第七屆江蘇技能狀元大賽“工業視覺系統運維”項目技術文件2024年1月目錄一、 本項目技術描述………1二、 選手應具備的能力……2三、 競賽內容………………3四、 評分標準及流程………15五、 場地及設施設備………16六、 賽事紀律………………19七、 賽事安全………………19八、 綠色環保………………19九、 備注……………………20一、本項目技術描述及硬件介紹競賽項目面向機器視覺設備的裝調、測試與開發。競賽平臺是基于國產圖像處理軟件的三坐標視覺系統，該平臺能夠解決視覺系統的選型與搭建、數據通訊、圖像處理算法流程編寫、XYZR四軸移動平臺控制、圖像處理與運動控制綜合應用等應用場景。競賽平臺全面考核選手視覺器件選型、組裝調試、通訊協議配置、圖像處理、圖像標定與坐標轉換、圖像處理與運動控制等綜合應用技能。本項目以《工業視覺系統運維員》國家職業標準為依據，結合省工業視覺行業標準等要求，制定競賽內容、評分標準及流程。本項目為單人賽，僅設置“操作技能考核”科目，比賽總時長為180分鐘。（一）參賽設備如下圖所示：圖1設備工位圖（二）平臺硬件、軟件組成說明競賽任務平臺的硬軟件說明詳見平臺技術說明書及視覺軟件使用說明。完成競賽工作任務書所需的全部硬件，都包含在工作臺所提供設備內，選手要使用的全部器件，只能在本工作臺提供的設備內選擇。工控機設備中工控機已經提前預裝比賽所需的軟件與驅動，且機器視覺軟件加密狗已插入電腦USB。（二）視覺硬件1.相機可選擇相機共2個，編號分別為相機A，相機B，具體參數見附錄一。2.鏡頭可選擇的鏡頭共2個，編號分別為：12mm、6mm焦距的定焦鏡頭，具體參數見附錄一。3.光源可選擇光源共1個，白色環形光源。具體參數見附錄一。4.標定板標定板圖案為黑白相間正方形棋盤格，具體參數見附錄一；實驗工件實驗工件共有6個，4個邊長40mm方形工件和2個直徑40mm圓形工件，具體參數見附錄一；二、選手應具備的能力（一）應熟悉的理論知識（1）識圖能力；（2）工藝制訂能力；（3）數字化設計與編程能力；（4）四軸平臺的基本接線與調試能力；（5）總線通信技術和工業網絡應用能力；（6）視覺系統與運動平臺通訊技能；（7）工業視覺相機的參數設置及應用能力；（8）物料輪廓、顏色、尺寸、有無等常見特征的工業相機檢測能力；（9）工業相機編程技能；（10）工業相機基礎算法開發技能；（11）安全防護能力；（12）安全文明生產與環境保護知識。(二)應掌握的實操技能（1）能進行相機鏡頭選型，并完成相機安裝與網線連接，鏡頭安裝；（2）能進行相機通訊與電源線接入；完成相機IP地址設置；完成電腦IP地址設置；（3）能進行鏡頭光圈和焦距調節，完成光源亮度調節；（4）能進行完成相機軟觸發模式設置，觸摸屏完成光源頻閃模式設置；（5）能進行相機在機器視覺軟件中的參數配置；（6）能進行機器視覺軟件與三坐標控制器的ModbusRTU通訊配置；（7）能進行軸X、Y、Z、R控制；（8）能進行形狀、圖形、二維碼、條形碼、顏色、字符的識別；（9）能進行圖像標定與坐標轉換；（10）能進行圖像處理與運動控制綜合應用。三、競賽內容（一）考核模塊本項目分為五個考核模塊：視覺器件選型組裝與參數調試、通訊協議配置與運動機構控制、圖像處理一般方法、圖像標定與坐標轉換、圖像處理與運動控制綜合應用。競賽總用時為3小時。表3-1競賽模塊任務分配表1任務1：視覺器件選型、組裝與參數調試202任務2：通訊協議配置與運動機構控制153任務3：圖像處理一般方法204任務4：圖像標定與坐標轉換155任務5：圖像處理與運動控制綜合應用256職業素養與安全意識5合計100

任務1：視覺器件選型、組裝與參數調試根據任務書要求，完成視覺系統硬件選型（相機和鏡頭選型，并計算物距及視野范圍）、視覺系統硬件安裝（相機和鏡頭以及光源安裝）、視覺系統參數設置（相機IP設置，鏡頭焦距調節，光源亮度調節），并在競賽平臺上完成以上所有設備的安裝部署、供電和網絡連接、參數配置和功能調試。(1）閱讀技術文件；(2）視覺系統選型與安裝；(3）完成相機通訊與電源線接入；完成相機IP地址設置；完成電腦IP地址設置；相機與電腦連接；(4）完成鏡頭光圈和焦距調節，完成光源亮度調節；(5）完成相機軟觸發模式設置，觸摸屏完成光源頻閃模式設置，通過相機軟觸發，相機能拍照同時觸發光源頻閃。(6）完成相機在機器視覺軟件中的參數配置；任務2：通訊協議配置與運動機構控制根據任務書要求按照規定的通訊協議將機器視覺軟件與三坐標控制系統進行ModbusRTU通訊。完成對X，Y，Z，R的移動控制，完成對氣泵控制。(1）閱讀技術文件；(2）完成機器視覺軟件與三坐標控制器的ModbusRTU通訊配置；(3）完成軸X、Y、Z、R控制，完成氣泵開關與回零點控制；(4）完成邊長200mm的正方形軌跡示教運功。任務3：圖像處理一般方法根據任務書要求，完成機器視覺圖像處理相關算子的使用和算法流程的實現，基于圖像處理算法能對一般常用的圖像進行處理，其中包括顏色識別、目標定位、條形碼識別、二維碼識別、OCR字符識別、缺陷檢測、模板匹配、矩形查詢、圓查找等常規圖像處理方法。(1）閱讀技術文件；(2）形狀、顏色識別；(3）二維碼、條形碼識別(4）字符識別。(5）水果圖案識別。任務4：圖像標定與坐標轉換根據任務書要求，完成圖像坐標系與三坐標世界坐標系的標定，標定方法可以采用九點標定、六點標定或者四點標定，通過觸摸屏或者通訊控制三坐標移動到圖像像素點，完成世界坐標與圖像坐標的參數映射。(1）閱讀技術文件；(2）選擇九點標定或六點標定或四點標定；任務5：圖像處理與運動控制綜合應用根據任務書要求，基于任務一到任務四中的功能模塊，完成三坐標運功控制與圖像處理綜合應用。(1）閱讀技術文件；(2）無序抓取與顏色形狀分類；(3）無序抓取與QR碼識別；(4）無序抓取與方塊碼垛；(5）無序抓取與OCR字符排序。（二）命題模式本項目屬于賽前需對試題保密的項目。技術規則和技術文件公布后，專家組組織相關人員通過公開平臺對命題思路、關鍵考核要點、設施設備等關鍵技術問題進行討論，并對提出的意見建議及時解答。依據技術思路，結合競賽時間及場地、設施設備等情況編制樣題，并與技術工作文件一并公布。專家組在大賽組委會領導下，按照保密工作要求，參照競賽技術規則和技術文件命制試題。（三）競賽樣題樣題：工業視覺系統運維

第七屆江蘇技能狀元大賽工業視覺系統運維賽項（樣題）二〇二四年一月

一、競賽注意事項1.本次比賽采用線上與線下相結合的方式進行，資料管理、現場管理有可能采用遠程交互模式，具體以最終賽題要求為準。2.比賽時間180分鐘。比賽開始90分鐘后，選手可以棄賽，但不可提前離開賽位場地，需要在賽位指定位置，與比賽設備隔離。3.比賽共包括5個任務，總分100分，見表1。表1：任務配分表1任務1：視覺器件選型、組裝與參數調試202任務2：通訊協議配置與運動機構控制153任務3：圖像處理一般方法204任務4：圖像標定與坐標轉換155任務5：圖像處理與運動控制綜合應用256職業素養與安全意識5合計1004.除表中有說明外，限制各任務評判順序、不限制任務中各項的先后順序，選手在實際比賽過程中要根據賽題情況進行操作，所有評判必須在選手示意后或考核結束后評判。5.請務必閱讀各任務的重要提示。6.比賽過程中，若發生危及設備或人身安全事故，立即停止比賽，將取消其參賽資格。7.比賽所需要的資料及軟件都以電子版的形式保存在工位計算機里指定位置“D:\比賽參考資料”。8.選手對比賽過程中需裁判確認部分，應當先舉手示意，等待裁判進行確認。9.參賽選手在競賽過程中，不得攜帶及使用U盤，如發現使用U盤，以作弊處理。10.選手在競賽過程中應該遵守相關的規章制度和安全守則，如有違反，則按照相關規定在競賽的總成績中扣除相應分值。11.選手在比賽開始前，認真對照工具清單檢查工位設備，并確認后開始比賽；選手完成任務后的檢具、儀表和部件，現場需統一收回再提供給其他選手使用。在完成任務過程中，請及時保存程序及數據，未能及時保存程序及數據，由于斷電等意外情況造成的程序及數據丟失的責任將由選手自負。12.賽題中要求的備份、保存、上傳文件，需選手保存在計算機指定文件夾“D:\程序備份\賽位號”中，賽位號為比賽場次+設備號例如第四場第五試驗臺就是0405。賽題中所要求備份的文件請備份到對應到文件夾下，即使選手沒有任何備份文件也要求建立文件夾。13.需要裁判驗收的各項任務，任務完成后裁判只驗收1次，請根據賽題說明，確認完成后再提請裁判驗收。14.選手嚴禁攜帶任何通訊、存儲設備及技術資料，如有發現將取消其競賽資格。選手如發生擅自離開本參賽隊賽位、與其他賽位的選手交流、在賽場大聲喧嘩等嚴重影響賽場秩序的行為，將取消其參賽資格。15.選手必須認真填寫各類文檔，競賽完成后所有文檔按頁碼順序一并上交。16.選手必須及時保存自己編寫的程序及材料，防止意外斷電及其它情況造成程序或資料的丟失。17.賽場提供的任何物品，不得帶離賽場。二、競賽項目任務書為貫徹落實黨的十九大精神，以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，按照“五位一體”總體布局和“四個全面”戰略布局，認真落實習近平對職業教育工作作出的重要指示，為了加快構建現代職業教育體系，培養更多高素質技術技能人才、能工巧匠、大國工匠，工業視覺系統運維平臺擬以信息技術與制造技術深度融合為主線，推動新一代人工智能技術的產業化與集成應用，加快構建技工院校新一代工業視覺領域人才培養體系和創新體系，提升技工院校工業視覺系統運維員的人才培養、社會服務、應用研究、創新創業的能力。工業視覺系統運維平臺將機器視覺的模式識別、視覺定位、尺寸測量和外觀檢測四大類功能，與四軸運動平臺、運動控制、視覺識別等多種技術融合，面向非標自動化設備行業、標準設備制造行業、半導體及電子制造行業、3C電子集成行業、汽車制造行業、包裝印刷行業、醫藥制造行業、紡織制造行業、食品加工行業及相關行業，培養從事機器視覺系統的安裝、調試、編程、維護等工作崗位急需的高素質技術技能人才。通過賽項進一步推動和深化“崗課賽證”綜合育人的改革，提高技工院校學生對機器視覺系統的集成應用能力，推動技工院校視覺專業人才在培養目標、課程體系、教學條件、考核評價、師資隊伍建設上的改革。以工業視覺系統運維平臺作為競賽平臺，參賽選手首先按視覺系統應用場景和任務書要求，完成相機、鏡頭的選型，并按視野和工作距離的要求合理安裝；根據檢測內容選擇合理的光源系統并安裝，根據應用需求對光源進行頻閃、亮度或顏色的調節控制；在完成硬件選擇、安裝、接線和參數設置之后，依次完成針對工作面的相機標定和與運動平臺關聯的手眼標定工作；根據任務書及被檢測試品的要求，完成外形、顏色、二維碼等綜合應用的編程，以及與執行機構配合完成多區域檢測、裝配、分揀等綜合任務；最后調用機器視覺圖像處理算法庫，完成圖像處理與運動控制綜合應用。參賽選手在規定時間內，以現場操作的方式，根據賽場提供的有關資料和賽項任務書，完成賽項任務，具體的競賽內容和成績占比如下：

任務1：視覺器件選型、組裝與參數調試（20%）根據任務書要求，完成視覺系統硬件選型（相機和鏡頭選型，并計算物距及視野范圍）、視覺系統硬件安裝（相機和鏡頭以及光源安裝）、視覺系統參數設置（相機IP設置，鏡頭焦距調節，光源亮度調節），并在競賽平臺上完成以上所有設備的安裝部署、供電和網絡連接、參數配置和功能調試。選型說明：視覺選型是選擇合適的相機和鏡頭，根據附錄一中的相機和鏡頭的參數計算物距與所要拍攝的視野大小，并將選型計算公式推導填寫在附錄3選型報告中。相機鏡頭工作方式如圖所示：圖2相機工作示意圖我們可以把左圖相機，鏡頭，視野和物距的關系簡化為右圖所示，近似看成相似三角形關系，可以得出以下計算方法：芯片大小/視野大小=焦距/工作距離當確定了具體場景所需要拍攝的視野大小后，就可以計算相機的物距。例如實驗需要同時拍攝4個實驗工件：每個實驗工件的邊長是40mm,為保證每個工件都在視野范圍內，故需要的視野大小為120*120mm左右，根據這個條件確定視野大小后就可以計算相機工作距離。

任務2：通訊協議配置與運動機構控制（15%）根據任務書要求按照規定的通訊協議將機器視覺軟件與三坐標控制系統進行ModbusRTU通訊。完成對X，Y，Z，R的移動控制，完成對氣泵控制，完成對軸回原點控制等。三坐標平臺控制器是基于STM32單片機開發，由控制器給XYZR軸的步進電機驅動器發PWM信號控制步進電機正反轉以及速度。控制器底層控制協議已經封裝好，使用機器視覺軟件或者其它軟件控制三坐標，只需要通過ModbusRTU通訊訪問控制器的寄存器地址即可。控制器的寄存器地址定義見附錄二。三坐標每個軸上有兩個限位開關，限位開關的作用是用于限制軸移動的范圍，叫上限位與下限位，可以設置上限位或者下限位為零點，默認上限位為XYZ的零點位置。XYZ軸的標準行程為300*300*200mm,旋轉R軸角度為±360°。由于機械安裝誤差以及限位光電的安裝位置些許差異，實際行程可能比標準行程短，但對實際使用沒有任何影響。三坐標各個軸控制上電應進行初始化，初始化過程是各個軸進行回零操作，同時關閉氣泵開關。初始化完成后，三坐標就可以通過絕對位置控制，完成實驗功能。例如：控制三坐標走邊長為200mm正方形軌跡，通過通訊首先將三坐標各軸進行回零，然后控制X軸走（200，0）位置，再控制Y軸走到（200，200），再控制X軸走到（0，200），在控制Y軸走到（0,0）即可完成軌跡。圖3軌跡示教任務3：圖像處理一般方法（20%）根據任務書要求，完成機器視覺圖像處理相關算子的使用和算法流程的實現，基于圖像處理算法能對一般常用的圖像進行處理，其中包括顏色識別、目標定位、條形碼識別、二維碼識別、OCR字符識別、缺陷檢測、模板匹配、矩形查詢、圓查找等常規圖像處理方法。通過使用機器視覺軟件中的圖像處理算子完成比賽工件的識別，比賽工件有4個正方形工件，2個圓形工件，正方形工件的各個面貼有不同類型實驗的標簽，根據不同的任務挑選對應的標簽進行相機采圖和圖像處理，并將處理結果輸出顯示。圖4工件式樣將圖像處理的結果進行打印顯示：圖5圖像處理結果顯示

任務4：圖像標定與坐標轉換（15%）根據任務書要求，完成圖像坐標系與三坐標世界坐標系的標定，標定方法可以采用九點標定、六點標定或者四點標定，通過觸摸屏或者通訊控制三坐標移動到圖像像素點，完成世界坐標與圖像坐標的參數映射。手眼標定是視覺定位抓取的關鍵，標定的準確度會直接影響抓取的準確性，選取合適的標定方法和正確操作是標定的關鍵。標定板采用的是棋盤格標定板，每個棋盤格的邊長是10mm，如下圖所示。圖6棋盤格標定板

任務5：圖像處理與運動控制綜合應用（25%）根據任務書要求，基于任務一到任務四中的功能模塊，完成三坐標運功控制與圖像處理綜合應用。包括顏色分類與形狀處理、QR碼識別無序抓取、碼垛、OCR字符識別。通過將三坐標控制與圖像處理進行結合完成自動化的視覺任務。其一般流程如下。圖7無序抓取與顏色識別分類流程圖例如：顏色分類，首先需要將4個正方形工件無序擺放到工件臺，通過移動相機拍照處理抓取，將同種顏色的工件擺放一起，實現顏色分類。完成一個工件之后繼續下一個工件的抓取，直至完成4個工件的抓取分類。在處理流程操作過程中，是選擇拍照一次識別所有工件坐標后依次抓取，或者是抓取完一個工件，再移動到拍照位置重新拍照抓取，兩種方式自由選擇，能完成比賽任務即可。

其他：職業素養與安全意識（5%）比賽全程注重安全與文明，穿戴整齊、規范，操作標準、規范、合理，尊重裁判、專家。四、評分標準及流程本項目評分標準分為結果評分（客觀）。打分方式：按模塊設置若干個評分組，每組由3名及以上裁判構成。每個組所有裁判一起商議，在對該選手在該項中的實際得分達成一致后最終只給出一個分值。評分準則樣例表：序號考核點評分標準配分得分1通訊參數配置配置VM軟件與三坐標控制系統的ModbusRTU通訊協議。2X軸控制完成X軸絕對位置控制，能在VM軟件中控制X軸移動。3Y軸控制完成Y軸絕對位置控制，能在VM軟件中控制Y軸移動。4Z軸控制完成Z軸絕對位置控制，能在VM軟件中控制Z軸移動。5R軸控制完成R軸絕對位置控制，能在VM軟件中控制R軸移動。6回零點在VM軟件中完成XYZ軸回零控制。7氣泵控制在VM軟件中完成氣泵開關控制。8軌跡示教在VM軟件中完成邊長為200mm的“回”字軌跡移動。合計本項目評分流程參考世界技能大賽的評分方法進行。各專家裁判分為不同的組別，每組不少于3人，由裁判長指定組長，分別對各模塊進行評分。各評分小組負責所有選手同一指標的現場評分，并簽字確認評分結果，如有現場演示部分，則需要選手現場簽字與裁判共同確認結果。

五、場地及設施設備（一）場地1、競賽場地光線充足，照明良好；供電供水設施正常且安全有保障；場地整潔；每個賽位占地不小于12平米（4m×3m），場地凈高不低于3m，且標明賽位號，機械傳動裝配每個競賽賽位提供220V交流電源，每個賽位提供獨立的電源保護裝置和安全保護措施。2、競賽場地設置隔離帶，非裁判員、參賽選手、工作人員不得進入比賽場地；競賽場地劃分為檢錄區、競賽操作區、現場服務與技術支持區、休息區、觀摩通道等區域，區域之間有明顯標志或警示帶；標明消防器材、安全通道、洗手間等位置。3、賽場設有保安、公安、消防、醫療、設備維修和電力搶險人員待命，以防突發事件；賽場還應設有生活補給站等公共服務設施，為選手和賽場人員提供服務。4、賽場設置安全通道和警戒線，確保進入賽場的大賽參觀、采訪、視察的人員限定在安全區域內活動，以保證大賽安全有序進行。（二）設施設備1、競賽設施設備和工具（1）競賽設備競賽場地設備由主辦方統一提供，供選手及裁判使用的設備，設備尺寸如下圖所示，具體場地設備設施見表4-1。表4-1場地設備設施序號設備、設施名稱型號規格單位數量備注1工業視覺系統運維競賽平臺平臺結構采用一體化設計四軸運動單元，Z軸可安裝視覺系統且末端可旋轉，XYZ軸工作范圍：≥300×300×200（mm）；旋轉R軸角度≥270°配置≥4.3寸嵌入式觸摸屏，提供XYZR四軸的虛擬點動按鈕，可通過觸摸方式對三坐標各軸進行運動控制工業相機：600萬像素和500萬像素CMOS千兆以太網工業面陣相機工業鏡頭：固定焦距；手動光圈；焦距：12mm和6mm；接口類型：C-Mount環形LED白色光源國產機器視覺軟件內含自主研發算子1500+，集成150+算法工具，具體包括圖像采集、視覺定位、視覺測量、視覺識別、視覺標定、視覺對位、圖像處理、顏色處理、缺陷檢測、邏輯工具、通信等多種類工具模塊。軟件使用圖形化交互界面，可利用拖拽式操作快速搭建視覺方案，可控件式自定義創建運行交互界面，有豐富的硬件支持功能，支持嵌入式二次開發，最高定位精度可達1/16像素機器視覺軟件編程方式：采用圖形化交互界面，支持采用拖拽式操作搭建視覺方案，滿足機器視覺應用領域中定位、測量、識別、檢測等需求機器視覺軟件端口：支持TCP/IP、ModBus、串口、UDP、Ethernet/IP等常見通信協議，兼容多種操作系統和圖像采集硬件設備套10可根據參賽隊伍數量調整2組裝調試工具卷尺內六角A4紙圓珠筆套12可根據參賽隊伍數量調整2.選手自帶物品無。六、賽事紀律選手不得在試件上作任何標記。若在比賽開始前發現試件有明顯痕跡，可上報裁判員進行處理，嚴重者可按作弊處理。賽場帶入二類夾具、專用或定制刀具和工具，按作弊處理。在完成競賽任務的過程中，因操作不當導致事故，扣10～20分，情況嚴重者取消比賽資格。因違規操作損壞賽場提供的設備，污染賽場環境等不符合職業規范的行為，視情節扣5～10分。擾亂賽場秩序，干擾裁判員工作，視情節扣5～10分，情況嚴重者取消比賽資格。七、賽事安全（一）選手需自備安全鞋、工作服等，進入考核區域前必須將工作服、安全鞋穿戴得當（不穿戴工作服、安全鞋的選手不得進行競賽）；（二）競賽期間，選手不得佩戴耳機、手鐲、腕表、耳環、戒指等飾品；（三）裁