機(jī)器計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用-打孔機(jī)影像定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用大致上可以分成定位、量測(cè)、識(shí)別、缺陷檢測(cè)四大類(lèi)，其中以定位的應(yīng)用最為廣泛。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以用來(lái)檢視主機(jī)板上的電子組件，也可以用來(lái)控制機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂上加裝CCD，利用影像辨識(shí)的定位，帶動(dòng)機(jī)械手臂來(lái)做病毒研究、藥物混合等一些高危險(xiǎn)性的醫(yī)療研究。除了精準(zhǔn)之外，對(duì)人類(lèi)的生命也比較有安全保障。

影像定位后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

市面上影像比對(duì)的函數(shù)庫(kù)(Library)很多，使用者可以自行選用合適的函數(shù)庫(kù)。以下所提的系統(tǒng)采用Euresys公司開(kāi)發(fā)的eVision EasyMatch，這是一種基于灰度相關(guān)性的圖像匹配函數(shù)庫(kù)，速度非常快，而且能夠達(dá)到次像素(sub-pixel)精度的匹配結(jié)果。對(duì)于旋轉(zhuǎn)、比率變化(縮/放)和平移等，都能精確找到模板圖像(Golden Image)的位置。故本文僅對(duì)影像定位后的二維坐標(biāo)產(chǎn)生的“位移”與“旋轉(zhuǎn)”做探討。

● 坐標(biāo)位移
公式：X₂ = X₁ + ΔX
Y₂ = Y₁ + ΔY

圖1 坐標(biāo)位移示意圖

圖1是坐標(biāo)位移的示意圖。

● 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)
(1)將(X1,Y1)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)→ (X₁,Y₁) = (R₁,θ₁)
其中，R₁ = √X₁² + Y₁²
θ₁ = arctan( Y₁ / X₁ )，即反正切函數(shù)
(2)θ₂ = θ₁ + θ，其中，θ= 表示旋轉(zhuǎn)角度
得出 X₂ = Cos (θ₂) * R₁
= Cos (arctan(Y₁/X₁)+θ) *
√X₁² + Y₁²
Y₂ = Sin(θ₂) * R₁
= Sin(arctan(Y₁/X₁)+θ) *      √X₁² + Y₁²

圖2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的示意圖

圖2是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的示意圖。

● 坐標(biāo)位移+旋轉(zhuǎn)
遇到同時(shí)發(fā)生坐標(biāo)位移和旋轉(zhuǎn)時(shí)，先計(jì)算位移，再套用旋轉(zhuǎn)的公式，即可算出最后的結(jié)果。
下面介紹如何設(shè)計(jì)出結(jié)合“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”與“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”的自動(dòng)化定位系統(tǒng)。

基本架構(gòu)

● GEME-3000主控制器：含HSL控制卡，安裝Windows XP操作系統(tǒng)
● 3-Axis定位平臺(tái)：三菱伺服馬達(dá)+滾珠螺桿
● 運(yùn)動(dòng)控制器：HSL-4XMO控制模塊
● 計(jì)算機(jī)視覺(jué)組件：使用IEEE 1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的EasyMatch進(jìn)行影像比對(duì)(Pattern Match)，作定位偏移的補(bǔ)正計(jì)算。
完整的實(shí)際系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)機(jī)圖

系統(tǒng)校正

● Mitsubishi驅(qū)動(dòng)器調(diào)校：10 000 pulse/roll，即運(yùn)動(dòng)控制卡送出10 000個(gè)脈波，馬達(dá)會(huì)轉(zhuǎn)一圈。
● 滾珠螺桿的螺距vs. Pulse/Roll：如，螺距=10mm/roll，10 000 pulse/roll意味著1μm/pulse，即每發(fā)出一個(gè)脈沖，螺桿會(huì)前進(jìn)1μm。
● F.O.V.(Field of View)的選定：F.O.V.要大于定位點(diǎn)的大小，太小則導(dǎo)致可接受的“初步定位”誤差變?。惶髣t導(dǎo)致因定位點(diǎn)影像太小，影像定位誤差大。
● CCD工作距離的選定：工作距離要大于打孔頂針，以免對(duì)焦時(shí)打孔頂針撞到工件。當(dāng)F.O.V.及工作距離確認(rèn)后，即求出鏡頭和延伸環(huán)。

教導(dǎo)作業(yè)

● 啟動(dòng)系統(tǒng)3軸回到初始位置，待3軸回定位后，再由人工將工件置于3軸之定位平臺(tái)上并作“初步定位”；
● 手動(dòng)控制Z軸緩慢下降，使其接近定位平臺(tái)上方(約0.5～1.0mm）；
● 手動(dòng)控制X/Y軸，使打孔頂針剛好在工件第一個(gè)孔位上方；再將Z軸緩慢下降，使其插入第一個(gè)孔位內(nèi)。如定位不準(zhǔn)，可以手動(dòng)移動(dòng)工件，使其定位更準(zhǔn)確。
● 精確定位后，將Z軸上升至CCD的實(shí)時(shí)影像可看到完整“定位點(diǎn)”后，執(zhí)行圖4所示的流程圖。

圖4 圖像處理軟流程圖

自動(dòng)定位

● 由人工將工件置于3軸定位平臺(tái)上，作“初步定位”后并啟動(dòng)本系統(tǒng)；
● 系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)3軸定位平臺(tái)將CCD移至定位點(diǎn)上方(2個(gè)不同位置)，取像并利用已“教導(dǎo)”的標(biāo)準(zhǔn)影像做“影像比對(duì)”作業(yè)；
● 計(jì)算出“初步定位”的偏移量(Shift X/Y)及旋轉(zhuǎn)角度 (Rotation Angle)；
tx = GoldeXY[CCD_Find][1] - m_Find.GetCenterX();
ty = GoldeXY[CCD_Find][0] - m_Find.GetCenterY();
if (CCD_Find==0) {  //第一次定位
   shiftx = ZeroX - tx*Calibration;
   shifty = CCD_Y - ty*Calibration;
} else {  //第二次定位
   dx = CCD_Locate[1][0] - tx*Calibration;
   dy = CCD_Y - ty*Calibration;
   angle = atan2( dy - shifty, shiftx-dx);
   CalNewLocate(angle, shiftx, shifty);
}
● 通過(guò)“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”，重新計(jì)算工件上所有孔位的新坐標(biāo)(Point Table)。
void CalNewLocate(F64 angle, F64 shiftx, F64 shifty)
{
   int i;
   F64 P[TOTAL_POINT*2];
   F64 t;

   for (i=0; i<TOTAL_POINT; i++) { //極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
      P[i*2] = sqrt( OrgLocate[i*2] * OrgLocate[i*2]
            + OrgLocate[i*2+1] * OrgLocate[i*2+1]);
      P[i*2+1] = atan2( OrgLocate[i*2],
               OrgLocate[i*2+1])+ angle;
   }
   for (i=0; i<TOTAL_POINT; i++) {
      t = P[i*2]*sin(P[i*2+1]);
      NewLocate[i*2]   = (shiftx + t)*SCALE_X;
      t = P[i*2]*cos(P[i*2+1]);
      NewLocate[i*2+1] = (shifty + t)*SCALE_Y;
   }
}

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不但大幅的提升了工業(yè)的生產(chǎn)力，而且增加了使用者的能力。使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以保護(hù)人眼的健康和提高檢測(cè)精度，而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能24小時(shí)不停頓地工作，且能在高速下執(zhí)行檢查，而檢視的準(zhǔn)確度也能控制在較穩(wěn)定的程度之內(nèi)。
此外，在危險(xiǎn)工作環(huán)境中，在需要快速處理的軍事武器操控，實(shí)時(shí)、大量的生產(chǎn)線上，在量測(cè)、定位、對(duì)象判別等高精確性工作中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也都有很好的應(yīng)用前景。