打孔机影像定位系统设计

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打孔机影像定位系统设计

前言
    计算机视觉的应用大致上可以分成定位、量测、识别、缺陷检测四大类，其中以定位的应用最为广泛。机器视觉系统可以用来检视主机板上的电子组件，也可以用来控制机械手臂，在机械手臂上加装CCD，利用影像辨识的定位，带动机械手臂来做病毒研究、药物混合等一些高危险性的医疗研究。除了精准之外，对人类的生命也比较有安全保障。
影像定位后的坐标转换
    市面上影像比对的函数库(Library)很多，使用者可以自行选用合适的函数库。以下所提的系统采用Euresys公司开发的eVision EasyMatch，这是一种基于灰度相关性的图像匹配函数库，速度非常快，而且能够达到次像素(sub-pixel)精度的匹配结果。对于旋转、比率变化(缩/放)和平移等，都能精确找到模板图像(Golden Image)的位置。故本文仅对影像定位后的二维坐标产生的“位移”与“旋转”做探讨。
● 坐标位移
公式：X2 = X1 + ΔX
Y2 = Y1 + ΔY

图1 坐标位移示意图

    图1是坐标位移的示意图。
● 坐标旋转
(1)将(X1,Y1)转换成极坐标→ (X1,Y1) = (R1,θ1)
其中，R1 = √X12 + Y12
θ1 = arctan( Y1 / X1 )，即反正切函数
(2)θ2 = θ1 + θ，其中，θ= 表示旋转角度
得出 X2 = Cos (θ2) * R1
= Cos (arctan(Y1/X1)+θ) *
√X12 + Y12
Y2 = Sin(θ2) * R1
= Sin(arctan(Y1/X1)+θ) *      √X12 + Y12

图2 坐标旋转的示意图

    图2是坐标旋转的示意图。
● 坐标位移+旋转
    遇到同时发生坐标位移和旋转时，先计算位移，再套用旋转的公式，即可算出最后的结果。

    下面介绍如何设计出结合“机械运动”与“计算机视觉”的自动化定位系统。
基本架构
● GEME-3000主控制器：含HSL控制卡，安装Windows XP操作系统
● 3-Axis定位平台：三菱伺服马达+滚珠螺杆
● 运动控制器：HSL-4XMO控制模块
● 计算机视觉组件：使用IEEE 1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的
EasyMatch进行影像比对(Pattern Match)，作定位偏移的补正计算。
完整的实际系统如图3所示。

图3 系统架构实机图

系统校正
● Mitsubishi驱动器调校：10 000 pulse/roll，即运动控制卡送出10 000个脉波，马达会转一圈。
● 滚珠螺杆的螺距vs. Pulse/Roll：如，螺距=10mm/roll，10 000 pulse/roll意味着1μm/pulse，即每发出一个脉冲，螺杆会前进1μm。
● F.O.V.(Field of View)的选定：F.O.V.要大于定位点的大小，太小则导致可接受的“初步定位”误差变小；太大则导致因定位点影像太小，影像定位误差大。
● CCD工作距离的选定：工作距离要大于打孔顶针，以免对焦时打孔顶针撞到工件。当F.O.V.及工作距离确认后，即求出镜头和延伸环。
教导作业
● 启动系统3轴回到初始位置，待3轴回定位后，再由人工将工件置于3轴之定位平台上并作“初步定位”；
● 手动控制Z轴缓慢下降，使其接近定位平台上方(约0.5～1.0mm）；
● 手动控制X/Y轴，使打孔顶针刚好在工件第一个孔位上方；再将Z轴缓慢下降，使其插入第一个孔位内。如定位不准，可以手动移动工件，使其定位更准确。
● 精确定位后，将Z轴上升至CCD的实时影像可看到完整“定位点”后，执行图4所示的流程图。

图4 图像处理软流程图

自动定位
● 由人工将工件置于3轴定位平台上，作“初步定位”后并启动本系统；
● 系统会驱动3轴定位平台将CCD移至定位点上方(2个不同位置)，取像并利用已“教导”的标准影像做“影像比对”作业；
● 计算出“初步定位”的偏移量(Shift X/Y)及旋转角度 (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);
}
● 通过“极坐标转换”，重新计算工件上所有孔位的新坐标(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++) { //极坐标转换
      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;
   }
}
结束语
    机器视觉系统不但大幅的提升了工业的生产力，而且增加了使用者的能力。使用机器视觉系统可以保护人眼的健康和提高检测精度，而机器视觉系统能24小时不停顿地工作，且能在高速下执行检查，而检视的准确度也能控制在较稳定的程度之内。

    此外，在危险工作环境中，在需要快速处理的军事武器操控，实时、大量的生产线上，在量测、定位、对象判别等高精确性工作中，机器视觉系统也都有很好的应用前景。

李小路

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