[发明专利]一种高速高精度视觉定位系统与方法

说明书

本发明提供一种高速高精度视觉定位系统与方法，所述系统用于配合伺服旋转运动部件完成对其所承载物体的旋转角度的测量，并将该测量值发送给伺服运动控制器，指导后者将物体旋转至指定角度，以助于进行后续操作。本发明适用范围广，容错能力强，高速运动下仍可保证高精度定位，具有前沿的技术特点和优良的推广价值。

技术领域

本发明涉及自动化生产过程，特别是一种基于视觉的在线旋转定位系统。

背景技术

目前在全世界范围内，以灌装生产线为代表的高速标准化流水生产线的自动化水平相对较高，但随着消费者要求的日益提升，市场对于包装精美、个性化的要求更加强烈，这对传统的灌装生产线提出了挑战，越来越多的厂家采用更加复杂的包装容器以提高产品竞争力，如喜力啤酒、嘉士伯啤酒、达能饮料等均推出了更加精美复杂的灌装容器产品。这就要求容器在生产线的某些环节——如套标/贴标、喷码以及质检等——容器的姿态必须高精度地保持一致，这是传统生产线所不具备的功能，因为在容器输送过程中每个容器的姿态必然是混乱的，当到达特定环节时需通过某个方式或系统将每个容器的当前姿态估计识别出来，再通过特定旋转机构按照所估计识别的姿态将每个容器旋转至精确一致的姿态，以达到特定环节的生产工艺要求。在这个过程中，如何在高速状态下在线实时计算每个容器的姿态是核心问题。

目前该问题有三种方法解决：

一是采用机械定位的方式，如容器自身形状为方形、扁形等可以被某些专用设计的机械结构利用来实现导正，或在每个容器上专门存在如底部凹槽等设计以方便专用机械结构卡住以实现容器和机械结构相对姿态的确定。但是这两种方式均存在较大的问题，前者对容器自身限定大，通用性很差；后者是目前广泛采用的方式，但是要求生产速度低、定位失败率高，对容器材质有要求，一般多用于玻璃瓶，同时凹槽设计对于质检环节影响比较大，已不适用于目前越来越多推广使用的高速高质量要求生产线的生产需求。

二是采用光电传感器定位的方式，利用容器某个特定区域的形状折光或颜色等特点，结合特殊光电，在容器旋转过程中探测到特定区域后发出信号，使运动控制器记录当前旋转伺服装置角度或直接停止旋转。这种方法的缺点在于：适用于低速生产过程，对容器特定区域的特征要求较高，由于是光电传感器单点识别，所以对调试人员要求较高，且在换产时调整比较复杂。目前该方法仅在一些特定生产线上使用。

三是采用视觉定位的方式，在容器经过视觉系统的过程中匀速转动，使视觉系统可以观测到容器整个圆周的特征信息，再通过图像处理等流程利用容器特定区域的图像位置信息，计算得到容器的姿态，最后将该姿态发送给运动控制器，完成每个容器的姿态调整。该方法的缺点在于：成本高、不适用于纯机械运动系统、但由于其具有适用范围广、适用于高速生产、稳定性强、精度高、易于调整等优点，该技术近些年快速发展，将成为未来主流的生产线定位方式。

但在高速生产线上利用视觉定位方式实现高精度定位存在以下几方面的难点：

1.相机拍摄帧率有限，如何在容器自身高速旋转状态下捕捉到特定区域的图案；

2.驱动相机拍摄的信号源在高速下是否稳定，由于伺服旋转机构处于高速旋转状态，微小的时间差异均会带来明显的旋转角度误差，最终造成显著的定位误差，时间误差的放大效应非常明显；

3.容器在不同的运动位置被拍摄时，成像模型参数不同，如何能够准确获得任意位置的高精度成像模型；

4.由于目的是获得容器相对于伺服旋转机构的相对姿态，如何得到每个拍摄瞬间伺服旋转机构的角度信息，而这种信息获取不能同时带来难点2的时间误差问题，否则同样会引入显著的误差；

5.在伺服旋转机构处于不同位置和容器在其上旋转至不同角度下，图像中所观测到的特征区域在容器上的真实位置不一定是一致的，这所产生的误差通过图像处理不能消除。