一种基于视觉的在线定位系统的制作方法

本发明涉及自动化生产线，特别涉及一种基于视觉的在线定位系统。

背景技术：

现代啤酒和饮料生产朝着两个方向发展，一个是产线的高速化，另一个是产线的个性化。产线不仅仅需要有更高的生产效率，而且也要求产线具备更高的生产柔性，从而缩短产品上市的周期，并且降低市场投入的成本。特别是高端的啤酒和饮料线，生产厂商往往会推出设计精美独特的容器，配合市场推广，品牌展示，以满足终端客户个性化的需求。比如现在市场上越来越多的啤酒，葡萄酒，白酒以及饮料所采用的容器上出现了浮雕，品牌标记，窗口和其它特征。为了提高产品的美观，需要将标签贴在特定的位置，比如浮雕的正下方或者指定的窗口内。或者其它生产的工艺需要作用在固定的位置。所以需要一种装置能够自动的识别并且控制，使容器在贴标或者进行其它生产工序之前在线将容器旋转到指定的位置，而且该装置能够适应现代高速的生产线。

现有技术中，是通过机械方式实现产品定位。机械定位是通过容器下方的凹槽和托盘上凸起处配合以完成定位。这种方式有两个缺点，第一个就是只能在低速的生产线上应用。第二个缺点就是通用性不好，对于不同的产品需要设计对应的机械装置，对于终端客户来说需要单独采购产品配件，升级和维护的费用比较高。

技术实现要素：

本发明目的是：提供一种基于视觉的在线定位系统，替代传统的机械式定位方案，该系统能够在线高速对容器进行拍照成像，通过视觉特征查找容器位置特征，并且将结果通过总线通讯控制执行机构动作。最后使得所有容器在机器内保持同样的位置，保证后续的生产包装工序作用在预先指定的位置。

本发明的技术方案是：

一种基于视觉的在线定位系统，包括视觉定位系统、驱动电机控制器和驱动电机，其中：

视觉定位系统，对生产线上的定位对象拍摄成像，根据视觉特征查找定位对象的特征位置，并将结果送到驱动电机控制器；

驱动电机控制器，根据特征位置结果控制驱动电机旋转一定的角度；

驱动电机，带动生产线上的定位对象一起旋转，完成定位对象的定位摆正功能。

优选的，所述驱动电机为伺服电机或步进电机，对应的驱动电机控制器为伺服中心控制器，或步进电机控制器。

优选的，所述视觉定位系统通过实时工业控制总线按照预设的协议在预设的时间窗口将特征位置结果送到伺服控制器。

优选的，所述在线定位系统的功能实现包括步骤：

s1、摄取定位对象图像；

s2、图像信号处理、查找特征位置；

s3、通过查找的结果控制伺服电机旋转带动定位对象旋转到目标位置。

优选的，所述s1中摄取图像的步骤，对于定位对象上方有空间并且特征位置上方可见的情况，通过将光学系统安装到上方通过一个相机一次成像。

优选的，所述s1中摄取图像的步骤，对于不能一次获取特征位置图像的定位对象，通过设定伺服电机旋转360度，采用多个相机和每个相机拍摄多张照片对定位对象摄取360度全视野图像。

优选的，所述s1中视觉定位系统摄取图像的控制过程分为三个阶段：

（1）伺服电机加速旋转到一定的速度v；

（2）伺服电机保持速度v匀速旋转；多个相机在该阶段拍摄多幅图片，对定位对象实现360度的全景拍照；

（3）伺服电机减速，最终将速度降为0。

优选的，视觉定位系统摄取图像后，所述步骤s2对所得到的每幅图像进行图像处理和特征查找，确定特征可信度c和特征位置p，并找出所有图像中查找到的特征可信度最高的图像，通过该图像特征位置和已知的拍照图片时伺服电机和定位对象托盘位置，计算出伺服电机需要旋转的最终角度，并将需要旋转的角度信息发送给伺服中心控制器。

优选的，所述步骤s3伺服中心控制器根据控制的角度信息，带动定位对象旋转指定的角度使得查找的特征朝正前方。

优选的，对于精度要求较高的场合重复步骤s1-s3再次定位，重复的步骤s1中，保持伺服电机不旋转状态，视觉定位系统再次摄取图像。

本发明的优点是：

1．本发明所提出的基于视觉的在线定位系统，可以集成到现有的旋转式或者直线式机器内，比如啤酒饮料行业贴标机。通过和机器内伺服中心控制器配合能够对产线上的容器进行高速准确的定位和摆正。保证在生产线上的产品工作位置保持恒定，比如标签贴在容器上指定的位置。

2．本发明和传统的机械式定位系统比较，最大的优势在于速度快，可以达到每小时72000瓶每小时的速度，大大的提高了饮料行业高端产品的生产效率。

3．本发明还具有很强的通用性，对于不同的产品不需要更换任何机械零部件，大大的减少了客户的产品转换时间和维护成本。而且该系统可以很方便作为一个单独的模块，集成到现有的机器和生产线上。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述的基于视觉的在线定位系统的结构原理图；

图2为本发明的视觉定位系统应用在直线式贴标机上的工作过程图；

图3为本发明的视觉定位系统应用在旋转式贴标机内的工作过程图；

图4为本发明的伺服电机角度和机器主轴角度的控制曲线；

图5为本发明的多张图片竞争确定特征位置和角度的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所揭示的基于视觉的在线定位系统，主要由三个部分组成，伺服中心控制器，伺服电机和视觉定位系统。视觉定位系统通过工业相机对产品容器成像，根据特征查找的位置将结果通过实时工业控制总线按照预设的协议在预设的时间窗口送回到伺服控制器。伺服控制器根据这个特征位置结果控制伺服电机旋转一定的角度。而且可以预留窗口接收外来的位置信息对伺服电机进行摆正修正。伺服电机带动生产线上的产品容器一起旋转。通过和伺服电机的配合完成能够定位摆正功能，使伺服电机带动的产品容器上特征都处在相同的位置。

视觉定位系统的功能实现分为三步：其中：s1、摄取定位对象图像；s2、图像信号处理、查找特征位置；s3、通过查找的结果控制伺服电机旋转带动定位对象旋转到目标位置。对于精度要求比较高的场合可以重复以上三步再次定位。

本发明可以应用到直线式或者旋转式产线上。带定位功能的伺服控制贴标机是该系统的一个具体应用，如图2，3所示，分别为直线式贴标机和旋转式贴标机内的工作过程图。

图2和3中，单箭头表示伺服电机按预设位置匀速旋转对应粗黑线段，无箭头表示伺服电机不旋转对应细线段，双箭头表示伺服电机根据视觉定位系统的分析结果旋转对应于灰色粗线段。伺服电机通过托盘带动产品容器。经过定位系统之后，全部容器随同伺服电机旋转到同样的位置。最后经过一个或者多个贴标工位，这样就保证了所有标签贴在容器的同一位置。

步骤s1中的图像摄取阶段可以采用一个相机或者多个相机。对于容器上端有空间并且特征上方可见的情况，能够通过将光学系统安装到上方通过一个相机一次成像。否则可以通过设定伺服电机旋转360度，通过多个相机和每个相机拍摄多张照片对容器摄取360度全视野图像信息，如图2，3所示。图4是机器主轴和单个伺服电机的相对位置伺服控制曲线图，横坐标是主轴公转的绝对角度，纵轴是伺服电机自转的绝对角度。

本发明的整个控制过程分为六段：

（1）伺服电机加速旋转到一定的速度v；

（2）伺服电机保持速度v匀速旋转；多个相机在该阶段拍摄多幅图片，对容器实现360度的全景拍照；

（3）伺服电机减速，最终将速度降为0；

（4）根据定位系统的结果伺服电机旋转指定的角度后停止；

（5）保持不旋转状态，精定位模块再次摄取图像；

（6）再次根据定位系统的结果伺服电机旋转指定的角度后停止。

其中第1-4段为预定位阶段，第5-6段为精定位段。

在图像摄取的过程中，需要知道相机在拍摄每一幅图时候的对应的伺服电机的位置。预定位阶段摄取图像在2段。由于是匀速旋转，每张图片之间相隔固定的角度，伺服电机位置已知。精定位段图像摄取在第5段，这一段伺服电机调整后处于不旋转状态。第4段和第6段为伺服控制器预留的控制窗口用于动态接收视觉定位系统的计算结果。

在预定位阶段通过n个相机，每个相机拍m张照片，总共可以得到n*m张照片。每张照片之间相隔n=360/n/m度。对所得到的每一幅图进行图像处理和特征查找，确定特征可信度c和特征位置p。所有图像中查找到的特征可信度最高的图像赢得竞争。赢得竞争的图像序号为ibest，图像中特征的位置是pbest，如图5所示。通过特征位置pbest和已知的拍照图片ibest时伺服电机和托盘位置，可以计算出伺服电机在第4段需要旋转的最终角度。角度结果通过实时工业总线通讯发送给伺服中心控制器。伺服中心控制器根据控制的角度信息，带动容器旋转指定的角度使得查找的特征朝正前方。容器经过旋转后获得同样的机内位置。

在实际系统中由于相机机械安装，视角透视和光学变形，伺服系统自身控制误差都可能导致系统的最终角度误差。对于精度要求比较高的系统，可以在第一次定位旋转之后再通过一个相机再次拍摄照片（第5段），再次将计算出的角度送给伺服中心控制器再次旋转二次定位（第6段）。通过二次定位的方式可以显著的提高最终系统的定位精度。

目前该系统已经成功地应用到模块式啤酒瓶高速贴标机内，完成对玻璃瓶的定位测试。系统最高可以处理72000瓶每小时，定位精度可以达到±1.5毫米，摆正准确率可达99.9%。该系统也可以同样应用于（但不局限于）pet瓶，葡萄酒和其它高浓度酒精类饮料的贴标生产线上，替代机械式定位或者人工贴标的过程。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。