視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統開(kāi)發(fā)分析

過(guò)去幾年里，運動(dòng)控制系統已經(jīng)把機器視覺(jué)作為其關(guān)鍵部分。越來(lái)越多的工程師和科研人員認識到當前的機器視覺(jué)技術(shù)和運動(dòng)控制技術(shù)相結合對于解決復雜應用問(wèn)題有相當大的幫助。軟硬件技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了運動(dòng)控制和機器視覺(jué)系統的結合，并降低了它們的開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本。在設計這種系統時(shí)，了解目前的技術(shù)發(fā)展、方法以及開(kāi)發(fā)工具會(huì )對您的工作提供很大的幫助。

　　當您開(kāi)發(fā)一個(gè)視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統時(shí)，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。比如一個(gè)視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統用于在移動(dòng)電話(huà)上安裝機蓋，每次電話(huà)的位置和方向可能有所不同。為了使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，假定移動(dòng)電話(huà)放置在X-Y-Theta工作臺來(lái)校正位置以及方向。視覺(jué)系統用來(lái)定位機蓋并測量電話(huà)移動(dòng)到正確位置運動(dòng)系統需要移動(dòng)的方向和距離。開(kāi)發(fā)這樣的系統也有很多的問(wèn)題必須考慮到，例如視覺(jué)單元如何和運動(dòng)單元關(guān)聯(lián)來(lái)保證把部件移動(dòng)到位。在運動(dòng)和視覺(jué)單元之間建立通信需要校準。如圖1所示，在校準一個(gè)視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統時(shí)，需要按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：首先，您需要校正圖像系統的所有失真，它們有可能導致錯誤的測量距離被傳遞到運動(dòng)控制系統上；
然后，您需要把圖像測量的距離（通常用像素表達）和工作臺或電機測量的距離（通常用步進(jìn)的次數或計數值）聯(lián)系起來(lái)；最后，您需要把運動(dòng)控制系統與視覺(jué)坐標系統相關(guān)聯(lián)，從而校正兩個(gè)系統的偏移。這種圖像測量距離到運動(dòng)控制距離的轉換依賴(lài)于很多的參數，其中包括相機和被測物體間的距離以及鏡頭的類(lèi)型。相機焦距的改變會(huì )使得物體成像的大小有所不同，因此測量的結果也會(huì )與相機移動(dòng)之前有所不同。一個(gè)簡(jiǎn)單的視覺(jué)和運動(dòng)控制系統框圖如圖1所示。

　　常見(jiàn)失真的校正

　　當校正運動(dòng)控制部分在2維平面上的視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統時(shí)，應該確保您的相機垂直于該平面或工作臺。如果相機不垂直，那么圖像將有透視性失真，就是說(shuō)對于一個(gè)各部分尺寸相同的物體，距離相機近的部分會(huì )比顯得比距離相機遠的部分要大。某些軟件包，如NI視覺(jué)軟件，可以使用某些校準算法來(lái)校正這些透視性失真。

　　在校準系統時(shí)鏡頭失真也一種誤差源。鏡頭失真來(lái)自于鏡頭邊緣的變形。這會(huì )導致直線(xiàn)在圖像邊緣上變成曲線(xiàn)。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(jué)軟件的特定功能在進(jìn)行校正。

　　關(guān)聯(lián)視覺(jué)單元和運動(dòng)控制單元

　　校準視覺(jué)導引運動(dòng)控制系統可以通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現。最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)實(shí)驗利用機器視覺(jué)和運動(dòng)控制單元采集到的數據來(lái)校準系統。使用這種方法，您可以移動(dòng)運動(dòng)控制系統到多個(gè)工作點(diǎn)并使用機器視覺(jué)系統來(lái)測量其運動(dòng)的的距離。利用所采集到的數據，您可以確定計算出從相機的像素值與工作臺運動(dòng)之間的等式關(guān)系，比如說(shuō)編碼器的計數單位?；氐揭苿?dòng)電話(huà)撿取和放置的例子，假定您的工作臺向X方向移動(dòng)了1cm，您使用相機觀(guān)察到工作臺在X方向移動(dòng)了100像素。您就可以建立一個(gè)校準常量0.01 cm/像素，它說(shuō)明您在工作臺上所測量的0.01 cm相當于1個(gè)像素。

　　圖2 用于關(guān)聯(lián)視覺(jué)單元和運動(dòng)控制單元的LabVIEW 代碼。

　　關(guān)聯(lián)運動(dòng)坐標系統和視覺(jué)坐標系統

　　在消除或校正了圖像系統的失真影響后，另一個(gè)您在設計系統時(shí)要防范的問(wèn)題是確保相機的坐標系統和運動(dòng)控制的坐標系統同軸。根據具體的應用以及您所要獲得的精度，同軸性可能會(huì )成為提高性能的最關(guān)鍵環(huán)節。相機和運動(dòng)控制坐標系統不嚴格同軸會(huì )導致指令的偏差。例如，如果您使用不同軸的工作臺和相機，當物體在工作臺上沿X方向向移動(dòng)時(shí)相機會(huì )記錄工作臺在X方向和Y方向同時(shí)移動(dòng)。使用坐標轉換可以校正坐標系統的偏移。坐標轉換可以把一個(gè)坐標系統（工作臺坐標系統）轉換為另一個(gè)坐標系統（相機的坐標系統）。例如機器人應用中經(jīng)常會(huì )用到這些坐標變換技術(shù)來(lái)根據獲取的信息確定最終的執行系統應該怎樣工作。在下圖中，黑色為相機坐標系統，綠色為工作臺坐標系統，二者相差一定的角度。

　　圖3：坐標系統的不同軸會(huì )導致運動(dòng)控制系統與視覺(jué)系統距離換算時(shí)出現偏差。