基于光电池丝网印刷的视觉定位研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.66MB 73 页 15积分
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摘 要
目前主要通过太阳能电池将太阳能转化成电能，因此太阳能电池的能量转化
率是衡量其性能的重要标准。在使用材料确定的情况下，只有通过改进生产工艺
来提高电池的性能，而在整个生产过程中，电池的丝网印刷是关键工艺。目前提
高能量转化率的主要方法是使用堆叠式印刷生产更细更高的栅线以降低阴影效应
的影响，这个过程需要高精度的丝网印刷设备才能完成。基于机器视觉的精确定
位，以其高效率、高可靠、低成本等优点，在国外太阳能电池生产中得到了广泛
应用，而此项技术在国内的研究和应用还处于起步阶段。
在此背景下，本文研究了视觉定位的原理及其在丝网印刷中的实现过程。主
要研究内容包括：丝网印刷的原理及精度要求、摄像机的标定、图像的预处理及
特征提取、精确图像配准算法、视觉定位系统的实现。具体内容如下：
首先，在掌握丝网印刷关键工艺的基础上，确定印刷的精度标准。从摄像机
的基本几何模型出发，确定世界坐标系、摄像机坐标系、摄像机成像平面坐标系
及计算机图像坐标系之间的坐标转换关系。分析了畸变的影响。对摄像机的各项
关键参数进行标定，为精确定位打下了基础。
其次，对比图像处理的各种方法，采用拉普拉斯锐化对图像进行处理以增强
边缘。图像分割使用最大方差阈值法更为适合。在图像的特征提取中，边缘检测
是最常用的方法，通过对 Sobel 边缘算子、Prewitt 等边缘算子以及 Canny 算子的
综合比较之后，采用 Canny 算子提取图像边缘信息。
然后，在对图像进行预处理之后，分析了几种基本的图像配准方法的特点及
应用范围，最终确定采用基于特征的图像配准方法实现配准。在此基础上提出了
基于边缘特征和角点特征的复合图像配准方法。研究了特征角点的提取方法，最
终采用 Canny 算子提取图像边缘，进而使用 Susan 算子提取特征角点。通过精确
查找特征点对后，采用仿射变换计算出图像之间的变换参数，完成图像的配准。
最后，将图像配准的相关方法与机械运动机构相结合，搭建视觉定位系统平
台。采用模块化方式编写定位系统的软件，方便软件功能的扩展，实现光电池的
精确定位。对视觉定位系统进行实验，并且分析了影响系统定位精度的各种因素。
关键词：丝网印刷 视觉定位 图像处理 特征提取 图像配准
ABSTRACT
In the background of global energy shortage, solar energy as free and clean energy
is being more widely used. At present, solar cells are mainly used to convert solar
energy into electrical energy, so solar energy conversion rate is an important measure
standard of its performance. This process requires high-precision screen printing
equipment. Accurate location based on computer vision, what has high efficiency, high
reliability, low cost is widely used in foreign countries, but the research and application
in China is in the beginning.
Study the theory of visual positioning and its application in the process of screen
printing. The research include: principles of precision in screen printing, the camera
calibration, image preprocessing and feature extraction, algorithm of image registration,
implementation of visual positioning.
First, determine the principles of precision in screen printing. Use the basic
geometric model of camera to determine the coordinate systems and their
transformation. Analysis the effect of distortion. Calibrate key parameters of the camera.
Secondly, study various methods of image processing, compare different methods
of filtering. Laplacian sharpening is used to enhance the edge of the image. In the image
feature extraction, edge detection is the most commonly method, through comparison of
several edge operators such as Sobel edge operator and Prewitt edge operator, determine
to using Canny operator to extract edge information.
Again, compare several basic image registration methods, on this basis, propose
the image registration method based on edge features and corner features. Canny edge
operator and Susan corner operator are used to extract features Susan corner. Find
feature points accurate, then calculate the transformation parameters between the two
images to complete the image registration.
Finally, combine image registration method and mechanical structure mechanism
design the specific structure of visual positioning system which using motion control
card and servo control to drive motion actuator. Program the software of visual
positioning system with modular approach what facilitate the expansion of software
functions.
Keywords: screen printing，visual positioning，image processing，
feature extraction，image registration
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 引言 ........................................................ 1
§1.2 光电池丝网印刷原理 .......................................... 1
§1.2.1 太阳能电池工作原理 .................................... 1
§1.2.2 太阳能电池丝网印刷工艺 ................................ 2
§1.2.3 丝网印刷的精度要求 .................................... 4
§1.3 机器视觉定位的发展现状 ...................................... 5
§1.4 课题研究背景及意义 .......................................... 6
§1.5 本文主要研究内容 ............................................ 6
第二章 摄像机标定原理 .............................................. 8
§2.1 摄像机模型 .................................................. 8
§2.2 坐标系的变换 ................................................ 9
§2.3 畸变的影响 ................................................. 10
§2.4 摄像机的参数标定 ........................................... 12
§2.4.1 内部参数和外部参数 ................................... 12
§2.4.2 参数标定方法 ......................................... 13
§2.5 本章小结 ................................................... 14
第三章 光电池丝网印刷视觉定位系统的图像处理 ....................... 15
§3.1 光电池图像的获取 ........................................... 15
§3.1.1 图像的数字化 ......................................... 15
§3.1.2 图像的获取 ........................................... 16
§3.2 光电池图像的平滑去噪 ....................................... 16
§3.2.1 图像噪声的概述 ....................................... 16
§3.2.2 图像的平滑 ........................................... 17
§3.3 光电池图像的锐化 ........................................... 19
§3.4 光电池图像分割 ............................................. 21
§3.4.1 迭代法 ............................................... 22
§3.4.2 最大方差阈值法 ....................................... 23
§3.5 光电池图像的边缘检测 ....................................... 25
§3.6 Canny 算子 ................................................. 27
§3.6.1 Canny 算子的数学原理 ................................. 27
§3.6.2 Canny 算子的处理步骤 ................................. 28
§3.7 本章小结 ................................................... 30
第四章 光电池丝网印刷精确定位算法的研究 ........................... 31
§4.1 图像配准的变换模型 ......................................... 31
§4.2 常用图像配准技术研究 ....................................... 32
§4.2.1 基于图像灰度信息的匹配方法 ........................... 32
§4.2.2 基于变换域的匹配方法 ................................. 34
§4.2.3 基于图像特征的匹配方法 ............................... 36
§4.3 基于边缘特征和角点特征的复合图像配准方法 ................... 38
§4.3.1 SUSAN 角点检测算法 ................................... 39
§4.3.2 特征点的匹配 ......................................... 42
§4.3.3 基于仿射变换模型的参数计算 ........................... 45
§4.3.4 算法实现步骤 ......................................... 46
§4.5 本章小结 ................................................... 47
第五章 光电池丝网印刷视觉定位系统的实现 ........................... 48
§5.1 视觉定位系统的硬件结构 ..................................... 48
§5.2 视觉定位系统软件设计 ....................................... 51
§5.2.1 软件开发平台及相关函数库的使用 ....................... 53
§5.2.2 图像处理模块的设计 ................................... 55
§5.2.3 运动控制模块的设计 ................................... 58
§5.3 视觉定位实验及误差分析 ..................................... 60
§5.3.1 视觉定位系统实验过程 ................................. 60
§5.3.2 视觉定位系统误差分析 ................................. 62
§5.4 本章小结 ................................................... 63
第六章 总结与展望 ................................................... 64
§6.1 本文工作总结 ............................................... 64
§6.2 今后工作展望 ............................................... 64
参考文献 ........................................................... 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 70
致 谢 ........................................................... 71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
当今世界，全球能源供应日渐紧张，尤其是主要能源石油的储备越来越少，
其它非再生能源也不断减少，因此急需寻找到可替代能源来缓解当前的危机。世
界各国，尤其是发达国家的研究人员正在积极寻找可再生能源，太阳能无污染可
再生的优点使得很多国家将其视为重点开发的新能源。但目前太阳能还没有大规
模地应用于发电系统。因为太阳能电池的生产成本比较高，此外，太阳能电池的
能量转换也是急需解决的难点。
要想使光电池将更多的太阳能转换为电能，就必须改进其生产工艺，制造出
更加高效的光电池片。在太阳能电池的生产过程中，丝网印刷是最为关键的工艺，
在硅片上印刷的电极和导线的质量将直接影响到电池的各项性能。如何改进丝网
印刷工艺以提高太阳能电池的性能，是目前太阳能产业急需面对的问题。
§1.2 光电池丝网印刷原理
§1.2.1 太阳能电池工作原理
太阳能电池的主要材料是半导体材料硅（单晶硅和多晶硅）
[1]。以硅作为基体，
向硅晶体中加入杂质如硼和磷等。经过扩散工艺处理之后，会在硅晶体中形成一
个空穴，变为 N型半导体，加入的磷原子会在硅晶体中形成电子，产生 P型半导
体。P型半导体和 N型半导体结合在一起形成 PN 结，当光照射到 PN 结上时，产
生电子-空穴对，在半导体内部生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内
建电场的吸引，电子流入 N区，空穴流入 P区，结果使 N区储存了过剩的电子，
P区有过剩的空穴。它们在 PN 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场
除了部分抵消势垒电场的作用外，还使 P区带正电，N区带负电，在 N区和 P区
之间的薄层产生电动势，这就是光生伏特效应。太阳能电池的结构原理如图 1.1。
图1-1 太阳能电池结构原理
基于光电池丝网印刷的视觉定位研究
2
§1.2.2 太阳能电池丝网印刷工艺
太阳能电池的主要生产流程如图 1-2 所示。在整个生产过程中，丝网印刷是最
为重要的一个环节。丝网印刷的质量将直接影响太阳能电池的技术指标。
图1-2 太阳能电池生产流程
（1）背面银电极和背面铝印刷
在太阳能电池片的背面使用银铝浆料印刷出两条电极导线（宽 3-4mm），以此
作为电池片的电极，使母线和外部电路系统相连接。如图 1-3 所示，整个背面的其
他区域采用铝浆料来完成印刷，淀积一层以铝为基础的导电材料。可将未捕捉到
的光线反射回电池上，还可以封闭多余分子路径以避免这些空隙捕捉流动电子。
图1-3 电池片背银及背铝印刷示意图
（2）正面银印刷
在太阳能电池片的正面（该面喷涂减反射膜）使用银浆料印刷两条电极，以
及间隔均匀的一排称作栅线（栅线的间距约 3mm）的导线。如图 1-4 所示，在面
向太阳的正面，通常太阳能电池采用特别精细的栅线电路，栅线将采集自有效区
域的光生电子传递到更粗的采集导线上，最终传递到部件的电路系统中。
第一章 绪论
3
图1-4 电池片正银印刷示意图
通常太阳能电池从开始到结束整个生产过程中，丝网印刷步骤需要进行好多
次。丝网印刷从硅片被放置到印刷台上开始，将精细的印刷丝网固定在网框上，
利用丝网的部分网孔能够透过浆料，其他部分不能够透过浆料的原理进行印刷。
然后将丝网放置在硅片的上方，在丝网一端倒入适量的浆料。将刮刀下压，同时
向丝网的另一端移动，浆料在移动过程中被刮刀从丝网的网孔中挤到硅片上。由
于浆料具有粘性，可以固定在硅片上。在这个过程中，刮刀，丝网以及硅片之间
始终保持线性接触，接触线伴随着刮刀的移动而移动。而丝网其他部分与硅片之
间没有接触，这样可以保证印刷的精度，避免弄脏硅片。当刮刀从一端移动到另
一端后，随即抬起，丝网也与硅片脱离，从而完成一个印刷行程[2]。具体过程如图
1-5 所示。
图1-5 丝网印刷示意图
在整个过程中，必须严格控制温度、压力、速度等参数。在完成印刷后，将
基于光电池丝网印刷的视觉定位研究
4
硅片放进烘干炉，凝固印刷好的导电浆料。然后，经烘干的硅片进入另一个丝网
印刷机，在其正面或背面印制更多的栅线和电极。待所有的印刷全部完成后，将
硅片放入高温炉中烧结。
§1.2.3 丝网印刷的精度要求
太阳能电池正面的导电线路会产生一个负面效应，栅线及其形成的阴影阻挡
了少量阳光，这些阳光不能进入电池的有效区域，从而使得整体的转换效率降低。
为了将导线的这一负面效应尽量降低，导线的宽度就必须尽可能窄。但是在减小
导线宽度的同时不能影响到导线的导电性能，因此导线的高度就必须增加，这样
横截面的面积才能保持不变。
为了实现导线更细、更高的目标，必须从丝网印刷的工艺入手来解决这个问
题。增高导线的具体方法就是将几条导线进行重叠，这就对丝网印刷的精度提出
很高的要求，需要准确、重复地在同一位置印刷非常细小的线条。当前情况下，
栅线的标准线条宽度可以小到约等于头发丝的平均直径。
目前，栅线经过烧结后的尺寸通常是 110um-120um 宽12um-15um 高。在这种
尺寸下，由阴影效应导致的转换率损耗约为 12.9％。要降低这一损耗，就必须降
低导线的宽度，增加其高度以保持横截面的面积不变，从而提高电池的整体性能。
将导线尺寸变为 80um 宽，
30um 高之后．转化率可以提高 5.5％。要达到上述目标，
就必须提高丝网印刷的精度。
丝网印刷的精度通常受到以下几个因素的影响：丝网制版材料的影响，主要
包括网框材料以及丝网的材质和目数；印料的选择对精度也是至关重要的；生产
工艺如硼网，丝网制版和印刷工艺同样会影响精度；丝网印刷的工装定位也是重
要的影响因素，其中印刷基板的定位是非常关键的步骤，定位的准确与否直接影
响到后续的印刷质量[3]。
随着国外大型高精度全自动印刷生产线的引进，带动了国内小规模丝网印刷
设备的技术提升，这些先进的高精度印刷设备都采用了视觉定位技术。英国得可
太阳能公司推出的 PV3000 太阳能电池丝网印刷生产线能够以±12.5 微米的精度完
成堆叠式印刷过程。堆叠式印刷能生产更细更高的栅线，需要进行两次以上的栅
线印刷，以增加导体的横截面，从而提高载电能力，降低阴影效应。PV3000 采用
了新型高分辨率摄像机和改进的新型图像算法，能够自动调整程序，实现印刷台
的精确定位，并可在印刷初始阶段进行额外控制。此外，印刷浆料配方和丝网设
计也经过了共同优化，从而最大限度地提高了丝网印刷的整体性能。
在国内，深圳巨星生产的 WJ-ST1616T 型丝网印刷系统单机是专为太阳能电
池丝网印刷而设计开发的产品，WJ-ST1616T 为CCD 视觉识别定位的全自动丝网
摘要：

摘要目前主要通过太阳能电池将太阳能转化成电能，因此太阳能电池的能量转化率是衡量其性能的重要标准。在使用材料确定的情况下，只有通过改进生产工艺来提高电池的性能，而在整个生产过程中，电池的丝网印刷是关键工艺。目前提高能量转化率的主要方法是使用堆叠式印刷生产更细更高的栅线以降低阴影效应的影响，这个过程需要高精度的丝网印刷设备才能完成。基于机器视觉的精确定位，以其高效率、高可靠、低成本等优点，在国外太阳能电池生产中得到了广泛应用，而此项技术在国内的研究和应用还处于起步阶段。在此背景下，本文研究了视觉定位的原理及其在丝网印刷中的实现过程。主要研究内容包括：丝网印刷的原理及精度要求、摄像机的标定、图像的预...

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