CN112557390A - 一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，包括步骤a至步骤g。本发明：1、单目视觉极耳错位检测方法基于透视投影相机模型，拍照方案简单，无需远心镜头或长焦镜头，成本低且节约空间，例如，相同视野条件下，本发明所需采用的镜头通常比基于弱透视投影相机模型方法所需的长焦镜头工作距离短约50％，比基于正交投影相机模型方法所需的远心镜头工作距离短约80％且成本低约98％。2、实现了单相机条件下三维目标距离测量，计算模型与实际情况高度吻合。3、将单目极耳到电芯侧边距离3维测量问题大为简化，方法易于理解和实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，属于电池生产技术领域。
背景技术
在动力电池生产领域，卷绕工艺是方形电芯的主流工艺。卷绕工艺中，先对极片进行模切，然后将阴极极片、阳极极片、两层隔离膜按“隔离膜-阴极极片-隔离膜-阳极极片”的顺序在卷针上卷绕贴合完成。在电芯卷绕过程中，若物料厚度与标准厚度不一致，会导致极耳错位，影响裸电芯后段工序的装配及焊接过流能力。
目前电芯极耳错位检测总体概括为2步：1、测量“极耳到电芯侧边距离”；2、检查“极耳到电芯侧边距离”是否在于规定的合格范围内，据此判断是否属于极耳错位缺陷。
这2步是电池生产厂对极耳错位检测的标准要求和定义，“极耳错位缺陷”在概念上就是定义在“极耳到电芯侧边距离”这个概念上的，没有不测量“极耳到电芯侧边距离”的“极耳错位缺陷检测”方法。其中，“极耳到电芯侧边距离”属于“极耳错位缺陷检测”的定义而非方法。“极耳错位缺陷”的定义是“极耳到电芯侧边距离”超出了规定范围。
参见图1，现有技术中相同视野(140mm×117mm)不同镜头参数比较示意图。当前裸电芯极耳错位检测的关键问题是测量极耳到电芯边缘的距离。单目视觉距离测量常见方法有2种，一种基于正交投影相机模型，基于正交投影相机模型的方法要求使用远心镜头，测量精度高，但远心镜头尺寸大、成本高、视野小，不适于极耳错位检测。
另一种基于弱透视投影相机模型。参见对比文件1，申请公告号CN107941805A的发明专利公开一种“电芯质量检测方法”。属于基于弱透视投影相机模型的方法，它假设测量目标位于同一深度平面，忽视了相机拍摄的透视效果(近大远小)，因此本质上是一种近似计算。文件1公开的方法要想达到比较准确的距离测量，需要比较长的拍摄距离和长焦镜头以减轻透视效果，占用比较大的空间，或需要增加相机数量。
为了解决上述技术问题，特提出一种新的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，所述方法包括：
步骤a，通过标定确定图像平面中主点坐标o(u0，v0)，以及相机空间中裸电芯主体两侧边缘位置所在深度平面的坐标转换系数k1、极耳顶部所在深度平面坐标转换系数k2和极耳底部所在深度平面坐标转换系数k3；
步骤b，利用相机对裸电芯拍摄图像；
步骤c，利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1：(u1，v1)和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2：(u2，v2)，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层；
步骤d，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
和利用裸电芯主体边缘点图像坐标p1和坐标转换系数k1计算出对应的相机空间中xy坐标
步骤e，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
将极耳边缘电图像坐标p2转换为相应的相机空间中xy坐标
当极耳边缘点位于顶层时k取值k2，位于底层时k取值k3；
步骤f，根据两点在相机空间中xy坐标
和
计算极耳内侧或外侧到裸电芯主体边缘的距离s1/s2；
步骤g，计算极耳内侧错位距离
和极耳外侧错位距离
式中
和
分别是极耳内侧和极耳外侧到对应裸电芯主体侧边缘的标准距离，若错位距离d1或d1超过阈值则判为极耳错位缺陷。
优选地，所述相机光轴垂直正对裸电芯主体表面朝向阴极极耳和阳极极耳中间位置进行裸电芯拍摄图像。
优选地，所述步骤c)利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层的具体方法为：
a)对裸电芯图像进行处理，提取极耳边缘局部图像；
b)对极耳边缘局部图像进行边缘检测得到边缘图像；
c)对边缘图像中进行分析，如果边缘是单边则判定极耳边缘点位于顶层极耳，如果边缘是多边则判定极耳边缘点位于底层极耳。
优选地，所述相机空间中一点P(x，y，z)与相机空间中一点P(x，y，z)在图像平面上的投影p(u，v)满足以下关系:
式中fu，fv，u0，v0是相机内参，与拍摄场景无关。
优选地，所述相机为工业面阵相机，其相机内参fu，fv近似满足fu＝fv，所述图像坐标到相机空间xy坐标的转换关系为
式中kz是一个与深度值z有关的系数。
有益效果
1、本发明单目视觉极耳错位检测方法基于透视投影相机模型，拍照方案简单，无需远心镜头或长焦镜头，成本低且节约空间。相同视野条件下，本发明所需采用的镜头通常比基于弱透视投影相机模型方法所需的长焦镜头工作距离短约50％，比基于正交投影相机模型方法所需的远心镜头工作距离短约80％且成本低约98％。
2、本发明单目视觉极耳错位检测方法对相机空间中不同深度处的点应用对应的坐标转换系数进行相机空间xy坐标计算，实现了单相机条件下三维目标距离测量，计算模型与实际情况高度吻合，而基于正交投影相机模型的方法实际上是平面测量，基于弱透视投影相机模型的方法是近似计算(忽略目标深度变化)。
3、本发明单目视觉极耳错位检测方法考虑了卷绕工艺方形裸电芯结构特点和极耳错位形成模式，将单目极耳到电芯侧边距离3维测量问题大为简化，方法易于理解和实现。
附图说明
图1为现有技术中相同视野(140mm×117mm)不同镜头参数比较示意图。
图2为卷绕工艺方形裸电芯外形结构示意图。
图3为极耳正常及错位情况示意图。
图4为透视投影相机模型示意图。
图5为本发明极耳错位单目视觉检测拍照方案示意图。
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。本发明仅特别针对应用于背景技术提及的场景使用，由此可能产生其它新的问题由于篇幅限制和发明人对一项技术的初次研发精力有限，难以做到一次研发就形成一个完美技术方案，因此均可采用现有的方式进行理解和解决。
请参阅说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，所述方法包括：
步骤a，通过标定确定图像平面中主点坐标o(u0，v0)，以及相机空间中裸电芯主体两侧边缘位置所在深度平面的坐标转换系数k1、极耳顶部所在深度平面坐标转换系数k2和极耳底部所在深度平面坐标转换系数k3；
步骤b，利用相机对裸电芯拍摄图像；
步骤c，利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1：(u1，v1)和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2：(u2，v2)，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层；
步骤d，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
和利用裸电芯主体边缘点图像坐标p1和坐标转换系数k1计算出对应的相机空间中xy坐标
步骤e，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
将极耳边缘电图像坐标p2转换为相应的相机空间中xy坐标
当极耳边缘点位于顶层时k取值k2，位于底层时k取值k3；
步骤f，根据两点在相机空间中xy坐标
和
计算极耳内侧或外侧到裸电芯主体边缘的距离s1/s2；
步骤g，计算极耳内侧错位距离
和极耳外侧错位距离
式中
和
分别是极耳内侧和极耳外侧到对应裸电芯主体侧边缘的标准距离，若错位距离d1或d1超过阈值则判为极耳错位缺陷。
优选地，所述相机光轴垂直正对裸电芯主体表面朝向阴极极耳和阳极极耳中间位置进行裸电芯拍摄图像。
优选地，所述步骤c)利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层的具体方法为：
a)对裸电芯图像进行处理，提取极耳边缘局部图像；
b)对极耳边缘局部图像进行边缘检测得到边缘图像；
c)对边缘图像中进行分析，如果边缘是单边则判定极耳边缘点位于顶层极耳，如果边缘是多边则判定极耳边缘点位于底层极耳。
优选地，所述相机空间中一点P(x，y，z)与相机空间中一点P(x，y，z)在图像平面上的投影p(u，v)满足以下关系:
式中fu，fv，u0，v0是相机内参，与拍摄场景无关。
优选地，所述相机为工业面阵相机，其相机内参fu，fv近似满足fu＝fv，所述图像坐标到相机空间xy坐标的转换关系为
式中kz是一个与深度值z有关的系数。
其中，卷绕工艺方形裸电芯外形结构如图1所示，裸电芯由电芯主体、阴极极耳和阳极极耳组成。电芯主体由极片和隔离膜卷绕形成，整体成圆角长方体形，其中两侧边缘为圆弧。阴极极耳极耳和阳极极耳从电芯主体肩部伸出，每叠极耳由多层金属箔组成。
如图2所示，正常情况下极耳边缘整齐一致，极耳错位时多层极耳会往一侧移位错开，顶层极耳与底层极耳位置形成最大位移。在电池生产流程中，需要对每叠极耳的外侧边缘到相应裸电芯侧边缘的距离s1和内侧边缘到相应裸电芯侧边缘的距离s2进行测量，若距离超出规定范围，则判为极耳错位缺陷。
如图3所示，根据透视投影相机模型，相机空间中一点P(x，y，z)与其在图像平面上的投影p(u，v)满足以下关系:
式中fu，fv，u0，v0是相机内参，与拍摄场景无关。对于一般工业相机有fu＝fv＝f，上述坐标转换关系可以转化为
其中kz是一个与深度值z有关的系数。根据上述公式，在已知主点(principal point)坐标o(u0，v0)及系数kz的条件下，可以从图像平面坐标计算得到相应三维相机空间xy坐标。
如图4所示，在极耳错位单目视觉检测拍照方案中，相机光轴垂直正对裸电芯主体表面朝向阴极极耳和阳极极耳中间位置，保证视野覆盖极耳和裸电芯主体两侧边缘。
本发明与现有技术中不同之处在于：现有技术中成像方案上要求使用反射/透射镜片，并且结构图中显示采用了远心镜头。本发明创新性在于提出了新的“极耳到电芯侧边距离”测量方法，这个方法基于透视投影相机模型，考虑了测量目标的3维结构和相机拍摄目标的深度变化，克服了3维透视效果的影响，比基于弱透视投影相机模型的方法(忽略拍摄目标深度变化)测量结果更准确。
本发明创造要解决的技术问题是：
(1)本发明提供一种动力电池裸电芯极耳错位单目视觉检测方法，实现极耳错位缺陷的精准检出，提高产品品质和安全性；
(2)本发明提出基于透视投影相机模型的距离测量方案，解决现有极耳错位距离测量方案空间占用大、成本高问题。
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 (5)
1.一种动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤a，通过标定确定图像平面中主点坐标o(u0，v0)，以及相机空间中裸电芯主体两侧边缘位置所在深度平面的坐标转换系数k1、极耳顶部所在深度平面坐标转换系数k2和极耳底部所在深度平面坐标转换系数k3；
步骤b，利用相机对裸电芯拍摄图像；
步骤c，利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1：(u1，v1)和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2：(u2，v2)，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层；
步骤d，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
和利用裸电芯主体边缘点图像坐标p1和坐标转换系数k1计算出对应的相机空间中xy坐标
(x1，y1)；
步骤e，根据图像坐标到相机空间xy坐标转换公式
将极耳边缘电图像坐标p2转换为相应的相机空间中xy坐标
(x2，y2)，当极耳边缘点位于顶层时k取值k2，位于底层时k取值k3；
步骤f，根据两点在相机空间中xy坐标
和
计算极耳内侧或外侧到裸电芯主体边缘的距离s1/s2；
步骤g，计算极耳内侧错位距离
和极耳外侧错位距离
式中
和
分别是极耳内侧和极耳外侧到对应裸电芯主体侧边缘的标准距离，若错位距离d1或d2超过阈值则判为极耳错位缺陷。
2.根据权利要求1所述的动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，其特征在于：所述相机光轴垂直正对裸电芯主体表面朝向阴极极耳和阳极极耳中间位置进行裸电芯拍摄图像。
3.根据权利要求1所述的动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，其特征在于：所述步骤c)利用视觉算法分析裸电芯图像，定位出极耳内/外侧边缘点图像坐标p1和对应裸电芯主体边缘点图像坐标p2，确定极耳边缘点是位于顶层还是底层的具体方法为：
a)对裸电芯图像进行处理，提取极耳边缘局部图像；
b)对极耳边缘局部图像进行边缘检测得到边缘图像；
c)对边缘图像中进行分析，如果边缘是单边则判定极耳边缘点位于顶层极耳，如果边缘是多边则判定极耳边缘点位于底层极耳。
4.根据权利要求1所述的动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，其特征在于：所述相机空间中一点P(x，y，z)与相机空间中一点P(x，y，z)在图像平面上的投影p(u，v)满足以下关系：
式中fu，fv，u0，v0是相机内参，与拍摄场景无关。
5.根据权利要求1所述的动力电池裸电芯极耳错位缺陷单目视觉检测方法，其特征在于：所述相机为工业面阵相机，其相机内参fu，fv近似满足fu＝fv，所述图像坐标到相机空间xy坐标的转换关系为
式中kz是一个与深度值z有关的系数。
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