基于主动视觉的二维精密检测系统的研制

论文摘要

近几年来,视觉测量技术发展迅速,应用领域不断扩展,测量精度日益提高,但尚不能满足高科技发展、精密细微加工、在线检测等方面的要求。因而,研究人员不断寻求新的途径和手段,本文详细阐述了基于主动视觉的二维精密检测技术的基本原理、基本方法和在工程中的应用。该系列研究成果,为大、重型工件的几何量精密测量开辟了新的途径,进而可以推广到三维测量技术、高分辨率光敏器件研发、特殊环境下的远程测量、精确定位……等多项技术领域。随着测量精度向微纳米级发展,测量方式由点测量向面测量过渡（即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量）,以图像处理技术为代表的非接触式、高效率测量技术成为了新世纪精密测量技术的重要发展方向。本文在平面二维精密检测的基础上,通过对主动视觉技术的研究,研制了一台基于主动视觉二维精密检测系统。该系统通过对目标边缘自动跟踪来实现对目标的几何特征参数（如长度、直径、角度等）的测量精密。本文对检测系统的硬件组成、自动控制单元,图像处理与分析以及软件监测模型等方面进行了深入探讨。主要研究内容及结论如下:（1）在二维精密检测基本原理的基础上,研究分析主动视觉系统在工程实践中的应用,提出基于主动视觉二维精密检测系统的整体方案。完成摄像机伺服移动单元、系统光学照明及载物平台的设计、制造以及基于PC和运动控制卡的控制系统设计。（2）针对研制主动视觉精密检测系统,建立了一个全新的视觉测量坐标系。通过与实际标准工件的检测结果比较,证实了该系统具有较高的检测精度。对零件的非接触式测量达到微米级。实践证明,该空间视觉测量坐标的建立,为非接触式几何量的测量以及三维测量技术等研究提供了理论依据。（3）该系统在测量过程中采用基于面阵图像的边缘轮廓跟踪方式,通过光栅坐标系对工件边缘轮廓进行描述。实现了工件在光栅坐标系下的精密检测与测量。同时解决了高精度测量中大型目标与小视场之间的矛盾以及精密测量中的精确定位问题。（4）在图像处理分析过程中,提出了一种新的边缘缝合方法对目标边缘进行有序的连接,剔除了重叠边缘数据点。针对图像处理过程中的海量边缘信息,提出按照权重比来剔除误差极大点的方法,提高了边缘拟合的精度。（5）按照图像处理、图像分析、目标自动跟踪以及控制单元的具体要求,采用VC++6.0设计集视频采集、实时监控、图像处理分析、数据自动存储以及目标自动跟踪于一体的主动视觉自准直跟踪系统软件。实验证明,本文所完成的基于主动视觉的自准直跟踪系统的方案是可行的,有较高的检测和定位精度,位置精度为5μ,角度精度达到2’。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 机械制造中几何量精密测量技术的发展
• 1.2 机器视觉技术概述
• 1.3 主动视觉及其特点
• 1.4 主动视觉系统的组成及其关键技术
• 1.4.1 主动视觉系统的组成
• 1.4.2 主动视觉系统的关键技术
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 2 主动视觉二维精密检测系统结构设计
• 2.1 系统光学平台
• 2.2 三维伺服移动单元设计
• 2.2.1 三维伺服移动单元结构设计
• 2.2.2 三维伺服移动单元结构技术指标
• 2.2.3 三维伺服单元检测报告
• 2.3 光学照明及载物单元设计
• 2.3.1 光源
• 2.3.2 成像系统（远心光路的应用）
• 2.3.3 照明系统及载物平台设计
• 2.4 本章小结
• 3 控制系统单元组成及应用
• 3.1 控制系统单元组成及实现
• 3.1.1 交流伺服系统分析
• 3.1.2 运动控制卡单元
• 3.1.3 控制系统设计
• 3.2 控制系统工作流程
• 3.3 本章小结
• 4 主动视觉精密检测系统中的图像处理与分析
• 4.1 摄像机系统标定
• 4.1.1 二维平面测量原理
• 4.1.2 测量坐标系的建立
• 4.1.3 摄像机标定算法
• 4.2 图像边缘检测
• 4.2.1 CANNY 边缘检测
• 4.2.2 改进的Canny 边缘检测方法
• 4.3 基于面阵图像的边缘自动跟踪
• 4.4 图像缝合
• 4.5 数据处理与分析
• 4.5.1 极大误差点的剔除
• 4.5.2 海量数据处理
• 4.5.3 边缘拟合
• 4.6 精密检测系统中图像处理及控制软件的实现
• 4.6.1 面向对象的程序设计方法
• 4.6.2 主动视觉图像处理及控制软件功能模块分析
• 4.6.3 人机交互界面设计
• 4.7 软件控制的工作流程
• 4.8 本章小结
• 5 实验及分析
• 5.1 相机内参数标定实验
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验内容
• 5.1.3 标定步骤及结果
• 5.1.4 测量坐标变换矩阵
• 5.2 边缘自动跟踪实验
• 5.2.1 实验目的
• 5.2.2 主要内容
• 5.2.3 实验步骤及结果
• 5.2.4 圆弧拟合及圆形测量
• 5.2.5 三角形角度测量
• 5.2.6 误差分析
• 5.2.7 精度分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录