基于機(jī)器視覺(jué)的光伏電池片位置誤差檢測(cè)系統(tǒng)

姜利

(江蘇省常州技師學(xué)院,江蘇 常州 213032)

0 引言

光伏組件是由單片太陽(yáng)能電池串焊而成的。在自動(dòng)串焊過(guò)程中，電池片的上料受到外界環(huán)境的影響，如電池片在盒中的擺放誤差、氣動(dòng)吸裝頭在吸取電池片時(shí)產(chǎn)生的位移誤差，傳送裝置的安裝誤差等，會(huì)引起焊帶中心線(xiàn)與電池片主柵線(xiàn)之間的位置誤差，從而在焊接時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的露白，因此電池片的位置校正是保證光伏組件串焊質(zhì)量的關(guān)鍵。機(jī)器視覺(jué)具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于太陽(yáng)能電池片的位置誤差和缺陷檢測(cè)。目前很多關(guān)于電池片位置誤差檢測(cè)的算法，多是基于電池片輪廓定位的，存在位置檢測(cè)誤差較大的問(wèn)題[1-2]。例如，霍夫變換能表征電池片位置信息的特征直線(xiàn)，可以在特征直線(xiàn)中檢測(cè)出最長(zhǎng)直線(xiàn)來(lái)確定轉(zhuǎn)角和位置中心，但需計(jì)算該直線(xiàn)上像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，降低了實(shí)時(shí)性，且因擬合直線(xiàn)相互獨(dú)立的問(wèn)題，尤其對(duì)主柵線(xiàn)和外輪廓線(xiàn)等長(zhǎng)的多晶硅電池片就顯得無(wú)能為力[3]。因此，要立足太陽(yáng)能電池片的柵線(xiàn)特征設(shè)計(jì)程序、搭建平臺(tái)，構(gòu)建一種更高精度、更快速的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與硬件選型

為了完成太陽(yáng)能電池片定位誤差檢測(cè)的高速、高精度需求，設(shè)計(jì)的總體方案如下：采用工業(yè)相機(jī)采集電池片的圖像，使用開(kāi)發(fā)周期短、面向?qū)ο蟮腃語(yǔ)言編程進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，控制模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，光源打開(kāi)，相機(jī)獲取圖像傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)存，接著計(jì)算機(jī)通過(guò)視覺(jué)處理算法對(duì)獲取的圖像進(jìn)行邊緣提取等操作，計(jì)算出電池片位置誤差和傾角偏差，并把計(jì)算結(jié)果傳輸至檢測(cè)平臺(tái)以便進(jìn)行位置校正，其視覺(jué)檢測(cè)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電池片視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，該檢測(cè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)平臺(tái)、圖像采集模塊、圖像處理模塊等。其中，檢測(cè)平臺(tái)是電池片的放置區(qū)域，是整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的圖像采集區(qū)域，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果完成電池片的位置糾正。圖像采集模塊主要包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源，負(fù)責(zé)相機(jī)、光源的初始化以及相機(jī)幀率、相機(jī)曝光值、相機(jī)觸發(fā)模式等參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)相機(jī)SDK函數(shù)獲取圖像后，導(dǎo)入圖像處理模塊，并建立高效的圖像存取機(jī)制，減少不必要的內(nèi)存占用，提高軟件效率。圖像處理模塊是視覺(jué)系統(tǒng)的核心，集中了檢測(cè)系統(tǒng)最重要的功能視覺(jué)測(cè)量與定位偏差計(jì)算，包含對(duì)原始圖像的閾值分割、輪廓提取、邊界跟蹤、柵線(xiàn)擬合等檢測(cè)算法，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電池串外形尺寸及尺寸偏差等特征參數(shù)的檢測(cè)。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案可知，鏡頭是光伏電池片位置誤差檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，主要負(fù)責(zé)太陽(yáng)能電池片的圖像采集任務(wù)。

1.1 鏡頭的選用

鏡頭的主要功能就是實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)制，在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，鏡頭就是用來(lái)把目標(biāo)成像在圖像傳感器的光敏元件上。鏡頭的選取以及安裝是否合適直接影響到機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的性能。它與工業(yè)相機(jī)匹配共同完成物體的成像工作，因此鏡頭的選擇除了和鏡頭本身的焦距、視場(chǎng)、工作距離、景深有關(guān)之外，還要考慮到與工業(yè)相機(jī)的接口以及規(guī)格的匹配問(wèn)題[4]。

鏡頭的焦距是鏡頭選型中的關(guān)鍵參數(shù)，焦距表示光學(xué)系統(tǒng)匯聚或者發(fā)散光線(xiàn)的能力，通常焦距小的鏡頭，視角比較寬，景深較大[5]。按照薄透鏡的基本成像原理，鏡頭的焦距與物體的大小、成像大小以及工作距離定義的關(guān)系，可用公式f=L×w/W來(lái)表示。式中f表示鏡頭的焦距；L表示鏡頭的工作距離；w表示物體的成像寬度；W表示視場(chǎng)的寬度。由工業(yè)相機(jī)的選型可知，攝像機(jī)的成像尺寸約為5.8mm×4.3mm，視場(chǎng)的寬度約為180mm，則根據(jù)公式在工作距離為300mm時(shí)焦距為9.66mm。

綜上計(jì)算與分析，選擇日本Computar定焦鏡頭MP2系列的M1214-MP2(圖2)，該鏡頭的焦距為12mm，具有手動(dòng)光圈以及光圈和焦點(diǎn)鎖定螺母；靶面為1.7cm(2/3英寸)，在整個(gè)屏幕內(nèi)都具有較高的對(duì)比度和清晰度；采用C接口連接，滿(mǎn)足已選工業(yè)相機(jī)的要求。

圖2 M1214-MP2鏡頭

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

為了檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圖像算法實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。主體采用工業(yè)鋁型材，通過(guò)與型材溝槽相匹配的型材滑塊可實(shí)現(xiàn)相機(jī)鏡頭、條形LED光源的位置調(diào)整，光源角度調(diào)整機(jī)構(gòu)可以改變打光角度，待調(diào)整完畢后通過(guò)螺母將其鎖緊。利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池片進(jìn)行圖像測(cè)量、位置誤差計(jì)算等實(shí)驗(yàn)。

圖3 電池片視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電池片位置誤差視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括圖像采集模塊和圖像處理模塊，其中電池片圖像處理模塊完成電池片外形尺寸、位置偏差的計(jì)算。圖像采集模塊采用工業(yè)相機(jī)自帶的視覺(jué)圖像采集軟件實(shí)現(xiàn)電池片圖像的獲取，工業(yè)相機(jī)與計(jì)算機(jī)的接口為GigE，用網(wǎng)線(xiàn)直接將工業(yè)相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接在一起。圖像處理模塊是視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)軟件的核心部分，主要包括閾值分割、特征提取、邊界跟蹤、直線(xiàn)擬合與位置誤差計(jì)算等。太陽(yáng)能電池片的主柵線(xiàn)是電池片串焊接的位置，其位置偏差的檢測(cè)直接影響到焊接的質(zhì)量。因此使用邊緣及主柵線(xiàn)平均對(duì)位的定位方法，對(duì)電池片進(jìn)行位置誤差計(jì)算是最優(yōu)選擇。基于邊緣及主柵線(xiàn)平均對(duì)位算法的主要思想是將電池片的邊緣輪廓以及左、右兩條主柵線(xiàn)的輪廓分別存放在3個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組中，然后將這些點(diǎn)劃分到各個(gè)邊上，再使用最小二乘法對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行擬合，以保證主柵線(xiàn)對(duì)應(yīng)的4條直線(xiàn)相互平行，并與電池片的上、下兩邊垂直；最后利用這6條直線(xiàn)方程求出它們的交點(diǎn)坐標(biāo)，則交點(diǎn)坐標(biāo)的平均值就是要求的電池片中心位置，利用主柵線(xiàn)所對(duì)應(yīng)4條直線(xiàn)的斜率可以確定電池片的偏角，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 電池片位置誤差檢測(cè)流程圖

3 基于電池片邊緣和主柵線(xiàn)平均定位的位置誤差檢測(cè)

3.1 圖像預(yù)處理

對(duì)原始圖像(m，n)進(jìn)行濾波處理并選用最小誤差法進(jìn)行閾值分割，然后在Roberts算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，最后通過(guò)輪廓跟蹤的算法獲取了電池片的邊緣輪廓點(diǎn)集Ωw以及左、右兩條主柵線(xiàn)的輪廓分別記為點(diǎn)集Ωs1、Ωs2。

3.2 粗定位

根據(jù)Ωw、Ωs1、Ωs2點(diǎn)集內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)平均值初步計(jì)算電池片中心點(diǎn)坐標(biāo)P(xp，yp)，掃描點(diǎn)集Ωs1、Ωs2找出距離P點(diǎn)最近的點(diǎn)記為F。根據(jù)P、F兩點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出直線(xiàn)PF的方程；再次掃描點(diǎn)集Ωs1、Ωs2，找出距離直線(xiàn)PF最近的4個(gè)點(diǎn)，設(shè)定為E(xE，yE)、F(xF，yF)、G(xG，yG)、H(xH，yH)；由于主柵線(xiàn)對(duì)應(yīng)的4條直線(xiàn)L1、L2、L3、L4與直線(xiàn)PF垂直。因此可以根據(jù)直線(xiàn)PF的斜率以及點(diǎn)E、F、G、H的坐標(biāo)分別計(jì)算出這4條直線(xiàn)L1、L2、L3、L4的方程，如圖5所示。

圖5 粗定位示意圖

3.3 點(diǎn)集收集

根據(jù)直線(xiàn)L1、L2、L3、L4的直線(xiàn)方程提取屬于每條邊的子點(diǎn)集，設(shè)定距離閾值D，計(jì)算點(diǎn)集Ωs1、Ωs2中每個(gè)點(diǎn)到這4條直線(xiàn)的距離d；如果d

3.4 直線(xiàn)擬合

對(duì)上步獲取的點(diǎn)集Ωi(i=1，2，3，4，6，8)，采用推廣的矩形最小二乘法進(jìn)行邊緣擬合[6]。根據(jù)矩形相鄰兩邊斜率為互倒數(shù)、對(duì)邊斜率相等的關(guān)系設(shè)擬合方程為

4 算法實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

利用以上的算法，在MFC軟件平臺(tái)上設(shè)定了平行線(xiàn)以及矩形綜合擬合檢測(cè)功能按鈕，并用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。該算法的擬合直線(xiàn)如圖6所示，位置檢測(cè)偏差x=-25.03、y=-16.69，傾角偏差θ=0.39，檢測(cè)算法的總耗時(shí)為47ms。

圖6 電池片位置誤差檢測(cè)界面

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)圖像預(yù)處理、粗定位、邊緣分割、精定位等步驟，利用基于電池片邊緣和主柵線(xiàn)平均定位的位置誤差檢測(cè)算法對(duì)太陽(yáng)能電池片進(jìn)行了定位誤差的分析與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用推廣的最小二乘法實(shí)現(xiàn)矩形擬合，保證了電池片柵線(xiàn)之間平行與上、下輪廓線(xiàn)垂直的特性，更精確地表達(dá)了電池片的位置誤差；該算法不但精度高，而且實(shí)時(shí)性較好，能夠很好地滿(mǎn)足電池片串焊機(jī)高速、高精度的要求。