CN110568866B - 一种三维立体曲面视觉引导对位系统及对位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维立体曲面视觉引导对位系统及对位方法，该系统包括设备壳体及设置在设备壳体中部的中部平台，中部平台包括相机模组、测距模组、控制模组和运动模组；本发明通过控制模组独立控制两套相机模组、测距模组和运动模组，利用相机模组和测距模组分别采集对位目标的二维坐标和高度坐标信息，实现三维立体曲面视觉引导对位，具有结构简单、对位精确度高、自动化性能优异等优点。

Description

一种三维立体曲面视觉引导对位系统及对位方法

技术领域

本发明属于视觉引导对位技术领域，具体涉及一种三维立体曲面视觉引导对位系统及对位方法。

背景技术

工业自动化设备中，许多场景使用视觉引导完成对位、定位功能。实际应用中，多是基于二维平面的视觉引导对位的解决方案和方法，而应用于三维立体曲面的视觉引导对位的解决方案和方法一直为技术壁垒和难点的存在。故，在现实情况中，涉及三维立体曲面对位的工艺流程往往依赖人工手动实现。这样一方面增加了工艺的成本，也致使该类工艺的效率和良率均处于较低状态。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维立体曲面视觉引导对位系统及方法，旨在解决既有方法中存在的以上全部或部分技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种三维立体曲面视觉引导对位系统，包括设备壳体及设置在所述设备壳体中部的中部平台；

所述设备壳体底部设置有进行多轴运动的对位平台，所述对位平台上设置有用于固定第一对位目标的第一固定装置；所述设备壳体顶部设置有用于固定第二对位目标的第二固定装置；

所述中部平台包括相机模组、测距模组、控制模组和运动模组；所述相机模组和测距模组均安装在所述运动模组上，所述控制模组用于控制运动模组带动相机模组采集第一对位目标和/或第二对位目标的图像数据，对采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和/或第二对位目标的标记点二维坐标数据，根据标记点二维坐标数据控制运动模组带动测距模组采集第一对位目标和/或第二对位目标的标记点高度数据，根据标记点二维坐标数据及标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台控制参数，根据控制参数控制对位平台执行对位操作。

本发明还提出了一种三维立体曲面视觉引导对位方法，包括以下步骤：

S1、将第一对位目标与第二对位目标分别安装在第一固定装置与第二固定装置上，并将第一固定装置与第二固定装置需要测定对位的曲面分别正对中部平台；

S2、利用控制模组控制运动模组带动上下两侧的相机模组分别运动到正对第一对位目标与第二对位目标位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，当采集完成后控制运动模组带动相机模组返回安全位置；

S3、利用控制模组对步骤S2采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据；

S4、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据控制运动模组带动上下两侧的测距模组采集第一对位目标和第二对位目标的标记点高度数据，当采集完成后控制运动模组带动测距模组返回安全位置；

S5、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据及步骤S4得到的标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台控制参数；

S6、利用控制模组根据步骤S5得到的控制参数控制对位平台执行对位操作。

本发明的有益效果是：本发明通过控制模组独立控制两套相机模组、测距模组和运动模组，利用相机模组和测距模组分别采集对位目标的二维坐标和高度坐标信息，实现三维立体曲面视觉引导对位，具有结构简单、对位精确度高、自动化性能优异等优点。

附图说明

图1是本发明的三维立体曲面视觉引导对位系统结构示意图；

图2是本发明中独立设置的相机模组结构示意图；

图3是本发明中对位平台和第一固定装置结构示意图；

图4是本发明的三维立体曲面视觉引导对位方法流程示意图。

其中附图标记为：1设备壳体，2中部平台，3对位平台，4第一固定装置，5第二固定装置，6相机模组，7测距模组，8运动模组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的主要解决方案是：

参阅图1、图2和图3所示，一种三维立体曲面视觉引导对位系统，包括设备壳体1及设置在所述设备壳体1中部的中部平台2；

所述设备壳体1底部设置有进行多轴运动的对位平台3，所述对位平台3上设置有用于固定第一对位目标的第一固定装置4；所述设备壳体1顶部设置有用于固定第二对位目标的第二固定装置5；

所述中部平台2包括相机模组6、测距模组7、控制模组和运动模组8；所述相机模组6和测距模组7均安装在所述运动模组8上，所述控制模组用于控制运动模组8带动相机模组6采集第一对位目标和/或第二对位目标的图像数据，对采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和/或第二对位目标的标记点二维坐标数据，根据标记点二维坐标数据控制运动模组8带动测距模组7采集第一对位目标和/或第二对位目标的标记点高度数据，根据标记点二维坐标数据及标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台3控制参数，根据控制参数控制对位平台3执行对位操作。

在本发明的一个可选实施例中，本发明的中部平台2包括上下两侧设置的上侧平台和下侧平台；上侧平台包括设置在中部平台2上侧的相机模组6、测距模组7和运动模组8，其用于对第一对位目标进行对位处理；下侧平台包括设置在中部平台2下侧的相机模组6、测距模组7和运动模组8，其用于对第二对位目标进行对位处理；控制模组分别独立控制上侧平台和下侧平台的相机模组6、测距模组7和运动模组8。

上述相机模组6包括相机模块和相机安装支架，相机模块通过相机安装支架安装在运动模组8上，相机模块用于采集第一对位目标和/或第二对位目标的图像数据并发送至控制模组；特别地，如图2所示，本发明的相机模组6包括多个独立设置的相机模块，使得控制模组能够根据目标大小独立控制调整各个相机模块的运动位置，从而适应不同尺寸的对位目标。

上述测距模组7包括测距仪和测距仪安装支架，测距仪通过测距仪安装支架安装在运动模组8上，测距仪用于采集第一对位目标和/或第二对位目标的标记点高度数据并发送至控制模组。

上述运动模组8包括运动机构和对位平台3，运动机构用于根据控制模组的控制带动相机模组6、测距模组7和对位平台3运动，对位平台3用于根据控制模组的控制带动第一对位目标进行多轴运动，使得第一对位目标和第二对位目标相互匹配的曲面实现对位匹配。

上述控制模组用于控制中部平台2上下两侧的运动模组8带动相机模组6分别采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，对采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据，根据标记点二维坐标数据控制中部平台2上下两侧的运动模组8带动测距模组7采集第一对位目标和第二对位目标的标记点高度数据，根据标记点二维坐标数据及标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台控制参数，根据控制参数控制对位平台3做出相应运动使第一对位目标做出适应第二对位目标曲面形状的运动，从而实现第一对位目标与第二对位目标完成曲面对位组装。

在本发明的一个可选实施例中，本发明在中部平台2上下两侧均设置有安装在相机模块6上的光源模组，光源模组包括工业光源和光源支架，工业光源通过光源支架安装在相机模组6上，光源模组用于对相机模块6提供辅助照明。

在本发明的一个可选实施例中，在第一固定装置4和第二固定装置5上均设置有吸盘，第一固定装置4通过吸盘与第一对位目标固定连接，第二固定装置5通过吸盘与第二对位目标固定连接。

如图4所示为一种三维立体曲面视觉引导对位方法的流程示意图，下面基于上述三维立体曲面视觉引导对位系统，对三维立体曲面视觉引导对位方法进行详细阐述，包括以下步骤：

S1、将第一对位目标与第二对位目标分别安装在第一固定装置与第二固定装置上，并将第一固定装置与第二固定装置需要测定对位的曲面分别正对中部平台；

S2、利用控制模组控制运动模组带动上下两侧的相机模组分别运动到正对第一对位目标与第二对位目标位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，当采集完成后控制运动模组带动相机模组返回安全位置；

S3、利用控制模组对步骤S2采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据；

S4、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据控制运动模组带动上下两侧的测距模组采集第一对位目标和第二对位目标的标记点高度数据，当采集完成后控制运动模组带动测距模组返回安全位置；

S5、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据及步骤S4得到的标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台控制参数；

S6、利用控制模组根据步骤S5得到的控制参数控制对位平台执行对位操作。

在本发明的一个可选实施例中，本发明在步骤S1之前还需要进行系统标定，即包括进行相机模块非线性畸变标定、上下两侧的相机模块坐标标定、相机模块与测距模组的坐标标定、相机模块与对位平台的坐标标定；本发明通过系统标定能够提高运动模组控制的位置精度。

在本发明的一个可选实施例中，本发明在步骤S1之后还包括利用控制模组控制运动模组带动上下两侧的一个或多个相机模块分别运动到正对第一对位目标与第二对位目标位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，根据采集的图像数据计算第一对位目标和第二对位目标的最大轮廓尺寸数据，并根据第一对位目标和第二对位目标的最大轮廓尺寸数据计算相机模块的采集坐标数据。

在得到相机模块的采集坐标数据后，本发明再执行步骤S2利用控制模组根据相机模块的采集坐标数据控制运动模组带动上下两侧的相机模组分别运动到对应位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据。

在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、通过中部平台上下两侧的相机模组和测距模组获取第一对位目标的4个标记点三维坐标信息，记为A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)、A3(x3,y3,z3)、A4(x4,y4,z4)，第二对位目标的4个标记点三维坐标信息，记为B1(x1,y1,z1)、B2(x2,y2,z2)、B3(x3,y3,z3)、B4(x4,y4,z4)；

S52、采用标记点拟合平面方法，分别得到第一对位目标和第二对位目标的三维平面方程Ax+By+Cz+D＝0或者法线式平面方程xcosα+ycosβ+zcosγ＝p；

S53、根据步骤S52拟合得到的三维平面方程或者法线式平面方程，以第二对位目标为参考目标，获取第二对位目标对位位置目标点B(x0,y0,z0)以及对位方向向量b；

S54、根据步骤S52拟合得到的三维平面方程或者法线式平面方程，以第一对位目标为参考目标，获取第一对位目标对位位置目标点A(x0,y0,z0)以及对位方向向量a；

S55、采用三维坐标旋转和平移方法，计算第一对位目标对位位置目标点和第二对位目标对位位置目标点的坐标差值，并转换为6轴对位平台的欧拉角表达方式，得到6轴对位平台的控制参数(x,y,z,α,β,γ)。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三维立体曲面视觉引导对位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将第一对位目标与第二对位目标分别安装在第一固定装置与第二固定装置上，并将第一固定装置与第二固定装置需要测定对位的曲面分别正对中部平台；

S2、利用控制模组控制运动模组带动上下两侧的相机模组分别运动到正对第一对位目标与第二对位目标位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，当采集完成后控制运动模组带动相机模组返回安全位置；

S3、利用控制模组对步骤S2采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据；

S4、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据控制运动模组带动上下两侧的测距模组采集第一对位目标和第二对位目标的标记点高度数据，当采集完成后控制运动模组带动测距模组返回安全位置；

S5、利用控制模组根据步骤S3得到的第一对位目标和第二对位目标的标记点二维坐标数据及步骤S4得到的标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台控制参数；

S51、获取第一对位目标的标记点三维坐标信息，记为A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)、A3(x3,y3,z3)、A4(x4,y4,z4)，第二对位目标的标记点三维坐标信息，记为B1(x1,y1,z1)、B2(x2,y2,z2)、B3(x3,y3,z3)、B4(x4,y4,z4)；

S52、采用标记点拟合平面方法，分别得到第一对位目标和第二对位目标的三维平面方程Ax+By+Cz+D＝0；

S53、根据步骤S52拟合得到的三维平面方程，以第二对位目标为参考目标，获取第二对位目标对位位置目标点B(x0,y0,z0)以及对位方向向量b；

S54、根据步骤S52拟合得到的三维平面方程，以第一对位目标为参考目标，获取第一对位目标对位位置目标点A(x0,y0,z0)以及对位方向向量a；

S55、采用三维坐标旋转和平移方法，计算第一对位目标对位位置目标点和第二对位目标对位位置目标点的坐标差值，并转换为多轴对位平台的欧拉角表达方式，得到多轴对位平台的控制参数(x,y,z,α,β,γ)；

S6、利用控制模组根据步骤S5得到的控制参数控制对位平台执行对位操作。

2.如权利要求1所述的三维立体曲面视觉引导对位方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括进行相机模块非线性畸变标定、上下两侧的相机模块坐标标定、相机模块与测距模组的坐标标定、相机模块与对位平台的坐标标定。

3.如权利要求2所述的三维立体曲面视觉引导对位方法，其特征在于，所述步骤S1后还包括利用控制模组控制运动模组带动上下两侧的一个或多个相机模块分别运动到正对第一对位目标与第二对位目标位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据，根据采集的图像数据计算第一对位目标和第二对位目标的最大轮廓尺寸数据，并根据第一对位目标和第二对位目标的最大轮廓尺寸数据计算相机模块的采集坐标数据。

4.如权利要求3所述的三维立体曲面视觉引导对位方法，其特征在于，所述步骤S2利用控制模组根据相机模块的采集坐标数据控制运动模组带动上下两侧的相机模组分别运动到对应位置采集第一对位目标和第二对位目标的图像数据。

5.一种三维立体曲面视觉引导对位系统，其采用如权利要求1-4任意一项所述的三维立体曲面视觉引导对位方法，其特征在于，包括设备壳体(1)及设置在所述设备壳体(1)中部的中部平台(2)；

所述设备壳体(1)底部设置有进行多轴运动的对位平台(3)，所述对位平台(3)上设置有用于固定第一对位目标的第一固定装置(4)；所述设备壳体(1)顶部设置有用于固定第二对位目标的第二固定装置(5)；

所述中部平台(2)包括相机模组(6)、测距模组(7)、控制模组和运动模组(8)；所述相机模组(6)和测距模组(7)均安装在所述运动模组(8)上，所述控制模组用于控制运动模组(8)带动相机模组(6)采集第一对位目标和/或第二对位目标的图像数据，对采集的图像数据进行处理得到第一对位目标和/或第二对位目标的标记点二维坐标数据，根据标记点二维坐标数据控制运动模组(8)带动测距模组(7)采集第一对位目标和/或第二对位目标的标记点高度数据，根据标记点二维坐标数据及标记点高度数据计算引导位置，并将引导位置转换为对位平台(3)控制参数，根据控制参数控制对位平台(3)执行对位操作。

6.如权利要求5所述的三维立体曲面视觉引导对位系统，其特征在于，所述中部平台(2)包括上下两侧设置的上侧平台和下侧平台，所述上侧平台用于利用设置在中部平台(2)上侧的相机模组(6)、测距模组(7)和运动模组(8)对第一对位目标进行对位处理，所述下侧平台用于利用设置在中部平台(2)下侧的相机模组(6)、测距模组(7)和运动模组(8)对第二对位目标进行对位处理。

7.如权利要求5或6所述的三维立体曲面视觉引导对位系统，其特征在于，所述相机模组(6)包括多个独立设置的相机模块，所述控制模组根据目标大小独立控制各个相机模块的运动位置。

8.如权利要求7所述的三维立体曲面视觉引导对位系统，其特征在于，所述中部平台(2)上下两侧均设置有安装在所述相机模块上的光源模组，所述光源模组用于对所述相机模块提供辅助照明。

9.如权利要求8所述的三维立体曲面视觉引导对位系统，其特征在于，所述第一固定装置(4)和第二固定装置(5)上均设置有吸盘，所述第一固定装置(4)通过所述吸盘与第一对位目标固定连接，所述第二固定装置(5)通过所述吸盘与第二对位目标固定连接。

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