CN111397513A - 一种x-y正交运动平台运动标定系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X‑Y正交运动平台运动标定系统，包括电源、变压器、可编程逻辑控制器PLC、光源控制器、光源、交换机、计算机、X‑Y正交运动轴及电机、相机，移动导轨传送带，本发明公开了一种标定方法，包括S1：将标定板放入轨道中间待标定区域；S2：调整标定板位置，调整相机分辨率及工作距离；S3：从起始位置根据相机的工作距离进行取相获取取相图片；S4：对取相图片进行偏移计算；S5：存储理论位置与偏移位置对应关系表；S6：实际移动取相时输入移动位置，根据关系表查到位置区间，求得矩阵变换公式，代入求得实际移动位置。本发明的方法，不依赖正交系统倾角参数，无需运动系统产品提供补偿功能。只需要通过相机进行视觉处理，操作简单方便。

Description

一种X-Y正交运动平台运动标定系统以及方法

技术领域

本发明涉及一种X-Y正交运动平台运动标定系统以及方法。

背景技术

在视觉检测领域，对于视觉检测设备的制造过程中，存在零/部件加工与装配误差、以及零/部件的热变形，往往导致正交运动轴相互不垂直，另外，使用的运动系统存在固有的运动控制系统分辨率、机构传动链误差，将会导致运动位置不准确，以上因素均能导致运动位置存在偏差，影响检测效果。

对于X-Y正交运动平台而言，通常会存在的角度偏差的问题，而现有技术中，通常采用测量正交运动平台的夹角，在标定过程中增加倾角补偿的方法进行修正角度偏差。

而这样的修正方法需要测量正交轴间的倾角，易受到机械结构影响，不易得出相对测量平面的真实角度，再者，采用该运动平台的产品参差不齐，具备补偿功能产品成本大。

发明内容

为克服上述技术中的缺陷，本发明提供一种X-Y正交运动平台运动标定系统，包括：电源、变压器、可编程逻辑控制器PLC、光源控制器、光源、交换机、计算机、X-Y正交运动轴及电机、相机，移动导轨传送带，所述电源分别与所述光源控制器、所述变压器电连接；所述变压器分别与所述可编程逻辑控制器PLC、相机电连接；所述可编程逻辑控制器PLC分别与所述光源控制器、所述相机电连接；所述光源控制器与所述光源电连接；所述相机分别与所述交换机电连接，所述交换机与所述计算机电连接，所述计算机与所述可编程逻辑控制器PLC电连接。

本发明还提供一种采用所述标定系统的标定方法，包括如下步骤：

S1：将标定板放入轨道中间待标定区域；

S2：调整标定板位置，调整相机分辨率及工作距离；

S3：从起始位置根据相机的工作距离进行取相获取取相图片；

S4：对取相图片进行偏移计算；

S5：存储理论位置与偏移位置对应关系表；

S6：实际移动取相时输入移动位置，根据关系表查到位置区间，求得矩阵变换公式，代入求得实际移动位置。

进一步地，在S1中，具体地，进行以下步骤：

获取一个水平测试平台，所述水平测试平台装配有移动导轨传送带，水平测试平台上方架有X-Y正交运动轴，X-Y正交运动轴的平面与水平测试平台垂直，X轴两端架在Y轴上，且所述X轴与传送带(1-11)平行，X轴安装有滑块，滑块下方挂有相机及光源，其中，所述相机的镜头与水平测试平台并行，将带有刻度的标定板，置于工作平台传送带上，其中，标定板为一块M×N个圆形标定点的标定板，标定点半径r微米，圆心间距为d微米，呈阵列分布，标定板长宽L×W应大于设备测试产品最大长宽I×w。

进一步地，在S2中，具体地，调整相机分辨率时，使得相机成像应满足：图像中每像素Um数m应为的标定板参数2r的因子。

进一步地，在S3中，具体地，选择起始标定位(x，y)，将起始标定位与所述标定板上圆形标定点对齐；

更具体地，对齐方法如下：使用所述相机，通过不断移动获取取相相片，进而获取中心与圆形标定点重合的取相图片。

进一步地，在S4中，具体地，以所述起始标定点(x，y)为起点，移动步长为XY方向均为d，则X方向最大移动次数为：

N＝[(l-x)/d]+1([]为取整) (1)

Y方向最大移动次数为：

M＝[(w-y)/d]+1([]为取整) (2)

则得到一个运动位置矩阵：A_MN，

其中；

a_ij＝(x+(i-1)*d，y+(j-1)*d)，i＝1，2...，M，j＝1，2，...，N

按矩阵行依次进行移动取像，计算图像中标定点与图像中心的差，得到偏移矩阵O_MN。

进一步地，在S5中，基于移动位置矩阵A_MN和偏移矩阵O_MN，进行类似分段线性插值处理，将标定过程分解为求解矩阵A_MN中每相邻四个点ABCD到实际运动位置四个点A′B′C′D′的映射关系，即四个点A(x+i*d，y+j*d)、B(x+i*d，y+(j+1)*d)、C(x+(i+1)*d，y+j*d)、D(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)构成的理论位置区域到A′(x+i*d，y+j*d)+O_ij、B′(x+i*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)j、C′(x+(i+1)*d，y+j*d)+O_i(j+1)、D′(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)(j+1)构成的实际位置区域的映射关系，其中i＝1，2，...，M-1；j＝1，2，...，N-1，之后，利用透视变换得到位置对应表，其公式如下：

设变换矩阵为

进一步地，在S6中，具体地，

依据透视变化原理，四边形ABCD内理论位置(X，Y)与四边形A′B′C′D′实际

满足以下关系：

求解可得：

将上述八个点ABCD A′B′C′D′坐标代入上面对应关系(5)、(6)即可得到此变换矩阵K的值，其中K₃₃＝1，那么区域ABCD内任意位置对应的实际位置即可代入上面变换公式(5)、(6)得到，同理，矩阵内任意相邻四点构成的区域实际移动位置皆可得到。

本发明的有益效果：

本发明中相对于现有技术而言，不依赖正交系统倾角参数，无需运动系统产品提供补偿功能。只需要通过相机进行视觉处理，操作简单方便。

附图说明

图1为标定台示意图；

图2为刻度标定板示意图；

图3为圆形标定板示意图；

图4为相机采集图像示意图；

图5为取相结果示意图；

图6为理论位置和实际位置示意图。

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。

一种X-Y正交运动平台运动标定系统，包括：电源、变压器、可编程逻辑控制器PLC、光源控制器、光源、交换机、计算机、X-Y正交运动轴1、电机、相机2，移动导轨传送带3以及标定板4(如图1所示)，所述电源分别与所述光源控制器、所述变压器电连接；所述变压器分别与所述可编程逻辑控制器PLC、相机电连接；所述可编程逻辑控制器PLC分别与所述光源控制器、所述相机电连接；所述光源控制器与所述光源电连接；所述相机分别与所述交换机电连接，所述交换机与所述计算机电连接，所述计算机与所述可编程逻辑控制器PLC电连接。

一种基于以上标定系统的标定方法，包括如下步骤：

S1：将标定板放入轨道中间待标定区域；

S2：调整标定板位置，调整相机分辨率及工作距离；

S3：从起始位置根据相机的工作距离进行取相获取取相图片；

S4：对取相图片进行偏移计算；

S5：存储理论位置与偏移位置对应关系表；

S6：实际移动取相时输入移动位置，根据关系表查到位置区间，求得矩阵变换公式，代入求得实际移动位置。

在S1中，具体地，进行以下步骤：

获取一个水平测试平台，所述水平测试平台装配有移动导轨传送带，水平测试平台上方架有X-Y正交运动轴，X-Y正交运动轴的平面与水平测试平台垂直，X轴两端架在Y轴上，且所述X轴与传送带平行，X轴安装有滑块，滑块下方挂有相机及光源，其中，所述相机的镜头与水平测试平台并行，将带有刻度的标定板(如图2所示)，置于工作平台传送带上，其中，标定板为一块M×N个圆形标定点的标定板(如图3所示)，标定点半径r微米，圆心间距为d微米，呈阵列分布，标定板长宽L×W应大于设备测试产品最大长宽I×w。

在S2中，具体地，调整相机分辨率时，使得相机成像应满足：图像中每像素Um数m应为的标定板参数2r的因子。这样可以避免后续像素与微米转换产生的小数导致的误差。

在S3中，具体地，选择起始标定位(x，y)，将起始标定位与所述标定板上圆形标定点对齐。

更具体地，对齐方法如下：见图4，使用所述相机，通过不断移动获取取相相片，进而获取中心与圆形标定点重合的取相图片，取相结果如图5所示。这样可有效避免零点误差，此过程即使存在零点误差，会使得后续所有位置运动均会和此位置运动误差一致，从而抵消此位置产生的运动误差影响。

在S4中，具体地，以所述起始标定点(x，y)为起点，移动步长为XY方向均为d，则X方向最大移动次数为：

N＝[(I-x)/d]+1([]为取整) (1)

Y方向最大移动次数为：

M＝[(w-y)/d]+1([]为取整) (2)

则得到一个运动位置矩阵：A_MN，

其a_ij＝(x+(i-1)*d，y+(j-1)*d)，i＝1，2...，M，j＝1，2，...，N中；

按矩阵行依次进行移动取像，计算图像中标定点与图像中心的差，得到偏移矩阵O_MN。

在S5中，基于移动位置矩阵A_MN和偏移矩阵O_MN，进行类似分段线性插值处理，见图6，将标定过程分解为求解矩阵A_MN中每相邻四个点ABCD到实际运动位置四个点A′B′C′D′的映射关系，即四个点A(x+i*d，y+j*d)、B(x+i*d，y+(j+1)*d)、C(x+(i+1)*d，y+j*d)、D(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)构成的理论位置区域到A′(x+i*d，y+j*d)+O_ij、B′(x+i*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)j、C′(x+(i+1)*d，y+j*d)+O_i(j+1)、D′(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)(j+1)构成的实际位置区域的映射关系，其中i＝1，2，...，M-1；j＝1，2，...，N-1，之后，利用透视变换得到位置对应表，其公式如下：

设变换矩阵为

在S6中，具体地，

则依据透视变化原理，四边形ABCD内理论位置(X，Y)与四边形A′B′C′D′实际位置(X′，Y′)的满足以下关系：

求解可得：

将上述八个点ABCD A′B′C′D′坐标代入上面对应关系(5)、(6)即可得到此变换矩阵K的值，其中K₃₃＝1，那么区域ABCD内任意位置对应的实际位置即可代入上面变换公式(5)、(6)得到，同理，矩阵内任意相邻四点构成的区域实际移动位置皆可得到。

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 (8)

1.一种X-Y正交运动平台运动标定系统，其特征在于：包括电源、变压器、可编程逻辑控制器PLC、光源控制器、光源、交换机、计算机、X-Y正交运动轴及电机、相机，移动导轨传送带，所述电源分别与所述光源控制器、所述变压器电连接；所述变压器分别与所述可编程逻辑控制器PLC、相机电连接；所述可编程逻辑控制器PLC分别与所述光源控制器、所述相机电连接；所述光源控制器与所述光源电连接；所述相机分别与所述交换机电连接，所述交换机与所述计算机电连接，所述计算机与所述可编程逻辑控制器PLC电连接。

2.根据采用权利要求1所述标定系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将标定板放入轨道中间待标定区域；

S2：调整标定板位置，调整相机分辨率及工作距离；

S3：从起始位置根据相机的工作距离进行取相获取取相图片；

S4：对取相图片进行偏移计算；

S5：存储理论位置与偏移位置对应关系表；

S6：实际移动取相时输入移动位置，根据关系表查到位置区间，求得矩阵变换公式，代入求得实际移动位置。

3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S1中，具体地，进行以下步骤：

获取一个水平测试平台，所述水平测试平台装配有移动导轨传送带，水平测试平台上方架有X-Y正交运动轴，X-Y正交运动轴的平面与水平测试平台垂直，X轴两端架在Y轴上，且所述X轴与传送带(1-11)平行，X轴安装有滑块，滑块下方挂有相机及光源，其中，所述相机的镜头与水平测试平台并行，将带有刻度的标定板，置于工作平台传送带上，其中，标定板为一块M×N个圆形标定点的标定板，标定点半径r微米，圆心间距为d微米，呈阵列分布，标定板长宽L×W应大于设备测试产品最大长宽l×w。

4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S2中，具体地，调整相机分辨率时，使得相机成像应满足：图像中每像素Um数m应为的标定板参数2r的因子。

5.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S3中，具体地，选择起始标定位(x，y)，将起始标定位与所述标定板上圆形标定点对齐。

更具体地，对齐方法如下：使用所述相机，通过不断移动获取取相相片，进而获取中心与圆形标定点重合的取相图片。

6.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S4中，具体地，以所述起始标定点(x，y)为起点，移动步长为XY方向均为d，则X方向最大移动次数为：

N＝[(l-x)/d]+1([]为取整) (1)

Y方向最大移动次数为：

M＝[(w-y)/d]+1([]为取整) (2)

则得到一个运动位置矩阵：A_MN，

其中，a_ij＝(x+(i-1)*d，y+(j-1)*d)，i＝1，2...，M，j＝1，2，...，N；

按矩阵行依次进行移动取像，计算图像中标定点与图像中心的差，得到偏移矩阵O_MN。

7.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S5中，基于移动位置矩阵A_MN和偏移矩阵O_MN，进行类似分段线性插值处理，将标定过程分解为求解矩阵A_MN中每相邻四个点ABCD到实际运动位置四个点A′B′C′D′的映射关系，即四个点A(x+i*d，y+j*d)、B(x+i*d，y+(j+1)*d)、C(x+(i+1)*d，y+j*d)、D(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)构成的理论位置区域到A′(x+i*d，y+j*d)+O_ij、B′(x+i*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)j、C′(x+(i+1)*d，y+j*d)+O_i(j+1)、D′(x+(i+1)*d，y+(j+1)*d)+O_(i+1)(j+1)构成的实际位置区域的映射关系，其中i＝1，2，...，M-1；j＝1，2，...，N-1，之后，利用透视变换得到位置对应表，其公式如下：

设变换矩阵为

8.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在S6中，具体地，

依据透视变化原理，四边形ABCD内理论位置(X，Y)与四边形A′B′C′D′实际位置(X，Y)的满足以下关系：

求解可得：

将上述八个点ABCD A′B′C′D′坐标代入上面对应关系(5)、(6)即可得到此变换矩阵K的值，其中K₃₃＝1，那么区域ABCD内任意位置对应的实际位置即可代入上面变换公式(5)、(6)得到，同理，矩阵内任意相邻四点构成的区域实际移动位置皆可得到。

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