視覺導引運動控制系統開發分析

過去幾年里，運動控制系統已經把機器視覺作為其關鍵部分。越來越多的工程師和科研人員認識到當前的機器視覺技術和運動控制技術相結合對于解決復雜應用問題有相當大的幫助。軟硬件技術的發展也促進了運動控制和機器視覺系統的結合，并降低了它們的開發難度和開發成本。在設計這種系統時，了解目前的技術發展、方法以及開發工具會對您的工作提供很大的幫助。

　　當您開發一個視覺導引運動控制系統時，有很多方面需要考慮。其中重要的一點就是如何建立該系統。比如一個視覺導引運動控制系統用于在移動電話上安裝機蓋，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。視覺系統用來定位機蓋并測量電話移動到正確位置運動系統需要移動的方向和距離。開發這樣的系統也有很多的問題必須考慮到，例如視覺單元如何和運動單元關聯來保證把部件移動到位。在運動和視覺單元之間建立通信需要校準。如圖1所示，在校準一個視覺導引運動控制系統時，需要按照以下幾個步驟進行：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（通常用步進的次數或計數值）聯系起來；最后，您需要把運動控制系統與視覺坐標系統相關聯，從而校正兩個系統的偏移。這種圖像測量距離到運動控制距離的轉換依賴于很多的參數，其中包括相機和被測物體間的距離以及鏡頭的類型。相機焦距的改變會使得物體成像的大小有所不同，因此測量的結果也會與相機移動之前有所不同。一個簡單的視覺和運動控制系統框圖如圖1所示。

　　常見失真的校正

　　當校正運動控制部分在2維平面上的視覺導引運動控制系統時，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，就是說對于一個各部分尺寸相同的物體，距離相機近的部分會比顯得比距離相機遠的部分要大。某些軟件包，如NI視覺軟件，可以使用某些校準算法來校正這些透視性失真。

　　在校準系統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行校正。

　　關聯視覺單元和運動控制單元

　　校準視覺導引運動控制系統可以通過多種方法來實現。最簡單的方法是通過實驗利用機器視覺和運動控制單元采集到的數據來校準系統。使用這種方法，您可以移動運動控制系統到多個工作點并使用機器視覺系統來測量其運動的的距離。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之間的等式關系，比如說編碼器的計數單位。回到移動電話撿取和放置的例子，假定您的工作臺向X方向移動了1cm，您使用相機觀察到工作臺在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相當于1個像素。

　　圖2 用于關聯視覺單元和運動控制單元的LabVIEW 代碼。

　　關聯運動坐標系統和視覺坐標系統

　　在消除或校正了圖像系統的失真影響后，另一個您在設計系統時要防范的問題是確保相機的坐標系統和運動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，同軸性可能會成為提高性能的最關鍵環節。相機和運動控制坐標系統不嚴格同軸會導致指令的偏差。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方向向移動時相機會記錄工作臺在X方向和Y方向同時移動。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坐標系統（工作臺坐標系統）轉換為另一個坐標系統（相機的坐標系統）。例如機器人應用中經常會用到這些坐標變換技術來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導致運動控制系統與視覺系統距離換算時出現偏差。