本發(fā)明涉及視覺檢測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到一種太陽能電池片高速視覺定位及矯正系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

光伏產(chǎn)業(yè)是我國新能源產(chǎn)業(yè)的中堅(jiān)，國家十三五規(guī)劃將繼續(xù)大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。而光伏組件制造是光伏產(chǎn)業(yè)的主要組成部分。光伏組件的生產(chǎn)制造工藝包括太陽能電池片檢測分選、電池片串焊、匯流帶焊接、排版鋪設(shè)、中測、層壓、裝框、接線盒安裝以及組件終測等環(huán)節(jié)，整個(gè)生產(chǎn)工藝中基本上每個(gè)工藝環(huán)節(jié)都涉及視覺檢測技術(shù)，尤其在光伏組件的檢測、分選、串焊等工藝環(huán)節(jié)，因此視覺檢測技術(shù)的攻關(guān)程度將直接影響著整個(gè)光伏組件制造的生產(chǎn)效率。

太陽能全自動串焊機(jī)主要用于電池片的自動焊接。在串焊前有一道重要的工序是電池片的糾偏定位，電池片的定位精度直接影響串焊機(jī)的焊接效果。傳統(tǒng)的定位通常以電池片邊緣作為定位基準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械糾偏，由于電池片的特性極薄易碎，這種定位方式有很多缺陷，譬如：速度慢，增大了工件的損壞幾率，無法適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)線中要求等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種定位和角度精度高、定位速度快、自動化程度高、節(jié)省人力的太陽能電池片高速視覺定位及矯正系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：系統(tǒng)包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、運(yùn)動控制模塊以及動作執(zhí)行模塊，四者順序連接；其中，所述圖像采集模塊用于在太陽能電池片自動生產(chǎn)線上自動采集太陽能電池片的圖像；

所述圖像處理模塊用于分析采集到的太陽能電池片圖像，對太陽能電池片圖像進(jìn)行定位，并將太陽能電池片的位置和角度數(shù)據(jù)發(fā)送至運(yùn)動控制模塊；

所述運(yùn)動控制模塊用于控制動作執(zhí)行模塊進(jìn)行太陽能電池片位置矯正。

進(jìn)一步地，所述圖像采集模塊包括工業(yè)相機(jī)和環(huán)形照明光源；其中，環(huán)形照明光源位于已放好位置的太陽能電池片和工業(yè)相機(jī)之間，工業(yè)相機(jī)位于環(huán)形照明光源正下方，垂直向上拍攝太陽能電池片。

進(jìn)一步地，所述圖像處理模塊包括工控pc機(jī)、io板卡、圖像采集卡以及圖像處理單元；其中，圖像采集卡、圖像處理單元、io板卡均安裝在工控pc機(jī)內(nèi)，且三者順序連接；圖像處理模塊通過圖像采集卡和圖像采集模塊連接，通過io板卡與運(yùn)動控制模塊連接。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動控制模塊包括plc和伺服電機(jī)驅(qū)動器；所述動作執(zhí)行模塊為機(jī)械手。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明另外提供一種用于太陽能電池片高速視覺定位及矯正系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟：

(1系統(tǒng)初始化獲取太陽能電池片的標(biāo)準(zhǔn)位置和角度，初始化包括1)相機(jī)標(biāo)定；2)選定roi區(qū)域；3)閾值化處理；4)直線檢測；

(2系統(tǒng)后續(xù)通過運(yùn)行與步驟(1一直的步驟獲取太陽能電池片的當(dāng)前位置和角度；

(3太陽能電池片位置和角度矯正。

進(jìn)一步地，所述步驟(1中相機(jī)標(biāo)定采用柔性算法，使用精確測量的棋盤格標(biāo)定模板，通過隨機(jī)變換工業(yè)相機(jī)或標(biāo)定模板的位置，令工業(yè)相機(jī)至少在兩個(gè)以上相對標(biāo)定模板的不同方位成像，然后通過角點(diǎn)檢測獲得角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算相機(jī)參數(shù)(dx，dy，u0，v0)，設(shè)從相機(jī)獲得的原始圖像為p(x,y)，校正后的圖像為q(u，v)，按如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

進(jìn)一步地，所述步驟(1中閾值化處理采用otsu最大類間方差法進(jìn)行閾值，公式如下：

δ²(t)＝wa(μa-μ)²+wb(μb-μ)²

其中，δ²(t)為兩類間最大方差，wa為a類概率，μa為a類平均灰度，wb為b類概率，μb為b類平均灰度，μ為圖像總體平均灰度。

進(jìn)一步地，所述步驟(1中直線檢測包括以下步驟：

((1對閾值化圖像進(jìn)行八領(lǐng)域freeman鏈碼跟蹤；

跟蹤canny邊緣檢測后的邊緣點(diǎn)并將其生成鏈表，在分叉處優(yōu)先選擇可能在同一直線上的邊緣點(diǎn)；

((2利用主元分析對邊緣像素點(diǎn)集進(jìn)行簡化。擬合出單元線段，以邊緣上一點(diǎn)a為中心，(xt，yt)為與a的八領(lǐng)域的邊緣點(diǎn)ai的坐標(biāo),構(gòu)造其協(xié)方差矩陣，其中，

通過上述協(xié)方差矩陣得到特征向量和特征值，其中特征向量代表數(shù)據(jù)集中點(diǎn)的主分布方向即主元，特征值λ1代表點(diǎn)集在主分布方向投影長度，特征值λ2獲取數(shù)據(jù)集的直線度；特征值的計(jì)算公式如下:

從特征向量可以獲取主分布方向，直線的方向角度為:

然后對其余數(shù)據(jù)集，將其投影到過點(diǎn)(xk，yk)，且方向角為的直線上以獲取端點(diǎn)產(chǎn)生線段；

((3用共線性度量刪除不合條件的線段，定義兩條線段之間共線度為：

其中l(wèi)為兩線段平均長度，d為最接近的一對端點(diǎn)距離，a為兩線段之間的夾角，b為兩線段中點(diǎn)連線與線段的夾角平均值，td，ta，tb為歸一化閾值參數(shù)；

((4將上述擬合的共線短線段進(jìn)行聚類；

得到短線段后,采用線段聚類的方法從所有短線段中分析可能存在的直線，設(shè)給定單元線段ab:s(t)＝(x(t),y(t))，0≤t≤1；

直線l用極坐標(biāo)表示為：

xcosθ+ysinθ+ρ＝0，

式中d(s(t)，l)表示點(diǎn)到直線l的距離，設(shè)線段兩端點(diǎn)a,b坐標(biāo)分別(x1,y1),則

x(t)＝x1+(x2-x1)t,

y(t)＝y(tǒng)1+(y2-y1)t,

目標(biāo)函數(shù)為：

根據(jù)err(l)最小化條件，對公式關(guān)于θ和t求導(dǎo)，計(jì)算出θ和t，從而完成擬合過程，從而得到直線l的解析式，將其表示成對應(yīng)的斜截式：y＝kx+b即可；

((5定位太陽能電池片，選其不變量即相鄰兩邊緣為檢測對象，對太陽能電池片進(jìn)行定位；

設(shè)其方程分別為：

y＝k1x+b；

y＝k2x+b；

其中，k1-k2≠0，所定位的太陽能電池片的圖像位置(x1,y1)即為兩條直線的交點(diǎn)，圖像角度α1為k1和k2中的較小值，由此得到太陽能電池片位置和角度的標(biāo)準(zhǔn)值。

進(jìn)一步地，所述步驟(3太陽能電池片位置和角度矯正，其詳細(xì)步驟如下：將定位中得到的位置和角度結(jié)果與初始化得到的標(biāo)準(zhǔn)值(x0，y0)和α0做差得到(xd，yd)和αd，根據(jù)初始化得到的工業(yè)相機(jī)參數(shù)得到太陽能電池片位置的實(shí)際偏差(xr，yr)，其中，u0，v0，dx，dy為工業(yè)相機(jī)參數(shù)；將該偏差傳輸?shù)絧lc，plc控制機(jī)械手平移和旋轉(zhuǎn)對太陽能電池片進(jìn)行位置和角度矯正。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的原理以及相應(yīng)的有益效果如下：

用工業(yè)相機(jī)、圖像處理模塊和運(yùn)動控制模塊替代傳統(tǒng)的機(jī)械校正工位，極大地提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度。并且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，定位矯正過程在100ms以內(nèi)，定位精度達(dá)到0.1mm，角度精度達(dá)到0.1°，精度比現(xiàn)有機(jī)械矯正方式提高一倍以上。在大批量工業(yè)生產(chǎn)中大大提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)提高了串焊精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明視覺定位及矯正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明視覺定位及矯正系統(tǒng)的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

參見附圖1所示，本實(shí)施例所述的一種太陽能電池片高速視覺定位及矯正系統(tǒng)，包括圖像采集模塊1、圖像處理模塊2、運(yùn)動控制模塊3以及動作執(zhí)行模塊4，四者順序連接；

圖像采集模塊1包括工業(yè)相機(jī)101和環(huán)形照明光源102；其中，環(huán)形照明光源102位于已放好位置的太陽能電池片和工業(yè)相機(jī)101之間，工業(yè)相機(jī)101位于環(huán)形照明光源102正下方，垂直向上拍攝太陽能電池片，拍攝前需調(diào)試工業(yè)101相機(jī)焦距、曝光時(shí)間和頻閃；該模塊用于在太陽能電池片自動生產(chǎn)線上自動采集太陽能電池片的圖像；

圖像處理模塊2包括工控pc機(jī)201、io板卡202、圖像采集卡203以及圖像處理單元204；其中，圖像采集卡203、圖像處理單元204、io板卡202均安裝在工控pc機(jī)201內(nèi)，且三者順序連接；圖像處理模塊2通過圖像采集卡203和圖像采集模塊1連接，通過io板卡202與運(yùn)動控制模塊3連接；圖像處理單元204的界面基于微軟基礎(chǔ)庫類(mfc)在vs2013開發(fā),界面包括用戶模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。用戶模塊主要用于用戶管理、模板選取以及系統(tǒng)調(diào)試和通訊調(diào)試；顯示模塊主要用于圖像顯示、處理結(jié)果和統(tǒng)計(jì)結(jié)果的輸出；數(shù)據(jù)庫模塊存儲和管理定位矯正過程的一些參數(shù)數(shù)據(jù)；圖像處理模塊2用于分析采集到的太陽能電池片圖像，對太陽能電池片圖像進(jìn)行定位，并將太陽能電池片的位置和角度數(shù)據(jù)發(fā)送至運(yùn)動控制模塊3；

運(yùn)動控制模塊3包括plc301和伺服電機(jī)驅(qū)動器302，用于控制動作執(zhí)行模塊4進(jìn)行太陽能電池片位置矯正。

動作執(zhí)行模塊4為機(jī)械手。

系統(tǒng)的通信主要是工控pc機(jī)201與plc301的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)把檢測出太陽能電池片的位置信息傳輸給plc301，plc301控制機(jī)械手進(jìn)行位置和角度矯正。plc301控制工業(yè)相機(jī)觸發(fā)信號,工控pc機(jī)201與plc301的通信采用以太網(wǎng)modbustcp/ip協(xié)議。telnet通信先進(jìn)行握手,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作；握手信號成功后,相機(jī)充當(dāng)客戶端,通過tcpclient類中的connect方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,利用networkstream類來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

如圖2所示，視覺定位及矯正系統(tǒng)流程如下：

(1系統(tǒng)初始化獲取太陽能電池片的標(biāo)準(zhǔn)位置和角度，初始化包括1)相機(jī)標(biāo)定；2)選定roi區(qū)域；3)閾值化處理；4)直線檢測；

相機(jī)標(biāo)定：采用柔性算法，使用精確測量的棋盤格標(biāo)定模板，標(biāo)定模板每個(gè)小方塊的邊長為25mm，通過隨機(jī)變換工業(yè)相機(jī)或標(biāo)定模板的位置，令工業(yè)相機(jī)至少在兩個(gè)以上相對標(biāo)定模板的不同方位成像，然后通過角點(diǎn)檢測獲得角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算相機(jī)參數(shù)(dx，dy，u0，v0)，設(shè)從相機(jī)獲得的原始圖像為p(x,y)，校正后的圖像為q(u，v)，按如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

選定roi區(qū)域：待測太陽能電池片為156mm×156mm的多晶硅電池片。當(dāng)前視覺定位檢測多采用工業(yè)相機(jī)對電池片全局拍攝，但太陽能電池片由于生產(chǎn)工藝，裝載運(yùn)輸，現(xiàn)場檢測環(huán)境等客觀因素的影響，導(dǎo)致電池片表面有嚴(yán)重的劃痕和噪聲，加之表面柵線的影響，拍攝范圍增大，誤差隨之增大。所以，為定位準(zhǔn)確，減小誤差，本實(shí)施例選取電池片長寬各一半(78mm×78mm)，即電池片1/4區(qū)域作為圖像處理區(qū)域。

閾值化處理：采用otsu最大類間方差法進(jìn)行閾值，公式如下：

δ²(t)＝wa(μa-μ)²+wb(μb-μ)²，

其中，δ²(t)為兩類間最大方差，wa為a類概率，μa為a類平均灰度，wb為b類概率，μb為b類平均灰度，μ為圖像總體平均灰度。

直線檢測：其包括以下步驟：

((1對閾值化圖像進(jìn)行八領(lǐng)域freeman鏈碼跟蹤；

跟蹤canny邊緣檢測后的邊緣點(diǎn)并將其生成鏈表，在分叉處優(yōu)先選擇可能在同一直線上的邊緣點(diǎn)；

((2利用主元分析對邊緣像素點(diǎn)集進(jìn)行簡化。擬合出單元線段，以邊緣上一點(diǎn)a為中心，(xt，yt)為與a的八領(lǐng)域的邊緣點(diǎn)ai的坐標(biāo),構(gòu)造其協(xié)方差矩陣，其中，

通過上述協(xié)方差矩陣得到特征向量和特征值，其中特征向量代表數(shù)據(jù)集中點(diǎn)的主分布方向即主元，特征值λ1代表點(diǎn)集在主分布方向投影長度，特征值λ2獲取數(shù)據(jù)集的直線度；特征值的計(jì)算公式如下:

從特征向量可以獲取主分布方向，直線的方向角度為:

然后對其余數(shù)據(jù)集，將其投影到過點(diǎn)(xk，yk)，且方向角為的直線上以獲取端點(diǎn)產(chǎn)生線段；

((3用共線性度量刪除不合條件的線段，定義兩條線段之間共線度為：

其中l(wèi)為兩線段平均長度，d為最接近的一對端點(diǎn)距離，a為兩線段之間的夾角，b為兩線段中點(diǎn)連線與線段的夾角平均值，td，ta，tb為歸一化閾值參數(shù)；由多次實(shí)驗(yàn)可得td＝3～5，ta＝π/36～π/18，tb＝π/18～π/9時(shí)，擬合出的單元線段最理想；

((4將上述擬合的共線短線段進(jìn)行聚類；

得到短線段后,采用線段聚類的方法從所有短線段中分析可能存在的直線，設(shè)給定單元線段ab:s(t)＝(x(t),y(t))，0≤t≤1；

直線l用極坐標(biāo)表示為：

xcosθ+ysinθ+ρ＝0，

式中d(s(t)，l)表示點(diǎn)到直線l的距離，設(shè)線段兩端點(diǎn)a,b坐標(biāo)分別(x1,y1),則

x(t)＝x1+(x2-x1)t,

y(t)＝y(tǒng)1+(y2-y1)t,

目標(biāo)函數(shù)為：

根據(jù)err(l)最小化條件，對公式關(guān)于θ和t求導(dǎo)，計(jì)算出θ和t，從而完成擬合過程，從而得到直線l的解析式，將其表示成對應(yīng)的斜截式：y＝kx+b即可；

((5定位太陽能電池片，選其不變量即相鄰兩邊緣為檢測對象，對太陽能電池片進(jìn)行定位；

設(shè)其方程分別為：

y＝k1x+b；

y＝k2x+b；

其中，k1-k2≠0，所定位的太陽能電池片的圖像位置(x1,y1)即為兩條直線的交點(diǎn)，圖像角度α1為k1和k2中的較小值，由此得到太陽能電池片位置和角度的標(biāo)準(zhǔn)值。

(2系統(tǒng)后續(xù)運(yùn)行獲取太陽能電池片的當(dāng)前位置和角度；

方式同系統(tǒng)初始化一致，具體包括：

(1)相機(jī)標(biāo)定

(2)選定roi區(qū)域

(3)閾值化處理

(4)直線檢測

由此便得到當(dāng)前電池片位置和角度值；

(3太陽能電池片位置和角度矯正，其詳細(xì)步驟如下：

將定位中得到的位置和角度結(jié)果與初始化得到的標(biāo)準(zhǔn)值(x0，y0)和α0作差得到(xd，yd)和αd，根據(jù)初始化得到的工業(yè)相機(jī)參數(shù)得到太陽能電池片位置的實(shí)際偏差(xr，yr)，其中，u0，v0，dx，dy為工業(yè)相機(jī)參數(shù)；將該偏差傳輸?shù)絧lc，plc控制機(jī)械手平移和旋轉(zhuǎn)對太陽能電池片進(jìn)行位置和角度矯正。

本實(shí)施例用工業(yè)相機(jī)、圖像處理模塊和運(yùn)動控制模塊替代傳統(tǒng)的機(jī)械校正工位，極大地提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度。并且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，定位矯正過程在100ms以內(nèi)，定位精度達(dá)到0.1mm，角度精度達(dá)到0.1°，精度比現(xiàn)有機(jī)械矯正方式提高一倍以上。在大批量工業(yè)生產(chǎn)中大大提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)提高了串焊精度。

以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。