基于機(jī)器視覺(jué)的汽車(chē)電芯定位糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

黃凱文，趙 煜，周金偉，黃 玲，黃志榆

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

目前國(guó)內(nèi)的電芯極片成型效率低，且一致性和穩(wěn)定性水平也不高。與卷繞型電池相比，疊片類(lèi)的電池使用性能與穩(wěn)定性水平更高，研究了鋰電池生產(chǎn)裝備的定位糾偏技術(shù)，提出一種電池定位糾偏生產(chǎn)方案，對(duì)鋰電池進(jìn)行定位糾偏，提高鋰電池的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

檢測(cè)要求：CCD 定位精度小于等于±0.2 mm，重復(fù)檢測(cè)精度小于等于±0.05 mm。糾偏平臺(tái)糾偏范圍：糾正范圍X軸、Y軸大于等于±10 mm，角度大于等于±5°。

汽車(chē)鋰電池疊片定位糾偏的對(duì)象是極片組的正負(fù)極片，其中疊片效率和成型可靠性取決于設(shè)備的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如成型的工作方式、成型裝置的工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性、極片輸送的準(zhǔn)確性、極片夾緊的可靠性、隔離膜在成型時(shí)的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)方面主要研究成型過(guò)程的可行性和有效性，以及在成型的整個(gè)過(guò)程中極片能準(zhǔn)確定位糾偏等方面。

1 定位糾偏平臺(tái)標(biāo)定[1-3]

1.1 工業(yè)機(jī)器視覺(jué)軟件選用

?？礦isionMaster 是由海康威視自主研發(fā)的計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用研發(fā)平臺(tái)，封裝有上千個(gè)自主開(kāi)發(fā)的圖像處理算子，建立了龐大的機(jī)器視覺(jué)分析工具資源庫(kù)。通過(guò)簡(jiǎn)單的圖像框編程就可以快速搭建出視覺(jué)應(yīng)用平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)視覺(jué)定位、檢測(cè)和測(cè)量等功能需求。

1.2 棋盤(pán)格標(biāo)定

棋盤(pán)格標(biāo)定的作用可以看成是估算轉(zhuǎn)化矩陣和失真系數(shù)，需要得到多個(gè)三維世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)和二維圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和算法的穩(wěn)定性直接影響相機(jī)工作得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 多相機(jī)視覺(jué)的坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)定

機(jī)器視覺(jué)的使用廣泛，多相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的需求增加，主要應(yīng)用在高精度的定位、測(cè)量等場(chǎng)景中。多攝像頭視覺(jué)系統(tǒng)需要克服相機(jī)視野間有、無(wú)重疊2 種情況。相機(jī)視野之間沒(méi)有重疊的情況主要用于大型多相機(jī)高精度定位和測(cè)量，相機(jī)視野之間有重疊的情況主要用于場(chǎng)景拼接等。本項(xiàng)目采用的是相機(jī)視野間無(wú)重疊部分的多相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)?？梢允褂孟鄼C(jī)在各個(gè)位置得到的Mark 點(diǎn)，使用圖像處理算法計(jì)算出Mark 的坐標(biāo)，應(yīng)用于棋盤(pán)格標(biāo)定。多相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)布置如圖1 所示。

圖1 多相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)布置圖

1.4 棋盤(pán)格標(biāo)定結(jié)果

定位糾偏系統(tǒng)采用四相機(jī)結(jié)構(gòu)，主相機(jī)和輔助相機(jī)拍照通過(guò)張氏標(biāo)定法計(jì)算出棋盤(pán)格的像素誤差，等主相機(jī)3 執(zhí)行完成，輔助相機(jī)2 和4 再與主相機(jī)映射，通過(guò)映射算法，把主相機(jī)與輔助相機(jī)建立在同一視覺(jué)坐標(biāo)系中。

棋盤(pán)格標(biāo)定成功后，查看產(chǎn)生的標(biāo)定文件。從結(jié)果來(lái)看，本項(xiàng)目標(biāo)定的相機(jī)的單像素精度為0.021，相機(jī)棋盤(pán)格標(biāo)定得到的X，Y單像素精度為0.099 7，能滿足項(xiàng)目需求。

1.5 十四點(diǎn)標(biāo)定

十四點(diǎn)標(biāo)定分為九點(diǎn)標(biāo)定和旋轉(zhuǎn)5 個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)標(biāo)定，九點(diǎn)標(biāo)定是確定機(jī)械手空間坐標(biāo)與像素坐標(biāo)的X軸方向的ΔX與Y軸方向的ΔY之間的關(guān)系，而旋轉(zhuǎn)標(biāo)定則是確定以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎男D(zhuǎn)角度ΔR之間的關(guān)系。九點(diǎn)標(biāo)定直接建立相機(jī)和機(jī)械手之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。讓機(jī)械手的末端去走這9 個(gè)點(diǎn)得到在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時(shí)相機(jī)識(shí)別9 個(gè)點(diǎn)得到像素坐標(biāo)獲取9 組對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，利用十四點(diǎn)標(biāo)定算法算出像素坐標(biāo)與空間機(jī)械手坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。九點(diǎn)標(biāo)定軌跡如圖2 所示。

圖2 九點(diǎn)標(biāo)定軌跡圖

在機(jī)器視覺(jué)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)械手的末端工具中心與其自身的旋轉(zhuǎn)中心不重合，導(dǎo)致抓取角度不準(zhǔn)確，所以需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)定。旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)定如圖3所示。機(jī)械臂抓取某個(gè)帶特征角點(diǎn)，在九點(diǎn)標(biāo)定中第5點(diǎn)位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，間隔先左右轉(zhuǎn)2°后轉(zhuǎn)4°，獲得5 個(gè)點(diǎn)，5 點(diǎn)擬合圓，獲得圓心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)半徑，整個(gè)過(guò)程相機(jī)可提取到需要的特征角點(diǎn)坐標(biāo)，目標(biāo)特征必須是同一特征。將世界坐標(biāo)系下的特征坐標(biāo)序列進(jìn)行圓擬合，輸出圓心坐標(biāo)，即為旋轉(zhuǎn)中心。VisionMaster 棋盤(pán)格及十四點(diǎn)標(biāo)定流程設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)定示意圖

圖4 VisionMaster 棋盤(pán)格及十四點(diǎn)標(biāo)定流程設(shè)計(jì)

輸入條件CTS 則執(zhí)行分支模塊22 格式化1，再執(zhí)行40 標(biāo)定片N 點(diǎn)，CTS 觸發(fā)指令是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)定的。輸入條件CBA 則執(zhí)行分支模塊41 高精度匹配，在特征模板里調(diào)整好匹配模板，執(zhí)行42 位置修正1 選擇修正方式按點(diǎn)，修正原點(diǎn)、角度、X方向尺度及Y方向尺度創(chuàng)建基準(zhǔn)，執(zhí)行43 邊緣交點(diǎn)查找根據(jù)拍照的圖片通過(guò)查找線與線的相交點(diǎn)確定交點(diǎn)。44 條件檢測(cè)1 判斷方式選擇為全部，int0 判斷條件為41 高精度特征匹配有效范圍設(shè)置為1～1 000，int1 判斷條件為43邊緣交點(diǎn)查找有效值范圍設(shè)置為1～1 000。45 格式化添加讀取參數(shù)44 條件檢測(cè)1 的結(jié)果、43 邊緣交點(diǎn)查找1 的邊緣交點(diǎn)X、43 邊緣交點(diǎn)查找1 的邊緣交點(diǎn)Y及43 邊緣交點(diǎn)查找1 的直線2 角度。

標(biāo)定旋轉(zhuǎn)誤差單位為度，越小越好，通常要小于1，本項(xiàng)目的項(xiàng)目要求標(biāo)定誤差為0.05，而本項(xiàng)目標(biāo)定誤差結(jié)果為0.02，標(biāo)定旋轉(zhuǎn)誤差為0.168，能滿足項(xiàng)目需求。

2 定位糾偏模型及程序

2.1 構(gòu)建定位模型

棋盤(pán)格標(biāo)定和十四點(diǎn)標(biāo)定結(jié)束后，進(jìn)行視覺(jué)定位建模。定位建模的主要作用是構(gòu)建取料點(diǎn)與模板點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系，來(lái)料在模板上的偏差可通過(guò)機(jī)器人走坐標(biāo)進(jìn)行糾偏，如圖5 所示。

圖5 定位模型

建模算法是通過(guò)找邊算法來(lái)確定點(diǎn)位，通過(guò)濾波算法把偏離的點(diǎn)過(guò)濾去除，剩下的點(diǎn)通過(guò)連線后得到極片邊緣線，2 段邊緣線交點(diǎn)則為極片的角點(diǎn)。

2.2 糾偏功能實(shí)現(xiàn)

糾偏功能的實(shí)現(xiàn)，需要以定位建模為基礎(chǔ)，定位建模和糾偏的實(shí)現(xiàn)都是在棋盤(pán)格坐標(biāo)上，機(jī)械臂抓取糾偏材料的時(shí)候，數(shù)據(jù)通過(guò)視覺(jué)算法轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)，即可將疊片平臺(tái)取料位的極片糾偏后抓取放置級(jí)片疊片位。糾偏原理如圖6 所示。

圖6 糾偏原理圖

糾偏的原理是以定位建模的模型中心坐標(biāo)為坐標(biāo)系中心，通過(guò)來(lái)料極片的中心坐標(biāo)點(diǎn)（X，Y，R）與建模的中心坐標(biāo)點(diǎn)（X0，Y0，R0）計(jì)算出兩點(diǎn)差值，得到ΔX、ΔY及ΔR的值，ΔX、ΔY和ΔR就是極片糾偏值。

定位建模及糾偏程序如圖7 所示。

以相機(jī)4 為例，10P-CCD4 流程框?yàn)閳D像源，圖像源流程框的作用是選擇圖像的來(lái)源，選擇相機(jī)實(shí)時(shí)采圖。57 分支字符1 為分支字符圖像框，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是分流，根據(jù)不同字符串來(lái)執(zhí)行不同分支模塊，觸發(fā)分支模塊11 高精度匹配模板字符串“Hard”，該通道為硬觸發(fā)通道；觸發(fā)分支模塊11 高精度匹配模板字符串“Hard”，該通道為定位糾偏的硬觸發(fā)通道；觸發(fā)分支模塊58 高精度匹配模板字符串“CMS”，該通道為相機(jī)建模通道，通過(guò)該分支程序建立糾偏基準(zhǔn)模型；觸發(fā)分支模塊63 高精度匹配模板字符串“SCS”，該通道為開(kāi)班點(diǎn)檢通道[4]。

3 重復(fù)定位精度測(cè)試

重復(fù)定位精度測(cè)試是視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)常用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)重復(fù)測(cè)試檢驗(yàn)視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)的糾偏精度是否滿足項(xiàng)目需求。常用的重復(fù)定位精度檢測(cè)方法有2 種，即靜態(tài)重復(fù)定位精度測(cè)試和動(dòng)態(tài)重復(fù)定位精度測(cè)試。在糾偏平臺(tái)上放置電芯并保持電芯位置不發(fā)生變化，利用視覺(jué)系統(tǒng)連續(xù)拍照，測(cè)出每次糾偏的數(shù)據(jù)，運(yùn)行穩(wěn)定的視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)測(cè)出的糾偏數(shù)值基本不會(huì)發(fā)生變化，由于電池芯片沒(méi)有動(dòng)過(guò)故該測(cè)試稱為靜態(tài)重復(fù)定位精度測(cè)試。

把極片放置在糾偏平臺(tái)上，糾偏開(kāi)始前拍照查看糾偏量，把糾偏量發(fā)送給機(jī)械臂，機(jī)械臂根據(jù)糾偏量調(diào)整極片的位置，糾偏結(jié)束后相機(jī)拍照，查看糾偏量，若糾偏量滿足項(xiàng)目需求，則糾偏系統(tǒng)可行，該方法需要移動(dòng)極片故稱為動(dòng)態(tài)重復(fù)定位精度測(cè)試[5]。

由于靜態(tài)測(cè)試只能對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，如果視覺(jué)算法或相機(jī)沒(méi)有改動(dòng)，拍同一個(gè)物體的糾偏數(shù)值基本沒(méi)有變動(dòng)，而動(dòng)態(tài)測(cè)試能測(cè)試出糾偏效果的好壞，故對(duì)視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

通過(guò)測(cè)試20 組動(dòng)態(tài)重復(fù)定位精度數(shù)據(jù)得出表1，從中可以看出測(cè)試中糾偏前后的數(shù)據(jù)的變化，糾偏前X最大為7.2，最小為-0.31，糾偏前Y最大為3.7，最小為-0.48，糾偏前R最大為0.5，最小為-1.2，糾偏后數(shù)值趨向于0。糾偏前的數(shù)據(jù)糾偏前數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，單糾偏后數(shù)值趨于0，且重復(fù)檢測(cè)精度小于等于±0.05 mm，即糾偏后極片與建立模板的位置基本無(wú)異，故視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)的功能可達(dá)到項(xiàng)目要求。

表1 （續(xù)）

表1 觸發(fā)拍照通訊表

4 結(jié)論

本視覺(jué)定位糾偏系統(tǒng)克服了以往視覺(jué)定位糾偏項(xiàng)目中視覺(jué)糾偏范圍小以及糾偏角度小的問(wèn)題，通過(guò)棋盤(pán)格標(biāo)定數(shù)據(jù)以及十四點(diǎn)標(biāo)定數(shù)據(jù)可看出，相機(jī)單像素精度達(dá)到0.02 mm/pix，糾偏最大范圍為水平方向[10 mm，-10 mm] ，垂直方向[10 mm，-10 mm]，最大糾偏角度為[4°，-4°]，是能滿足本項(xiàng)目的使用要求的。

該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)采用的視覺(jué)軟件是海康的VisionMater，整個(gè)軟件采用C#開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目框架開(kāi)發(fā)采用的是程序框圖編程，開(kāi)發(fā)周期短，程序邏輯清晰，操作簡(jiǎn)單，可移植性高，能在很大程度上降低上產(chǎn)投入。