第七届江苏技能状元大赛工业视觉项目技术文件

第七届江苏技能状元大赛“工业视觉系统运维”项目技术文件2024年1月目录一、 本项目技术描述………1二、 选手应具备的能力……2三、 竞赛内容………………3四、 评分标准及流程………15五、 场地及设施设备………16六、 赛事纪律………………19七、 赛事安全………………19八、 绿色环保………………19九、 备注……………………20一、本项目技术描述及硬件介绍竞赛项目面向机器视觉设备的装调、测试与开发。竞赛平台是基于国产图像处理软件的三坐标视觉系统，该平台能够解决视觉系统的选型与搭建、数据通讯、图像处理算法流程编写、XYZR四轴移动平台控制、图像处理与运动控制综合应用等应用场景。竞赛平台全面考核选手视觉器件选型、组装调试、通讯协议配置、图像处理、图像标定与坐标转换、图像处理与运动控制等综合应用技能。本项目以《工业视觉系统运维员》国家职业标准为依据，结合省工业视觉行业标准等要求，制定竞赛内容、评分标准及流程。本项目为单人赛，仅设置“操作技能考核”科目，比赛总时长为180分钟。（一）参赛设备如下图所示：图1设备工位图（二）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。完成竞赛工作任务书所需的全部硬件，都包含在工作台所提供设备内，选手要使用的全部器件，只能在本工作台提供的设备内选择。工控机设备中工控机已经提前预装比赛所需的软件与驱动，且机器视觉软件加密狗已插入电脑USB。（二）视觉硬件1.相机可选择相机共2个，编号分别为相机A，相机B，具体参数见附录一。2.镜头可选择的镜头共2个，编号分别为：12mm、6mm焦距的定焦镜头，具体参数见附录一。3.光源可选择光源共1个，白色环形光源。具体参数见附录一。4.标定板标定板图案为黑白相间正方形棋盘格，具体参数见附录一；实验工件实验工件共有6个，4个边长40mm方形工件和2个直径40mm圆形工件，具体参数见附录一；二、选手应具备的能力（一）应熟悉的理论知识（1）识图能力；（2）工艺制订能力；（3）数字化设计与编程能力；（4）四轴平台的基本接线与调试能力；（5）总线通信技术和工业网络应用能力；（6）视觉系统与运动平台通讯技能；（7）工业视觉相机的参数设置及应用能力；（8）物料轮廓、颜色、尺寸、有无等常见特征的工业相机检测能力；（9）工业相机编程技能；（10）工业相机基础算法开发技能；（11）安全防护能力；（12）安全文明生产与环境保护知识。(二)应掌握的实操技能（1）能进行相机镜头选型，并完成相机安装与网线连接，镜头安装；（2）能进行相机通讯与电源线接入；完成相机IP地址设置；完成电脑IP地址设置；（3）能进行镜头光圈和焦距调节，完成光源亮度调节；（4）能进行完成相机软触发模式设置，触摸屏完成光源频闪模式设置；（5）能进行相机在机器视觉软件中的参数配置；（6）能进行机器视觉软件与三坐标控制器的ModbusRTU通讯配置；（7）能进行轴X、Y、Z、R控制；（8）能进行形状、图形、二维码、条形码、颜色、字符的识别；（9）能进行图像标定与坐标转换；（10）能进行图像处理与运动控制综合应用。三、竞赛内容（一）考核模块本项目分为五个考核模块：视觉器件选型组装与参数调试、通讯协议配置与运动机构控制、图像处理一般方法、图像标定与坐标转换、图像处理与运动控制综合应用。竞赛总用时为3小时。表3-1竞赛模块任务分配表1任务1：视觉器件选型、组装与参数调试202任务2：通讯协议配置与运动机构控制153任务3：图像处理一般方法204任务4：图像标定与坐标转换155任务5：图像处理与运动控制综合应用256职业素养与安全意识5合计100

任务1：视觉器件选型、组装与参数调试根据任务书要求，完成视觉系统硬件选型（相机和镜头选型，并计算物距及视野范围）、视觉系统硬件安装（相机和镜头以及光源安装）、视觉系统参数设置（相机IP设置，镜头焦距调节，光源亮度调节），并在竞赛平台上完成以上所有设备的安装部署、供电和网络连接、参数配置和功能调试。(1）阅读技术文件；(2）视觉系统选型与安装；(3）完成相机通讯与电源线接入；完成相机IP地址设置；完成电脑IP地址设置；相机与电脑连接；(4）完成镜头光圈和焦距调节，完成光源亮度调节；(5）完成相机软触发模式设置，触摸屏完成光源频闪模式设置，通过相机软触发，相机能拍照同时触发光源频闪。(6）完成相机在机器视觉软件中的参数配置；任务2：通讯协议配置与运动机构控制根据任务书要求按照规定的通讯协议将机器视觉软件与三坐标控制系统进行ModbusRTU通讯。完成对X，Y，Z，R的移动控制，完成对气泵控制。(1）阅读技术文件；(2）完成机器视觉软件与三坐标控制器的ModbusRTU通讯配置；(3）完成轴X、Y、Z、R控制，完成气泵开关与回零点控制；(4）完成边长200mm的正方形轨迹示教运功。任务3：图像处理一般方法根据任务书要求，完成机器视觉图像处理相关算子的使用和算法流程的实现，基于图像处理算法能对一般常用的图像进行处理，其中包括颜色识别、目标定位、条形码识别、二维码识别、OCR字符识别、缺陷检测、模板匹配、矩形查询、圆查找等常规图像处理方法。(1）阅读技术文件；(2）形状、颜色识别；(3）二维码、条形码识别(4）字符识别。(5）水果图案识别。任务4：图像标定与坐标转换根据任务书要求，完成图像坐标系与三坐标世界坐标系的标定，标定方法可以采用九点标定、六点标定或者四点标定，通过触摸屏或者通讯控制三坐标移动到图像像素点，完成世界坐标与图像坐标的参数映射。(1）阅读技术文件；(2）选择九点标定或六点标定或四点标定；任务5：图像处理与运动控制综合应用根据任务书要求，基于任务一到任务四中的功能模块，完成三坐标运功控制与图像处理综合应用。(1）阅读技术文件；(2）无序抓取与颜色形状分类；(3）无序抓取与QR码识别；(4）无序抓取与方块码垛；(5）无序抓取与OCR字符排序。（二）命题模式本项目属于赛前需对试题保密的项目。技术规则和技术文件公布后，专家组组织相关人员通过公开平台对命题思路、关键考核要点、设施设备等关键技术问题进行讨论，并对提出的意见建议及时解答。依据技术思路，结合竞赛时间及场地、设施设备等情况编制样题，并与技术工作文件一并公布。专家组在大赛组委会领导下，按照保密工作要求，参照竞赛技术规则和技术文件命制试题。（三）竞赛样题样题：工业视觉系统运维

第七届江苏技能状元大赛工业视觉系统运维赛项（样题）二〇二四年一月

一、竞赛注意事项1.本次比赛采用线上与线下相结合的方式进行，资料管理、现场管理有可能采用远程交互模式，具体以最终赛题要求为准。2.比赛时间180分钟。比赛开始90分钟后，选手可以弃赛，但不可提前离开赛位场地，需要在赛位指定位置，与比赛设备隔离。3.比赛共包括5个任务，总分100分，见表1。表1：任务配分表1任务1：视觉器件选型、组装与参数调试202任务2：通讯协议配置与运动机构控制153任务3：图像处理一般方法204任务4：图像标定与坐标转换155任务5：图像处理与运动控制综合应用256职业素养与安全意识5合计1004.除表中有说明外，限制各任务评判顺序、不限制任务中各项的先后顺序，选手在实际比赛过程中要根据赛题情况进行操作，所有评判必须在选手示意后或考核结束后评判。5.请务必阅读各任务的重要提示。6.比赛过程中，若发生危及设备或人身安全事故，立即停止比赛，将取消其参赛资格。7.比赛所需要的资料及软件都以电子版的形式保存在工位计算机里指定位置“D:\比赛参考资料”。8.选手对比赛过程中需裁判确认部分，应当先举手示意，等待裁判进行确认。9.参赛选手在竞赛过程中，不得携带及使用U盘，如发现使用U盘，以作弊处理。10.选手在竞赛过程中应该遵守相关的规章制度和安全守则，如有违反，则按照相关规定在竞赛的总成绩中扣除相应分值。11.选手在比赛开始前，认真对照工具清单检查工位设备，并确认后开始比赛；选手完成任务后的检具、仪表和部件，现场需统一收回再提供给其他选手使用。在完成任务过程中，请及时保存程序及数据，未能及时保存程序及数据，由于断电等意外情况造成的程序及数据丢失的责任将由选手自负。12.赛题中要求的备份、保存、上传文件，需选手保存在计算机指定文件夹“D:\程序备份\赛位号”中，赛位号为比赛场次+设备号例如第四场第五试验台就是0405。赛题中所要求备份的文件请备份到对应到文件夹下，即使选手没有任何备份文件也要求建立文件夹。13.需要裁判验收的各项任务，任务完成后裁判只验收1次，请根据赛题说明，确认完成后再提请裁判验收。14.选手严禁携带任何通讯、存储设备及技术资料，如有发现将取消其竞赛资格。选手如发生擅自离开本参赛队赛位、与其他赛位的选手交流、在赛场大声喧哗等严重影响赛场秩序的行为，将取消其参赛资格。15.选手必须认真填写各类文档，竞赛完成后所有文档按页码顺序一并上交。16.选手必须及时保存自己编写的程序及材料，防止意外断电及其它情况造成程序或资料的丢失。17.赛场提供的任何物品，不得带离赛场。二、竞赛项目任务书为贯彻落实党的十九大精神，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，按照“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局，认真落实习近平对职业教育工作作出的重要指示，为了加快构建现代职业教育体系，培养更多高素质技术技能人才、能工巧匠、大国工匠，工业视觉系统运维平台拟以信息技术与制造技术深度融合为主线，推动新一代人工智能技术的产业化与集成应用，加快构建技工院校新一代工业视觉领域人才培养体系和创新体系，提升技工院校工业视觉系统运维员的人才培养、社会服务、应用研究、创新创业的能力。工业视觉系统运维平台将机器视觉的模式识别、视觉定位、尺寸测量和外观检测四大类功能，与四轴运动平台、运动控制、视觉识别等多种技术融合，面向非标自动化设备行业、标准设备制造行业、半导体及电子制造行业、3C电子集成行业、汽车制造行业、包装印刷行业、医药制造行业、纺织制造行业、食品加工行业及相关行业，培养从事机器视觉系统的安装、调试、编程、维护等工作岗位急需的高素质技术技能人才。通过赛项进一步推动和深化“岗课赛证”综合育人的改革，提高技工院校学生对机器视觉系统的集成应用能力，推动技工院校视觉专业人才在培养目标、课程体系、教学条件、考核评价、师资队伍建设上的改革。以工业视觉系统运维平台作为竞赛平台，参赛选手首先按视觉系统应用场景和任务书要求，完成相机、镜头的选型，并按视野和工作距离的要求合理安装；根据检测内容选择合理的光源系统并安装，根据应用需求对光源进行频闪、亮度或颜色的调节控制；在完成硬件选择、安装、接线和参数设置之后，依次完成针对工作面的相机标定和与运动平台关联的手眼标定工作；根据任务书及被检测试品的要求，完成外形、颜色、二维码等综合应用的编程，以及与执行机构配合完成多区域检测、装配、分拣等综合任务；最后调用机器视觉图像处理算法库，完成图像处理与运动控制综合应用。参赛选手在规定时间内，以现场操作的方式，根据赛场提供的有关资料和赛项任务书，完成赛项任务，具体的竞赛内容和成绩占比如下：

任务1：视觉器件选型、组装与参数调试（20%）根据任务书要求，完成视觉系统硬件选型（相机和镜头选型，并计算物距及视野范围）、视觉系统硬件安装（相机和镜头以及光源安装）、视觉系统参数设置（相机IP设置，镜头焦距调节，光源亮度调节），并在竞赛平台上完成以上所有设备的安装部署、供电和网络连接、参数配置和功能调试。选型说明：视觉选型是选择合适的相机和镜头，根据附录一中的相机和镜头的参数计算物距与所要拍摄的视野大小，并将选型计算公式推导填写在附录3选型报告中。相机镜头工作方式如图所示：图2相机工作示意图我们可以把左图相机，镜头，视野和物距的关系简化为右图所示，近似看成相似三角形关系，可以得出以下计算方法：芯片大小/视野大小=焦距/工作距离当确定了具体场景所需要拍摄的视野大小后，就可以计算相机的物距。例如实验需要同时拍摄4个实验工件：每个实验工件的边长是40mm,为保证每个工件都在视野范围内，故需要的视野大小为120*120mm左右，根据这个条件确定视野大小后就可以计算相机工作距离。

任务2：通讯协议配置与运动机构控制（15%）根据任务书要求按照规定的通讯协议将机器视觉软件与三坐标控制系统进行ModbusRTU通讯。完成对X，Y，Z，R的移动控制，完成对气泵控制，完成对轴回原点控制等。三坐标平台控制器是基于STM32单片机开发，由控制器给XYZR轴的步进电机驱动器发PWM信号控制步进电机正反转以及速度。控制器底层控制协议已经封装好，使用机器视觉软件或者其它软件控制三坐标，只需要通过ModbusRTU通讯访问控制器的寄存器地址即可。控制器的寄存器地址定义见附录二。三坐标每个轴上有两个限位开关，限位开关的作用是用于限制轴移动的范围，叫上限位与下限位，可以设置上限位或者下限位为零点，默认上限位为XYZ的零点位置。XYZ轴的标准行程为300*300*200mm,旋转R轴角度为±360°。由于机械安装误差以及限位光电的安装位置些许差异，实际行程可能比标准行程短，但对实际使用没有任何影响。三坐标各个轴控制上电应进行初始化，初始化过程是各个轴进行回零操作，同时关闭气泵开关。初始化完成后，三坐标就可以通过绝对位置控制，完成实验功能。例如：控制三坐标走边长为200mm正方形轨迹，通过通讯首先将三坐标各轴进行回零，然后控制X轴走（200，0）位置，再控制Y轴走到（200，200），再控制X轴走到（0，200），在控制Y轴走到（0,0）即可完成轨迹。图3轨迹示教任务3：图像处理一般方法（20%）根据任务书要求，完成机器视觉图像处理相关算子的使用和算法流程的实现，基于图像处理算法能对一般常用的图像进行处理，其中包括颜色识别、目标定位、条形码识别、二维码识别、OCR字符识别、缺陷检测、模板匹配、矩形查询、圆查找等常规图像处理方法。通过使用机器视觉软件中的图像处理算子完成比赛工件的识别，比赛工件有4个正方形工件，2个圆形工件，正方形工件的各个面贴有不同类型实验的标签，根据不同的任务挑选对应的标签进行相机采图和图像处理，并将处理结果输出显示。图4工件式样将图像处理的结果进行打印显示：图5图像处理结果显示

任务4：图像标定与坐标转换（15%）根据任务书要求，完成图像坐标系与三坐标世界坐标系的标定，标定方法可以采用九点标定、六点标定或者四点标定，通过触摸屏或者通讯控制三坐标移动到图像像素点，完成世界坐标与图像坐标的参数映射。手眼标定是视觉定位抓取的关键，标定的准确度会直接影响抓取的准确性，选取合适的标定方法和正确操作是标定的关键。标定板采用的是棋盘格标定板，每个棋盘格的边长是10mm，如下图所示。图6棋盘格标定板

任务5：图像处理与运动控制综合应用（25%）根据任务书要求，基于任务一到任务四中的功能模块，完成三坐标运功控制与图像处理综合应用。包括颜色分类与形状处理、QR码识别无序抓取、码垛、OCR字符识别。通过将三坐标控制与图像处理进行结合完成自动化的视觉任务。其一般流程如下。图7无序抓取与颜色识别分类流程图例如：颜色分类，首先需要将4个正方形工件无序摆放到工件台，通过移动相机拍照处理抓取，将同种颜色的工件摆放一起，实现颜色分类。完成一个工件之后继续下一个工件的抓取，直至完成4个工件的抓取分类。在处理流程操作过程中，是选择拍照一次识别所有工件坐标后依次抓取，或者是抓取完一个工件，再移动到拍照位置重新拍照抓取，两种方式自由选择，能完成比赛任务即可。

其他：职业素养与安全意识（5%）比赛全程注重安全与文明，穿戴整齐、规范，操作标准、规范、合理，尊重裁判、专家。四、评分标准及流程本项目评分标准分为结果评分（客观）。打分方式：按模块设置若干个评分组，每组由3名及以上裁判构成。每个组所有裁判一起商议，在对该选手在该项中的实际得分达成一致后最终只给出一个分值。评分准则样例表：序号考核点评分标准配分得分1通讯参数配置配置VM软件与三坐标控制系统的ModbusRTU通讯协议。2X轴控制完成X轴绝对位置控制，能在VM软件中控制X轴移动。3Y轴控制完成Y轴绝对位置控制，能在VM软件中控制Y轴移动。4Z轴控制完成Z轴绝对位置控制，能在VM软件中控制Z轴移动。5R轴控制完成R轴绝对位置控制，能在VM软件中控制R轴移动。6回零点在VM软件中完成XYZ轴回零控制。7气泵控制在VM软件中完成气泵开关控制。8轨迹示教在VM软件中完成边长为200mm的“回”字轨迹移动。合计本项目评分流程参考世界技能大赛的评分方法进行。各专家裁判分为不同的组别，每组不少于3人，由裁判长指定组长，分别对各模块进行评分。各评分小组负责所有选手同一指标的现场评分，并签字确认评分结果，如有现场演示部分，则需要选手现场签字与裁判共同确认结果。

五、场地及设施设备（一）场地1、竞赛场地光线充足，照明良好；供电供水设施正常且安全有保障；场地整洁；每个赛位占地不小于12平米（4m×3m），场地净高不低于3m，且标明赛位号，机械传动装配每个竞赛赛位提供220V交流电源，每个赛位提供独立的电源保护装置和安全保护措施。2、竞赛场地设置隔离带，非裁判员、参赛选手、工作人员不得进入比赛场地；竞赛场地划分为检录区、竞赛操作区、现场服务与技术支持区、休息区、观摩通道等区域，区域之间有明显标志或警示带；标明消防器材、安全通道、洗手间等位置。3、赛场设有保安、公安、消防、医疗、设备维修和电力抢险人员待命，以防突发事件；赛场还应设有生活补给站等公共服务设施，为选手和赛场人员提供服务。4、赛场设置安全通道和警戒线，确保进入赛场的大赛参观、采访、视察的人员限定在安全区域内活动，以保证大赛安全有序进行。（二）设施设备1、竞赛设施设备和工具（1）竞赛设备竞赛场地设备由主办方统一提供，供选手及裁判使用的设备，设备尺寸如下图所示，具体场地设备设施见表4-1。表4-1场地设备设施序号设备、设施名称型号规格单位数量备注1工业视觉系统运维竞赛平台平台结构采用一体化设计四轴运动单元，Z轴可安装视觉系统且末端可旋转，XYZ轴工作范围：≥300×300×200（mm）；旋转R轴角度≥270°配置≥4.3寸嵌入式触摸屏，提供XYZR四轴的虚拟点动按钮，可通过触摸方式对三坐标各轴进行运动控制工业相机：600万像素和500万像素CMOS千兆以太网工业面阵相机工业镜头：固定焦距；手动光圈；焦距：12mm和6mm；接口类型：C-Mount环形LED白色光源国产机器视觉软件内含自主研发算子1500+，集成150+算法工具，具体包括图像采集、视觉定位、视觉测量、视觉识别、视觉标定、视觉对位、图像处理、颜色处理、缺陷检测、逻辑工具、通信等多种类工具模块。软件使用图形化交互界面，可利用拖拽式操作快速搭建视觉方案，可控件式自定义创建运行交互界面，有丰富的硬件支持功能，支持嵌入式二次开发，最高定位精度可达1/16像素机器视觉软件编程方式：采用图形化交互界面，支持采用拖拽式操作搭建视觉方案，满足机器视觉应用领域中定位、测量、识别、检测等需求机器视觉软件端口：支持TCP/IP、ModBus、串口、UDP、Ethernet/IP等常见通信协议，兼容多种操作系统和图像采集硬件设备套10可根据参赛队伍数量调整2组装调试工具卷尺内六角A4纸圆珠笔套12可根据参赛队伍数量调整2.选手自带物品无。六、赛事纪律选手不得在试件上作任何标记。若在比赛开始前发现试件有明显痕迹，可上报裁判员进行处理，严重者可按作弊处理。赛场带入二类夹具、专用或定制刀具和工具，按作弊处理。在完成竞赛任务的过程中，因操作不当导致事故，扣10～20分，情况严重者取消比赛资格。因违规操作损坏赛场提供的设备，污染赛场环境等不符合职业规范的行为，视情节扣5～10分。扰乱赛场秩序，干扰裁判员工作，视情节扣5～10分，情况严重者取消比赛资格。七、赛事安全（一）选手需自备安全鞋、工作服等，进入考核区域前必须将工作服、安全鞋穿戴得当（不穿戴工作服、安全鞋的选手不得进行竞赛）；（二）竞赛期间，选手不得佩戴耳机、手镯、腕表、耳环、戒指等饰品；（三）裁