机器视觉球面孔位快速精密测量系统的研究

论文摘要

随着计算机技术、通信技术及超大规模集成电路技术的发展，世界范围内的各种加工测量新技术和新产品不断涌现，精密量具、量仪等测量装置正朝着数字化、信息化的高新技术方向发展。数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。高速、高效、高精度、高可靠性、多功能的先进数字化测量技术和仪器装备、服务，推动着数字化制造技术和装备的发展。两者之间互为依托的关系决定了发展精密测量技术的必要性和迫切性。因此，加强精密测量基础理论的研究，采用数字化测量技术及产品来迅速提升机械制造业的水平，代表着当今科技发展的方向和要求。球面孔系位置精密测量一直是测量领域的一个难题，随着航空、航天以及国防工业的发展，这类测量任务日益增多，且精度和效率要求也越来越高。三坐标测量机虽可实现球面及更复杂表面的精密测量，但效率较低，难以满足自动化测量的要求。更先进的三坐标测量机能够同时满足精度和速度的要求，但动辄数百万美元的价格，也非一般用户所能接受。虽然万能工具显微镜也能进行类似测量，但需由人工操作完成，难以实现自动化测量。如果被测件材料具有特殊性（如放射性等），则工作人员更难实现测量。因而研究基于机器视觉的检测技术，以非接触方式实现球面微／小孔系位置测量具有重要意义。本文以四川大学激光应用技术研究所承担的军工配套项目的相关技术为背景，结合省应用基础研究项目“机器视觉测量与图像处理技术研究”的研究内容，对球面孔位快速精密测量系统进行了深入的研究。从理论和实践上解决了用机器视觉技术实现球面孔系位置测量的技术难题。该课题的研究弥补了现有测量手段在球面或类球面小孔及孔系位置测量方面的不足，测试结果达到了项目的技术要求，即测量时间≤40秒／孔位；测量不确定度≤30角秒。项目通过了四川省科技厅的鉴定，其技术属国内领先水平。本文的主要研究工作及创新点可以归纳为：1．全面介绍了国内外机器视觉技术研究和应用的现状，在充分比较现有测量方法的基础上，建立了球面孔系坐标的数学模型；进而提出了通过球体转位控制，将三维孔系坐标测量转化为二维图像识别，再经几何计算求得球面孔位坐标的测量方法。该方法较好地解决了球面或类球面小孔及孔系位置测量的技术难题。2．由于被测件孔型不同（通孔和盲孔），孔径不等，因而图像差别大，后续处理算法不一样，为此本文创新性地根据灰度直方图实现了孔型的自动识别，提高了系统的智能化程度和对测量任务的广泛适应性。3．通过分析球面孔系坐标测量系统的结构特点及测量任务要求，创新性地提出了用准直激光束引导机器视觉系统的精确定位方法，解决了曲面工件因为技术原因不易直接定位的技术难题。通过实验证明该方法校准速度快、精度高。4．根据定位系统的要求，提出了自聚焦光纤准直的方法；所设计的激光准直系统，其准直后激光束发散角＜0.5°，满足本课题机器视觉系统定位的要求。5．在分析传统Hough变换检测法的基础上，创新性地提出了基于目标区自适应搜索的快速检测法。该算法的特点是通过目标区自适应搜索，确定目标近似中心点（xo，yo），从而将圆心累加范围限制在近似中心点（xo，yo）附近，大大地减少了无效累积，使检测误差和执行时间分别小于1个像素和50ms，实现Hough变换快速检测。6．在系统总体控制模式方面，采用了PC机与DSP+FPGA数字电路组成的主从式操作模式：以计算机作上位主机，完成对DSP的控制，实现数据处理结果显示及人机对话（包括小孔模拟图像的显示、中心坐标的显示等），而大量的数据处理运算交给DSP去完成。这种方式弥补了DSP在事件处理方面所表现的I／O口较少及人机界面不友好等不足，充分发挥了DSP强大的数据处理能力；尤其是DSP+FPGA的数字电路设计方案将CCD图像采集与处理和球体转位装置的运动控制融为一体，从而保证了测量的高精度和高效率。7．对基于模糊控制理论的步进电机控制算法进行了研究。控制系统采用DSP作为处理器，同时还选用了FB920P高精度触角编码器作为电机位置反馈元件，并配之以FPGA（现场可编程门阵列）控制电路，构成了一个实时、灵活的步进电机控制系统，实现了转位装置的高精度、高速度控制。本课题是一个典型的光、机、电、算一体化课题。基于本文所述的把球面孔系坐标的三维测量通过球体转位控制，转换为球面上圆孔的二维测量，即使用面阵CCD采集圆孔图像，通过图像处理识别圆孔中心坐标，再经计算确定圆孔的空间位置的测量模式，只需改变工件转位或移动方式，就可实现其它型面的非接触测量。本课题的研究为机器视觉系统的完全数字化、智能化和小型化进行了有益的探索，其成果具有较广泛的适用范围和较重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外数字化精密测量技术的现状和发展
• 1.3 机器视觉理论的建立及其在精密测量领域的应用
• 1.3.1 机器视觉理论的建立及研究范畴
• 1.3.2 国外机器视觉技术的研究现状
• 1.3.3 国内机器视觉测量技术的现状
• 1.4 论文课题的来源及技术要求
• 1.4.1 课题的技术要求
• 1.4.2 论文的主要研究内容和关键技术
• 2 球面孔位机器视觉测量系统的工作原理
• 2.1 测量方案比较
• 2.1.1 三坐标测量机与万能工具显微镜的测量
• 2.1.2 DSP与CCD图像传感器相结合的机器视觉测量系统
• 2.1.3 机器视觉系统CCD光电传感器的选择
• 2.2 系统的组成结构及测量原理
• 2.3 球体孔位坐标的数学模型
• 2.4 测量系统的硬件结构
• 2.4.1 机械结构设计
• 2.4.2 光路系统设计
• 2.4.3 照明光源的设计
• 3 用准直激光束引导机器视觉系统精确定位的方法研究
• 3.1 机器视觉系统的一般标定方法
• 3.2 球面孔位坐标测量系统的结构特点
• 3.3 反射式准直激光束引导系统定位的原理
• 3.3.1 反射式准直激光束引导系统定位的原理
• 3.3.2 反射式准直激光束引导系统定位的具体步骤
• 3.4 定位系统的激光准直系统设计
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 半导体激光器的准直
• 3.4.3 自聚焦光纤准直的工作原理
• 3.4.4 发散角压缩准直试验
• 3.4.5 半导体激光器的驱动电路
• 4 DSP+FPGA结构运动控制及图像处理系统研究
• 4.1 DSP+FPGA结构设计
• 4.1.1 DSP+FPGA结构的特点
• 4.1.2 系统总体结构及实现原理
• 4.2 系统主要硬件设计及应用
• 4.2.1 FPGA的选型和应用
• 4.2.2 高精度轴角编码器系统的选型
• 4.2.3 DSP的选型及应用
• 4.3 步进电机运动控制系统设计
• 4.3.1 控制方式的确定
• 4.3.2 基于DSP的运动控制系统设计
• 4.3.3 多轴的步进电机DSP控制
• 4.4 基于模糊控制理论的步进电机运动控制系统
• 4.4.1 步进电机控制转位系统的特点
• 4.4.2 步进电机控制脉冲时间常数的确定
• 4.4.3 步进电机的模糊控制算法研究
• 4.4.4 模糊控制规则及推理
• 5 测量系统接口及控制软件设计
• 5.1 测量系统的接口设计
• 5.1.1 测量系统输入输出通道信号分析
• 5.1.2 CCD数字照相机与FPGA的接口
• 5.1.3 PC机与DSP的接口设计
• 5.1.4 轴角编码器输入接口电路
• 5.1.5 电动机执行机构的接口电路
• 5.2 PC机与DSP的通讯内容及通讯协议
• 5.2.1 PC机与DSP的通讯内容
• 5.2.2 PC机与DSP的通讯协议
• 5.2.3 DSP串口发送程序介绍
• 5.3 测量系统软件设计
• 5.3.1 系统软件结构
• 5.3.2 系统软件总体框架
• 5.3.3 初始化
• 5.3.4 系统存储区的分配
• 5.3.5 功能处理模块及子程序流程图
• 6 图像处理及圆心识别方法的研究
• 6.1 通盲孔的自动识别
• 6.1.1 问题的提出
• 6.1.2 灰度直方图基本概念
• 6.1.3 根据灰度直方图自动识别孔型
• 6.1.4 圆孔图像的二值化处理及图像分割
• 6.2 图像的预处理
• 6.2.1 邻域平均法
• 6.2.2 低通滤波法
• 6.2.3 局部统计滤波法
• 6.2.4 小波变换
• 6.3 边缘提取及圆孔中心坐标的检测
• 6.3.1 边缘提取技术中的经典算子法
• 6.3.2 最优算子法
• 6.4 基于数学形态学的边缘提取技术
• 6.4.1 数学形态学的基本运算
• 6.4.2 结构元素的选取
• 6.4.3 边缘检测
• 6.5 圆孔中心坐标检测
• 6.5.1 常见圆孔中心检测方法
• 6.5.2 Hough变换检测圆的基本原理
• 6.5.3 常见改进方法有以下几种
• 6.5.4 基于自适应目标区搜索的快速检测法
• 7 测量系统误差分析及解决方法
• 7.1 测量精度分析
• 7.2 光学系统的误差
• 7.2.1 CCD引入的系统误差
• 7.2.2 光路影响
• 7.2.3 其它误差
• 7.3 定位系统误差分析
• 7.4 转位机构系统误差分析及消除方法
• 7.5 工件转位误差Δz
• 7.6 二维圆心算法的误差分析
• 7.7 误差的合成
• 8 结论和展望
• 8.1 课题总结
• 8.2 本课题的主要研究内容和创新
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附:项目验收组测试报告
• 攻读博士学位论文期间发表的论文
• 攻读博士学位论文期间的科研情况
• 致谢