一种三维视觉传感系统信息处理方法的软硬件实现

论文摘要

现代制造业中工业机器人被大量使用,随着柔性装配、智能制造系统的发展,被机器人操作的对象几何尺寸随机分布,被跟踪目标轨迹实时变化,这些对机器视觉传感系统提出了更高的要求。研制实时性好、测量精度高、参数提取简单、通用性好的三维机器视觉传感系统,对多种与智能检测、模式识别等相关的工业应用具有重要意义。机器视觉检测技术具有非接触测量、精度高、速度快、操作维护简单等优点,被广泛应用。主动式结构光法是其中比较成熟的一种测量方法,近几年提出多种提高其测量精度、扩大应用范围的措施,当前正积极开发基于此方法的多种工业应用三维测量系统。本文传感系统是基于激光三角法的点结构光机器视觉三维测量方法,通过旋转棱镜将点激光扫描出一个截面,根据反射到CCD上光斑中心的位置,能逐点测量出扫描截面上的离散点,再将传感器沿垂直于扫描截面方向移动,即可获取由三维点云组成的被测物体轮廓。本文采用智能传感器和上位机的系统结构,减少了上位机运算量,使传感器更方便使用。使用Protel软件设计了核心芯片为EP2C20的图像预处理硬件电路,集成了摄像头信号采集模块、FPGA核心处理模块、USB通信模块等。设计了图像采集实验,在上位机串口调试工具中获得了完整的测试图像,表明电路各模块连接良好,工作稳定。在Quartus中对FPGA逻辑编程,设计了极值输出模式和全帧输出模式。预处理板能高速采集图像灰度数据,实现实时中值和均值滤波处理并采用极值法求出图像光斑中心,通过USB通信控制模块将一帧图像中包括光斑中心位置、灰度和当前扫描角度在内的共6字节有效数据传输到上位机。特别设计的快速中值滤波模块,算法简单、运算速度快,对实时图像处理有广泛应用价值。在VC++ 6.0开发环境中编写了传感器应用程序,实现了与USB的通信,并将图像数据转换为物体三维坐标数据,设计了美观实用的界面,并可方便查看实时数据。在OpenGL图形接口中,设计了三维彩色显示模型,实现了光照渲染、模型平移缩放和旋转等基本功能。建立了摄像头像素号和深度坐标系,易于实现尺寸测量,标定实验表明,在80mm-210mm测量范围内像素号与深度之间最大非线性误差0.7428%,均方差为441.6μm。提出了激光扫描偏角简易标定方法,经过两次实验标定修正扫描偏角后,平板测量实验中不同扫描角度下测量均方差为62.26μm,具有较高精度。将传感器安装在直角坐标机器人上,扫描了几种典型零件的三维轮廓,在上位机程序中零件轮廓显示清晰,测量误差较小,为后续基于三维视觉的模式识别、机器人控制等应用打下了坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 机器视觉三维测量国内外研究现状
• 1.2.2 激光三角法测量国内外现状
• 1.3 课题来源、研究目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的
• 1.3.3 研究意义及研究内容
• 第2章 系统总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 激光扫描式三角法工作原理
• 2.2.1 结构光三维测量方法对比
• 2.2.2 点结构激光扫描式传感器工作原理
• 2.3 系统结构方案
• 2.3.1 数据采集系统结构设计
• 2.3.2 视觉引导的机器人系统
• 2.4 FPGA 滤波方案
• 2.5 上位机编程方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 图像预处理与传输的硬件实现
• 3.1 引言
• 3.2 图像预处理电路板功能模块总体方案
• 3.3 硬件选型
• 3.3.1 相机本体介绍
• 3.3.2 FPGA 主芯片选型
• 3.3.3 USB 协议芯片的选择
• 3.4 功能电路模块介绍
• 3.4.1 图像信号LVDS 传输电路模块
• 3.4.2 FPGA 最小板系统
• 3.4.3 FPGA 下载与配置电路
• 3.4.4 USB 电路设计
• 3.4.5 电源电路设计
• 3.4.6 SRAM 电路设计
• 3.4.7 调试用LED 的设计
• 3.5 电路板设计和调试
• 3.6 本章小结
• 第4章 FPGA 芯片逻辑编程
• 4.1 引言
• 4.2 FPGA 系统功能框图
• 4.3 系统各功能模块介绍
• 4.3.1 时钟管理和曝光控制模块
• 4.3.2 像素移位模块
• 4.3.3 FPGA 比较矩阵中值滤波器模块
• 4.3.4 均值滤波器模块
• 4.3.5 极值输出模块
• 4.3.6 全帧输出模块
• 4.3.7 USB 通信模块
• 4.3.8 编码器计数模块
• 4.3.9 其他模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 上位机应用程序开发
• 5.1 引言
• 5.2 串口通信设计
• 5.3 编码器角度修正
• 5.4 极坐标转笛卡尔坐标的插值处理
• 5.5 上位机图像处理算法
• 5.5.1 消零处理
• 5.5.2 3×3 窗口中值滤波
• 5.5.3 均值滤波
• 5.6 程序界面设计
• 5.7 OpenGL 三维显示设计
• 5.7.1 建立OpenGL 程序框架
• 5.7.2 建立三维显示实体模型
• 5.8 本章小结
• 第6章 系统调试和实验
• 6.1 引言
• 6.2 图像采集实验
• 6.3 像素号和深度关系标定实验
• 6.3.1 像素号和深度关系标定原理
• 6.3.2 像素号和深度关系标定实验设计
• 6.4 激光扫描偏角标定实验
• 6.4.1 激光扫描偏角标定原理
• 6.4.2 激光扫描偏角标定实验
• 6.5 典型零件三维轮廓测量实验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢