CN111260734B - 一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法，其中，所述XYθ平台机器视觉对位系统包括A图像采集装置、A平台、B图像采集装置以及B平台，A平台以及B平台均吸附有标定板，标定板设置有多个横向以及纵向排列的圆靶标，圆靶标之间等间隔分布，本发明的的标定方法中，通过应用高精度标定板建立相对于图像坐标的固定虚拟坐标系，而此坐标系作为中间变换因素。控制的平台移动固定距离，获取标定板上的基准点图像坐标变化和平台坐标变化，计算出图像、虚拟坐标系、平台坐标系之间的坐标变换关系，完成平台的标定，克服了平台分体安装无法在各自图像平面实现XY坐标方向移动来实现精确标定导致精度误差大的难题，具有很强的适应性与极高的精度。

Description

一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法

技术领域

本发明涉及一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法。

背景技术

在计算机、通信、消费电子及零部件等制造业领域，往往需要将两个或多个零部件进行对位安装。安装的精度直接决定产品的质量，在生产过程中，一般使用机器视觉对位系统来实现零部件的对位。机构平台也较多使用XYθ平台模式，而且是分体安装为A、B平台。

如图1所示，A平台110包含运动机构X轴、θ轴、A图像采集装置120，B平台210包含运动机构Y轴、B图像采集装置220。A对象130放置于A平台上，B对象230放置于B平台上，A对象和B对象均设置有对位标识240，在实际的工业生产过程中，A对象130可以为手机液晶屏，B对象230可以为背光模组，通过机器视觉对位系统实现两者的贴合；A图像采集装置和B图像采集装置用于拍摄对位标识240。对位贴合的过程包括：A图像采集装置采集拍摄A对象130的对位标识240，并根据预先确定的A图像平面与A平台平面的映射关系，计算得出A对象130中对位标识240的A平台坐标；同样，B图像采集装置拍摄B对象的对位标识240，并根据预先确定的B图像平面与B平台平面的映射关系，计算得出B对象中对位标识240的B平台坐标；根据A、B平台与A、B图像采集装置拍摄计算出的坐标偏差，A平台将A对象移动到调整后的贴合位置，B平台将B对象移动到调整后的贴合位置，然后A平台下降将A对象贴合到B对象上，从而完成A对象与B对象的贴合。在对位贴合过程中，预先确定A对象图像坐标与A平台坐标，以及B图像坐标与B平台坐标的映射关系是对位贴合的基础，称为标定；标定的精确程度是对位贴合精确度的关键。

现有的标定方法：A平台沿X、θ轴方向，分别移动固定距离，A图像采集装置获取A平台对象基准点图像，并获取图像坐标偏差和A平台坐标偏差。通过X偏差关系计算X方向像素比，并赋值给Y方向的像素比，通过θ偏差结合X、Y像素比计算确定A平台平面与A图像平面的坐映射关系，完成A平台标定。B平台沿Y方向移动固定距离，B图像采集装置获取B平台对象基准点图像，并获取图像坐标偏差和B平台坐标偏差。通过Y偏差关系计算Y方向像素比，并赋值给X方向的像素比，从而计算确定B平台平面与B图像平面的坐映射关系，完成B平台标定。

由于现有的标定方法中采用分体式A，B平台，导致在标定时两平台图像采集装置不能够同时获取平台在X，Y方向的对象基准点图像与X，Y轴运动偏差。只能获取某1方向(X或Y)的图像偏差与运动偏差来计算图像与运动映射关系，而另1方向映射关系也直接取值于此关系。如果图像平面与运动平面绝对平行，理论上X，Y方向映射关系等值，但是由于安装等因素，存在两平面不平行，X，Y方向映射关系不等值，从而无法保证标定的精确度。

同时，由于分体式A，B平台，在工作组装部件时，A平台的Y方向视觉偏差需B平台Y轴补偿，B平台X方向视觉偏差需要A平台补偿。由于映射不等值关系，从而也无法保证组装精确度。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，为此，提供一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法，其中，所述XYθ平台机器视觉对位系统包括A图像采集装置、A平台、B图像采集装置以及B平台，所述A平台以及B平台均吸附有标定板，所述标定板设置有多个横向以及纵向排列的圆靶标，所述圆靶标之间等间隔分布，包括以下步骤：

S1：A图像采集装置获取A平台的标定板图像；

S2：设定一个固定坐标系，然后设定A平台的标定板图像中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置为原点，根据圆靶标布局方向建立虚拟坐标系∑a，最后确定虚拟坐标系∑a与固定坐标系的之间；

S3：在A平台上建立一个A平台坐标系，A平台沿X轴移动固定距离，并且沿着θ方向转动固定的角度，获取此时基准点在∑a坐标系下的坐标值的以及A平台相对于固定坐标系下的坐标值；

S4：根据基准点在∑a坐标下的坐标值和A平台在固定坐标下的坐标值，计算出∑a坐标系与A平台坐标系变换关系，完成A平台的标定；

S5：B图像采集装置获取B平台标定板的图像；

S6：设定一个固定坐标系，然后以标定板图像中其中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置为坐标系原点，建立虚拟坐标系∑b，然后计算虚拟坐标系∑b原点在固定坐标系下的坐标值以及计算出虚拟坐标系∑b原点在固定坐标系下的夹角值，进而确定∑b坐标系的坐标值与固定坐标系的变换关系；

S7：在B平台上建立一个B平台坐标系，B平台沿Y轴移动固定距离，获取此时基准点在∑b坐标系下的坐标值的以及B平台相对于固定坐标系下的坐标值；

S8：根据基准点在∑b坐标下的坐标值和B平台在固定坐标下的坐标值，计算出∑a坐标系与B平台坐标系变换关系，完成B平台的标定。

进一步地，所述A图像采集装置以及B图像采集装置均为相机。

本发明的有益效果是：本发明的的标定方法中，通过应用高精度标定板建立相对于图像坐标的固定虚拟坐标系，而此坐标系作为中间变换因素。控制的平台移动固定距离，获取标定板上的基准点图像坐标变化和平台坐标变化，计算出图像、虚拟坐标系、平台坐标系之间的坐标变换关系，完成平台的标定，克服了平台分体安装无法在各自图像平面实现XY坐标方向移动来实现精确标定导致精度误差大的难题，具有很强的适应性与极高的精度。

附图说明

图1为目前一种常用的机器视觉XYθ平台对位系统的结构示意图；

图2为本发明提供的A平台标定基准位置的示意图；

图3为本发明提供的A平台沿X方向移动固定距离后的基准点位置示意图；

图4为本发明提供的A平台沿θ正方向移动固定距离后的基准点位置示意图；

图5为本发明提供的A平台沿θ负方向移动固定距离后的基准点位置示意图；

图6本发明提供的B平台标定基准位置的示意图；

图7为本发明提供的B平台沿Y方向移动固定距离后的基准点位置示意图；

图8为本发明标定方法流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

见图1，本发明提供的一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法，其中，所述XYθ平台机器视觉对位系统包括A图像采集装置120、A平台110、B图像采集装置220以及B平台210，所述A平台以及B平台均吸附有标定板160，所述标定板160设置有多个横向以及纵向排列的圆靶标，所述圆靶标之间等间隔分布。

包括以下步骤：见图8。

步骤S1：A图像采集装置获取A平台的标定板图像；

首先，A平台处于标定基准位置，具体地，见图2，其中，通过调整A图像采集装置(即为相机)，使得A图像采集装置(即为相机)的视场150能够清晰地获得A平台的标定板圆靶标的图像，并尽可能使得视场150布满标定板的圆靶标。

步骤S2：设定一个固定坐标系，然后设定A平台的标定板图像中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置161为原点，根据圆靶标布局方向建立虚拟坐标系∑a，最后确定虚拟坐标系∑a与固定坐标系的之间；

见图2，设定一个固定坐标系，然后以标定板图像中其中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置161为坐标系原点，建立虚拟坐标系∑a，然后计算虚拟坐标系∑a原点在固定坐标系下的坐标值以及计算出虚拟坐标系∑a原点在固定坐标系下的夹角值，最后确定虚拟坐标系∑a与固定坐标系的之间。

步骤S3：在A平台上建立一个A平台坐标系，A平台沿X轴移动固定距离，并且沿着θ方向转动固定的角度，获取此时基准点在∑a坐标系下的坐标值的以及A平台相对于固定坐标系下的坐标值。

见图2，首先，获取基准点的初始位置161在固定坐标系下坐标值，然后变换为在∑a坐标系下的坐标值，记为(Xa1，Ya1)，将A平台在固定坐标系下的坐标值，记为(XA1，YA1θA1)＝(0，0，0)。见图3，之后，控制A平台沿X轴方向移动固定距离ΔXA12，获取基准点的第二位置162在固定坐标系下坐标值，变换为在∑a坐标系下坐标值，记为(Xa2，Ya2)，此时，A平台在固定坐标系下的坐标值记为(XA2，YA2，θA2)＝(ΔXA12，0，0)。见图4，移动A平台使得基准点回到初始位置161，再沿θ正方向转动固定角度Δθ1，获取基准点的第三位置163的在固定坐标系下的坐标值，变换为在∑a坐标系下的坐标值，记为(Xa3，Ya3)，此时A平台在固定坐标系下的坐标值，记为(XA3，YA3，θA3)＝(0，0，Δθ1)。见图5，移动A平台使得基准点位置回到初始位置161，再沿θ负方向转动固定角度Δθ2，获取基准点的第四位置164的在固定坐标下的坐标值，变换为在∑a坐标下的坐标值，记为(Xa4，Ya4)，此时A平台在固定坐标系下记为(XA4，YA4，θA4)＝(0，0，Δθ2)。

步骤S4：根据基准点在∑a坐标下的坐标值和A平台在固定坐标下的坐标值，计算出∑a坐标系与A平台坐标系变换关系，完成A平台的标定。

基准点在初始位置161、162两位置在∑a坐标下坐标偏差值为(ΔXa12，ΔYa12)，其中，ΔXa12＝Xa2-Xa1，ΔYa12＝Ya2-Ya1。基准点161、162两位置时A平台坐标系在固定坐标下坐标偏差为(ΔXA12，ΔYA12)，其中，ΔXA12＝XA2-XA1，ΔYA12＝YA2-YA1＝0。从而计算出∑a坐标系原点相对于A平台坐标系夹角关系ΔθAa；初始位置161，第三位置163，第四位置164共圆且在∑a坐标系下的坐标值已知，夹角已知，同时，A平台坐标系与∑a坐标系夹角已知，可建立两组方程组，计算得出两组圆心坐标，取平均值确立圆心坐标，即是A平台旋转中心(A平台坐标系原点)在∑a坐标系上的坐标。反过来可得出∑a坐标系在平A台坐标系的平移位置与旋转角度，进而可确立A平台坐标系到∑a坐标系的变换关系，完成A平台的标定。以上计算方法为本领域技术人员常用计算方法，不作详述。

步骤S5：B图像采集装置获取B平台标定板的图像；

首先，B平台处于有标定基准位置，具体地，见图6，其中，通过调整B图像采集装置(即为相机)，使得B图像采集装置(即为相机)的视场250能够清晰地获得B平台的标定板圆靶标的图像，并尽可能使得视场250布满标定板的圆靶标。

步骤S6：设定一个固定坐标系，然后以标定板图像中其中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置261为坐标系原点，建立虚拟坐标系∑b，然后计算虚拟坐标系∑b原点在固定坐标系下的坐标值以及计算出虚拟坐标系∑b原点在固定坐标系下的夹角值，进而确定∑b坐标系的坐标值与固定坐标系的变换关系。

见图6，设定一个固定坐标系，然后以标定板图像中其中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置261为坐标系原点，建立虚拟坐标系∑b，然后计算虚拟坐标系∑b原点在固定坐标系下的坐标值。

步骤S7：在B平台上建立一个B平台坐标系，B平台沿Y轴移动固定距离，获取此时基准点在∑b坐标系下的坐标值的以及B平台相对于固定坐标系下的坐标值。

见图7，首先，获取基准点的初始位置261在固定坐标系下坐标值，然后变换为在∑b坐标系下的坐标值，记为(Xb1，Yb1)，将A平台在固定坐标系下的坐标值，记为(XB1，YB1 θB1)＝(0，0，0)，之后，控制B平台沿Y轴方向移动固定距离ΔYB12，获取基准点的第二位置262在固定坐标系下坐标值，变换为在∑b坐标系下坐标值，记为(Xb2，Yb2)，此时，B平台在固定坐标系下的坐标值记为(XB2，YB2，θB2)＝(0，ΔYB12，0)。

步骤S8：根据基准点在∑b坐标下的坐标值和B平台在固定坐标下的坐标值，计算出∑a坐标系与B平台坐标系变换关系，完成B平台的标定。

基准点在初始位置261、262两位置在∑a坐标下坐标偏差值为(ΔXb12，ΔYb12)，其中，ΔXb12＝Xb2-Xb1，ΔYb12＝Yb2-Yb1。基准点261、262两位置时A平台坐标系在固定坐标下坐标偏差为(ΔXB12，ΔYB12)，其中，ΔXB12＝XB2-XB1＝0，ΔYB12＝YB2-YB1。从而计算出∑b坐标系原点相对于B平台坐标系夹角关系ΔθBb；B平台坐标系原点与∑b坐标系原点重合而且坐标系夹角为ΔθBb，进而可确立B平台坐标系到∑b坐标系的变换关系，完成B平台标定。以上计算方法为本领域技术人员常用计算方法，不作详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种XYθ平台机器视觉对位系统的标定方法，其中，所述XYθ平台机器视觉对位系统包括A图像采集装置、A平台、B图像采集装置以及B平台，所述A平台以及B平台均吸附有标定板，所述标定板设置有多个横向以及纵向排列的圆靶标，所述圆靶标之间等间隔分布，包括以下步骤：

S1： A图像采集装置获取A平台的标定板图像；

S2：设定一个固定坐标系，然后设定A平台的标定板图像中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置为原点，根据圆靶标布局方向建立虚拟坐标系Σa,最后确定虚拟坐标系Σa与固定坐标系变换关系；

S3: 在A平台上建立一个A平台坐标系，A平台沿X轴移动固定距离, 并且沿着θ方向转动固定的角度,获取此时基准点在Σa坐标系下的坐标值的以及A平台相对于固定坐标系下的坐标值；

S4:根据基准点在Σa坐标系下的坐标值和A平台在固定坐标系下的坐标值，计算出Σa坐标系与A平台坐标系变换关系，完成A平台的标定；

S5 ：B图像采集装置获取B平台标定板的图像;

S6 ：设定一个固定坐标系，然后以B平台标定板的图像中其中一个圆靶标为基准点，以基准点的初始位置为坐标系原点，建立虚拟坐标系Σb，然后计算虚拟坐标系Σb原点在固定坐标系下的坐标值以及计算出虚拟坐标系Σb原点在固定坐标系下的夹角值，进而确定Σb坐标系的坐标值与固定坐标系的变换关系；

S7: 在B平台上建立一个B平台坐标系，B平台沿Y轴移动固定距离,获取此时基准点在Σb坐标系下的坐标值的以及B平台相对于固定坐标系下的坐标值；

S8： 根据基准点在Σb坐标系下的坐标值和B平台在固定坐标系下的坐标值，进而可确立B平台坐标系到Σb坐标系的变换关系，完成B平台标定。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述A图像采集装置以及B图像采集装置均为相机。