y)，使f(x，y)＝(u，v)；此时f(x，y)为标记基准图形距顶部摄像头垂直距离为H时，标记基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤4，完成上述操作后，即完成了校准，就可以正常使用食品打印机进行加工了，当使用一段时间之后，由于上述搬动，老化等问题，导致打印出现较大的打印误差后，可再次重复步骤1-3再次进行自动校准。

在本实施例中，采用如下公式表示f(x，y)＝(u，v)，

其中，δ_x(x,y)和δ_y(x,y)分别表示在x和y方向的畸变量，采用校正模型进行校正，常用的有多项式模型和MQ模型；从食品打印机运算能力考虑，在本实施例中采用多项式模型来表示f(x，y)＝(u，v)：

其中，a_jk和b_jk是二元方程组的系数，m、j、k均为自然数；该系数可以根据各个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头视野坐标中的坐标值，按最小二乘法来进行求解；对于m次多项式，至少选择(m+1)(m+2)/2个基准点。

在本实施例中，所述m＝2，即采用2次多项式表示f(x，y)＝(u，v)：

如图5所示，取P1、P2、P3、P4、P5和P6六个基准点，根据六个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头机器视觉像素坐标系的坐标按最小二乘法来进行求解，得到

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅的值，即求得f(x，y)。

实施例三：

正常使用食品打印机时，如图6所示，将一杯盛有承印物的杯子9任意放置在置物托台6上，在打印之前置物台6上升，最终确保承印物上表面与顶部摄像头1的底部保持垂直距离H。从顶视图7可观察，任意放置的承印物杯子9，在实际空间坐标和置物台6中心有非常明显的偏差。此时顶部摄像头1的机器视觉下承印物上表面任意点可被系统描述为(u，v),结合自动校准流程下取得的坐标变换公式，可计算得到承印物上表面的任意点为(x,y)＝f^-1(u,v),至此，可容易计算得到承印物杯子9在实际空间中其中心点33的实际坐标，以及承印物杯子9的承印区半径R。基于该参数，食品打印机可以准确地将图案加工到任意放置的承印物杯子9的表面，既保证加工中心与承印物中心对齐，也保证了最佳的缩放比例。

自动识别方法包括如下步骤：

步骤一：将承印物放置在置物台上，且位于顶部摄像头下方，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使承印物上表面到顶部摄像头之间的垂直距离为H，此时承印物上表面为直角坐标系XOY所在平面，设定承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；此时f(x，y)为承印物上表面距顶部摄像头垂直距离为H时，承印物上表面任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤二：控制器依据自动校准过程中的函数关系f(x，y)＝(u，v)，求取(x,y)＝f^-1(u,v)，即当前承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标值；

步骤三：控制器控制顶部摄像头采集承印物上表面边缘的多个不同点，获得这些点在摄像头视野坐标系中的坐标值，并代入(x,y)＝f^-1(u,v)，计算出对应的不同点在承印物上表面实际坐标系中的坐标值，由此得出承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值；

步骤四：将承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值信息传送给食品打印机，食品打印机获得当前承印物的位置和打印区的具体形状，然后食品打印机调整打印头的位置，进行打印。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.食品打印机承印物位置识别装置，其特征在于，包括设置在食品打印机本体上的控制器、电机、顶部摄像头、置物台和位置传感器；

所述电机用于驱动置物台进行升、降，置物台上表面设置有用于辅助建立摄像头视野坐标和实际坐标之间函数关系的标记基准图形，标记基准图形上标记有多个基准点；

所述顶部摄像头位于置物台上方，其视野能够完全覆盖置物台；位置传感器用于测定置物台上表面或承印物上表面到摄像头的垂直距离；

所述电机、顶部摄像头和位置传感器与控制器之间电连接。

2.根据权利要求1所述的食品打印机承印物位置识别装置，其特征在于，所述位置传感器为摄像头、激光传感器、红外线距离传感器、超声波距离传感器或微波传感器中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的食品打印机承印物位置识别装置，其特征在于，所述标记基准图形为可被顶部摄像头明显观测到的特征图像。

4.根据权利要求3所述的食品打印机承印物位置识别装置，其特征在于，所述食品打印机本体上安置有补光光源，当环境光线不足时，为顶部摄像头提供补光。

5.权利要求1-4中任一项所述食品打印机承印物位置识别装置的自动校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使标记基准图形到顶部摄像头之间的垂直距离为设定距离H；

步骤2，以标记基准图形的中心为坐标原点O，在距离摄像图垂直距离为H的水平面上建立的直角坐标系XOY，记为实际坐标系；以摄像头的中心为坐标原点O’，在摄像头所在平面上建立的直角坐标系UO’V，记为摄像头视野坐标系；

步骤3，标记基准图形上各个基准点在实际坐标系中的坐标值已知，通过摄像头采集标记基准图形上不少于3个基准点，并记录基准点在摄像头视野坐标中的坐标值；设定基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；控制器根据各个基准点在摄像头视野坐标和实际坐标系中的坐标值，计算得出函数f(x，y)，使f(x，y)＝(u，v)；此时f(x，y)为标记基准图形距顶部摄像头垂直距离为H时，标记基准图形上任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤4，完成上述操作后，即完成了校准，就可以正常使用食品打印机进行加工了，当使用一段时间之后，出现较大的打印误差后，可再次重复步骤1-3再次进行自动校准。

6.根据权利要求5所述的自动校准方法，其特征在于，采用如下公式表示f(x，y)＝(u，v)，

其中，δ_x(x,y)和δ_y(x,y)分别表示在x和y方向的畸变量，采用校正模型进行校正，常用的有多项式模型和MQ模型；从食品打印机运算能力考虑，采用多项式模型来表示f(x，y)＝(u，v)：

其中，a_jk和b_jk是二元方程组的系数，m、j、k均为自然数；该系数可以根据各个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头视野坐标中的坐标值，按最小二乘法来进行求解；对于m次多项式，至少选择(m+1)(m+2)/2个基准点。

7.根据权利要求6所述的自动校准方法，其特征在于，所述m＝2，即采用2次多项式表示f(x，y)＝(u，v)：

根据六个基准点在实际坐标系中的已知坐标值以及在摄像头机器视觉像素坐标系的坐标按最小二乘法来进行求解，得到

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅的值，即求得f(x，y)。

8.基于权利要求5-7中任一项所述食品打印机承印物位置的自动识别方法，特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将承印物放置在置物台上，且位于顶部摄像头下方，通过控制器启动电机，驱动置物台上、下移动，使承印物上表面到顶部摄像头之间的垂直距离为H，此时承印物上表面为直角坐标系XOY所在平面，设定承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标为(x，y)，该点在摄像头视野坐标中的坐标为(u，v)；此时f(x，y)为承印物上表面距顶部摄像头垂直距离为H时，承印物上表面任一点在实际坐标系中的坐标(x，y)，和该点在摄像头视野坐标中的坐标(u，v)的映射关系；

步骤二：控制器依据自动校准过程中的函数关系f(x，y)＝(u，v)，求取(x,y)＝f^-1(u,v)，即当前承印物上表面打印区任一点在实际坐标系中的坐标值；

步骤三：控制器控制顶部摄像头采集承印物上表面边缘的多个不同点，获得这些点在摄像头视野坐标系中的坐标值，并代入(x,y)＝f^-1(u,v)，计算出对应的不同点在承印物上表面实际坐标系中的坐标值，由此得出承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值；

步骤四：将承印物上表面边缘曲线在实际坐标系中的表达式，及承印物上表面中心点在实际坐标系中的坐标值信息传送给食品打印机，食品打印机获得当前承印物的位置和打印区的具体形状，然后食品打印机调整打印头的位置，进行打印。