開發(fā)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

過去幾年里，運(yùn)動(dòng)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(shí)到當(dāng)前的機(jī)器視覺技術(shù)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)這種系統(tǒng)時(shí)，了解目前的技術(shù)發(fā)展、方法以及開發(fā)工具會(huì)對您的工作提供很大的幫助。

　　當(dāng)您開發(fā)一個(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)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(tǒng)。比如一個(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于在移動(dòng)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(dòng)電話放置在X-Y-Theta工作臺(tái)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(dòng)到正確位置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要移動(dòng)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(dòng)單元關(guān)聯(lián)來保證把部件移動(dòng)到位。在運(yùn)動(dòng)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(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)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(tǒng)的所有失真，它們有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測量距離被傳遞到運(yùn)動(dòng)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(tái)或電機(jī)測量的距離（通常用步進(jìn)的次數(shù)或計(jì)數(shù)值）聯(lián)系起來；最后，您需要把運(yùn)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的偏移。這種圖像測量距離到運(yùn)動(dòng)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(huì)使得物體成像的大小有所不同，因此測量的結(jié)果也會(huì)與相機(jī)移動(dòng)之前有所不同。一個(gè)簡單的視覺和運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制部分在2維平面上的視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該確保您的相機(jī)垂直于該平面或工作臺(tái)。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(gè)各部分尺寸相同的物體，距離相機(jī)近的部分會(huì)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(shí)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(huì)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(dòng)控制單元

　　校準(zhǔn)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)到多個(gè)工作點(diǎn)并使用機(jī)器視覺系統(tǒng)來測量其運(yùn)動(dòng)的的距離。利用所采集到的數(shù)據(jù)，您可以確定計(jì)算出從相機(jī)的像素值與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)之間的等式關(guān)系，比如說編碼器的計(jì)數(shù)單位?；氐揭苿?dòng)電話撿取和放置的例子，假定您的工作臺(tái)向X方向移動(dòng)了1cm，您使用相機(jī)觀察到工作臺(tái)在X方向移動(dòng)了100像素。您就可以建立一個(gè)校準(zhǔn)常量0.01 cm/像素，它說明您在工作臺(tái)上所測量的0.01 cm相當(dāng)于1個(gè)像素。

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

　　關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)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(gè)您在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要防范的問題是確保相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)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(huì)成為提高性能的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制坐標(biāo)系統(tǒng)不嚴(yán)格同軸會(huì)導(dǎo)致指令的偏差。例如，如果您使用不同軸的工作臺(tái)和相機(jī)，當(dāng)物體在工作臺(tái)上沿X方向向移動(dòng)時(shí)相機(jī)會(huì)記錄工作臺(tái)在X方向和Y方向同時(shí)移動(dòng)。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(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)（工作臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換為另一個(gè)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(huì)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(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)，二者相差一定的角度。

　　圖3：坐標(biāo)系統(tǒng)的不同軸會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)距離換算時(shí)出現(xiàn)偏差。