高职 机器视觉系统应用 任务书2七巧板创意造型摆拼赛项赛题.docx
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高职机器视觉系统应用任务书2七巧板创意造型摆拼赛项赛题
2021年全国职业院校技能大赛
机器视觉系统应用
——七巧板创意造型摆拼
（总时间：
480分钟）
工
作
任
务
书
场次号：
工位号：
注意事项
一、本任务书共19页，另附机器视觉组件清单、样品清单和工具清单、接线定义和下位机协议。
如出现缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判示意，进行任务书的更换。
二、在比赛前务必对各机器视觉组件和图形化编程软件平台熟悉，比赛的熟练程度都将计入评分标准。
三、在完成工作任务的全过程中，严格遵守光学或电气组件的相关操作要求，接线前一定要看清引脚定义和电压要求。
四、不得擅自更改设备已有器件位置和线路，若现场设备安装调试有疑问，须经设计人员（赛场裁判）同意后方可修改。
五、竞赛过程中，参赛选手认定竞赛设备的器件有故障，可提出更换，器件经现场裁判测定完好属参赛选手误判时，每次扣参赛队1分；若因人为操作损坏器件，酌情扣5-10分；后果严重者（如导致相机、光源、PLC等烧坏），本次竞赛成绩计0分。
六、所编的机器视觉程序必须保存到本机的“D:
\场次号-工位号”文件夹下，场次号和工位号以现场抽签为准。
七、参赛选手在完成工作任务的过程中，不得在任何地方标注学校名称、选手姓名等信息。
八、比赛结束后，参赛选手需要将任务书以及现场发放的图纸、资料、草稿纸等材料一并上交，不得带离赛场，同时元器件要按最开始的摆放要求还原。
请按要求在8个小时内完成以下工作任务：
一、根据本任务提供的相机分辨率（默认为检测精度）要求，从设备提供的一组机器视觉相机、镜头和光源中选择合适的型号，完成选型并在合理的位置完成安装和接线。
完成选型设计报告，并记载安装结果。
二、根据七巧板样品的尺寸和初始状态的区域要求完成视野调焦和镜头对焦的选择（对焦方式可以选择调节镜头的对焦环，也可以控制Z轴完成整体工作距离的调节
三、在开始配置摆拼流程前创建配置文件名称：
\场次号-工位号
四、通过标定板，完成单幅视野的标定，并保存标定结果。
（注意：
前期如果规划视野没有考虑标定板的尺寸，可能前期的视野设置不合理需要重新调整视野大小）。
四、选择合理的手眼标定工具，完成图像坐标与运动坐标的统一，本保存在配置文件中。
五、根据任务书项目要求翻译成程序语言，通过图像化编程软件完成流程配置并对每个工具合理化设置参数。
六、七巧板初始状态为无序杂乱状态，通过视觉工具识别定位不同的形状，并计算出不同形状的位置，引导运动吸嘴吸起并摆拼成指定图案。
七、计算七巧板所有板块各边边长。
八、必须完成8种指定形状图案的摆拼（具体见任务书要求）。
注1：
本次工作任务请在机器视觉应用设备上完成，比赛前要熟练设备使用说明书和软件用户手册。
操作过程中，须遵守安全操作规程和职业素养要求的相关规定。
注2：
考试过程中不允许带入U盘或其他可储存设备。
注3：
程序复杂的情况下每完成部分编程需要记得先保存配置。
竞赛工作任务说明书
一、平台硬件、软件组成说明
竞赛任务平台的硬软件说明详见平台技术说明书及视觉软件使用说明。
这里的硬件只包含了为完成本工作任务所需要的硬件，所有硬件都包含在工作台设备内。
为完成本次工作任务，所有涉及到硬件都在本工作台设备内选择。
（一）工控机
设备提供一台工控机，比赛所需的软件和驱动均已经提前预装，用于通讯接收的电脑由赛会提供。
（二）视觉硬件
1、相机
相机规格有：
130万和500万像素的彩色、黑白相机共3个，具体参数见附录一。
依据被测件的实际大小、测量精度要求选择合适分辨率的相机。
相机有连续拍摄、软件触发和硬件触发模式，依据测试流程要求需要设置相机为触发模式。
2、镜头
镜头型号规格有：
焦距12cm，25cm,35cm的定焦镜头和0.3X的远心镜头，具体参数见附录一。
依据被测件实际尺寸、相机安装的位置配合，在满足工作距离，视野，分辨率等要求下选择适合的镜头。
3、光源
光源型号规格有：
背光，环形光（三个环形可以组合成AOI光源），同轴光等光源，具体参数见附录一。
依据拼接、测量和二维码读取要求分别选择最合适的光源，选择标准是可满足拼接、测量精度要求，也可满足二维码识别读取的要求。
依据拼接、检测的需要，在安装方式和安装空间位置允许的情况下可以多个光源同时组使用。
4、标定板
依据相机工作距离和视野选择合适尺寸的标定板，具体参数见附录一；
依据检测需求选择标定方式，选择标定板；
为满足检测要滶，可能需要选择多种标定方式和标定板组合使用，完成系统的标定要求。
（三）线缆
相机线缆：
分别有数据线、电源线和信号控制线是同一根线；
光源线缆、触发线；（RS232通讯线默认已经与PC连接）；
网络通讯线缆；
注意：
各类型线缆在设备上都有专用的接口，需要提前分配好对应的物理接口。
（四）运动控制硬件
PLC：
控制运动平台运动，并可指定I/O输出点位，完成相机触发拍照光源频闪；
运动平台，X轴、Y轴、Z轴、θ轴。
（注意：
本任务所需的旋转轴θ是扩展轴，初始状态放在下层的收纳柜中，需要选手按附录六：
旋转轴的安装及接线说明完成平台的搭建）
二、软件功能及编程说明
在视觉编程软件中，请参赛选手采用图形化编程软件，需要学员根据检测要求完成软件流程的设计。
图形化编程首先需要根据需求完成成工具的选择，基本的流程如下图所示，注意为了主程序的流程相对简洁，下图的3、4、5工具均是采用工具组模式，里面包含了多个工具。
如果打包工具组参考软件使用手册。
主要的工具列表：
编程方式
图形化界面编程/代码编程
软件特点
支持多用户模式、工具组
软件功能
有无/正反检测、颜色/位置判断、定位、2D尺寸测量、ID识别、字符识别
定位功能
模式匹配、特征匹配、圆查找、Blob、卡尺工具、边缘查找、边缘交点等
测量工具
点线测量、线圆测量、线线测量、圆拟合、直线拟合、像素统计、直方图工具、组合工具等
标定工具
点阵标定、N点标定、棋盘标定等
对位工具
支持单相机及多相机对位，支持XYθ、XYY、UVW、SCARA等多种平台类型
图像处理工具
转灰度图、图形计算、通道分离、颜色提取、颜色分离、图像融合、图像预处理、形态学、阈值化等
逻辑工具
条件检测、格式化、字符比较、点集、耗时统计等
识别工具
OCR、条码识别、二维码识别等
通讯方式
支持Modbus、TCP/IP、RS232/485、4G/5G模块等
三、标定说明及运动位置校准
标定板
选择合适的标定工具，使用N点标定方式，对相机进行标定，把图像坐标转成设备坐标系统，并得出像素当量；
选择合适的手眼标定工具，统一设备坐标系统与相机坐标系统。
四、竞赛任务------七巧板创意拼图
本次竞赛完成七巧板的创意拼图，七巧板及料盘数量1套，规格：
彩色，大小：
8cmx8cm；平台料盘分为两个区域分别为检测区和拼图区，料盘总尺寸长:
15cm，宽：
18cm，具体如下图：
（一）检测任务
七巧板初始位置由参赛选手随意放置在检测区；检测区七巧板的放置规则：
位置随机不重叠，不超出检测区域范围。
检测任务为：
1.识别七巧板每个板块的形状、位置及颜色；并记载形状、位置及颜色信息。
2.测量七巧板每个板块的边长。
并记载每块七巧板的边长信息。
（二）创意拼图
编写视觉和运动控制程序，控制运动吸嘴将七巧板从检测区吸起，按照指图案放置到拼图区；要求分8次将检测区七巧板按下图要求拼出8种不同的图案，并自动计算所拼图案的周长。
1.检测区七巧板的放置规则：
位置随机不重叠不超出检测区域范围；
2.按照规定流程在拼图区依次摆出8种图案，具体如下：
五、竞赛任务流程步骤参考
（一）主要步骤
1、硬件选型安装接线
相机、镜头、光源安装位置合适，安装稳固；镜尖对焦环，光圈环顶丝锁紧不松动，无错装漏装现象；
走线正确规范、整洁、牢固；物理接口选择正确。
输出选型计算报告，绘制系统原理图和接线图，记录参数设置、安装结果。
2、视觉软件的PLC控制工具运行测试
控制X,Y.Z轴移动料盘，设置合适的检测区拍照位置；
控制X,Y.Z轴移动料盘，试教摆放区七巧板摆放位置，试教位置与七巧板的摆放图案相关，可能需要试教多个位置；
输出I/O电信号正常。
3、光源控制工具运行测试
连接光源控制器正常，能控制多个光源亮灭；
能设置各个光源不同的亮度值；
配合PLC工具，实现光源频闪功能正常。
4、相机工具运行测试
测试相机能正常连接，配合PLC工具切换软件触、外部I/O触发模式能正常采集图像；
图像对焦清晰（七巧板边缘清晰，正面颜色清晰可见），视野大小合适；
与光源控制工具配置，设置合适的相机参数（包括曝光，增益等参数）。
5、相机标定工具运行测试
把标定板放置到合适位置，设置合适的标定参数，完成相机标定；
保存标定数据结果到配置文件；
正确移动及摆放标定板，完成手眼标定过程，保存标定数据到配置文件。
6、模板匹配工具运行测试
设置合适的参数创建模板并保存模板；
设置合适的参数查找模板。
7、测量类工具运行测试
设置找线工具参数并正确找到直线；
设置线交点工具参数并正确计算两点距离；
设置距离工具参数并正确计算两点距离。
8、七巧板外形检测工具运行测试
设置七巧外形板检测工具参数，配置8种七巧放图案摆放配置；
识别七巧板的形状及位置。
9、颜色检测工具运行测试
设置颜色检测工具参数，识别七巧板的颜色，并区分同形状不同颜色的板块。
10、数据处理类运行测试
设置数据表格工具参数，并生七巧板边长测量报表；
保存边长测量报表文件到：
D:
\场次号-工位号\七巧板边长数据.csv。
11、界面布局及数据显示
界面主窗口显示当前相机采集图像；
测量标记标线和结果显示到图像上；
测试数据在界面左侧显示。
（二）视觉程序主要流程说明
1、编写视觉程序流程前主要准备工作
相机镜头已安装调试完成，相机可在外触发模式下正常采集到图像，工作距离合理、相机视野合适可覆盖检测区内的七巧板；图像清晰，曝光设置合理；
组合光源安装调试完成，光源开关，亮度可调；
X,Y,Z各轴可正常控制，速度合理，拍照检测区位置试教合理；
相机标定，手眼标定已完成。
2、图案摆放流程
在主要准备工作完成后，开始七巧板的摆入流程，主要流程如下：
1），人工把七巧放置到检测区，七巧板各板块的位置随机、不重叠，每个小板块不超出检测区的视野范围；
2）调用1号图案配置；
3）移动平台到检测区拍照位置；
4）PLC发送拍照信号，触发上光源点亮，同时触发相机拍照；
5）识别检测区内随机摆放的七巧板各板块颜色及对应位置；
6）背光源点亮，相机拍照、背光源关闭；
7）识别检测区内七巧板各板块的精确位置和边缘信息；
8）计算各板块的边长，显示测量结果，并生成数据报表；
9）依据1号图案配置，生成图安摆放所需要的坐标位置；
10）控制运动机构，依坐标位置开始摆放图案；
11）摆放完成，重复第1步开始下一个图案的摆放。
六、附件
附录一、视觉硬件及参数列表
工业相机
类别
暂命名
分辨率
帧率FPS
曝光模式
颜色
芯片大小
接口
2D相机
相机A
1280x960
>90
全局
黑白
1/2”
USB3.0
2D相机
相机B
2500x1944
>10
滚动
黑白
1/2.5”
GigE
2D相机
相机C
2448x2048
>20
全局
彩色
2/3”
GigE
3D相机
3D相机
1920x1080x2
>10
滚动
彩色
2/3”
USB3.0
工业镜头
类别
暂命名
支持分辨率
（优于）
焦距/倍率
最大光圈
工作距离
支持芯片大小
工业镜头
镜头A
500万像素
12mm
F2.0
>100mm
1/1.8”
工业镜头
镜头B
500万像素
25mm
F2.0
>200mm
2/3”
工业镜头
镜头C
500万像素
35mm
F2.0
>200mm
2/3”
远心镜头
远心镜头
500万像素
0.3X
F5.4
110m
2/3”
镜头接圈
0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm、20mm、40mm一组
LED光源
类别
暂命名
主要参数
颜色
备注
环形光源
环形光源A
直射环形，发光面外径80，内径40mm
RGB
三者可以合并成AOI光源
环形光源
环形光源B
45度环形，发光面外径120，内径80mm
G
环形光源
环形光源C
低角度环形，发光面外径160，内径120mm
B
同轴光源
同轴光源
发光面积60x60mm
RGB
背光源
背光源
发光面积169x145mm
W
注：
R=红色、G=绿色、B=蓝色、W=白色
标定板
类别
暂命名
外框尺寸
mm
图案尺寸mm
点间距mm
点直径mm
精度
标定板
标定板A
100x100
80x80
10
5
±0.01mm
标定板
标定板B
50x50
40x40
5
2.5
±0.01mm
标定板
标定板C
25x25
20x20
2.5
1.25
±0.01mm
附录二、相机的接线定义
一、USB3.0相机（注意USB3.0通过USB线供电，不要另外插电源，否则会烧相机）
二、GigE相机
附录三、分辨率及焦距计算公式
简单视觉系统的计算，主要包括视场（FOV）、分辨率（ResolutI/On）、工作距离（WD）和景深（DOF）等。
分辨率我们通常指的是像素分辨率，（默认选用的镜头分辨率高于相机的分辨率）。
因此
分辨率就等于视野FOV/相机的像素数，假如我们FOV尺寸是16mmx12mm，选用的相机是200万像素（1600x1200），那么像素分辨率就是16mm/1600or12mm/1200=0.01mm。
下表分别是我们是的英制的芯片尺寸，
真实的芯片大小和焦距的计算公式。
附录四、光源控制的接线说明
硬件触发：
用户可以通过PLC、相机的输出外部触发信号来控制每一路输出的开关。
需要外部触发功能时需将外部触发信号线连接到“REMO”端子上。
触发信号高电平时打开，低电平时关闭。
软件触发：
用户也可用软件实现触发功能，即使用串口对各输出通道进行控制，使各输出通道按照预先的设置打开或关闭其输出。
REMO端子
引脚号
信号名称
信号定义
1
TR1＋
1通道触发信号＋
2
TR1-
1通道触发信号－
3
TR2＋
2通道触发信号＋
4
TR2-
2通道触发信号－
5
TR3＋
3通道触发信号＋
6
TR3-
3通道触发信号－
7
TR4＋
4通道触发信号＋
8
TR4-
4通道触发信号－
附录五、光源控制器通讯协议
硬件规范
波特率：
9600bps
每帧字节数：
8字节
每帧数据格式
1字节
1字节
1字节
3字节
2字节
特征字
指令字
通道字
数据
异或和校验字
注:
所有通讯字节都采用ASCII码
✧特征字＝$
✧指令字＝1，2，3，4，分别定义为：
1：
打开对应通道电源
2：
关闭对应通道电源
3：
设置对应通道电源参数
4：
读出对应通道电源参数
当指令字为1，2，3时，如控制器接收指令成功，则返回特征字$；如控制器接收指令失败，则返回&。
当指令字为4时，如控制器接收指令成功，则返回对应通道的电源设置参数（返回格式跟发送格式相同）；如控制器接收指令失败，则返回&。
✧通道字＝1，2，3，4。
分别代表4个通道。
✧数据＝0XX（XX为00～FF内的任一数值），对应通道电源的设置参数，高位在前，低位在后。
✧异或和校验字＝除校验字外的字节（包括：
特征字，指令字，通道字和数据）的异或校验和，校验和的高4位ASCII码在前，低4位ASCII码在后。
例：
将第2通道亮度设为56，则以ASCII码向下写“$320381E”
异或校验字运算过程如下：
字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高4位和低4位分别以8421码表示
特征字
$
36
24
00100100
指令字
3
51
33
00110011
通道字
2
50
32
00110010
数据
0
48
30
00110000
3
51
33
00110011
8
562
38
00111000
异或和
00011110
异或校验字
1E
注：
打开对应通道电源、关闭对应通道电源和读出对应通道电源参数3个功能的异或校验字的运算过程中，数据的3个字节的值对异或结果无影响，保证格式为0XX（XX=00～FF内的任一数值）即可。
以下为几组指令数据
关闭2通道：
$220381F
字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
00100100
指令字
2
50
32
00110010
通道字
2
50
32
00110010
数据
0
48
30
00110000
3
51
33
00110011
8
56
38
00111000
异或和
00011111
异或校验字
1f
打开2通道：
$120381C
字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
00100100
指令字
1
49
31
00110001
通道字
2
50
32
00110010
数据
0
48
30
00110000
3
51
33
00110011
8
56
38
00111000
异或和
00011100
异或校验字
1C
读取2通道电源参数：
$4200012
字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
00100100
升级会员 