halcon的视觉定位及搬运系统【字数：11022】
摘 要在科技不断发展的今天，机器视觉检测是现代工业生产中十分普遍的,?机器视觉能够更好的检测出生产流程中的错误，能够将产品的质量问题更好的检测出来，提高工业生产的效率和生产的自动化程度，并且将工业生产的精确度提高，使得工作的进程加快，节省时间，而人工视觉检测却失误率较高。在现代工业生产中，很多人都不看好人工视觉检测，因为人肉眼会疲惫，瞬间的疲惫可能就会造成一个重大的损失。人工检测效率是在一个固定区间，无法大幅提升，而在流水线重复且机械化的检测过程中，检测人员很容易出现疲劳而导致检测效率降低；而机器视觉能够更快的检测产品，特别是在生产线检测高速运动的物体时，机器能够提高检测效率，速度甚至能够达到人工10-20倍。本课题提出一种基于Halcon视觉定位及搬运系统的设计。视觉定位及搬运系统以c#为核心，通过摄像头采集图像信号，然后利用上位机程序对图像信号进行处理。被抓物体坐标识别主要是利用被抓物体的颜色以及形状等特征进行二值化，腐蚀膨胀，特征提取,并附加滤波器去除噪声。当检测到被抓物体后，会进行一系列的计算，将像素坐标转换成以机械臂中心为原点的现实坐标，再计算机械臂的姿态，计算完成后将数据发送给单片机，单片机接收到位置数据后开始发送数据给舵机驱动板，舵机驱动板通过发送PWM使机械臂运动，从而实现了整个抓取动作。上位机界面能够实时显示平台图像，已经控制整个系统的手动控制及自动控制。经过调试，运行稳定，功能齐全，各模块相互配合，很好的实现了视觉定位及搬运系统的设计。该设计可以实现自动重复抓取，以及紧急情况下的人工操作。
目录
1.绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题研究的现状 1
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 论文章安排 2
2.视觉定位及搬运系统总体设计方案 4
2.1系统实现原理 4
2.2系统方案选择 5
2.3 系统总体构成 5
3. 机械臂控制系统的设计方案 7
3.1 单片机及其它元件的选取 7
3.1.1单片机的确定 7
3.1.2 舵机的确定 7
3.2 机械臂机械结构介绍 7
3.3 电位器电路及串口wifi电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
路设计 8
3.4 舵机驱动电路设计 9
4.视觉定位平台软件设计 11
4.1 系统总体软件介绍 11
4.2上位机软件设计 11
4.2.1 像素距离转换成实际距离程序设计 11
4.2.2瓶盖检测及其定位的程序设计 13
4.2.3 坐标转机械臂姿态的程序设计 15
4.3 下位机软件设计 19
4.3.1 创建客户端程序设计及接受数据解读 19
4.3.2 基于电位器的手动控制的实现 20
5. 系统调试与运行 22
5.1 搬运系统实物图 22
5.2 硬件调试 22
5.3 软件调试 23
6.总结 25
参考文献 26
附录 27
致谢 34
1.绪论
1.1 课题研究的背景与意义
在自动化技术以及电子计算机迅速发展的现代。实现工业自功化，不仅能提高生产质量，减少原材料的消耗，节省人力资源，保证生产安全，降低工业污染。而且还能收到极高经济效益，所以电气自动化成为现代工厂生产的主要趋势。机器视觉是通过即图像摄取装置将目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，在测量工件过程中，无需与工件进行接触，因此能够适应恶劣危险生产环境，同时也不会对工件造成接触性损伤。而人工则需要与工件进行接触性检测，因为无法应对恶劣危险环境，且在检测过程中，不可避免的会对工件造成接触性损伤。而且随着老龄化带来的是劳动力减少，并且因为生活水平的提高，人们大多不愿意从事危险，重复枯燥，劳累的工作，因此有更多的机器设备被开发出来代替工人人走进工厂车间。
自动分拣是集光、机、电于一体，结合计算机科学的新型技术口。传统的自动分拣主要有压电式分拣器、红外分拣器及超声波分拣器，易受其他外部不稳定因素的影响。
1.2 课题研究的现状
随着中国经济的日益增长，综合国力的逐步增强，国民的收入和生活水平稳步上述，国民的消费能力越来越强，使得服务型领域的劳动力需求越来越多。国内劳动力成本也随着国家的发展日渐上升。机器人在这样的背景下逐渐被大量应用于工业现场，取代人类从事繁重、重复、危险的体力劳动。我国也在大力推进工业现代化的进程，推进国内各行各业进入工业4.0阶段。因此国内的机器人产业在不断的进步，越来越多国外自动化机器被国产自动化机器所替代，中国的机器人产业已经逐渐成型，走在世界前列。
人类可以通过视觉获取周围环境的信息，现代科学证明人类感知的客观世界中80%的信息来源于双眼。为了让机器人更接近于人，在机器人系统中添加视觉传感器提高机器人的智能化程度已经称为一个非常有意义的研究内容。目前，机器视觉与机器人结合的成果主要出现在工件抓取、分拣、码垛、质量检测、装配等应用场景。这些工作重复度高，劳动强度大，工作环境恶劣。人们给机器人装上工业相机，使得机器人能够对周围的环境进行采集，通过数字图像处理引导机器人完成任务，使得人们从危险，重复枯燥，劳累的工作中释放出来。
1.3 课题研究的主要内容
本课题的上位机的作用是通过一系列的图像采集处理定位到物体，并控制机械臂抓取，下位机的作用是机械臂控制。
（1）分析被抓物体的形状特征，以及通信选择本课题所需要的硬件模块，例如单片机、串口wifi、舵机控制板、摄像头、舵机、光源等，在熟悉掌握其工作原理后，进行比较选型，完成系统硬件架构搭建。之后开始单独运行检测各硬件模块，保证其运行完好。
（2）依据搭建好的硬件平台，完成上位机应用程序的编写。
程序编写中需要考虑到图像的标定与定位，因为本系统需要计算出被抓物体与机械臂原点的相对位置，所以在采集到图像后需要通过被抓物体的一些形状特征作出一系列的图像处理，检测出物体的像素坐标，并且通过平台上预设的几个点将它转化成实际坐标。其次用户界面和软件架构设计，本系统需要实现待抓取对象的实时定位功能，因此在主界面上需要实时显示摄像头采集到的图像。由于本系统需要实现手动控制和自动控制所以要在界面上多个按钮来控制本系统的手动控制及停止、自动控制及停止。最后是计算机械臂各个舵机的角度并发送给下位机，本系统在求得物体与机械臂的相对位置后，要通过一系列运算求出个角度的值，并且要与下位机建立通信将这些角度发送给下位机让下位机执行。
1.4 论文章安排
本文通过Halcon软件平台解决了摄像头采集和图像处理定位的功能及六轴机械臂的控制方法和运动学逆解的相关掌握和了解，简述了设计本系统的目的和意义，并实现了视觉定位及搬运系统设计。
本文将分成六个章节来对该搬运系统进行阐述:
目录
1.绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题研究的现状 1
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 论文章安排 2
2.视觉定位及搬运系统总体设计方案 4
2.1系统实现原理 4
2.2系统方案选择 5
2.3 系统总体构成 5
3. 机械臂控制系统的设计方案 7
3.1 单片机及其它元件的选取 7
3.1.1单片机的确定 7
3.1.2 舵机的确定 7
3.2 机械臂机械结构介绍 7
3.3 电位器电路及串口wifi电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
路设计 8
3.4 舵机驱动电路设计 9
4.视觉定位平台软件设计 11
4.1 系统总体软件介绍 11
4.2上位机软件设计 11
4.2.1 像素距离转换成实际距离程序设计 11
4.2.2瓶盖检测及其定位的程序设计 13
4.2.3 坐标转机械臂姿态的程序设计 15
4.3 下位机软件设计 19
4.3.1 创建客户端程序设计及接受数据解读 19
4.3.2 基于电位器的手动控制的实现 20
5. 系统调试与运行 22
5.1 搬运系统实物图 22
5.2 硬件调试 22
5.3 软件调试 23
6.总结 25
参考文献 26
附录 27
致谢 34
1.绪论
1.1 课题研究的背景与意义
在自动化技术以及电子计算机迅速发展的现代。实现工业自功化，不仅能提高生产质量，减少原材料的消耗，节省人力资源，保证生产安全，降低工业污染。而且还能收到极高经济效益，所以电气自动化成为现代工厂生产的主要趋势。机器视觉是通过即图像摄取装置将目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，在测量工件过程中，无需与工件进行接触，因此能够适应恶劣危险生产环境，同时也不会对工件造成接触性损伤。而人工则需要与工件进行接触性检测，因为无法应对恶劣危险环境，且在检测过程中，不可避免的会对工件造成接触性损伤。而且随着老龄化带来的是劳动力减少，并且因为生活水平的提高，人们大多不愿意从事危险，重复枯燥，劳累的工作，因此有更多的机器设备被开发出来代替工人人走进工厂车间。
自动分拣是集光、机、电于一体，结合计算机科学的新型技术口。传统的自动分拣主要有压电式分拣器、红外分拣器及超声波分拣器，易受其他外部不稳定因素的影响。
1.2 课题研究的现状
随着中国经济的日益增长，综合国力的逐步增强，国民的收入和生活水平稳步上述，国民的消费能力越来越强，使得服务型领域的劳动力需求越来越多。国内劳动力成本也随着国家的发展日渐上升。机器人在这样的背景下逐渐被大量应用于工业现场，取代人类从事繁重、重复、危险的体力劳动。我国也在大力推进工业现代化的进程，推进国内各行各业进入工业4.0阶段。因此国内的机器人产业在不断的进步，越来越多国外自动化机器被国产自动化机器所替代，中国的机器人产业已经逐渐成型，走在世界前列。
人类可以通过视觉获取周围环境的信息，现代科学证明人类感知的客观世界中80%的信息来源于双眼。为了让机器人更接近于人，在机器人系统中添加视觉传感器提高机器人的智能化程度已经称为一个非常有意义的研究内容。目前，机器视觉与机器人结合的成果主要出现在工件抓取、分拣、码垛、质量检测、装配等应用场景。这些工作重复度高，劳动强度大，工作环境恶劣。人们给机器人装上工业相机，使得机器人能够对周围的环境进行采集，通过数字图像处理引导机器人完成任务，使得人们从危险，重复枯燥，劳累的工作中释放出来。
1.3 课题研究的主要内容
本课题的上位机的作用是通过一系列的图像采集处理定位到物体，并控制机械臂抓取，下位机的作用是机械臂控制。
（1）分析被抓物体的形状特征，以及通信选择本课题所需要的硬件模块，例如单片机、串口wifi、舵机控制板、摄像头、舵机、光源等，在熟悉掌握其工作原理后，进行比较选型，完成系统硬件架构搭建。之后开始单独运行检测各硬件模块，保证其运行完好。
（2）依据搭建好的硬件平台，完成上位机应用程序的编写。
程序编写中需要考虑到图像的标定与定位，因为本系统需要计算出被抓物体与机械臂原点的相对位置，所以在采集到图像后需要通过被抓物体的一些形状特征作出一系列的图像处理，检测出物体的像素坐标，并且通过平台上预设的几个点将它转化成实际坐标。其次用户界面和软件架构设计，本系统需要实现待抓取对象的实时定位功能，因此在主界面上需要实时显示摄像头采集到的图像。由于本系统需要实现手动控制和自动控制所以要在界面上多个按钮来控制本系统的手动控制及停止、自动控制及停止。最后是计算机械臂各个舵机的角度并发送给下位机，本系统在求得物体与机械臂的相对位置后，要通过一系列运算求出个角度的值，并且要与下位机建立通信将这些角度发送给下位机让下位机执行。
1.4 论文章安排
本文通过Halcon软件平台解决了摄像头采集和图像处理定位的功能及六轴机械臂的控制方法和运动学逆解的相关掌握和了解，简述了设计本系统的目的和意义，并实现了视觉定位及搬运系统设计。
本文将分成六个章节来对该搬运系统进行阐述:
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