《视觉技术及其在灌装系统中应用的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《视觉技术及其在灌装系统中应用的研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 视觉技术及其在灌装系统中应用的研究 岳晓峰韩立强王平凯 ( 长春1 ：业夫学机I 乜T 程学院K 春1 3 0 0 1 2 ) 要：本文设计了一种基于虚拟仪器及机器视觉技术的三坐标工作台系统，实现了加注枪相对于偏心蛹口的 自动定位以L a b V I E W 为开发平台，由图像采集卡采集图像，经过图像标定中值蟪敢快速圈像匹配等图 像处理算法获得加注口的圆心坐标位置信息，并以此控制驱动- Z 坐标f i _ 作台步进电机的运动，完成桶口定位。 关键词：机器视觉中值薅被 模板匹配加注口 中圈分类号：T P 3 9 1 4 1 文靛标识碍： 1 引言 自动灌
2、装机械广泛应用于石油、化：I ：、医疗、饮料等生产领域中，在现代臼动化生产中 。1 i 有报重要的地位。然而当容器为偏心加注口时，全自动灌装技术的应用受到了较大的限制， 目前多数企业的灌装机械多采用人工定位桶口加注，这种方式既影响生产效率，对丁灌装渗 透能力较强剧毒液体如枝椒油，T D A 等，又会危害操作人员的身体健康。本文在深入调轰国 内外现状的基础上，开发了剧毒液体自动灌装机桶口自定位系统。 2 系统工作原理概述 本文研究开发的基于计算机视觉技术的偏心桶口自定位系统工作框图如图I 所示。被检 测偏口桶随传送线输送到灌装工位，计算机通过光电开关捕获油桶到位信号后。控制安装于 油桶上方的工业
3、C C D 摄像机采集油桶图像信号，并实时地将图像传送到图像采集卡。图像 采集卡对输入信号进行数字解码A D 转换等处理，然后通过P C I 总线把数字图像数据传送 至计算机内存进行存储。计算机对所采集到油桶图像信息进行分析，计算求取油桶顶面图像 中圆形加注口中心位置坐标，并将该信息传送至步进电机控制系统通过直线插补方式，由 步进电机带动加注枪口准确对准油桶桶1 ：3 ，完成加注枪的自动定位。最后系统控制直流电机 经齿轮齿条驱动使加注枪向下伸入桶口内，实现自动灌装。 圈I 基于计算机视觉的偏心桶口自动定位系统工作过程框删 3 图像采集系统校准标定 由于透镜径向或切向畸变、摄像机安装角度的偏差及
4、环境的变化等因素对摄像机参数方 面的影响，使图像产生变形失真，因此必须进行摄像机校准及参数标定。本系统以标准栅格 点阵作校准模板，采用非线性校准方式来标定目标图像，获取正确的桶口图像。基本步骤如 下： 在栅格图像中建立一个直角坐标系：选取栅格左上角顶点为标准原点，如图2 a 所示。 ( 1 ) 指定栅格在X 向Y 向的实际距离：相邻栅格点间中心距相等。即d x = d y = 1 0 n l m ，栅 格中圆点半径r = 2 m m ，应用图像采集系统获取一幅栅格图像，见图2 b 。 4 5 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 ( 2 ) 选择非线性校准算法运算，设置刻度模式，认知分数a
5、 i 低y - 6 0 0 ，保存校准信息， 对获取的图像与校准信息相联系实现像素转换，具体实现见参考文献。图2 c 为标定后栅格 图像。 i t Y ( a ) 标准栅格坐标系 ( b ) 标定前栅格点图像( c ) 标定届栅格点图像 图2 摄像机标定 4 图像预处理 图像信号在获取、传输过程中由于环境影响、电气信号干扰、传输信道不完善等形成的 噪声使图像退化。对于图像中存在的高斯噪声、均匀分布噪声等首先进行降噪处理，主要目 的就是改善图像质量，使其更有利于后续运算处理。本系统中使用快速中值滤波算法对信号 降噪。与低通线性滤波器相比中值滤波可滤除图像中的点、粗线噪声，去除二值噪声、脉 冲噪声
6、和颗粒噪声，在衰减随机噪声的同时不使边界模糊，适合于本文要求”4 。为了准确 提取偏心桶口，本文还采用了迭代阈值法对原始图像进行了分割。图像预处理结果如图： 所 刁i 。 ( a ) 瘫装桶表面原始图像( I ) 预处理后图像 圈3 偏心桶表面图像的预处理 5 圆形加注口匹配模扳设计 灌装容器的加注口一般为圆形口，能够快速准确的检测出圆区域的位置是本系统的技术 关键点之一。对圆的检测主要是指对圆形的提取和确定，传统方法主要有形状分析法、中心 法、中值法、最小二乘拟合法、环路积分微分法、H T 变换法，其中l I T 目前应用最广泛，且 可靠性高，在有噪声、变形等情况下仍能取得较好的结果。然而该
7、法计算时间长，精度不高， 资源需求大。本文采用一种基于梯度特征的快速相关匹配算法，能根好的满足对先验知识较 明确的圆形物体检测。其基本原理及实现步骤如下： ( 1 ) 对图像分别进行x 方向和Y 方向上的一维高斯卷积，求得梯度V g x ( i ，J ) 和V 窖。“，) ， 即可得图像上各点的梯度幅值为： f V g “) | = 蹦( ，) + 豫：“力 ( I ) ( 2 ) 由此可得像素点的梯度单位向量为： 鸶蒙蓦一 鬻瓣瓣 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 豫亿J ) 。雨磊丽 融小棚，w n 川 进而可得目标图像的梯度特征向量G J 。： ( j 。= k ( 1 ) 嘏(
8、 2 ) 一，g ( M ，) 】 ( 2 ) ( 3 ) ( 3 ) 由上面( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 式同理可求取如图4 所示u v 参考模板图像的梯度特征向 量瓯。： ( 4 ) 粗匹配：从图像左上角出发，逐行扫描。以梯度变化剧烈的点( 即边缘点) 开始隔 行隔列序贯匹配每个位置的相似度。如果相似度值过早的达到预殴闽值，则认为该位置不是 匹配点，转到卜一位置计算。全部可选点计算结束后找出相似度值最小的点为虽可能点； ( 5 ) 精确匹配：以( 4 ) 中找到的点为中心，取7 X 7 邻域范围内，依次计算该区域内所 有点的相似度，取最小点即为匹配位置点。 图4 模板图像圈5 二
9、值化图像桶口处于不同位置时匹配结果 6 步进式驱动系统设计 视觉系统检测到偏心桶口中心坐标信息后。需由计算机将桶口中心坐标发送至电机驱动 系统带动注射枪移动到加注口上方实现自动定位加注。本文设计了以L 2 9 7 、L 2 9 8 为核心的 步进式驱动系统。为充分利用计算机资源，本文利用其并行端口的数据输出功能，取代传统 的步进电机控制电路中的脉冲信号发生器，以l a b v i e w 为开发平台，由程序控制并行端口 产生的数字量信号，驱动步进电机转动。实现x Y 向直线插补运动，使加注枪自动对准偏心 桶口的圆心位置。经检测，偏心桶口自动定位系统的定位精度为0 1 6 m m ，定位系统的运
10、行时 间约为6 5 秒。 7 结论： 基于视觉定位技术的自动灌装系统是一种集光。电，机械计算机等技术于一体的智能 系统。本文综合运用了虚拟仪器和机器视觉技术，可快速准确的检测出图像中的加注口位置 坐标，避免罐装过程舶人工参与，保障了有毒液体灌装作业工人的人身安全，提高了液体灌 装作业的机械化自动化水平。 参考文献z 【1 I M A 口V i s i o nf o rL a b V I E WU s e r M a n u a l N a t i o n a lI n s t r u m e n t s ，A u g u s t2 0 0 4E dJ t i o n P a l tN u m
11、b e l 3 7 1 0 0 7 A 一0 l 【2J TSH u a n g Af a s tt w o d i m e n s i o nm e d i a nf il t e r i n ga l g o r i t h m I E E ET r a n sA b o u tS p e e c hS i g n a l P r o c e s s i n g 、1 9 7 9 ，2 7 ( 1 ) ：1 3 、墙 3 JTA s l o l a T GC a m p b e l l O n C o m p u t a t i o no f t h eR u n n i n g M e
12、d i a n I E E Er r a n s A c o t s t i C S S p e e c h a n dS i g n a lP z o c e s s i n g A S S P3 7 ( 4 ) ：5 7 25 7 4 1 9 8 9 4 7 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 6 l IJ s i n gE x t c 】f l a lC o d einL a b V I E W ，N a l i o r ie l lI l l s lr I I l l l ( 、n ls I I i I2 ( 】( ) ： f ! ( I i l i O l i ，【r l !
13、I 、I 【hr 3 7 0 1 0 9 B0 l 作者简介： 岳晓峰，男，1 9 7 1 年生长春工业大学机I 乜T 程学院，副教授，T 学博I ，感兴趣的研究领域为机器 视觉及智能检测技术和机械制造及萁白动化。 通讯方式：吉林省长春市延安大路I7 呼，& 窬T 业人学机I 乜T 程学院1 3 0 0 I2 ( J ：接第1 4 4 页) 1 2 Y | t u r m u z l u D y n a m i c sa n dc o n t r o lo f b i p e d a lr o b o t s l M l L e c t u r eN o t e si nC o n t r o
14、 la n dI n I b r m a t i o n S c i e n c e s 1 9 9 8 V o l2 3 0 1 0 5 Il7 3 1 汪劲松，荣松年，张伯鹏全方位双三足步行机器人( J ) 一步行原理、机构及控制系统【R i 清华人学学 报1 9 9 4 ，3 5 ( 2 l ：1 0 2 - 1 0 7 1 4 】徐轶群，万隆君四足步行机器人稳定性步态分析l 耳制造业信息化，2 0 0 1 ，2 3 ( 8 ) ：5 - 7 【5 】吴振彪，熊有伦工业机器- A M I 武汉：华中科技大学出版社，1 9 9 7 1 6 l 苏军多足步行机嚣人步态规划及控制的研究I D I 武汉：华中科技大学硕 ：论文，2 0 0 4 【7 l 陈鹿民，阁绍泽，盒德闻力约束法在人体起跳动力学数值仿真中的应用I J l 清华大学学报2 0 0 3 ，4 3 2 ) 1 5 6 - I5 9 作者简介： 陈鹿民( 1 9 6 3 ) ，男，山东，汉，教授，博士，研究方向为机器人与机槭系统动力学 收稿日期：基金项目：河南省高校新世纪优秀人才支持计划( H A N C E T )
