（机械制造及其自动化专业论文）基于加工中心箱体零件自动导位加工技术研究.pdf

s i t i o na n d at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a is h a n l e o c t o b e r 2 0 10 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 才劝彳黄值 日期 加年p 月7 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服 务 作者签名 考动情信 刷磴轹落孙 1 z3 7w j 日期 j 口年 湖7d 日 b 期 l 7 年j 胡 口日 l 硕i j 学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 l 1 1 课题研究的目的与意义 l 1 2 国内外发展现状分析 2 l 3 三维测量方法的选用 3 1 4 课题的研究目的和内容 4 第二章自动寻位系统的研究 6 2 1 自动寻位系统的构成 一6 2 1 1 机械系统组成 7 2 1 2 整体构造 7 2 1 3 主要技术要求 8 2 1 4 设备选型 8 2 2 自动寻位系统的方法 8 2 3 自动寻位系统中测量的基本原理 1 0 2 4 自动寻位系统的测量模型 1 1 2 4 1 自动寻位系统中的坐标系 1 1 2 4 2 自动寻位系统中的摄像机模型 1 2 2 5 自动寻位系统的测量精度分析 1 7 2 6 自动寻位过程中获得的光条图像 点 1 9 2 7 本章小结 2 0 第三章自动寻位系统参数确定 2 1 3 1 自动寻位系统中的摄像机标定 2 l 3 2 自动寻位系统中的标定方法 2 2 3 2 1 传统标定方法 2 2 3 2 2 自标定方法 2 3 3 3 自动寻位系统中空间几何变换 2 4 3 4 自动寻位系统中的针孔模型 2 6 3 5 自动寻位系统的参数确定 3 1 3 6 本章小结 3 5 第四章自动寻位系统的数据处理 3 6 基于加t 中 1 5 箱体零件自动 位加t 技术研究 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇i ii 曼曼鼍皇曼量曼曼曼曼皇曼曼苎鼍曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼舅曼鼍曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼 4 1 自动寻位过程中的图像 3 6 4 2 自动寻位系统中光条图像的增强 j 3 8 4 2 1 光条图像滤波 3 8 4 2 2 光条图像增强 4 l 4 3 自动寻位系统中光条图像的分割 4 4 4 3 1 阈值分割 4 4 4 3 2 基于边界的图像分割 4 5 4 4 自动寻位系统中光条图像的中心提取 4 9 4 5 自动寻位系统两摄像机图像的匹配 5 4 4 6 本章小结 5 6 第五章自动寻位的实现 5 7 5 1 自动寻位的实现 5 7 5 1 1 求取箱体零件所需旋转的角度 5 7 5 1 2 求耿箱体零件所需移动的距离 6 3 5 2 基于v c 和o p e n g l 仿真自动寻位找正过程 6 8 5 2 1o p e n g l 编程 6 8 5 2 2v c 中o p e n g l 的编程步骤 6 9 5 2 3 仿真界面 7 0 5 3 本章小结 7 0 结论 7 l 参考文献 7 3 致谢 7 7 附录a 攻读学位期间发表的学术论文 7 8 硕f 学位论文 摘要 传统的机械加工技术普遍遵循 定位一夹紧一加工 操作模式 在这一模式下 如 何按照设计和工艺要求实现被加工箱体零件的精确定位 便成为保证箱体零件加工合格 的一个首要问题 对于大批生产时 一般采用专用夹具进行定位 对于单件小批量生产 时 一般采用人工找正进行定位 但其效率低下 精度难以保证 针对此问题 本文提 出了一种自动寻位加工技术 研究了利用三维深度非接触测量技术中的双目线结构光视 觉测量技术对随机放置在带有回转工作台的卧式加工中心上的箱体零件进行角度和位 移量的自动找正 从而省去了设计精密夹具和人工找正 该方法大大节省了辅助时间 提高了生产效率 适用于多品种 单件 小批量生产模式 该方法的具体实现过程如下 加工前不事先规定箱体零件在卧式加工中心应处的精 确位置与姿态 只需用简单的 低精度的 低成本的 通用性强的紧固夹持元件和装置 如螺栓 压板 台钳等 将箱体零件适当地 非精确地固定在卧式加工中心回转工作 台上 用线结构光平面对箱体零件某一竖直侧表面进行照射 在箱体零件侧表面上形成 一条亮的带有箱体零件表面三维信息的激光条纹 用c c d 摄像机获取光条二维畸变图 像 将光条图像输入到自己编写的寻位加工图像处理软件中 对其进行图像处理得出光 条中心图像 进而在m a t l a b 中利用矩阵变换将图像中光条上点的坐标转化为三维世界 坐标系下的坐标 然后利用一系列数学运算得出箱体零件到达正确位置所需的旋转量和 位移量 旋转并移动箱体零件使其位于正确位置上 最后利用v c 和o p e n g l 进行了 自动寻位找正过程的仿真 关键词 自动寻位 卧式加工中心 箱体零件 旋转量 位移量 笨于加t 中心箱体零件自动了位加丁技术研究 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya b i d e db y p o s i t i o n i n g c l a m p i n g p r o c e s s i n g o p e r a t i n gm o d e i nt h i sm o d e h o wt of i n dt h eb o x p a r t s p o s i t i o np r e c i s e l yb y d e s i g n i n ga n dp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n ti sb e c o m i n gt h ep r i m a r yp r o b l e mo fp r o c e s s i n g q u a l i f i e dp a r t s f o rp r o c e s s i n go fm a s sp r o d u c t i o n g e n e r a l l yu s e ss p e c i a lj i gt ol o c a t ep a r t s w o r k e r sl o o kf o rp o s i t i o nf o rs i n g l es m a l lb a t c hp r o d u c t i o na r t i f i c a l l y b u ti ti sh a r dt oe n s u r e a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y t os o l v et h i sp r o b l e m iu s eaa u t o m a t i cl o c a l i z a t i n ga n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e s r e s e a r c h e d t h et e c h n o l o g yo ft h r e e d i m e n s i o n a l d e p t ho f n o n c o n t a c t m e a s u r e m e n to fb i n o c u l a rs t r u c t u r e dl i g h tm e a s u r i n gt e c h n i q u et h a ti su s e dt of i n dt h en g h t p o s i t i o no ft h eb o xp a r to n ah o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r t h ep o s i t i o ni n c l u d e dt h ea n g l ea n d d i s p l a c e m e n to fp a r t sa l i g n m e n t t h u se l i m i n a t i n gt h et i m eo ft h ed e s i g n i n go fp r e c i s i o n f i x t u r e sa n dm a n u a la l i g n m e n t t h i sm e t h o ds a v e st h el o c a t ep a r t s t i m ea n di m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o nf o rm a n ys p e c i e s o n e p i e c e s m a l lb a t c hm o d e t h i sm e t h o di sa sf o l l o w s t h eb o xp a r t sa r en o tp r e d e t e r m i n e dt h ea t t i t u d ea n dt h ee x a c t l o c a t i o no nt h eh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r s j u s tu s e sas i m p l e l o wa c c u r a c y l o wc o s t g e n e r a lf i x t u r et oc l a m pt h eb o xp a r t so nt h em a c h i n et a b l en o n a c c u r a t l y t h e no p t i c a l p r o j e c t o ri su s e dt op r o j e c tac e r t a i np a t t e r no fs t r u c t u r e dl i g h to n t ot h es i d eo ft h eb o xp a r to f as u r f a c e t h ep i c t u r eo fl i g h tb a rt h r e e d i m e n s i o n a li sp r o d u c e do nt h es u r f a c eo ft h eb o x p a r t t w oc c dc a m e r a sg e tt h ed i s t o r t e dt w o d i m e n s i o n a lo p t i c a lp i c t u r e t h ep i c t u r e sa r ei n p u t e d t ot h es o f t w a r et h a ti sd e s i g n e db ym y s e l f t og e tt h ei t s o p t i c a lc e n t e ro ft h ei m a g e a n d t r a n s f o r n l so p t i c a lc e n t e rc o o r d i n a t e so ft h ei m a g ei n t ot h r e e d i m e n s i o n a lw o r l dc o o r d i n a t e s b ym a t l a b t h e nu s e sas e r i e so f m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o n st oo b t a i nt h er e q u i r e da m o u n to f r o t a t i o na n dd i s p l a c e m e n t t h eb o xp a r ti si nt h ec o r r e c t p o s i t i o nb yr o t a t i n g a n d m o v i n g f i n a l l y t h ea u t o m a t i cl o c a t i n ga n dp r o c e s s i n gi ss i m u l a t i e db yv c a n do p e n g l k e yw o r d s a u t o m a t i cl o c a t i o n h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r s b o x p a r t r o t a t i o n d i s p l a c e m e n t i j 硕 学位论艾 1 1 课题研究的目的与意义 第一章绪论 在工业生产部门 箱体零件从设计制造到合格出厂要经历许多环节 加工过程中需 要很长的辅助时间 从而使得设备的制造成本和制造难度相应加大n 1 传统的机械加工 技术普遍遵循 定位一夹紧一加工 操作模式 在这一模式下 如何按照设计和工艺要 求实现被加工箱体零件的精确定位 便成为保证箱体零件加工合格的一个首要问题 解 决这一问题有两条常规途径 一是单件小批量生产时靠操作者进行精确找正 二是大批 量生产时为被加工箱体零件设计精密夹具 在靠操作者进行人工找正的情况下 不但难 以达到高的精度 而且需耗费大量的辅助时间 大大降低了机床的利用率 在采用夹具 的情况下 由于夹具的设计 制造和装调所需周期长且耗资大 因而既延长了制造工期 又增加了产品成本 由此便产生了以下两方面突出问题 1 生产准备周期长 难以对动 态变化的市场需求做出快速响应 2 不能适应制造系统状态的动态变化 难以实现生产 过程的最优化 针对上述方法存在的不足 本文提出了一种自动寻位加工技术 自动寻位加工 的概念打破了传统 定位一夹紧一加工 模式中被动定位概念的束缚 通过主动寻位并 纠正箱体零件的位置与姿态 实现无需对被加工箱体零件进行精确定位的高效敏捷加 工 具体实现过程如下 用简单的 低精度的 低成本的 通用性强的紧固夹持元件和装置 如螺栓 压板 台钳等 将箱体零件适当地 非精确地固定在卧式加工中心回转工作台上 此时箱体零 件的固定可以是非精确的 但为了有利于寻位的进行 需按照定位加工工艺规程来实施 箱体零件的固定 然后通过主动寻位找到箱体零件的实际位姿 进而求出箱体零件的 实际位姿与工艺设计阶段所确定的箱体零件在加工时应处的正确位置 箱体零件在卧式 加工中心上的位置与姿态 之间所需的旋转量和位移量 旋转并移动使其精确地位于实 际加工所需要的j 下确位置上即可根据已编好的程序对其进行加工 自动寻位加工 与 定位一 l 紧一加工 的重大差别是 以主动寻位并纠正位姿 代替被动定位 从而克服了传统制造技术所存在的生产周期长 灵活性与快速响应性差 等弊端 无需使用精密央具 省去了人工找正过程 大大节省了央具设计 制造和装调 等和人工找正所需的大量准备时间 提高了生产效率 适用于多品种 单件 小批量生 产模式 须提高新产品的上市速度 于是产生了并行工程c e c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g 的思想 2 0 世纪9 0 年代初 欧洲制造业出现了一个新的现象 人们开始把注意力集中在以 c i m s 为基础的 以人为中心的生产系统a p s a n t h r o p o c e n t r i cp r o d u c t i o ns y s t e m a p s 是组织管理 人 技术三者的集成 其中人是核心 新的竞争环境要求企业具有极 大地柔性 能快速响应市场 为了夺回在制造业的领先地位 美国在c i m 和c e 的基础 上 又认真研究了同本的j i t 和精良生产 于1 9 9 1 年进一步提出了敏捷制造 a g i l e m a n u f a c t u r i n g 的新概念 与a p s 相似 如何提高制造系统的智能 如何把人更有效地 集成到c i m 中 人们又提出了智能制造 i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g 的思想 而敏捷制造 被认为是全面提高企业竞争能力的2 l 世纪制造策略 是在c i m 和c e 基础上更大范围 内企业之间的集成 在这种策略下的虚拟公司 v i r t u a lc o m p a n y 通过信息高速公路和其 他公司进行合作 以对市场机遇作出敏捷的响应 虚拟制造 v m 贝j j 是在计算机上模拟产 品的制造和装配全过程 以期尽早发现可能发生的问题 1 9 9 8 年1 2 月 欧洲联盟公布了 第五框架计戈u 1 9 9 8 2 0 0 2 将虚拟网络企业列入 2 硕f 学位论文 研究主题 2 0 0 2 年 欧盟提出了 第六框架计划 选定了需要重点攻关的7 大领域 其 中包括信息和网络技术 欧盟第六框架计划的目的是 通过各种方法刺激信息技术的快 速发展 加强信息的产业化 使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和发展 中获益 我国香港科技大学瞳 3 1 和清华大学在这一领域的研究工作起步较早 并已取得若干前 期研究成果h 吲 并在此基础上他们得到国家自然科学基金委员会和国家8 6 3 计划的支持 在前期研究工作基础上开展了进一步较为深入系统的应用基础研究 1 3 三维测量方法的选用 物体的三维测量主要包括接触式和非接触式两大类 接触式测量的典型代表是三坐 标测量机 c m m c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e 它是对三维物体表面轮廓进行测量的 传统方法 该方式以精密机械为基础 综合应用光学 电子学 计算机和数控等先进技 术 测量精度可高达微米级 是迄今为止最具通用性的传统坐标测量方法 广泛应用于 航空航天 电子和机械制造等领域 其数据采集方式有触发式和连续式 技术已相当成 熟 7 1 但是 该方法始终存在着一些无法克服的弊端 例如 它采用点接触的测量方式 要求必须与实物接触 因而无法测量柔软物体和测头不能触及的表面 另外 它的扫描 数字化速度受到机械的限制 测量速度慢 且需要补偿测头直径信息 从而影响测量效 率 对于较复杂的曲面 特别是组合曲面 自动跟踪存在一定困难 且可靠性较低 测 量机的结构复杂 对工作环境要求较高 应用范围受到很大限制 总体来看 接触式三 维测量已经难以满足快速准确的测量需求拈一3 比较而言 非接触三维测量方式则有效避免了上述缺陷 在测量范围 测量效率上 均有较大提高 且对所测工件的要求办有所降低 三维深度非接触测量技术是目前三维测量技术的重点发展方向 它包括立体视觉 结构光等多种方法 其中结构光法应用十分广泛 现实世界的物体都是三维的 故而对 视觉的研究从根本上讲也应该是三维的 现有的图像采集装置所获取的图像是二维的 要从图像认识世界 就要从二维图像中恢复物体的三维空间信息 关键是要测量出物体 各点距观察者或任一参考点的距离 而立体视觉是解决这个问题的重要方法 立体视觉的工作过程与人类视觉系统的感知过程有许多相似之处 事实上 人类视 觉系统是一个天然的立体视觉系统n 引 根据视点数目的不同 计算机视觉可分为单目视 觉 双目视觉和多目视觉 在视觉测量系统中 采用单目法 双目法和多目法都可以恢 复深度信息 单目法在获取深度信息的时候需要已知视场内某点的三维信息 然后利用 运动图像序列分析的方法来求取被测物体的形状和尺寸 把3 在测量深度范围仅为l 衄 左右的对焦等方面应用的时候 则采用聚焦法和离焦法更为精确 双目法是模拟人眼的 然存在图像匹配问题 结构光视觉测量方法是为了解决双目立体视觉中图像匹配的难题而提出来的 该法 不仅具有快速 精确 高分辨率 抗干扰性好等优点 而且结构简单 易于实现 双目线结构光视觉测量技术是基于光学的三角法测量原理 光学投射器将一定模式 的结构光投射于物体表面 形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像 该三维图 像由处于另一位置的摄像机摄取 从而获得光条二维畸变图像 光条的畸变程度取决于 光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓 高度 直观上 沿光条显示出的 位移 或偏移 与物体的高度成比例 扭曲表示了平面的变化 不连续显示了表面的物理 间隙 当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时 由畸变的二维光条图像坐标便可 重现物体表面的三维形貌n 乳1 4 3 综上所述 本文选用双目线结构光视觉测量系统对箱体零件的表面轮廓信息进行测 量 1 4 课题的研究目的和内容 通过自动寻位加工系统得到箱体零件的准确位置 具体内容如下 1 运用c c d 摄像机对箱体零件表面三维形貌信息的获取 自动寻位系统是利用双目线结构光视觉测量技术进行自动寻位的 光学投射器 如 激光器 将一定模式的结构光投射于箱体零件的表面 在表面形成由被测箱体零件表面 形状所调制的光条三维图像 该三维图像由处于其它位置的两个c c d 摄像机摄取 从 而获得光条二维畸变图像 双目线结构光视觉测量系统由光学投射器 摄像机和计算机 系统三部分构成 2 对获取的光条图像进行图像处理 根据数字图像处理自己编写一个寻位加工图像处理软件 将光条二维畸变图像输入 到该软件中 对其进行光条图像滤波 光条图像增强 光条图像分割等一系列预处理 并对预处理过的图像进行轮廓提取 最终进行激光条纹中心提取 从而可以获得光条在 图像坐标系下的坐标值 3 求取箱体零件到达正确位置所需的旋转量和位移量 将已获得的光条图像坐标输入到m a t l a b 中对其进行矩阵变换 将图像中光条上点 的坐标转化为三维世界坐标系下的坐标 得到箱体零件的准确位置 然后利用一系列数 4 5 堆十力 t 中心箱体零件自动了化加t 技术研究 第二章自动寻位系统的研究 2 1 自动寻位系统的构成 整个自动寻位系统是由硬件和软件两部分组成的 硬件结构包括双目线结构光视觉 测量传感器 图像采集控制部分和机械伺服控制部分 软件包括扫描控制 图像处理部 分和特征提取部分等 硬件结构是扫描功能实现的基础 其中正确的机械运动架构对于 后期的扫描实现和扫描的完整性至关重要 其硬件整体结构相当于三坐标测量机将接触 式测量探头换成非接触式的双目线结构光视觉测量传感器 并在末端视觉传感器前加入 旋转装置 使传感器可以在竖直平面内进行旋转扫描 共4 个自由度 实现箱体零件的 全方位扫描 系统的总体结构如图2 1 所示 图2 1 自动寻位系统的组成 该系统的工作过程如下 1 启动结构光投射器 将线结构光投向箱体零件的某一竖直侧表面 2 启动左 右摄像机 从不同视角拍摄被线结构光照射的箱体零件表面轮廓 取得 该平面上截得的箱体零件侧表面上多个点的坐标 3 将所获得的多个点的图像坐标值输入到计算机中 由信息处理软件求解出箱体零 件侧表面上对应点的三维坐标值 硕 l j 学化论文 2 1 1 机械系统组成 机械系统主要用来承载图像采集系统进行图像数据采集 在采集过程中首先要求机 械系统能够满足摄像机工作自由度数目的要求 其次还要保证拍摄过程中镜头拍摄平 稳 不抖动 以保证被录取图像数据可靠 准确 在本课题中我自行设计了一个在立柱 对称的两边放一对固定的连杆机构 水平方向的杆件两端放两台c c d 摄像机 放置的位 置以保证能够拍摄到放置在工作台上与z 轴方向垂直侧表面为准 线结构光投射器则固 定放置在刀具滑块的左侧位置 并以保证能够将线结构光投射到在工作台上与z 轴方向 垂直侧表面为准 2 1 2 整体构造 定c c d 摄像机 图2 2 信息获取设备示意图 在实际系统中 传感器安装时需调整使激光面垂直水平面出射 两摄像机在同一水 平面上 即光心连线与水平面平行 并尽量使两相机相对激光平面的位置对称 整个系 7 在本课题的研究中 自动寻位系统主要由线激光器 c c d 摄像机 图像采集卡和微 型计算机组成 因为我们的测量系统中机械机构的运动是很重要的部分 是影响整个测 量系统性能的关键部分 所以性能优越的多轴运动控制板卡也是系统必不可少的部分 下面仅就系统中的c c d 摄像机 图像采集卡作简要的介绍 c c d 摄像机的选择 在自动寻位系统中 c c d 摄像机是影响整个测量系统性能的关键部分 关系到采集 到的图片质量 测量的精度 c c d 器件按其感光单元的排列方式分为线阵c c d 和面阵 c c d 两类 用于摄取线图像的称为线阵c c d 用l c c d 表示 用于摄取面图像的称为面 阵c c d 用s c c d 表示 故而c c d 摄像机按制式分类有线扫描和面扫描两种方式 其中 面扫描又分为隔行扫描和逐行扫描 在本系统中 相机只需要在静止状态下采集图像 所以我们选用线扫描的摄像机即可 图像采集卡的选择 图像采集卡的功能是对模拟视频信号进行采样并作a d 转换而输出数字信号 以便 计算机能够对采集到的图像进行处理 它广泛应用于图像传感 图像分析 信号处理 数字存储等领域网 对于一个基于计算机视觉的测量系统而言 选择一个性能可靠的 库函数丰富 程序易于移植的图像采集卡对于后续的开发是非常重要的 目前市场上常 见的图像采集卡有基于i s a 总线与p c i 总线两种 由于本文采用的控制装置为微型计算机 p c 并且现在微型计算机的主板板卡插槽多为p c i 总线插槽 i s a 总线插槽呈现逐渐 被淘汰的趋势 因此本文选用基于p c i 总线的图像采集卡 2 2 自动寻位系统的方法 在对随机放置在卧式加工中心回转工作台上的箱体零件进行自动寻位时 对箱体零 硕士学位论文 件表面三维形貌信息的获取是运用了双目线结构光视觉测量技术 人类对外界事物信息 的获取大都通过视觉 随着科学技术的不断进步 研究了利用计算机等现代化工具来实 现视觉功能 以增加对三维世界的理解 由此形成了一门崭新的学科 计算机视觉 c o m p u t e rv i s i o n 又称机器视觉 m a c h i n ev i s i o n 近年来 随着计算机技术 电子 技术的不断进步以及c c d 摄像机等的不断完善 推动了计算机视觉技术的快速发展 而在计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测 v i s i o ni n s l c t i o n 技术具有非接触 速 度快 精度适中 可实现在线等优点 已广泛地应用于工业产品的在线检测 视觉检测技术根据光照条件可分为主动视觉 a c t i v ev i s i o n 检测和被动视觉 p a s s i v ev i s i o n 检测两大类 被动视觉采用非结构光照明 它是根据被测空间点在不同 像面上的相关匹配关系 获得空间点的三维坐标 主动视觉是采用结构光照明 通过结 构光在被测物体表面上的精确定位来获取被测信息 激光具有高亮度 高方向性 高单色性 高相干性和高能量密度性等特性n 鄹 利用 激光做光源来获取结构光的主动视觉检测 称之为激光视觉检测技术 也即结构光三维 视觉测量技术 本论文中对箱体零件表面三维形貌信息的获取就是运用了双目线结构光 视觉测量方法 该方法不仅具有快速 精确 高分辨率 抗干扰性好等优点 而且结构 简单 易于实现 根据照射系统采用的结构光方式不同可划分为 点结构光 线结构光 多线结构光等 下面将分别对各种结构光测量方法作较为详细的讨论 1 点结构光 当自动寻位系统采用点结构光对箱体零件进行照射时 光投射器发射出一束激光 激光束与被测物体表面相交产生一个亮点 亮点经透视投影成像到摄像机像平面上 形 成一个二维像点 摄像机的视线和光束在空间中于光点处相交 形成一种简单的三角几 何关系 通过一定的标定可以得到这种三角几何约束关系 并由其可以唯一确定光点在 某一已知坐标系中的空间位置 图2 3 a 为其原理示意图 点结构光法满足在线检测 快速 实时的要求 另外 由于测量中坐标系的许多参数在选取时有很大的随机性 这 样可方便地求出传感器的结构参数 然而点结构光法每次只能获得物体表面一个点的位 置 信息量少 因此实用中多采用快速扫描方式n 6 1 刀 2 线结构光 该方法大多数也是基于三角测量原理 但是采用线光源代替点光源 它由光投射器 在空间投射出一个光平面 光平面和被测物体表面相交并在被测物体表面产生一条亮的 平面光条曲线 其原理如图2 3 b 所示 该光条曲线由于物体表面深度的变化以及可能 的间隙而受到调制 表现在图像中则是光条发生了偏移和断续 偏移的程度与深度成比 例 断续则显示出了物体表面间的物理间隙 光条图像偏移量与探测深度的比例系数取 决于光源与摄像机之间的距离 因此 要更精确地测量深度 则要求间距越大 然而这 会导致摄像机 盲区 这部分的深度是探测不出来的 需要指出的是 探测器和光源 之间的基线距离越大 测距越精确 但因方向遮挡引起的 盲区 也越明显 为了解决 9 a 点结构光b 点结构光c 点结构光 图2 3 自动寻位系统中采用不同结构光测距的原理示意图 3 多线结构光 运用多线结构光测量方法测量时 由光投射器在空间投射出多个光平面 这多个光 平面和被测物体表面相截得到多条平面光条曲线 各个光平面分别与像平面形成透视对 应关系 多线结构光测量方法是线结构光方法的一种变化形式 是采用光栅进行测量n 钔 测量过程中在被测物体表面形成多条平面光条曲线 一方面是为了在一幅图像中获得多 条光条 可以同时处理多条光条 提高图像处理的效率 另一方面是为了实现物体表面 的多光条覆盖从而增加获得的信息量 以获取被测物体表面更大范围的深度信息 这种 方法也就是所谓的 光栅结构光法 如图2 3 c 所示 较之线结构光法 多线结构光 法检测的效率提高 范围增加 但同时增加了标定的复杂性和光条匹配问题 故而本课 题中自动寻位系统采用双目线结构光视觉测量技术 2 3 自动寻位系统中测量的基本原理 如图2 3 所示 当激光投射器投射的激光平面兀 与空间某一位置处的箱体零件 待测竖直侧表面相交时 将在箱体零件待测竖直侧表面上形成一条亮的光条1 光条l 上的点包含了其所在处箱体零件待测竖直侧表面上点的三维信息 即三维物点坐标 x w y w z w 反映到c c d 摄像机的像平面上 则得到一幅光条l 的二维图像 光条图 像上的二维像点坐标记为仳v 则由二维像点坐标沁v 便可以重构其对应的三维物点坐 标 x w y w z w 这就是自动寻位系统中如何获取箱体零件待测竖直侧表面上点的三维信 息的基本原理 如何实现重构则是自动寻位系统 即双目线结构光视觉测量技术检测的 1 0 硕十学位论文 基本任务 也即得到如下的关系式 x w y w z w f u v 2 1 获得式 2 1 的过程也即系统建模的过程 这将在下一节加以详细讨论 2 4 自动寻位系统的测量模型 自动寻位系统的测量模型 即双目线结构光视觉测量模型的建立主要有基于精确数 学模型的解析法如简单三角法 基于透视投影的方法 基于摄像机平面和结构光平面之 间直接的仿射变换方法和基于非数学模型的方法如人工神经网络法等陟捌 根据具体的 检测对象 在能够完成检测任务和满足检测精度的前提下 要尽可能选用结构简单 易 于实现 稳定性好 视觉信息量较大的传感器 线结构光传感器则恰好具备上述特点 在工业检测中得到了广泛的应用 以下主要讨论如何建立自动寻位系统的测量模型 2 4 1 自动寻位系统中的坐标系 双目线结构光视觉测量中涉及的坐标系包括世界坐标系 摄像机坐标系和图像坐标 系幽1 mu o m v j 图2 4 摄像机坐标系与世界坐标系图2 5 图像坐标系 1 世界坐标系 x w y w z w 也称全局坐标系 是由用户任意定义的三维空间坐标系 用于描述摄像机和物体的 位置 本课题中选用机床坐标系作为世界坐标系 并将世界坐标系的原点o w 设置在机 床各轴靠近正向极限的位置 通过减速行程开关粗定位 再由零位点脉冲精确定位 2 摄像机坐标系 x c y c z c 摄像机成像几何关系可由图2 4 表示 中心原点o c 在摄像机透镜中心 也称光学 光心 x c y c 轴与图像物理坐标系的x y 轴平行 z c 轴与摄像机的光轴重合 与成 像面垂直 且取摄影方向为正向 图中0 c 0 为摄像机焦距f o 3 图像坐标系 基于二i n l t 中心箱休零件自动 7 位加t 技术研究 在双目线结构光视觉测量系统中为了便于像点和对应物点空间位置的相互换算 摄 像机模型通常将图像坐标系建立在摄像机坐标系中z c f 平面内 图像坐标系是平面直 角坐标系 分为图像像素坐标系 u v 和图像物理坐标系 x y 两种 摄像机采集的图像经 过模数转换离散采样后得到离散数值的数字图像 每幅数字图像在计算机内为m x n 数 组 m 行n 列的图像中的每一个元素称为像素 每一个元素的数值为图像的灰度值 针 对灰度图像 如图2 5 所示 在图像上定义直角坐标系u v 每一像素的坐标 u v 分别 是该像素在数组中的列数与行数 所以 图像像素坐标系 u v 是以图像左上角为原点 以像素为坐标单位的直角坐标系 同时我们还建立了以毫米为单位的直角坐标系 称为 图像物理坐标系 该坐标系以光轴与像平面的交点为原点 x y 轴分别与图像像素坐标 系的u v 轴平行 图像物理坐标系的原点 即光轴与像平面的交点在理想情况下应位于图像中心处 但由于摄像机制造方面的原因 一般会有偏离 若o 在u v 坐标系中的坐标为 u o v o 像面上每一个像素在x 轴与y 轴方向上的物理尺寸为d x d y 则图像中任意一个像素在 两个坐标系下的坐标有如下关系 u 2 一 o dx v y v o y 用齐次坐标和矩阵形式将上式表示为 阡 o d x o 砂 0o 1 2 4 2 自动寻位系统中的摄像机模型 2 2 2 3 1 摄像机理想透视变换模型 线性模型 摄像机模型是光学成像几何关系的简化 最简单的模型为线性模型 或称针孔模型 p i n h o l em o d e l 在定义上述坐标系的基础上 我们需要知道各坐标系之间的转换关 系 以便进行测量 世界坐标系与摄像机坐标系之间的变换关系 1 2 摄像机坐标系与图像坐标系之间的针孔透视变换关系 空间任意一点p 在图像上的成像位置可以用针孔模型近似表示 即任意点p 在图像 上的投影位置p 为光心o c 与p 点的连线0 c p 与像平面的交点 这种关系也称为中心 投影或透视投影 由此可由比例关系得出摄像机坐标系中的物点p 在图像物理坐标系中 的像点p 的坐标为 x少 2 7 其中 x y 为点p 的图像物理坐标 x c y c z c 为空间点p 在摄像机坐标系下的坐标 f 为摄像机焦距 我们用齐次坐标与矩阵形式表示上述透视投影关系 oo o f 墨 f 蚓芝 l 1 由公式 2 3 幂1 3 2 8 可以得到空间点p 与像点p 的像素坐标之间的关系为 2 8 生乙匕一乙 广 o o 一 i l 一 x y l l c z 好旺 吾u 滞o x w z 1 m l m 2 x m x w 2 1 0 其中 m 为3 x 4 矩阵 称为投影矩阵 m i 由 u o v o d x d y 共5 个参数决定 它们 只与摄像机内部结构有关 我们定义这些参数为摄像机内部参数 称m l 为摄像机内部 参数矩阵 m 2 由旋转矩阵r 和平移矩阵t 组成 旋转矩阵r 实际上只含有三个独立的 角度变量 0 p y 加上平移矩阵t 的三个变量t x t y t z 共六个参数 这些参数描 述的是摄像机相对于世界坐标系的方位 我们定义m 2 为摄像机外部参数矩阵或方位矩 阵 这些参数为摄像机外部参数 而确定某一摄像机内 外部参数的过程称为摄像机的 标定 由公式 2 1 0 可知 如果已知摄像机的内 外部参数 就可以知道投影矩阵m 对于空间任意点p 如果已知它的坐标p w x w y w z w 就可以求出对应像点p 的位置 u v 反过来 如果p a 1 1 u v 即使知道摄像机内 外部参数 p w 的空间坐标也不是唯 一确定的 它对应的是空间的一条直线 因为在式 2 1 0 中 m 为不可逆矩阵 若已知 m 由公式 2 1 0 给出的三个方程中消去z c 只可得到关于x w y w z w 的两个线性方程 由这两个线性方程组成的方程组即为射线的方程 也就是说 投影点为p 的所有点均在 该射线上 其物理意义可由图2 4 看出 当已知图像点p 时 任何位于射线上的空间点 的图像都是p 点 因此 该空间点是不能唯一确定的 但是 如果通过使用两个摄像机 得到p w 点的两个对应像点p l u l v 1 和p r u v 来实现 因为这两个像点p l u t v o 和p u r v r 可以分别得到两条通过p w 点的射线 而这两条射线的交点即为空间任意点p 联合两 条射线的方程组为方程组求得的那个点的坐标即为空间任意点p 的坐标p w x w y w z w 故本课题中所选用的是两个摄像机 1 4 帧 卜掌位论义 曼曼曼曼量曼曼曼舅皇曼i i i i i i i 一 皇皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼量曼曼蔓曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼皇 2 实际摄像机模型 非线性模型 摄像机镜头畸变模型 理想的透镜成像是针孔模型 但实际中透镜并不完全满足这个条件 由于摄像机还 存在光学系统的加工误差和装配误差 因此物点在摄像机像面上实际所成的像与理想的 针孔成像之间存在光学畸变误差 当计算精度要求较高时 线性模型往往不能准确地描 述摄像机的成像几何关系 并且 摄像机的镜头成像时也会发生畸变 所以并不符合小 孔成像模型 尤其是在使用视角较大的广角镜头时 在远离图像中心处会有较大的畸变 需要对线性模型加以修正 镜头畸变的类型有三种 径向畸变 偏心畸变和薄棱镜畸变 其中以径向畸变为主 径向畸变仅使像点产生径向位置偏差 而偏心畸变和薄棱镜畸变 使像点既产生径向位置偏差 又产生切向位置偏差心5 1 图2 6 所示为理想像点和实际像 点之间的位置关系 d r 是径向畸变 d t 是切向畸变 厂 攀 r 一 d r 径向 d 七 切向 图2 6 理想像点和实际像点 q 桶形畸变i 枕形畸变 图2 7 径向畸变 1 径向畸变 r a d i a ld i s t o r t i o n 径向畸变是由于透镜形状不满足理论要求造成的 存在径向畸变时像点会相对于理 想位置沿径向偏移 像面上过光轴的直线还是直线 只不过变长或变短了 这种畸变主 要是由于同轴透镜系统存在缺陷所引起的 一个像点沿径向内缩叫负畸变 或桶形畸变 沿径向外延叫正畸变 或枕形畸变 这种畸变相对于摄像机镜头主光轴严格对称 是畸 变的主要分量 图2 7 直观的解释了该种畸变 其数学模型为 4 k 1 7 3 k 2 7 5 也7 7 2 1 1 式中 7 霸 聍 为像点到像平面中心的极径 k l k 2 k 3 为径向畸变系数 若令局 7 c o s 匕 7 s i n a 则上式可化为 6驴 xa klr 2 k2r 4 k3r 6 yd k r k2r k3r 2 1 2 i 甄 24 6 卜 叫 2 偏心畸变 d e c e n t e r i n gd i s t o r t i o n 偏心畸变主要是由于光学系统光学中心与几何中心不一致造成的 即透镜组的光学 幕 f 加t 中心箱体零件自动i 位加t 技术研究 中心不是完全在一条直线上 这个缺陷造成了所谓的偏心畸变 偏心畸变既含有径向畸 变 又含有摄像机镜头的主光轴不对称的切向畸变 它可以通过使用变焦距镜头方法准 确估算光心来克服 其数学模型为 1 如 3 j r 2 五 4 s i n a 一 屯 2 以 4 s i n a a o 式中 a o 为最大切向畸变与x 轴正向夹角 如图2 8 所示 转换成x 轴与y 轴的形式 即 一c s o s n a 口 s i s n 口口 i 8 屯 设眉 一 s i n a o 最 e o s a o 则 i 如 毋 3 彰 巧 2 昱蜀巧 l 勘 2 卑局匕 县 蟛2 3 巧 2 1 3 关系式 2 1 4 可将式 2 1 3 2 1 4 2 1 5 式中 p l p 2 为切向畸变系数 3 薄棱镜畸变 t h i np r i s md i s t o r t i o n 薄棱镜畸变的产生是由于镜头设计缺陷与加工安装误差所造成的 如镜头与摄像机 像面有小的倾角等 这类畸变相当于在光学系统中附加一个薄棱镜 不仅引起径向位置 偏差 而且引起切向位置偏差 从而造成一定数量的径向畸变和切向畸变 图2 8 直观 的解释了这种畸变 题搭大 滋 剽 图2 8 切向畸变 其数学模型为 i 屯 厂2 i 2 r 4 s i n 口一q l 如 i l r 2 i 2 r 4 c o s 口一q 式中 qi 角为最大切向畸变与x 轴j 下向夹角 设s i l s i n a1 改写为直角坐标形式 f s 局2 埒 l 万妒 叉 局2 巧 式中 s 1 s 2 为薄棱镜畸变系数 2 1 6 s 2 i l c o sql 则上式可 2 1 7 实际摄像机模型 由上述分析可知 由小孔线性模型计算出来的像面上的理想像点坐标值 x u y u 应等 于实际成像点的坐标值 x d y d 和非线性畸变误差值之和 它与图像点在图像中的位置有 关 即 心意 瓮 m 鼢 i 艺 巧 万矿 屯 艿伊 p 7