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一种三维视觉传感系统信息处理方法的软硬件实现

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目录

一种三维视觉传感系统信息处理方法的软硬件实现

SOFTWARE AND HARDWARE IMPLEMENTATION OF THE INFORMATION PROCESSING METHOD FOR A 3-D VISION SENSING SYSTEM

摘 要

ABSTRACT

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源、研究目的和意义

第2章 系统总体方案

2.1 引言

2.2 激光扫描式三角法工作原理

2.3 系统结构方案

2.4 FPGA滤波方案

2.5 上位机编程方案

2.6 本章小结

第3章 图像预处理与传输的硬件实现

3.1 引言

3.2 图像预处理电路板功能模块总体方案

3.3 硬件选型

3.4 功能电路模块介绍

3.5 电路板设计和调试

3.6 本章小结

第4章 FPGA芯片逻辑编程

4.1 引言

4.2 FPGA系统功能框图

4.3 系统各功能模块介绍

4.4 本章小结

第5章 上位机应用程序开发

5.1 引言

5.2 串口通信设计

5.3 编码器角度修正

5.4 极坐标转笛卡尔坐标的插值处理

5.5 上位机图像处理算法

5.6 程序界面设计

5.7 OpenGL三维显示设计

5.8 本章小结

第6章 系统调试和实验

6.1 引言

6.2 图像采集实验

6.3 像素号和深度关系标定实验

6.4 激光扫描偏角标定实验

6.5 典型零件三维轮廓测量实验

6.6 本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢

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摘要

现代制造业中工业机器人被大量使用,随着柔性装配、智能制造系统的发展,被机器人操作的对象几何尺寸随机分布,被跟踪目标轨迹实时变化,这些对机器视觉传感系统提出了更高的要求。研制实时性好、测量精度高、参数提取简单、通用性好的三维机器视觉传感系统,对多种与智能检测、模式识别等相关的工业应用具有重要意义。
  机器视觉检测技术具有非接触测量、精度高、速度快、操作维护简单等优点,被广泛应用。主动式结构光法是其中比较成熟的一种测量方法,近几年提出多种提高其测量精度、扩大应用范围的措施,当前正积极开发基于此方法的多种工业应用三维测量系统。
  本文传感系统是基于激光三角法的点结构光机器视觉三维测量方法,通过旋转棱镜将点激光扫描出一个截面,根据反射到 CCD上光斑中心的位置,能逐点测量出扫描截面上的离散点,再将传感器沿垂直于扫描截面方向移动,即可获取由三维点云组成的被测物体轮廓。本文采用智能传感器和上位机的系统结构,减少了上位机运算量,使传感器更方便使用。
  使用Protel软件设计了核心芯片为EP2C20的图像预处理硬件电路,集成了摄像头信号采集模块、FPGA核心处理模块、USB通信模块等。设计了图像采集实验,在上位机串口调试工具中获得了完整的测试图像,表明电路各模块连接良好,工作稳定。
  在Quartus中对FPGA逻辑编程,设计了极值输出模式和全帧输出模式。预处理板能高速采集图像灰度数据,实现实时中值和均值滤波处理并采用极值法求出图像光斑中心,通过USB通信控制模块将一帧图像中包括光斑中心位置、灰度和当前扫描角度在内的共6字节有效数据传输到上位机。特别设计的快速中值滤波模块,算法简单、运算速度快,对实时图像处理有广泛应用价值。
  在VC++6.0开发环境中编写了传感器应用程序,实现了与USB的通信,并将图像数据转换为物体三维坐标数据,设计了美观实用的界面,并可方便查看实时数据。在OpenGL图形接口中,设计了三维彩色显示模型,实现了光照渲染、模型平移缩放和旋转等基本功能。
  建立了摄像头像素号和深度坐标系,易于实现尺寸测量,标定实验表明,在80mm-210mm测量范围内像素号与深度之间最大非线性误差0.7428%,均方差为441.6μm。提出了激光扫描偏角简易标定方法,经过两次实验标定修正扫描偏角后,平板测量实验中不同扫描角度下测量均方差为62.26μm,具有较高精度。将传感器安装在直角坐标机器人上,扫描了几种典型零件的三维轮廓,在上位机程序中零件轮廓显示清晰,测量误差较小,为后续基于三维视觉的模式识别、机器人控制等应用打下了坚实基础。

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