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機(jī)器人

視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)開發(fā)分析(一)

星之球激光 來源:21ic2012-01-10 我要評論(0 )   

過去幾年里,運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)把機(jī)器視覺作為其關(guān)鍵部分。越來越多的工程師和科研人員認(rèn)識到當(dāng)前的機(jī)器視覺技術(shù)和運(yùn)動控制技術(shù)相結(jié)合對于解決復(fù)雜應(yīng)用問題有相當(dāng)大的幫...

過去幾年里,運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)把機(jī)器視覺作為其關(guān)鍵部分。越來越多的工程師和科研人員認(rèn)識到當(dāng)前的機(jī)器視覺技術(shù)和運(yùn)動控制技術(shù)相結(jié)合對于解決復(fù)雜應(yīng)用問題有相當(dāng)大的幫助。軟硬件技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了運(yùn)動控制和機(jī)器視覺系統(tǒng)的結(jié)合,并降低了它們的開發(fā)難度和開發(fā)成本。在設(shè)計這種系統(tǒng)時,了解目前的技術(shù)發(fā)展、方法以及開發(fā)工具會對您的工作提供很大的幫助。

視覺和運(yùn)動控制系統(tǒng)框圖


  當(dāng)您開發(fā)一個視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)時,有很多方面需要考慮。其中重要的一點(diǎn)就是如何建立該系統(tǒng)。比如一個視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)用于在移動電話上安裝機(jī)蓋,每次電話的位置和方向可能有所不同。為了使問題變得簡單,假定移動電話放置在X-Y-Theta工作臺來校正位置以及方向。視覺系統(tǒng)用來定位機(jī)蓋并測量電話移動到正確位置運(yùn)動系統(tǒng)需要移動的方向和距離。開發(fā)這樣的系統(tǒng)也有很多的問題必須考慮到,例如視覺單元如何和運(yùn)動單元關(guān)聯(lián)來保證把部件移動到位。在運(yùn)動和視覺單元之間建立通信需要校準(zhǔn)。如圖1所示,在校準(zhǔn)一個視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)時,需要按照以下幾個步驟進(jìn)行:首先,您需要校正圖像系統(tǒng)的所有失真,它們有可能導(dǎo)致錯誤的測量距離被傳遞到運(yùn)動控制系統(tǒng)上; 
然后,您需要把圖像測量的距離(通常用像素表達(dá))和工作臺或電機(jī)測量的距離(通常用步進(jìn)的次數(shù)或計數(shù)值)聯(lián)系起來;最后,您需要把運(yùn)動控制系統(tǒng)與視覺坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),從而校正兩個系統(tǒng)的偏移。這種圖像測量距離到運(yùn)動控制距離的轉(zhuǎn)換依賴于很多的參數(shù),其中包括相機(jī)和被測物體間的距離以及鏡頭的類型。相機(jī)焦距的改變會使得物體成像的大小有所不同,因此測量的結(jié)果也會與相機(jī)移動之前有所不同。一個簡單的視覺和運(yùn)動控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

  常見失真的校正

  當(dāng)校正運(yùn)動控制部分在2維平面上的視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)時,應(yīng)該確保您的相機(jī)垂直于該平面或工作臺。如果相機(jī)不垂直,那么圖像將有透視性失真,就是說對于一個各部分尺寸相同的物體,距離相機(jī)近的部分會比顯得比距離相機(jī)遠(yuǎn)的部分要大。某些軟件包,如NI視覺軟件,可以使用某些校準(zhǔn)算法來校正這些透視性失真。

  在校準(zhǔn)系統(tǒng)時鏡頭失真也一種誤差源。鏡頭失真來自于鏡頭邊緣的變形。這會導(dǎo)致直線在圖像邊緣上變成曲線。像透視性失真一樣,鏡頭失真可以使用某些圖像處理軟件如NI 視覺軟件的特定功能在進(jìn)行校正。

  關(guān)聯(lián)視覺單元和運(yùn)動控制單元

  校準(zhǔn)視覺導(dǎo)引運(yùn)動控制系統(tǒng)可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)。最簡單的方法是通過實(shí)驗(yàn)利用機(jī)器視覺和運(yùn)動控制單元采集到的數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)系統(tǒng)。使用這種方法,您可以移動運(yùn)動控制系統(tǒng)到多個工作點(diǎn)并使用機(jī)器視覺系統(tǒng)來測量其運(yùn)動的的距離。利用所采集到的數(shù)據(jù),您可以確定計算出從相機(jī)的像素值與工作臺運(yùn)動之間的等式關(guān)系,比如說編碼器的計數(shù)單位?;氐揭苿与娫挀烊『头胖玫睦?,假定您的工作臺向X方向移動了1cm,您使用相機(jī)觀察到工作臺在X方向移動了100像素。您就可以建立一個校準(zhǔn)常量0.01 cm/像素,它說明您在工作臺上所測量的0.01 cm相當(dāng)于1個像素。

 用于關(guān)聯(lián)視覺單元和運(yùn)動控制單元的LabVIEW 代碼

 


  圖2 用于關(guān)聯(lián)視覺單元和運(yùn)動控制單元的LabVIEW 代碼。

  關(guān)聯(lián)運(yùn)動坐標(biāo)系統(tǒng)和視覺坐標(biāo)系統(tǒng)

  在消除或校正了圖像系統(tǒng)的失真影響后,另一個您在設(shè)計系統(tǒng)時要防范的問題是確保相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)和運(yùn)動控制的坐標(biāo)系統(tǒng)同軸。根據(jù)具體的應(yīng)用以及您所要獲得的精度,同軸性可能會成為提高性能的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相機(jī)和運(yùn)動控制坐標(biāo)系統(tǒng)不嚴(yán)格同軸會導(dǎo)致指令的偏差。例如,如果您使用不同軸的工作臺和相機(jī),當(dāng)物體在工作臺上沿X方向向移動時相機(jī)會記錄工作臺在X方向和Y方向同時移動。使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以校正坐標(biāo)系統(tǒng)的偏移。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以把一個坐標(biāo)系統(tǒng)(工作臺坐標(biāo)系統(tǒng))轉(zhuǎn)換為另一個坐標(biāo)系統(tǒng)(相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng))。例如機(jī)器人應(yīng)用中經(jīng)常會用到這些坐標(biāo)變換技術(shù)來根據(jù)獲取的信息確定最終的執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)該怎樣工作。在下圖中,黑色為相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng),綠色為工作臺坐標(biāo)系統(tǒng),二者相差一定的角度。

坐標(biāo)系統(tǒng)的不同軸會導(dǎo)致運(yùn)動控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)距離換算時出現(xiàn)偏差

坐標(biāo)系統(tǒng)的不同軸會導(dǎo)致運(yùn)動控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)距離換算時出現(xiàn)偏差

  圖3:坐標(biāo)系統(tǒng)的不同軸會導(dǎo)致運(yùn)動控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)距離換算時出現(xiàn)偏差。

 

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