過去幾年里，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)把機(jī)器視覺作為其關(guān)鍵部分。越來越多的工程師和科研人員認(rèn)識(shí)到當(dāng)前的機(jī)器視覺技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合對(duì)于解決復(fù)雜應(yīng)用問題有相當(dāng)大的幫助。軟硬件技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺系統(tǒng)的結(jié)合，并降低了它們的開發(fā)難度和開發(fā)成本。在設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)時(shí)，了解目前的技術(shù)發(fā)展、方法以及開發(fā)工具會(huì)對(duì)您的工作提供很大的幫助。

當(dāng)您開發(fā)一個(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，有很多方面需要考慮。其中重要的一點(diǎn)就是如何建立該系統(tǒng)。比如一個(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于在移動(dòng)電話上安裝機(jī)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(jiǎn)單，假定移動(dòng)電話放置在X-Y-Theta工作臺(tái)來校正位置以及方向。視覺系統(tǒng)用來定位機(jī)蓋并測(cè)量電話移動(dòng)到正確位置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要移動(dòng)的方向和距離。開發(fā)這樣的系統(tǒng)也有很多的問題必須考慮到，例如視覺單元如何和運(yùn)動(dòng)單元關(guān)聯(lián)來保證把部件移動(dòng)到位。在運(yùn)動(dòng)和視覺單元之間建立通信需要校準(zhǔn)。如圖1所示，在校準(zhǔn)一個(gè)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：首先，您需要校正圖像系統(tǒng)的所有失真，它們有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量距離被傳遞到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上；然后，您需要把圖像測(cè)量的距離（通常用像素表達(dá)）和工作臺(tái)或電機(jī)測(cè)量的距離（通常用步進(jìn)的次數(shù)或計(jì)數(shù)值）聯(lián)系起來；最后，您需要把運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與視覺坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，從而校正兩個(gè)系統(tǒng)的偏移。這種圖像測(cè)量距離到運(yùn)動(dòng)控制距離的轉(zhuǎn)換依賴于很多的參數(shù)，其中包括相機(jī)和被測(cè)物體間的距離以及鏡頭的類型。相機(jī)焦距的改變會(huì)使得物體成像的大小有所不同，因此測(cè)量的結(jié)果也會(huì)與相機(jī)移動(dòng)之前有所不同。一個(gè)簡(jiǎn)單的視覺和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

常見失真的校正

當(dāng)校正運(yùn)動(dòng)控制部分在2維平面上的視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該確保您的相機(jī)垂直于該平面或工作臺(tái)。如果相機(jī)不垂直，那么圖像將有透視性失真，就是說對(duì)于一個(gè)各部分尺寸相同的物體，距離相機(jī)近的部分會(huì)比顯得比距離相機(jī)遠(yuǎn)的部分要大。某些軟件包，如NI視覺軟件，可以使用某些校準(zhǔn)算法來校正這些透視性失真。

在校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)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(huì)導(dǎo)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(jìn)行校正。

關(guān)聯(lián)視覺單元和運(yùn)動(dòng)控制單元

校準(zhǔn)視覺導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的方法是通過實(shí)驗(yàn)利用機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制單元采集到的數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)系統(tǒng)。使用這種方法，您可以移動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)到多個(gè)工作點(diǎn)并使用機(jī)器視覺系統(tǒng)來測(cè)量其運(yùn)動(dòng)的的距離。利用所采集到的數(shù)據(jù)，您可以確定計(jì)算出從相機(jī)的像素值與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)之間的等式關(guān)系，比如說編碼器的計(jì)數(shù)單位。回到移動(dòng)電話撿取和放置的例子，假定您的工作臺(tái)向X方向移動(dòng)了1cm，您使用相機(jī)觀察到工作臺(tái)在X方向移動(dòng)了100像素。您就可以建立一個(gè)校準(zhǔn)常量0.01 cm/像素，它說明您在工作臺(tái)上所測(cè)量的0.01 cm相當(dāng)于1個(gè)像素。

圖2 用于關(guān)聯(lián)視覺單元和運(yùn)動(dòng)控制單元的LabVIEW 代碼
關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)和視覺坐標(biāo)系統(tǒng)

在消除或校正了圖像系統(tǒng)的失真影響后，另一個(gè)您在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要防范的問題是確保相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制的坐標(biāo)系統(tǒng)同軸。根據(jù)具體的應(yīng)用以及您所要獲得的精度，同軸性可能會(huì)成為提高性能的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制坐標(biāo)系統(tǒng)不嚴(yán)格同軸會(huì)導(dǎo)致指令的偏差。例如，如果您使用不同軸的工作臺(tái)和相機(jī)，當(dāng)物體在工作臺(tái)上沿X方向向移動(dòng)時(shí)相機(jī)會(huì)記錄工作臺(tái)在X方向和Y方向同時(shí)移動(dòng)。使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以校正坐標(biāo)系統(tǒng)的偏移。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以把一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)（工作臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換為另一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)（相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)）。例如機(jī)器人應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)用到這些坐標(biāo)變換技術(shù)來根據(jù)獲取的信息確定最終的執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)該怎樣工作。在下圖中，黑色為相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)，綠色為工作臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)，二者相差一定的角度。


圖3：坐標(biāo)系統(tǒng)的不同軸會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)距離換算時(shí)出現(xiàn)偏差
首先您要確定的兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的角度偏差值。我們把這一角度稱為偏差角。一種簡(jiǎn)單的做法是通過移動(dòng)工作臺(tái)一個(gè)已知角度，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)來測(cè)量起始位置和終止位置來確定該偏差角。例如，假定您僅在X軸移動(dòng)了工作臺(tái)2000單位（0，0到2000，0位置）。由于您只移動(dòng)了X軸，在圖像坐標(biāo)系中測(cè)量的Y軸的任何移動(dòng)都能幫助您確定該偏差角。如果相機(jī)的圖像顯示工作臺(tái)在X軸移動(dòng)了173像素，在Y軸移動(dòng)了100像素，可以通過對(duì)Y和X比值的反正切來計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度。對(duì)100/173取反正切得到偏差角為30度。

在確定了偏差角后，下一步您要確定視覺單元和運(yùn)動(dòng)控制單元之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。您可以通過比較在圖像中測(cè)量出的運(yùn)動(dòng)距離和在運(yùn)動(dòng)控制中給出的運(yùn)動(dòng)距離來計(jì)算得該轉(zhuǎn)換公式。為了確定在圖像中的移動(dòng)距離Z，可以利用勾股定理通過X值和Y值進(jìn)行計(jì)算。Z＝sqrt(X^2+Y^2)。


在視覺系統(tǒng)中移動(dòng)的長(zhǎng)度＝sqrt(100^2+173^2) = 200像素。

現(xiàn)在您可以從上面的范例中知道，視覺單元到運(yùn)動(dòng)控制單元的比率為200：2000或1：10。在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)您需要注意的一點(diǎn)是當(dāng)您在校準(zhǔn)時(shí)采樣的點(diǎn)數(shù)越多，在最后您的校準(zhǔn)結(jié)果越準(zhǔn)確。另一點(diǎn)需要注意的是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可能有輕微缺陷，這會(huì)導(dǎo)致不同部件移動(dòng)相同距離有輕微差別。為了提高可重復(fù)率，您應(yīng)該通過采集不同點(diǎn)的多個(gè)樣本來計(jì)算轉(zhuǎn)換比率。此外，使用這種比率，您可以發(fā)現(xiàn)為了能在圖像上觀察到一個(gè)像素距離的移動(dòng)，您至少需要將工作臺(tái)移動(dòng)10個(gè)單位。這些類系統(tǒng)中，工作臺(tái)的分辨率遠(yuǎn)高于鏡頭的分辨率的情況是很常見的，這意味著圖像中的微小移動(dòng)將會(huì)在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中導(dǎo)致很大的位移變化。若您連續(xù)的核對(duì)工作臺(tái)的位置，您可能發(fā)現(xiàn)它會(huì)在目標(biāo)位置附近跳動(dòng)。一旦出現(xiàn)這樣的情況，您可以考慮設(shè)置盲區(qū)，這樣當(dāng)您感覺工作臺(tái)已足夠接近目標(biāo)區(qū)域，運(yùn)動(dòng)控制就不再繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

下一步我們將要利用系統(tǒng)的相關(guān)信息來決定如何把相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)上點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)換到工作臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)上。可以
利用下圖來更好地說明這種轉(zhuǎn)換如何實(shí)現(xiàn)：假定將工作臺(tái)從0，0移動(dòng)到到相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的新位置X1 和Y1（以藍(lán)色代表），X1和Y1都位于第一象限內(nèi)。