機(jī)器視覺技術(shù)在智能鎖封自動加封系統(tǒng)的應(yīng)用

譚振豪　林岳凌　郭小東

摘 要：機(jī)器視覺技術(shù)以其快速性、實(shí)時(shí)性、非接觸性等特點(diǎn)，成為了工程中備受關(guān)注的領(lǐng)域之一。現(xiàn)如今，機(jī)器視覺在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用逐漸增加，在新型智能鎖封自動加封系統(tǒng)中，多處都應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)。分析了機(jī)器視覺技術(shù)在智能鎖封自動加封系統(tǒng)生產(chǎn)線中的功能和應(yīng)用，以期為相關(guān)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；自動加封；圖像識別；加封孔位檢測

中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.083

新型智能鎖封自動加封系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電能表計(jì)量管理的自動化、智能化和信息化，它解決了智能電表全自動化檢定過程中遇到的瓶頸問題。新型智能鎖封自動加封系統(tǒng)采用機(jī)器視覺手段代替了人眼、人腦，根據(jù)國家電網(wǎng)公司《單相智能電能表型式規(guī)范》的相關(guān)要求，做出了精準(zhǔn)的測量、分析和判斷，實(shí)現(xiàn)了自動加封系統(tǒng)對電能表及其智能鎖封的快速響應(yīng)、精確定位和信息識讀等功能。

機(jī)器視覺技術(shù)是一項(xiàng)包括數(shù)字處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)等多種技術(shù)的綜合體。機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)無接觸操作，更安全、可靠、更清潔，它以在精度、響應(yīng)速度、實(shí)用性、性價(jià)比、通用性、安全性、容錯(cuò)能力和可移植性等方面的各項(xiàng)良好性能，被廣泛應(yīng)用于自動化系統(tǒng)的各種不同模塊中。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人類的視覺功能，并形成類似人類視覺、大腦和肢體共同構(gòu)成的智能行為，從客觀事物的圖像中提取出有用信息的進(jìn)行處理、理解，最終用于實(shí)際分析、檢測和控制中。

一個(gè)典型的完整工業(yè)機(jī)器人視覺應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該包括光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像采集與數(shù)字化模塊、智能圖像處理與決策模塊和控制與執(zhí)行模塊，如圖1所示。該系統(tǒng)通過 CCD 攝像機(jī)和A/D 轉(zhuǎn)換模塊，將被測物轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)圖像的亮度、顏色和像素分布情況等信息，將其變換成可供分析和計(jì)算的數(shù)據(jù)。圖像系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)分析運(yùn)算識讀物體的特征，比如形狀、位置等，通過分析結(jié)果來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)作。

圖1 機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)

2 智能定位的實(shí)現(xiàn)

智能鎖封自動加封系統(tǒng)主要包括智能電表的傳輸，施封孔定位，鎖封拾取、加封，信息采集和錄入，不合格品判定處理。自動加封流程如圖2所示，電能表加封如圖3所示。

圖2 自動加封流程圖

3 單相智能電能表

3.1 需求分析

根據(jù)《單相智能電能表型式規(guī)范》的相關(guān)要求，單相智能電能表需有2個(gè)孔位施封，如圖4所示。規(guī)范中對電能表的長、寬、孔位尺寸等提出了相關(guān)的要求，但是，它并沒有對公差作出規(guī)定。因此，由于各廠家的制作工藝不同，使得電能表的誤差、精度也存在不同，尤其是電表生產(chǎn)時(shí)的拔模斜度引發(fā)的誤差。

圖3 電能表加封示意圖 圖4 單相智能電能表結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)范圖

智能鎖封自動加封系統(tǒng)主要用于自動檢定流水線。根據(jù)對其的了解和相關(guān)調(diào)查可知，電網(wǎng)公司現(xiàn)有檢定流水線的出表傳送方式多為多表位輸送，如圖5所示，此方式易造成累積誤差，它是影響設(shè)備定位精度和通用性的關(guān)鍵。因此，在智能鎖封自動加封的過程中，利用機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)電能表加封孔的智能定位捕捉，為自動加封系統(tǒng)提供可靠、高效的電表加封孔定位信息，完全解決設(shè)備的精度和通用性問題。

圖5 電能表多表位傳輸示意圖

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

在加封過程中，智能定位主要分為圖像采集、圖像預(yù)處理、目標(biāo)匹配、擬合計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)、路徑計(jì)算和執(zhí)行幾步。采用工業(yè)相機(jī)獲取裝配線上的實(shí)時(shí)圖像信號，并對圖像進(jìn)行預(yù)處理，即圖像的灰度化、圖像降噪、圖像銳化濾波和分割圖像等。提取施封孔部分同心圓圖像，并以同心圓圓心作為中心建立圖像輪廓模板。在分割后的圖像窗口中搜索，用二維FFT（Fast Fourier Transform）算法進(jìn)行目標(biāo)匹配計(jì)算，搜索與模板最相似的兩個(gè)子圖。對標(biāo)定的目標(biāo)子圖進(jìn)行亞像素處理，利用線性插值法插入亞像素點(diǎn)獲取更多的圖像細(xì)節(jié)，對處理后的圖像再次進(jìn)行模板匹配，以提高裝配精度。擬合計(jì)算目標(biāo)位置的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)器手移動的路徑，并發(fā)送位移命令，實(shí)現(xiàn)水平多關(guān)鍵機(jī)器人的運(yùn)動，進(jìn)而完成加封。

由于相機(jī)采集的圖像信息屬于二維信息，建立的坐標(biāo)采用像素為基本單位，所以，需要將二維信息轉(zhuǎn)換成三維空間坐標(biāo)，以控制機(jī)器人在空間的運(yùn)動。具體操作過程如下：①以檢測圓孔的圓心為機(jī)器人的定位原點(diǎn)，當(dāng)此圓心與采集的圖像中心疊合時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位；②標(biāo)定攝像機(jī)，得到圖像中2個(gè)像素間的距離與坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；③經(jīng)過特征識別，計(jì)算出與圖像中心的偏移量；④以圓心坐標(biāo)為基準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)器人末端的坐標(biāo)。

4 信息采集的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)國家電網(wǎng)公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，新型智能鎖封的數(shù)據(jù)為DM二維碼和RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在二維碼數(shù)據(jù)的錄入和校驗(yàn)上。依靠二維碼掃描識別技術(shù)，將二維碼中的信息識別錄入到生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，并識別出光刻編碼時(shí)不清晰的二維碼，以實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)功能。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要完成圖像處理和解碼工作。

4.1 圖像處理

成像系統(tǒng)的二維圖像包含各種各樣的噪聲和畸變，因此，對二維碼圖像進(jìn)行了灰度化、二值化、旋轉(zhuǎn)校正等預(yù)處理，把圖像換成標(biāo)準(zhǔn)形式，以便特征的提取和識別。這是圖像處理的關(guān)鍵。圖像處理流程如圖6所示。

圖6 圖像處理流程

在灰度值轉(zhuǎn)化公式中，灰度值可以表示為：

Y=0.299R+0.587G +0.114B. （1）

. （2）

式（2）中：Y，U，V為亮度、色度參量分開表示的像素格式。

該系統(tǒng)采用迭代法進(jìn)行閾值分割，即自動算出合適的分割閾值，并與像素值比較，以劃分像素。主要算法如下所示。

根據(jù)最大與最小灰度值計(jì)算初始閾值：

. （3）

根據(jù)閾值求出目標(biāo)和背景的平均灰度值：

. （4）

. （5）

式（4）（5）中：R0為目標(biāo)的平均灰度值，RG為背景的平均灰度值；其中R（i，j）為像素點(diǎn)（i，j）的灰度值；N（i，j）為像素點(diǎn)（i，j）的權(quán)重系數(shù)，Tx為閾值。

重新選擇閾值并將其定義為：

. （6）

當(dāng)T（k-1）=Tk時(shí)，為最佳閾值，可進(jìn)行圖像分割。最后，通過統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算實(shí)現(xiàn)特征提取。

4.2 DM碼譯碼

得到二值化圖像后，需要檢查DM碼的圖像，定位圖像為“L”邊。定位步驟如下：①掃描十字區(qū)域，判別路徑上的黑白邊緣點(diǎn)；②判斷其中某個(gè)邊緣點(diǎn)是否在“L”邊上；③判斷是否能找到定位圖像。

找到定位圖像后，對圖像信息取樣，用Reed-Solomon碼的譯碼算法糾正圖像采集到的數(shù)據(jù)譯碼錯(cuò)誤，具體流程如圖7所示，并統(tǒng)計(jì)分析錯(cuò)誤的譯碼數(shù)量。如果錯(cuò)誤數(shù)量超出糾錯(cuò)容量，則糾錯(cuò)譯碼失敗，判斷為無法識別二維碼，將其作為不合格品處理。對合格信息進(jìn)行譯碼，并錄入智能鎖封數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。

圖7 基于RS的編碼與解碼流程

5 結(jié)束語

新型智能鎖封自動加封系統(tǒng)應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)的定位和識別功能，使其比傳統(tǒng)的檢測方式更具優(yōu)勢，但是，有些方面還需進(jìn)一步提高，例如，圖像處理的速度還可以進(jìn)一步提高，圖像檢測還可以進(jìn)一步完善。綜上所述，機(jī)器視覺系統(tǒng)的使用取得了不錯(cuò)的效果，有效地提高了自動加封的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李鵬.基于計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的圖像模塊在江門電網(wǎng)的應(yīng)用[J].廣西電力，2012（01）.

[2]王燁青.基于機(jī)器視覺的條碼自動檢測系統(tǒng)構(gòu)成[J].江蘇科技信息，2010（2）.

[3]孫迎春，周文俊.SMD器件測試系統(tǒng)中機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用[J].通信與廣播電視，2009（4）：28-34.

[4]汪洋.基于機(jī)器視覺的香煙外包裝膜在線檢測技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

〔編輯：白潔〕