一种基于飞拍视觉引导的XY双轴热封位置动态补偿方法与流程

本技术涉及位置补偿，具体涉及一种基于飞拍视觉引导的xy双轴热封位置动态补偿方法。

背景技术：

1、随着工业自动化程度的不断提高，ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)视觉引导技术在热封包装设备中得到了广泛应用，ccd相机一般包括ccd传感器、驱动电路、信号处理电路、接口电路、外壳及机械光学接口。在圆角热封机等场景中，视觉系统通常负责检测被封装工件（如包装袋、薄膜）的位置偏差，并引导运动执行机构（如xy平台、热封刀）进行位置补偿，以保证封口轨迹与工件轮廓精准对齐。目前，涉及ccd视觉引导热封定位与补偿的现有技术主要分为以下几类：

2、基于ccd视觉定位的静态补偿方案，该类方案在工件停止状态下进行拍照检测与位置修正。例如，转塔式蓝膜编带设备中采用ccd视觉定位，结合xyθ平台进行位置补偿以提升贴装精度。又如，天正机械的制袋机热封移动机构专利中，当ccd视觉镜头组件检测到薄膜上的标记出现偏差时，补偿薄膜的位置偏差，从而实现精准热封。此外，在半导体封装领域，双ccd视觉系统配合uvw运动平台可实现微米级对准，系统将位置偏差分解为x/y轴平移量与旋转角度，由运动平台根据计算结果进行实时补偿。该类方案的共同特征是：工件在拍照和补偿执行时均处于静止或准静止状态，视觉采集、偏差计算、补偿执行三者之间不存在工件运动带来的时间差问题。

3、基于光电传感器或标记跟踪的连续补偿方案，该类方案不依赖ccd视觉，而是通过光电传感器或印刷标记进行定位。例如，印刷包装系列控制器根据光电眼的检测输入信号与热封切膜刀传感器信号的相对位置关系，自动控制补偿电机输出，采用模糊逻辑控制算法求解最优控制量。该类方案响应速度快，但定位精度受限于传感器精度，难以满足圆角等复杂轮廓的对位需求。

4、飞拍（fly-vision）视觉定位与补偿方案，飞拍技术指工件在连续运动过程中不停顿拍照的视觉采集方式。现有飞拍相关技术包括：一种伺服飞拍控制方法通过fpga定时器和延时补偿机制解决飞拍精度问题；基于mark点标记的动态飞拍高精度定位方法采用实时采集图像的方式，通过mark点位置偏差计算进行图像校准与定位补偿；飞拍补偿方法通过对飞拍工件的图像信息进行校正，以校正后的图像信息作为执行动作的参考进行补偿；elmo公司的飞拍解决方案提出在高速运动过程中完成“拍摄照片-计算校正-执行新位置”的闭环。该类方案的代表性技术特征为：工件在运动中被拍照，视觉系统在拍照后计算偏差，控制器根据偏差下发补偿指令。

5、综合上述分析，这些现有技术存在以下共性缺陷：

6、时间差盲区导致补偿目标错位，在飞拍场景下，从ccd触发拍照（t0）到控制器真正将补偿指令下发至伺服执行（t1），不可避免地存在时间延迟（图像传输、aoi（automatedoptical inspection，自动光学检测）计算、总线通讯等）。在这段时间内，被封装工件随传送带或运动平台持续移动。现有技术方案均将t0时刻测得的视觉偏差直接作为t1时刻的补偿指令下发，未考虑工件在t0至t1时间段内已经发生的实际位移，导致补偿位置落后于工件实际位置。随着输送速度的提高，该偏差呈线性恶化。

7、缺乏对拍照瞬间位置的精确锁存机制，现有方案在飞拍触发时，通常仅记录触发信号或图像帧号，并未对拍照瞬间的伺服编码器位置进行硬件级精确锁存。这导致后续计算“工件已走位移”时缺少精确的起始参考点，只能依靠估算或近似处理，精度受限。

8、补偿计算未充分利用实时编码器反馈，现有方案的补偿计算主要依赖视觉偏差和预设补偿参数，未将“当前时刻的实时编码器位置”作为动态变量引入补偿公式。补偿量是一个“开环”的固定值，而非随工件实际位置动态调整的“闭环”值。

9、软件层面的传输延迟无法满足超高速响应需求，现有方案在控制器与伺服之间的数据传输多依赖操作系统调度和标准通讯协议（如ethercat、ethernet），响应延迟处于微秒至毫秒级。当系统要求纳秒级别的指令下发时，现有软件架构存在明显瓶颈。

技术实现思路

1、为了实现对工件位置的精确补偿，第一方面，本技术实施例提供了一种基于飞拍视觉引导的xy双轴热封位置动态补偿方法，所述方法包括：

2、响应于被封装工件到达ccd视场中心区域所产生的硬件触发信号，并基于该硬件触发信号同步锁存xy两轴伺服编码器的瞬时位置，记为第一实际位置；

3、获取响应于所述硬件触发信号而曝光的图像帧，并读取经视觉检测所得的、被封装工件的圆角中心在像素域的位置偏差；

4、将所述位置偏差代入预先确定的仿射变换矩阵，得到物理空间下的视觉偏差，所述仿射变换矩阵描述ccd像素坐标系与xy平台物理坐标系之间的线性映射关系；

5、在完成物理空间下的视觉偏差计算后，读取当前时刻xy两轴伺服编码器的第二实际位置；

6、根据xy两轴伺服编码器的第一实际位置和第二实际位置，计算xy运动平台已经实际发生的位移量，按照以下公式计算最终下发至伺服驱动器的补偿指令值：

7、δx_cmd=δx_v-δx_m，δy_cmd=δy_v-δy_m；

8、其中，（δx_v，δy_v）为物理空间下的视觉偏差，δx_m为x轴已经实际发生的位移量，δy_m为y轴已经实际发生的位移量；

9、控制器将补偿指令值封装为紧凑指令帧，所述紧凑指令帧包含轴号、补偿脉冲数、时间戳、crc校验码，通过并行总线将指令帧直接写入伺服驱动器的指令缓存寄存器，以使伺服驱动器在接收到所述紧凑指令帧后的首个时钟周期内或多个伺服控制周期起点，将该补偿指令值累加到位置环误差累加器中，执行位置修正。

10、在一种可能的实施方式中，所述响应于被封装工件到达ccd视场中心区域所产生的硬件触发信号，并基于该硬件触发信号同步锁存xy两轴伺服编码器的瞬时位置，记为第一实际位置，包括：

11、当被封装工件随输送带运动至ccd视场中心区域时，控制器发出相机硬件触发信号，所述触发信号通过硬件分路器同时传送至x轴伺服驱动器和y轴伺服驱动器的位置锁存输入端口以使x轴伺服驱动器和y轴伺服驱动器的内部硬件电路在接收到锁存信号的上升沿时，将编码器计数寄存器的当前值锁存至专用的锁存寄存器中，并通过ethercat或pcie将当前值回传至控制器；

12、获取当前值作为xy两轴伺服编码器的第一实际位置。

13、在一种可能的实施方式中，所述仿射变换矩阵通过如下方式确定得到：

14、控制xy运动平台依次移动至标定板上至少9个特征点，记录每个特征点的像素坐标（u，v）与物理坐标（x，y）；

15、根据每个特征点的像素坐标（u，v）与物理坐标（x，y），通过最小二乘法拟合出仿射变换矩阵，建立ccd像素坐标系与xy平台物理坐标系的线性映射关系；所述仿射变换矩阵包含x轴比例系数、y轴比例系数以及两轴间的正交性修正系数。

16、在一种可能的实施方式中，所述将所述位置偏差代入预先确定的仿射变换矩阵，得到物理空间下的视觉偏差，包括：

17、将位置偏差（δu，δv）代入预先确定的仿射变换矩阵，通过如下式子得到所位置偏差在物理空间下的视觉偏差：

18、δx_v=a.δu+b.δv，δy_v=c.δu+d.δv；

19、其中，a为x轴比例系数，d为y轴比例系数，b、c为两轴间的正交性修正系数。

20、在一种可能的实施方式中，所述方法还包括：

21、判断补偿指令值是否超过预设安全阈值；

22、在补偿指令值不超过预设安全阈值的情况下，将该补偿指令值一次性累加到位置环误差累加器中；

23、在补偿指令值超过预设安全阈值的情况下，将补偿指令值拆分为多个微补偿值，将多个微补偿值连续累加到位置环误差累加器中，并向上位机发送偏差超限预警信号，以通知操作人员检查物料。

24、在一种可能的实施方式中，所述在接收到所述紧凑指令帧后的首个时钟周期内或多个伺服控制周期起点，将该补偿指令值累加到位置环误差累加器中，执行位置修正，包括：

25、针对将该补偿指令值一次性累加到位置环误差累加器中的情况，在接收到所述紧凑指令帧后的首个时钟周期内，将该补偿指令值累加到位置环误差累加器后，等到伺服控制周期到来，根据累加器中的补偿指令值计算速度指令和扭矩电流指令，按照计算出的速度指令和扭矩电流指令驱动电机转动，实现位置修正；

26、针对将多个微补偿值连续累加到位置环误差累加器中的情况，在接收到所述紧凑指令帧后的多个伺服控制周期起点，将多个微补偿值连续累加到位置环误差累加器后，在每一个伺服控制周期内，根据累加器中的微补偿值计算速度指令和扭矩电流指令，按照计算出的速度指令和扭矩电流指令驱动电机转动，实现位置修正。

27、在一种可能的实施方式中，所述控制器采用arm+fpga异构架构。

28、第二方面，本技术实施例提供了一种基于飞拍视觉引导的xy双轴热封位置动态补偿装置，所述装置包括：

29、第一实际位置获取模块，用于响应于被封装工件到达ccd视场中心区域所产生的硬件触发信号，并基于该硬件触发信号同步锁存xy两轴伺服编码器的瞬时位置，记为第一实际位置；

30、位置偏差获取模块，用于获取响应于所述硬件触发信号而曝光的图像帧，并读取经视觉检测所得的、被封装工件的圆角中心在像素域的位置偏差；

31、视觉偏差获取模块，用于将所述位置偏差代入预先确定的仿射变换矩阵，得到物理空间下的视觉偏差，所述仿射变换矩阵描述ccd像素坐标系与xy平台物理坐标系之间的线性映射关系；

32、第二实际位置获取模块，用于在完成物理空间下的视觉偏差计算后，读取当前时刻xy两轴伺服编码器的第二实际位置；

33、补偿指令值获取模块，用于根据xy两轴伺服编码器的第一实际位置和第二实际位置，计算xy运动平台已经实际发生的位移量，按照以下公式计算最终下发至伺服驱动器的补偿指令值：δx_cmd=δx_v-δx_m，δy_cmd=δy_v-δy_m；其中，（δx_v，δy_v）为物理空间下的视觉偏差，δx_m为x轴已经实际发生的位移量，δy_m为y轴已经实际发生的位移量；

34、写入模块，用于控制器将补偿指令值封装为紧凑指令帧，所述紧凑指令帧包含轴号、补偿脉冲数、时间戳、crc校验码，通过并行总线将指令帧直接写入伺服驱动器的指令缓存寄存器，以使伺服驱动器在接收到所述紧凑指令帧后的首个时钟周期内或多个伺服控制周期起点，将该补偿指令值累加到位置环误差累加器中，执行位置修正。

35、在一种可能的实施方式中，所述装置还包括：

36、判断模块，用于判断补偿指令值是否超过预设安全阈值；

37、安全模块，用于在补偿指令值不超过预设安全阈值的情况下，将该补偿指令值一次性累加到位置环误差累加器中；在补偿指令值超过预设安全阈值的情况下，将补偿指令值拆分为多个微补偿值，将多个微补偿值连续累加到位置环误差累加器中，并向上位机发送偏差超限预警信号，以通知操作人员检查物料。

38、第三方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时上述任一一种基于飞拍视觉引导的xy双轴热封位置动态补偿方法。

39、本技术实施例提供的一种基于飞拍视觉引导的xy双轴热封位置动态补偿方法，包括：响应于被封装工件到达ccd视场中心区域所产生的硬件触发信号，并基于该硬件触发信号同步锁存xy两轴伺服编码器的瞬时位置，记为第一实际位置；获取响应于所述硬件触发信号而曝光的图像帧，并读取经视觉检测所得的、被封装工件的圆角中心在像素域的位置偏差；将所述位置偏差代入预先确定的仿射变换矩阵，得到物理空间下的视觉偏差，所述仿射变换矩阵描述ccd像素坐标系与xy平台物理坐标系之间的线性映射关系；在完成物理空间下的视觉偏差计算后，读取当前时刻xy两轴伺服编码器的第二实际位置；根据xy两轴伺服编码器的第一实际位置和第二实际位置，计算xy运动平台已经实际发生的位移量，按照以下公式计算最终下发至伺服驱动器的补偿指令值：δx_cmd=δx_v-δx_m，δy_cmd=δy_v-δy_m；其中，（δx_v，δy_v）为物理空间下的视觉偏差，δx_m为x轴已经实际发生的位移量，δy_m为y轴已经实际发生的位移量；控制器将补偿指令值封装为紧凑指令帧，所述紧凑指令帧包含轴号、补偿脉冲数、时间戳、crc校验码，通过并行总线将指令帧直接写入伺服驱动器的指令缓存寄存器，以使伺服驱动器在接收到所述紧凑指令帧后的首个时钟周期内，将该补偿指令值累加到位置环误差累加器中，执行位置修正，所述时钟周期是伺服驱动器内部晶体振荡器发出的基础脉冲信号。本技术的方法能够实现对工件位置的精准补偿。