毕业设计（论文）-基于面阵CCD的小型机械手定位.doc

摘 要面阵CCD已经被广泛应用到各个领域，摄像、信号处理和储存。本文对小型机械手定位进行了理论、计算方面的研究，在分析CCD器件的基本原理以及CCD检测系统工作原理的基础上，提出了基于面阵CCD小型机械手定位方法。要控制机械手完成一个任务，前提条件就是机械手的精确定位，即其姿态的准确定位。这就需要在操作前了解机械手所处的空间位置，鉴于CCD在图像测量中具有灵敏度高、体积小、动态范围大、转换效率高、功率低、寿命长、性能稳定等优点，采用CCD相机对机械手位置进行实时图像采集，然后处理计算，达到准确定位。本文从硬件和软件两个方面详细的阐述了基于面阵CCD小型机械手定位的方法研究。对采集到的图像进行图像处理，经过特殊点匹配，分析计算。然后将信息输出控制步进电机进行跟踪。从而也就完成了定位过程。关键词：面阵CCD 图像采集 机械手 特征识别33 AbstractMatrix CCD has been widely applied to the three areas, video, signal processing and storage. The small robot positioning theory, computational aspects have been studied on the basis of the analysis of the basic principles of CCD and CCD detection system working principle of the proposed small area CCD-based robot positioning methods.To control the robot to complete a task, a prerequisite for the precise positioning of the robot, that is its attitude. This need to understand the posture of the robot which before the operation. In view of the CCD image measurement with high sensitivity, small size, large dynamic range, high conversion efficiency, low power, long life, stable performance, etc., we have taken to using the CCD camera on the robot camera, and then deal with the calculation, its further accurate positioning and control to reach the exact location.This paper described in detail in terms of both hardware and software design process of the small area CCD-based robot positioning. Image processing, image acquisition and special point match, have been analysed and calculated . And the information was output to control stepper motor tracking. Had thus completed the orientation process.Keywords:Matrix CCD;Image acquisition;Manipulator;Feature recognition目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题来源和产生背景11.1.1课题来源和产生背景11.1.2本论文研究的意义11.2 CCD的应用技术11.3 CCD的发展及应用21.4本文研究的主要内容3第2章 系统总体设计方案42.1小型机械手定位的系统框图42.1.1小型机械手定位系统的工作原理42.2基于面阵CCD的小型机械手定位系统设计42.2.1硬件系统设计42.2.2软件系统设计4第3章 硬件电路设计63.1 硬件设计63.2 元件的选择63.2.1单片机选择63.2.2 RS-232标准串口通信及接口芯片选择及电路设计73.2.3 步进电机的原理及驱动接口设计83.2.3 CCD相机的分类及工作过程93.2.4 机械手概述153.2.5 气动式机械手的工作原理163.2.6机械手定位17第4章 系统软件设计与实现264.1图象软件系统的实现264.2 软件实现的主要流程264.3图像采集模块274.4图像处理模块28第5章 总 结29致 谢30参考文献31第1章 绪 论1.1 课题来源和产生背景1.1.1课题来源和产生背景在生产实际过程中，存在着大量的需要对运动目标进行定位而又无法用接触式方法来解决的问题，特别是在恶劣的工业环境中，一些运动目标是无法用常规传感器进行测量的，所以采用非接触的方式对运动目标进行实时的监测是目前研究的热点之一。近年来CCD12（Charge Coupled Device）图像传感器已在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、光学图像处理等领域得到了广泛地应用，目前国内利用CCD进行工业实时在线检测的系统大多用线阵CCD精度不高，个别要求高精度的系统多采用多个线阵CCD拼接的技术，这种技术的缺点在于：结构复杂、重量重、体积大、建造成本高，整体结构松散，数据量增大处理运算麻烦等，线阵CCD光敏元呈一维排列，可以接受一维的光信号，对二维图像的采集，必须采用扫描的方式，而面阵CCD光敏元呈二维排列，可以将二维平面图像直接转换为一维光电信号输出，可以具有提高采样精度和简化结构等优点3。现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。在现代测试技术快速发展的今天，计算机由于其速度快，工作可靠性高，已成为自动检测系统中不可缺少的重要组成部分，高性能的计算机软件技术更是构建智能型，集成化自动检测系统的关键。1.1.2本论文研究的意义将现代的传感器技术、控制技术和计算机技术引入到精确定位系统中，使测量方式、方法发生了深刻的变革，在实际工程中应用将会取得良好的效果，它使测试工作变得简单，快捷，工作量减少，准确度更高，提高工作效率；以计算机为核心的自动检测系统，硬件是基础，软件是灵魂。软件设计贯穿于测试系统的研制，开发和使用各个环节中，系统的实现效果与所采用的软件技术密不可分，综合运用最新的软件处理技术对于推进了运动目标的精确定位领域的集成化，智能化进程，节约资源提高检测的质量具有重要的意义，拥有广阔的应用前景，能更好地为生产单位和科研院所服务。1.2 CCD的应用技术CCD应用技术是一项具有广泛应用前景的新技术。三十多年来，CCD技术取得的惊人进展足以说明这一点。目前CCD已经在三大领域得到广泛应用：摄像，信号处理和存储。它之所以能在图像测量领域中得到广泛的应用，是因为它具有灵敏度高、体积小、动态范围大、转换效率高、功率低、寿命长、性能稳定等优点。CCD用于测量的研究于上世纪九十年代末进入火热期，国内外科研工作者在这个领域进行了广泛、深入的研究并获得了丰硕的成果。CCD测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等优势，因此CCD用于测量的研究一直延续到现在。目前，国外许多大学，科研机构都把CCD与光学仪器相结合，研制了许多应用CCD来实现光电转换的新型光电测量仪器。如瑞士豪泽（Hause）公司研制的H602型光电测量投影仪就是在普通投影仪的基础上，加上高精度光栅定位系统及计算机处理系统，并以CCD器件作为光电瞄准头，进行动态瞄准及自动采样，使测量效率得到了很大的提高，劳动强度也大大降低，数据处理方便，准确。美国OGP公司研制的图像测量系统（SMART SCOPE 200V ID EOMEA SURING SYSTEM），具有精密的XYZ工作台，采用变焦镜头，实现对工件的自动调焦。由于该系统把标准件安放在了镜头里，可随时对系统进行标定，因此使用非常方便。该系统单轴测量精度为2.5um。为了保证图像视场能得到均匀的照明，该系统采用了光纤环行灯照明，工作台采用步进电机进行驱动，保证了快速搜索待测要求。该系统的软件采用可视化编程，具有良好的人机界面，同时配有各种各样的电子测量基准，以适应测量不同类型工件的需要。近年来，国内许多单位和科研院所也把CCD测量技术应用于对各种物体材料几何尺寸的检测上，研制了许多新型光电的测量系统。如天津大学以CCD传感器为核心检测玻璃管的尺寸，整个系统由微机控制，使用方便可靠；以及将CCD传感器应用于光电精密测径系统中，系统实测的综合误差为0.003mm，超过使用所要求的0.005mm的测量精度。该光电精密测径系统不仅检测精度高，而且测试速度快，单点的测试效率不超过5秒，工作稳定可靠，操作方便。目前，国内利用CCD进行工业实时在线检测的系统不多，大多采用线阵CCD而且精度不高，与国外的CCD测量技术相比还有一定的差距。1.3 CCD的发展及应用电荷耦合器件（Charge CouPled DeVice），简称CCD，是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的传感器件。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序串行输出的电信号视频信号，视频信号能再现入射的光辐射图像。自从1969年由美国贝尔实验室开发出第一块CCD芯片以来，CCD技术进展一直紧密地与应用和制造技术联系在一起。发达国家80年代初CCD摄像机开始批量推向市场，80年代中期形成规模生产。CCD从80年代初以2/3英寸芯片为基础，趋向小型化，高灵敏度，用于监视，检测，图像识别等领域。目前世界民用CCD将近80由日本公司生产。80年代后期开始出现1英寸200万像素和2/3英寸130万至200万像素器件。二十世纪九十年代CCD图像传感器已经被各个学科领域所重视，并在各个学科领域得到广泛地应用。进入2000年后，CCD图像传感器技术的研制和开发呈加速发展状态，多种新型CCD图像传感器问世，600万到1000万像素的CCD数码相机和摄像机已经进入市场。目前，德州仪器公司的CCD已提高到2000万像元以上，福特空间公司已推出了20482048、40964096像元帧转移CCD，日本日电公司制成40965200像元的超高分辨率CCD数字摄像机，分辨率高达10001000条TV线，加拿大达尔萨公司推出51205120像元帧转移CCD，荷兰菲利浦成像技术公司研制成功70009000像元CCD，美国亚利桑那大学报道了91269126像元CCD，欧洲南部天文台正开发1600016000像元CCD。目前美国、日本、德国和法国部分公司已开发出长线阵和大面阵可见光以及多针相模式工作的CCD（MPP-CCD）图像传感器。近年来，CCD图像传感器像元数的竞争实际上就是像元尺寸缩小的竞争。比如日本松下开发的CCD图像传感器芯片尺寸为1.1mm1.34mm，这一微型CCD技术可广泛用于视频摄像机以外的领域。为了开发单片式低成本摄像机，研究重点也更多地转向互补金属氧化物半导体（CMOS）和有源像素图像传感器（APS）方面，它将成为数字相机、摄像机和高清晰度电视（HDTV）的关键器件。我国的CCD摄像器件开发始于70年代末，由于我国半导体工艺技术水平落后于国外，同时有些国家限制高科技技术出口，加上国外价廉质优的CCD器件及产品的冲击，使我国在这一领域与国外的差距进一步加大。但近年来由于人们对CCD的普遍关注，形成了CCD研究开发及应用的热潮，取得了很多有意义和价值的研究成果。1.4本文研究的主要内容本文设计搭建了一个目标测试试验平台。通过采用面阵CCD对小型机械手姿态图像进行实时采集，对采集到的连续图像经过一定的处理和计算而达到对小型机械手的精确定位。第1章 绪论部分介绍了研究的意义、CCD技术及CCD器件的国内外发展现状，最后对论文的结构进行了简要的叙述；第2章 介绍了系统的总体设计方案；第3章 详细的介绍了硬件电路设计及基于面阵CCD的小型机械手定位；第4章 详细的介绍了系统软件的实现；第5章 总结。第2章 系统总体设计方案面阵CCD实现的小型机械手定位系统作为一个综合系统，其开发过程比较复杂，这个过程包括根据功能要求制定总体设计方案；确定硬件结构和软件框图。2.1小型机械手定位的系统框图本系统主要由测试平台、面阵CCD传感器、单片机控制与通信系统、步进电机、计算机和外部设备组成。系统原理框图如图2-1所示。面阵CCD控制台小型机械手步进电机STC89C58单片机串行口USB接口计算机显示图2-1面阵CCD监控系统原理框图2.1.1小型机械手定位系统的工作原理图2-1所示成像系统以二维阵列的方式把客观世界的包含小型机械手的三维场景所形成的图像采集记录下来，保存在计算机中，在计算机中利用各种处理程序对输入图像进行分析和解释，通过预处理、特征提取等方法将从处理图像中得到所需的机械手的信息，实时动态的显示所摄取到的图像同时次将处理过的数据经由串口传送给单片机，由单片机对步进电机进行控制实现对小型机械手姿态的调整。 2.2基于面阵CCD的小型机械手定位系统设计 2.2.1硬件系统设计硬件系统主要包括两方面：1）由面阵CCD及与计算机的连接检测部分的硬件；2）由STC89C58RD+单片机、电源、步进电机及其驱动电路组成的控制和通信部分的硬件。2.2.2软件系统设计软件部分也包括两方面：1）计算机软件设计 计算机终端上的软件可以完成多种功能：小型机械手的测量和显示；串口通信等基本功能。该部分主要采用模块化设计思想和面向对象的技术，根据程序实现的功能分成不同的模块，如面阵CCD的驱动程序实现、图像采集模块、数据计算处理模块、数据通信模块和界面设计模块等。运用C和Visual C+6.0编程语言作为软件的开发工具，对面阵CCD监控系统进行软件开发，以实现图像采集、图像处理、单片机与计算机串口通信、单片机通信和控制及构建友好的人机界面等基本功能。2）单片机软件设计 在单片机软件件设计中，主要是与上位机通信程序的设计，与计算机实现高速的通信，同时对收到的数据进行存储与判别，从面实现对步进电机的转动方向与速度的控制。第3章 硬件电路设计视频图像采集与处理在实时图像处理系统占有重要地位，是一个关键的前提。只有实现目标场景图像的视频捕获显示及其数据获取，才能对之进行相应的分析与处理。本系统中主要是应用面阵CCD来进行图像采集，采集到图像信息输入到计算机进行处理。3.1 硬件设计通过将包含运动目标的图像输入到计算机的进行处理后得到运动物体的坐标数据，将处理的结果由计算机通过RS232的通信方式传输到单片机，单片机根据收到的数据来驱动步机电机进行XYZ方向及旋转轴方向的控制使面阵CCD始终跟踪小型机械手，从而达到对机械手实时采集图像的目的。硬件部分的组成框图如图3-1所示：计算机控制指 令反馈与保护单元脉冲发生分配驱动电路步进电机图3-1 硬件跟踪电路的组成框图3.2 元件的选择3.2.1单片机选择 STC89C58RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机14，其特点如下：1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU；2）工作电压5.5V3.4V；3）工作频率范围：040MHz相当于普通8051的080MHz；4）用户应用程序空间64K字节；5）芯片上集成1280字节RAM；6）通用I/O口32个，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉(普通口)P0口是开漏输出，作为总线扩展用时不用加上拉电阻，作为I/O口电阻；7）ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器/仿真器；可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成；8）EEPROM功能；9）看门狗；10）内部集成MAX813。专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省11）共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定12）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式低电平触发中断方式唤醒；13）通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART；14）工作温度范围：0753.2.2 RS-232标准串口通信及接口芯片选择及电路设计 本系统采用RS-232标准串口实现单片机与计算机的串口通信1516。RS-232标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发并于1969年公布的通信协议。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，在微机通信接口中广泛采用。本系统采用异步通信方式，奇偶校验位缺省，数据位为8位，设置单片机与计算机的波特率为115200b/s。由于RS-232并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25,DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同，标准RS-232连接中使用的接口从25针减少到9针，更利于控制。对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD、串行输出TXD和地线GND。RS-232C标准的电平采用负逻辑规定+3V到+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3V到-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的，在本系统使用的AT89C55的串行口和其它标准电路一样输入输出为TTL电平，高电平3.8V左右低电平为0.3V左右，所以在通信时必须进行电平转换，以便与RS-232C标准的电平匹配，我们选择MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。MAX232芯片17是MAXIM公司生产的低功耗、单电源、双RS232发送/接收器，适用于各种EIA-232E。它包括两个TTL输入转换成RS232输出的驱动器和两个接收RS232输入并将它们翻译成CMOS兼容的输出接收器。这些接收器和驱动器将这些信号反向，其内部还有一个电源电压变送器，可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需的10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT和R2OUT是接TTL/CMOS电平的引脚。引脚T1IN、T2IN接单片机的串行发送引脚TXD；R1OUT、R2OUT接单片机的串行接受引脚RXD，与之对应的RS-232电平T1OUT、T2OUT接计算机的接收端RD，R1IN、R2IN接计算机的发送端TD。从MAX232芯片两路发送接收中任选一路作为接口，这里我们选择MAX232的R2OUT接89C55的RXD，T2 IN接89C55的TXD，T2 OUT接计算机的RD，R2 IN接计算机的TD。采用MAX232接口的硬件接口电路如图3-2所示。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。图3-2 MAX232接口的硬件接口电路3.2.3 步进电机的原理及驱动接口设计1）步进电机的概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制18-20。2）步进电机与单片机的接口设计步进电机并不是直接与CPU的I/O口相连的。必须加上必要的驱动电路，单片机的驱动能力只有20mA，输出的驱动能力更小，所以要加入反向驱动器，来完成缓冲驱动芯片74LS04，来加大驱动能力。图3-3 步进电机驱动电路图3.2.3 CCD相机的分类及工作过程1）CCD的分类CCD按照光敏单元的排列分为线阵CCD和面阵CCD。（1）线阵CCDA.单沟道线阵CCD：图3-4所示为三相单沟道线阵CCD的结构图。当转移脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到CCD位移寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出器件，形成视频脉冲信号。这种结构的CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差。只适用于像素单元较少的摄像器件21。图3-4 单通道线阵CCD结构B.双沟道线阵CCD：图3-5为双沟道线阵摄像器件。它具有两列CCD移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。当转移栅A与B为高电位时，光积分阵列的信号点荷包同时按箭头方向转移到对应的移位寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下，分别向右转移，最后以视频信号输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高。故一般高于256位的线阵CCD都为双沟道型的。图3-5 双沟道线阵CCD结构2）CCD的基本特征参数A 光电转换特性存储于CCD像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并将转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有良好的光转移特性。它的光电转换因子可达到99.7%以上。B 光谱响应CCD接收光的方式有正面光照与背面光照两种。由于CCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光敏灵敏度比背面照射时低。即使是透明的多晶硅电极，也会因为电极的吸收以及在整个硅二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，从而使光谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此，面阵CCD常采用背光照射的方法。C 动态范围CCD图像传感器的动态范围定义为像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。它反映了器件的工作范围，一般为80dB,分辨率越高要求CCD的像敏单元就越多，导致势阱可能存储的最大电荷量减少，因而动态范围变小。同时，CCD势阱可存储的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构（表面沟道SCCD或体沟道BCCD），时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。在CCD图像传感器中主要的噪声有以下几种：电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声；电荷在转移过程中电荷量的变化引起的噪声；检测电荷时常常需要对检测二极管进行复位操作，因此复位脉冲将导致信号的检测噪声、光子噪声、电流噪声、俘获噪声以及输出噪声等。D 暗电流在正常工作的情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡态。随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统区域平衡。因此，即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望的暗电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀的情况更是如此。产生暗电流的主要原因有以下几点：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；Si-SiO2界面引起的暗电流。其中在大多数情况下，以第三种原因产生的暗电流为主。另外，暗电流还与温度有关。温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流就越大。据计算，温度每降低10，暗电流可降低一半。CCD内暗电流不是均匀的，在半导体中有缺陷的地方常出现暗电流峰值，在图像上产生一固定干扰图形。通过精心选择半导体内的掺杂物，减小光敏单元内特殊部分的电场，以及改进CCD内部结构，可以有效地减少固定图形噪声，使在一般亮度的图像上看不到固定图像噪声。E 分辨率分辨率是图像传感器的重要特性，常用调制模传递函数MTF来评价。对于二维面阵CCD的输出信号一般遵守电视系统的扫描制式，它的水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率要高于垂直分辨率。在评价面阵CCD的分辨率时，只评价它的水平分辨率，且利用电视系统对图像分辨率的评价方法电视线评价方法。电视线评价方法表明，在一副图像上，在水平方向能够分辨出黑白条数为其分辨率。水平分辨率与水平方向上CCD像敏的数量有关，像敏单元越多，分辨率越高。现有的面阵CCD的像数已发展到512512，795596，10241024，20482048，40964096，50005000等多种，分辨率越来越高。另外，在传统CCD上，为了增加分辨率，大多数生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸，而是降低单位像素面积，增加像素密度6。我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。因此这种方法不能无限制地增大分辨率。如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图象质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来。F 驱动频率驱动脉冲一般泛指加在转移栅上的转移脉冲的频率。其中该频率的上限与少数载流子的平均寿命有关，而载流子的寿命与器件的工作温度有关，工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动脉冲的下限越高。该驱动频率的上限往往受限于电荷自身的转移时间对驱动脉冲上限的限制，由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。3）面阵CCD及其成像原理在应用CCD成像以前，还有许多技术能够使可见光、微光、红外线图像转变为成幅的电信号，但是那些成像技术都各有其难以解决的问题。然而从70年代才发展起来的CCD器件（电荷耦合器件），以其独特的有点引人注目，在遥感图像处理、模拟延迟信号处理等领域中得到了日益广泛的应用。CCD成像系统使用CCD座位光电转化器件制成的电子摄像系统，他把接收到的平面图像分解成点、行电信号进行传送、放大、然后按原图像的规律进行图像显示。图3-6给出了CCD成像系统的方框图，它由光学系统、CCD器件及其相应的驱动电路、视频放大器和图像显示系统五大部分组成。图3-6 CCD系统成像方块图面阵CCD的机构可以看成是由若干线阵CCD按一定方式排列的二维摄像器件，图3-7就是面阵CCD的典型结构，它由光敏区（M个N元线阵CCD并排）和存储区（M个N元线阵CCD并排）一水平区（一个N元线阵CCD）三大部分组成。图3-7 面阵三相CCD基本结构为使器件正常工作，不但需要加合适的偏置电压，更重要的还需要各种形式的驱动脉冲。（1）直流偏置电压VHDCCD顶部二极管偏压VHGCCD顶部栅极电压VIDCCD输入二极管偏压（010V）VIGCCD输入栅极电压（210V）VOGCCD输出栅极电压（58V）VK 复位场效应管栅极电压（03V）VRD位场效应管漏极电压（115V）VDS输出场效应管源极电压（515V）VB CCD衬底偏压（1-5V）以上直流电压可有直流电源提供。（2）驱动脉冲电压：P光积分兼光转移三相脉冲V光转移兼存储转移三相脉冲H水平转移三相脉冲脉冲幅度 在015伏内可调T底部栅脉冲R复位栅脉冲M电注入脉冲，用以检查水平区的工作面阵CCD成像的显示都是采用隔行扫描制，即它的光积分分为奇数场和偶数场，常把由P1控制的场叫奇数场，而把P2、P3控制的场叫偶数场。该器件的详细工作过程分以下四步：A.光敏区的光积分P慢态的作用当P1为高电位时，P2、P3为低电位时，奇数场以光积分的方式积累电荷。当P1为低电位，P2、P3为高电位时，偶数场以光积分的方式积累电荷，而积累电荷的多少与光积分时间成正比，为了捕获更多的电荷，通常把光积分的时间取的很长，这就是通常所说的P慢态的作用。B.光敏区图像电荷向存储区的转移P、V快态的作用。当奇数场的光积分结束之后，在P、V第一组快态三相脉冲的作用下：P2，P1，电荷由P1P2P3，P2，电荷由P2P3P1，P3，电荷由P3P1于是完成一行的转移，即：P1控制下的第一行转移到P1控制下的第二行；P1控制下的第二行转移到控制下的第三行，如此等等，直到光敏区在P1控制下的倒数第一行，转移到存储区V1控制下的第一行为止。当P、V第二组快态三相脉冲到来时，作为光敏区的第一行已经没有电荷了，因此它空转一次，而第2行的电荷却转移到第3行，第3行又转移到第4行，以此类推，直到光敏区原倒数第一行经过这两组脉冲的作用转移到存储区的第2行为止。可以想象，当P、V经过了N/2组后，全部图像电荷也就转移到存储区去了。这项工作由于是安排在光积分之后很短的场回归期完成的，所以工作频率较高，我们称这时的P、V为快态。C.图像的输出V慢态与H快态的作用在光敏区向存储区完成图像转移之后，P2、P3为高电位，P1为低电位，于是偶数场进行光积分，在此期间存储区还要把原奇数场存储的电荷一次又一次的输出，具体的过程是：V2，V1，电荷有V1V2V3，V2，电荷有V2V3V1，V3，电荷有V3V1，与此同时的是T，V3，电荷有V3TV2，V1，电荷有V1V2，与此同时的是H2，T，电荷有TH2则存储区倒数第一行的电荷转移到了水平区，以后V1、V2、V3维持不变，只是水平转移三相脉冲H的快态工作，即H3，H2，电荷有H2H3H1，H3，电荷有H3H1H2，H1，电荷有H1H2如此下去，直到这一行的M个电荷全部转移到期间的输出端行程视频信号为止。由此可见，当经过N/2组V慢态三相脉冲作用后，存储区的全部图像电荷都会以上述方式转移至期间的输出端，并显示出一场图像。从此以后，将以相同的方式开始偶数场的传输工作。两场结束后，便获得一幅图像。很显然，在两个慢态V之间，H快态要把M个电荷全部输出，因此V慢态的周期相对于前面提到的V快态要长，故称它为的慢态。最后需要补充一句，T和R实质上是起到一个开关的作用，所不同的只是前者控制一行，后者控制一元。D.面阵CCD成像的驱动波形应遵循的原则通过对面阵CCD成像过程的概述，使我们想到实现CCD成像的驱动波形应遵循的这么几个原则。(1)奇数场进行光积分时，偶数场应封闭，反之亦然。(2)无论是奇数场还是偶数场，在光积分完后，都应有一个光图像向存储区的转移过程。所以在此期间P、V必须配合动作，即频率、相位相同（P1、V1同相；P2、V2同相；P3、V3同相）脉冲个数相等（都等于或大于N/2）。(3)只有等存储区的电荷全部转移完后，光敏区的电荷才能再次进入存储区，即在一场光积分的时间里应有等于或大于N/2个的V慢态脉冲。(4)只有等水平区的电荷全部转移完后，存储区的电荷才能再次进入水平区，即在一行的时间里（两个的V慢态之间）应有等于或大于M个H的快态脉冲。根据以上四条可以画出P、V、H的波形，如图3-8所示图3-8 P、V、H的波形(5)P、V、H各三相之间的相位关系上图只画出了P、V、H的大致情况，而各自的三相安排还得考虑以下问题：a) P1积分时，P2、P3不应积分，因此P1慢态应与P2、P3慢态反相（P2、P3同相）b) V的慢态不能同时安排为正，否则再轮到他们都同时为负时，就会把存储区的电荷“抹掉”。为此我们安排V2慢态与V1、V3慢态反相（V1、V3同相），即当V1、V3为负时，还有V2为正，以便保留储存电荷。c) 当T关闭的时候，原来存储在T之下的电荷就会进入水平区，但存储区的一个列元对应于水平区H的三个相位。为了使从T送来的电荷只能落入H慢态三相的某一相内（否则电荷分散会引起失真），则T只能与H的一相接壤传输，因此一般都把H2设计成高电位，即H2慢态与H1、H3慢态反相（H1、H3同相）。综上所述，P、V、H的波形及个相之间的关系如图3-9所示图3-9 P、V、H三相之间的关系3.2.4 机械手概述机械手一般分为三类：A 不需要人工操作的通用机械手：它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。B 需要人工才做的，称为操作机：它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。C 用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。另外机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。3.2.5 气动式机械手的工作原理1）真空的产生：真空泵和真空发生器。真空泵是由电机驱动一个泵体，有点象抽风机，只是真空泵体经过特别设计，能抽走空气，与大气压之间形成一定的负压，在泵体内形成相对大气压的负压真空。真空发生器的原理是，利用压缩0.5-0.8MPa的压缩空气，对“T”字型的压缩空气流道的“”部分吹气，压缩空气高速通过“”部分，按照空气动力学，就能带走“|”部分的空气，形成相对于大气压的负压，产生真空。2）在工业应用中的选型：真空泵产生的真空稳定，吸力大，如果对于重量较大的物体搬运或生产线上有比较多的地方需要使用真空，可以选择真空泵。真空发生器，可以用在少量使用真空的工业场合和搬运重量较小的货物。由于现在的真空发生器吸力越来越大，也有一些场合使用多个真空发生器搬运比较重的货物。3）真空搬运要求：需要配置硅胶吸盘，吸盘连接真空器件如真空泵、真空发生器，吸盘吸取的货物的吸取面需要比较平整，这样才不至于漏气。本论文使用的机械手图片如下图3-10 机械手图片3.2.6机械手定位本次验证基于面阵CCD的机械手定位，采用气动式机械手，对CMOS芯片进行精准的定位。由于CMOS芯片插针多、间距小，所以在放置过程中就需要定位精度高，本文采用单目视觉CCD像机进行图像的采集，对机械手的位置进行微调，它是完成吸取芯片和放置的最后环节，决定着定位精度。本节研究的是采用单目视觉技术获得图像的前提下，通过图像处理得到抓取CMOS芯片和设定芯片位置相对关系，进而由计算机控制做出控制决策，完成精确调整。系统中的坐标系规划如图3-11所示：图3-11 坐标系规划图图3-11中大坐标系是机械手坐标系，也是系统坐标系，是绝对的，其中是CCD坐标系的原点，图中10个定位的芯片的坐标只列举了其中的两个，相对于整个系统坐标系是绝对的（其余的也是一样的，就不做详细说明）。1）单目视觉技术为了确定目标的位置，一般计算机采用视觉伺服系统采用双目视觉技术，用两个摄像机来拍摄同一目标的图像，通过提取两幅图像的目标特征，判断摄像机与目标的相对位置，控制机械手的动作。但就本文研究的机械手和CMOS芯片位置调整而言，双目视觉系统是能完成并做出准确判断的，但是结构复杂，运算量大、效率较低。在这种情况下，机械手抓取物体的自动运算控制中，通过单目视觉系统进行特征点的提取，就可以判断摄像机与CMOS芯片的相对位置进行调整。相对与双目视觉系统，单目视觉系统结构更加简单、计算量小，效率高。2）单目视觉系统组成本文研究的单目视觉系统属于基于特定模型的单目视觉系统，其可通过特征模型的几何特征判断摄像机坐标系、图像坐标系和世界坐标系三者之间的关系，实现通过单目视觉的“三维测量”，系统组成如图3-12所示，系统由CCD像机、像机镜头、图形采集卡、计算机系统和标准特征图案组成。图3-12 单目视觉系统组成图图3-12中，机械手在XY旋转台的作用下与摄像头的位置发生相对变化，在像机成像平面上标记图案的位置和形状也会发生变化。3）摄像机的选择像机的选取是设计机器视觉系统最关键的一步。如今的机器视觉相机多数设计精良，并提供完整时序控制，高速快门，灵敏度以及紧密性。像机的目的是将通过镜头投影到传感器的图像传送到能够储存、分析和（或者）显示的机器设备上。可以用一个简单的终端显示图像，存储系统可以用磁带存储图像，或者利用计算机系统显示、存储以及分析图像。近几年里相机技术有了长足的发展，而电荷耦合器件的发明更是给相机带来革命性的发展。本系统选取MTV-1881EX1/2黑白低照度高解析工业摄像机，由北京维视数字图像技术有限公司提供。其外形如图3-13所示。图3-13 TDC-3000DU/M面阵CCDMTV-1881EX微型高清晰黑白工业CCD相机采用SONYCCD传感器，其使用寿命较长、具有较好的可靠性和稳定性。该相机采用DSP数字信号处理技术，使图像更清晰，轮廓更分明，对比度更强。并且该相机还极好的消除了信号中的干扰超声波、具有高质量的图像和很高的灵敏度。另外，该相机具有自动增益控制功能和数字背景光补偿功能。同时，该相机机构紧凑、外形小巧、功耗较低。其特性参数如表3-1。表3-1 MTV-1881EX相机技术参数表项目参数成像元件ImageSensorDevice像素EffectivePixels信号系统SystemofSignal水平解析度HorizontalResolution最低照度Minimumillumination信噪比S/NRatio电子快门ElectronicShutter电子快门控制ElectronicsShutterControl自动增益控制AutomaticGainControl背光补偿BacklightCompensation白平衡WhiteBalance镜头接口视频输出Videooutput供电电源PowerSupply工作温度OperatingTemperature1/2SONYCCD795(H)X596(V)CCIR600线0.002luxatF1.2大于48dB1/50-1/100,000/sec开/关开/关开/关开/关C/CS1.0Vp-p,75DC12V-20-+504）特征识别原理通常标记图案有点、直线、高级曲线三种形式。(1)点特征描述在基于模型的单目视觉定位方法有关特征模型的研究中，关于点特征的描述方法比较多。基本方法是给定N个控制点，并标定各点的相对空间位置以及各点与像机光心连线所成的夹角，进而可以确定各个控制点到光心的距离。该方法主要被用来确定摄像机与目标物体之间的相对距离和姿态。(2)直线特征描述直线特征在某些特定的环境进行定位比采用点特征进行定位更能显示出优越性。主要表现方面如下： 首先自然环境的图像包含很多的直线特征。其次，在图像上直线特征比点特征的提取精度更高。最后，直线特征抗遮挡能力比较强。虽然直线特征较点特征有一定优势，但只采用一条直线，目标物体的空间特性不能表达完全，常用的方法是采用三条不同时平行且不与光心共面的直线，建立特征的方程，并得到唯一解。理论上研究最多的是利用三线定位的问题。(3)高级曲线特征描述高级几何特征主要指二次曲线，常用的有圆、椭圆和抛物线等。关于二次曲线进行空间定位的研究是目前发展的方向。采用曲线