機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量方法及應(yīng)用課件

許増樸機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量方法及應(yīng)用2012-10-17北京綱要1、機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念2、機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義3、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法4、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法的應(yīng)用5、其它協(xié)同檢測的應(yīng)用實例1機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念

多個機(jī)器視覺傳感器或機(jī)器視覺傳感器與其它傳感器協(xié)同完成測量任務(wù)的過程稱為協(xié)同測量協(xié)同用視覺傳感器的種類

點視覺信息激光位移傳感器一維視覺信息線陣CCD傳感器二維視覺信息面陣CCD傳感器三維視覺信息立體視覺傳感器顏色信息彩色CCD傳感器等綱要1、機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念2、機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義3、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法4、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法的應(yīng)用5、其它協(xié)同檢測的應(yīng)用實例3機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義

由于不同機(jī)器視覺傳感器的特點和精度不同，在解決生產(chǎn)過程中的高精度測量問題時，必須合理地選擇和安排傳感器，進(jìn)行協(xié)同工作，才能有效地發(fā)揮機(jī)器視覺的作用。3機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義目前機(jī)器視覺成像傳感器在做精密測量時，存在問題如下：

1、傳感器像素分的辨力有限2、傳感器景深范圍有限3、傳感器視野范圍有限4、傳感器調(diào)焦范圍有限5、傳感器光圈調(diào)整范圍有限6、傳感器構(gòu)造3D測量系統(tǒng)復(fù)雜7、傳感器存在鏡頭畸變；等

這些都是導(dǎo)致機(jī)器視覺測量時精度不能滿足生產(chǎn)需要的主要因素3

機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義不同視覺傳感器具有不同的精度（取目前典型值）：

點視覺激光位移傳感器軸向再現(xiàn)性0.2μm光點直徑2μm

一維線陣CCD傳感器像素尺寸3.75μm（大于）

二維面陣CCD傳感器像素尺寸3.75μm（大于）三維光柵視覺傳感器分辨力3.75μm

（大于）彩色CCD傳感器像素尺寸3.75μm（大于）

3機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義

需要對加工精度要求滿足1μm的機(jī)械零件進(jìn)行非接觸測量，檢查是否滿足公差要求，雖然面陣CCD傳感器可快速成像、測量，但精度不能滿足要求。顯然單純使用面陣CCD傳感器一般是難以完成高精度測量工作的。為解決快速、高精度測量問題，必須結(jié)合各自傳感器的優(yōu)缺點，加以輔助裝置，協(xié)同測量，方可實現(xiàn)完成高精度測量任務(wù)。

綱要1、機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念2、機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義3、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法4、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法的應(yīng)用5、其它協(xié)同檢測的應(yīng)用實例3機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法基本原理：如下圖所示，先利用視覺傳感器完成第一級測量（定位），然后引導(dǎo)高精度傳感器到指定的測量區(qū)域，以完成第二級精密測量。測量過程如圖所示：機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量原理圖3機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法方法（1）：在對測量精度要求5μm左右的工件測量時，第一級采用面陣視覺傳感器負(fù)責(zé)定位和引導(dǎo)；第二級采用激光傳感器負(fù)責(zé)高度的精密測量。（高精度x-y平臺帶動激光傳感器進(jìn)行測量）

。3機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法方法（2）：對于大物體上小尺寸缺陷的測量，可采用兩個分辨力或鏡頭放大率不同的視覺傳感器相互配合，第一級負(fù)責(zé)全局測量定位，驅(qū)動平臺帶動第二級傳感器對物體表面小尺寸缺陷或其它參數(shù)進(jìn)行快速、高精度測量。。綱要1、機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念2、機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義3、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法4、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法的應(yīng)用5、其它協(xié)同檢測的應(yīng)用實例

4機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法應(yīng)用倒角齒輪單齒局部放大圖

左圖為汽車倒角齒輪，右圖為其局部放大圖。右圖中的3條白色線為待測量的三個截面，即激光位移傳感器的測量路徑。汽車齒輪倒角的測量

面陣圖像傳感器測量速度快，但測量精度較低，而點視覺激光位移傳感器測量精度高，但測量速度慢，該項目結(jié)合以上兩種傳感器的優(yōu)缺點，利用前面提出的快速兩級視覺3D表面輪廓高精度協(xié)同測量方法，已成功將應(yīng)用于汽車齒輪倒角輪廓的測量。4機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法應(yīng)用測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.X-Y方向移動平臺；2.激光傳感器；3.視覺傳感器；4.大理石平臺；5.被測齒輪；6.LED背光燈箱；7.控制箱；8.打印機(jī)；9.微型計算機(jī)測量步驟1.利用面陣圖像傳感器和標(biāo)定板完成測量系統(tǒng)的標(biāo)定。2.將齒輪放置在LED背光燈箱上，拍攝齒輪的背光圖像。3.計算機(jī)完成圖像處理，通過標(biāo)定算法定位齒輪待測齒的位置。4.計算機(jī)發(fā)出指令驅(qū)動高精度XY平臺攜帶激光器到達(dá)測量位置，并按要求的測量軌跡完成測量。5.計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，并通過打印機(jī)輸出測量報告。測量參數(shù)成型截面夾角W°成型面交線到指定面的距離A單齒的俯視圖一個截面的后視圖倒角輪廓測量要求左圖為齒輪的一個輪齒的示意圖，O為齒輪中心（圓心），直線AB為激光器測量的路徑，CPD為輪齒的齒頂圓上的圓弧，P為圓弧中點，CD為弦。已知條件：OP1長度已知，AB長度已知測量要求：1.AB垂直O(jiān)P，且可測量齒輪上的任意一個輪齒。

2.激光器測量高度，即z坐標(biāo)，XY坐標(biāo)即XY平

臺移動的距離決定。測量路徑示意圖系統(tǒng)標(biāo)定方法由于測量系統(tǒng)利用第一級圖像傳感器進(jìn)行定位，因此需進(jìn)行標(biāo)定。在單目視覺標(biāo)定中，物平面上任意一點的齊次坐標(biāo)與像平面中像素坐標(biāo)(u,v)之間的關(guān)系，可由一個3*3的標(biāo)定矩陣確定。(1)其中，W為任意系數(shù)，系數(shù)測求方法將(1)式展開可得：(2)由(1)式可知，標(biāo)定矩陣中有8個待定系數(shù)，因此可通過4個點的真實位置及其在圖像上的位置坐標(biāo)，即可確定標(biāo)定矩陣。然后即可通過標(biāo)定矩陣計算圖像上任意一點所對應(yīng)的真實位置。圓心定位方法左圖為面陣圖像傳感器拍攝的齒輪圖像，利用計算機(jī)進(jìn)行圖像處理，通過邊緣檢測算法提取齒根圓上的一部分點在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這些點的坐標(biāo)的集合記作D。其中任意一點Di（ui，vi）距圓心距離為ri，擬合圓面積為Si，圓心坐標(biāo)為（a，b），標(biāo)準(zhǔn)圓半徑為r，面積為S，則面積誤差：(3)齒輪圖像圓心定位方法誤差的平方和函數(shù)：(4)對(4)式求偏導(dǎo)，并使之為0，可得：(5)圓心定位方法求得擬合圓的圓心坐標(biāo)：(6)其中：圓擬合效果齒根圓擬合效果圖左圖中，白線為齒根圓的擬合效果圖，由圖可見，擬合圓與真實的齒根圓一致。測量路徑規(guī)劃測量路徑示意圖測量路徑示意圖中，圓心O點在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可由(6)式求出。當(dāng)用戶在齒輪圖像上選擇待測輪齒時，可用鼠標(biāo)點擊該齒，此時，計算機(jī)程序即可在鼠標(biāo)點擊點的局部小范圍內(nèi)搜索該齒的齒頂圓圓弧上的點，并最終找到圓弧的兩個端點C和D。求得C點和D點后，便可求出弦CD的中點P2的坐標(biāo)，因為O、P1、P2和P四點共線，即可求得直線OP的方程，其斜率記作K測量路徑規(guī)劃將O點和P2點在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)代入標(biāo)定算法(2)式，即可求得兩點的真實坐標(biāo)，分別記O(Ox,Oy),P2(P2x,P2y)。直線OP1的長度為已知，記作L，則在左圖所示坐標(biāo)系中可求得P1坐標(biāo)(P1x,P1y)(7)物平面坐標(biāo)圖直線AB與OP1垂直，且AB長度已知，直線AB斜率記作K1測量路徑規(guī)劃則A點坐標(biāo)(Ax,Ay)為：類似的，可以求出B點坐標(biāo)(Bx,By),至此，即可驅(qū)動XY平臺攜帶高精度激光位移傳感器沿直線AB完成單截面測量。數(shù)據(jù)處理及測量報告輸出

系統(tǒng)使用測量精度達(dá)0.1μm的激光位移傳感器測量高度信息(z坐標(biāo)),利用面陣圖像傳感器的快速定位的優(yōu)點，通過計算機(jī)程序驅(qū)動XY平臺攜帶激光器快速到達(dá)測量位置，完成測量。

數(shù)據(jù)處理時，XY平面內(nèi)的數(shù)據(jù)坐標(biāo)可由精度達(dá)1μm的高精度XY平臺走過的距離確定，配合激光器采集的Z坐標(biāo)信息，即可完成被測物體表面輪廓的三維測量。數(shù)據(jù)處理及測量報告輸出輪齒單截面測量圖

輪齒多截面測量三維圖

測量結(jié)果輸出：測量系統(tǒng)通過將XY平臺運動數(shù)據(jù)和由激光器采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合，可實現(xiàn)對輪齒的單截面測量和多截面三維測量，測繪圖如下所示：綱要1、機(jī)器視覺協(xié)同測量的概念2、機(jī)器視覺高精度協(xié)同測量的意義3、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法4、機(jī)器視覺兩級協(xié)同測量方法的應(yīng)用5、其它協(xié)同檢測的應(yīng)用實例6其它機(jī)器視覺協(xié)同檢測實例

在機(jī)器視覺檢測過程中，多傳感器的協(xié)同工作，可以根據(jù)不同的需要和要求，從不同角度進(jìn)行協(xié)同和信息的融合，目的是全面獲得被測對象相關(guān)的重要信息。以下是幾個參考應(yīng)用實例，它們來自《MachineVisionSystemDesign》（1）利用遠(yuǎn)心鏡頭的視覺傳感器協(xié)同檢測