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零件三维信息的激光扫描视觉检测和利用方法研究

作　者: 李清清
导　师: 吕伟新
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 激光三角法中值滤波自适应阈值法特征识别传感器标定
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在高速在线检测、机器/机器人视觉、质量控制、自动加工、实物仿型等领域中，工件三维信息的检测与应用日益重要，研制参数提取简单、测量精度高、实时性以及通用性好的三维数字化信息检测系统具有重要意义。本文采用激光三角测量方法建立三维数字化测量系统，数据获取速度快、实时性好、与被测工件无物理接触而且系统结构简单。通过摆动棱镜将激光器发出的光点扫描出一个截面，根据光点在CCD感光元件上的像点位置，可以逐点测出扫描截面上各点坐标，再沿着扫描截面的法线方向移动传感器，就可以获得被测物体表面的三维点云坐标数据。使用Altium Designer6软件设计了以运动控制芯片LM629和电机驱动芯片LMD18200为核心的激光扫描闭环控制硬件电路，在单片机ATmege16中设计PID算法和速度梯形图，使激光能够平稳扫描。针对光斑中心的提取，本文采用了一种基于比较矩阵的快速中值滤波方法，经过中值滤波后，有效滤除了光斑中心的噪声干扰。对光斑中心的提取算法进行了研究，对极值法自适应阈值法分别进行了分析，采用极值法提取正常曝光时的光斑中心，采用自适应阈值法提取过度曝光时的光斑中心，取得了良好的效果。影响系统测量精度的主要因素包括提取激光光斑中心的准确性、深度与像素号关系的准确性、扫描角度测量误差等，本文研究了准确提取光斑中心的算法，进行了编码器角度信号的四倍频以提高测量精度，并设计了一种简单实用的传感器标定方法，确立了深度与像素号之间的关系，修正了激光扫描偏角。针对工件识别，进行了特征优选，选取了适用于工件识别的特征参数。针对圆、多边形、三角形等各种基本形状进行了识别研究，对凸台、轴、轴承、物块等零件，选取零件表面坐标点高度值变化特点、边与边之间的夹角等作为用于识别的特征值，以进行零件分类。提取了V型焊缝表面的特征点，计算V型焊缝的深度和截面积，以此作为特征值来识别焊缝的类型。本文对工件识别所做的研究，为后续对更复杂零件的模式识别及机器人控制策略的研究打下了坚实基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 三维视觉检测的类型  11-12
    1.2.1 被动三维视觉方法  11-12
    1.2.2 主动三维视觉方法  12
  1.3 国内外相关技术的研究现状  12-15
    1.3.1 国外相关技术研究现状  13-14
    1.3.2 国内相关技术研究现状  14-15
  1.4 本课题研究目的及研究内容  15-17
    1.4.1 研究目的  15-16
    1.4.2 研究内容  16-17
第2章激光扫描电路的硬件实现  17-25
  2.1 引言  17
  2.2 电机驱动部分的各个功能模块  17-21
    2.2.1 运动控制器电路模块  18-19
    2.2.2 电机驱动电路模块  19-20
    2.2.3 电压转换电路  20
    2.2.4 指示灯电路  20-21
  2.3 编码器信号四倍频电路  21-23
  2.4 PID 控制算法设计  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章光斑中心提取方法  25-36
  3.1 引言  25
  3.2 光斑中心提取方法  25-27
    3.2.1 极值法  25-26
    3.2.2 自适应阈值法  26-27
  3.3 滤波处理消除散斑及光晕影响  27-30
  3.4 正常曝光时光斑中心位置确定算法  30-31
  3.5 曝光过度时光斑中心位置确定算法  31-35
    3.5.1 光斑中心位置确定  32-34
    3.5.2 传感器是否曝光过度的区分  34-35
  3.6 本章小结  35-36
第4章光斑中心坐标测量与传感器标定  36-47
  4.1 引言  36
  4.2 激光扫描的检测原理  36-39
    4.2.1 直射式三角法原理  37-38
    4.2.2 斜射式三角法原理  38-39
  4.3 测量坐标与深度角度关系建立  39-40
  4.4 深度与像素号关系的确定  40-43
    4.4.1 深度与像素号关系标定方法  40-42
    4.4.2 深度与像素号关系实验  42-43
  4.5 激光扫描角度计算  43
  4.6 扫描角度的修正标定  43-46
    4.6.1 激光扫描偏角标定方法  43-44
    4.6.2 激光扫描偏角标定实验  44-46
  4.7 本章小结  46-47
第5章利用坐标信息识别零件  47-61
  5.1 特征优选  47-48
  5.2 三维空间数据点的拟合研究  48-51
    5.2.1 空间平面拟合  48-50
    5.2.2 空间直线拟合  50-51
  5.3 基本形状元素的识别研究  51-57
    5.3.1 圆形  51-53
    5.3.2 同心圆  53-54
    5.3.3 多边形  54-56
    5.3.4 三角形  56-57
    5.3.5 一般性总结  57
  5.4 识别实验  57-60
    5.4.1 台阶  57-58
    5.4.2 轴、环形零件  58-59
    5.4.3 方形物块、三角形物块  59-60
    5.4.4 V 型焊缝  60
  5.5 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
附录  66-69
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  69-71
致谢  71

零件三维信息的激光扫描视觉检测和利用方法研究

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