《汽车智能制造概论》教案第4课射频识别（RFID）技术和机器视觉技术.docx

课题射频识别（RFID）技术和机器视觉技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：（1）了解RFID技术的特点（2）熟悉RFID技术的工作原理，RFID系统的组成，以及RFID技术在汽车智能制造中的应用（3）了解机器视觉系统的组成与特点（4）熟悉机器视觉的关键技术和在汽车智能制造中的应用技能目标：能总结出射频识别、机器视觉等技术的特点素质目标：养成团队协作意识教学重难点教学重点：射频识别技术和人工智能技术的关键技术教学难点：射频识别技术和人工智能技术的原理教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过APP或其他学习软件，观看有关某沈阳汽车生产基地的一体化运行模式案例，体会射频识别技术在质量管理方面的应用，并让学生在学习平台上留言讨论在某车企的沈阳汽车生产基地内，生产过程形成了研发、采购、生产一体化的运行模式。车辆在智能制造的过程中一旦被识别技术监测到潜在的质量风睑，整车质量管控部门会迅速联合研发、采购等部门实施预防性管控，同时根据风险评估情况决定菅控范围，确保不合格的零件或车辆不会继续投入生产或抵达经销商。随后,整车质量部门在生产现场和供应商开展“质量追溯"，一旦问题得到解决，将在最短时间解除管控。通过一次次诸如此类的预防性措施，生产过程中的质量管控流程得到了不断优化，最大程度降低了潜在的质量风险。【学生】登录学习平台观看案例，思考并留言讨论考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】随机邀请学生回答以下问题汽车智能制造过程中有哪些识别技术？射频识别技术的原理又是怎样的？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答，导入本节课课题：射频识别（RFID）技术、机器视觉技术传授新知【教师】讲解射频识别（RFID）技术的概述、组成和应用学习情境一射频识别（RFID）技术一、RFn）技术概述RFlD技术是自动识别技术的一种，它可通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，并对记录信息的媒体（电子标签或芯片）进行读,从而达IIJ识别目标和数据交换的目的。目前，RFID技术广泛应用于各类电子标签或芯片的读写和菅理中。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：公交卡和门禁卡的原理是RFID技术吗?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进彳五并解I-RFID技术的工作原理在RFlD系统中,射频识别部分主要由阅读器和标签两个部分组成，阅读器和标签之间的通信采用无线射频方式进行耦合.具体识别过程为标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送存储在标签中的产品信息，或由标签主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关踊处理。阅读器和标签之间的交互主要靠能量、时序和数据三方面来完成，如图3-1所示（详见教材）1 ）能量阅读器产生射频载波可为标签提供工作所需的能量。2）时序阅读器与标签之间的信息交互通常采用询问一应答的方式进行，所以两者间必须有严格的时序关系，该时序由阅读器提供。3）数据阅读器与标签之间可以实现双向数据交换，阅读器向标签传送命令和数据时，通常采用载波调制、脉冲位置调制、编码解调等方法。标签采用对载波进行负载调制的方式向阅读器传送存储的数据信息。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：根据阅读器与标签之间传输信息所使用频率的不同，RFlD技术常见的工作频率分为哪几种？【学生】聆听、思考、记忆【教师】总结学生回答并详细讲解根据阅读器与标签之间传输信息所使用频率的不同，RFID技术常见的工作频率分为四种,分别为彳出助、高频、超高频和微波，各个频率所使用的标签也各不相同。2 RFlD技术的特点RFID作为一种特殊的识别技术，相比于传统的条码、插入式IC卡和生物（如指纹）识别技术，主要具有以下特点。1）非接触识别2）抗污染能力强3）识别速度快4）数据容量大5）可动态操作6）防冲突7）安全性高8）多学科性【师生互动】扩展讲解电感耦合和反向散射隅合根据射频信号耦合方式的不同，RFID技术可以分为电感耦合和反向散射耦合这两大类。电感耦合也称为磁耦合，即阅读器和标签之间通过磁场（类似变压器）进行耦合，能量由阅读器通过射频载波提供。反向散射耦合也称为电磁场耦合，其理论和应用基础来自雷达技术。详见教材【学生】聆听、思考、记忆二、RFlD系统的组成最简单的RFID系统只有一个阅读器，它每次对一个标签进行操作，如公交车上的刷卡系统；较为复杂的RFID系统需要一个阅读器同时对多个标签进行操作；更为复杂的RFID系统要解决多阅读器的处理问题，如多阅读器的网络连接等。对于多数应用来说RFlD系统由高层、阅读器、标签等部分组成，如图32所示（详见教材）。【教师】播放“两分钟读懂RFID技术”视频（详见教材），让学生了解RFID技术的相关知识1 高层在由多阅读器构成的RFID系统网络架构中，高层是必不可少的。例如，采用RFID技术的世博会票务系统，需要在高层将多个阅读器获取的数据有效地整合起来，以提供数据有询、管理和交换等服务。2 .阅读器阅读器也称为读写器，是为标签提供能量、进行读写操作的设备。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。3 .标签从技术角度看，标签是RFID的核心，阅读器也是根据标签的性能而设计的。目前,标签趋向微型化和高度集成化。标签按照电源形式的不同，可以分为下列两种类型。1）有源标签有源标签使用电池或其他电源供电，不需要阅读器提供能量。它通常靠阅读器唤醒，然后切换至自身电源提供能量。2）无源标签无源标签没有电池供电，完全靠阅读器提供能量。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：每个RFID的标签可以有多个还是一个?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解三、RFlD技术在汽车智能制造中的应用RFlD技术在识别、感知、联网、定位等方面具有强大的功能，将RFID技术用于汽车智能制造中，可以实现基于RFID技术的数字化车间、汽车全生命周期管理、智能化物流等，进而有效提升制造效率、制造品质和企业管理水平。1 .基于RFlD技术的数字化车间RFID技术在数字化车间中的应用主要包括汽车生产管理、设备智能监测、车间混流制造等。1）樗铲屣RFID技术可以使制造中的汽车与主机（即生产系统控制端）实现信息交互，进而实现汽车加工及装配状态的可视化跟踪管理，以便对生产过程进行实时监控。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问遨：在基于RFID技术的数字化车间中如何实现生产线的在线故障诊断?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2）设备智能监测集成RFlD技术的智能传感器可以在线监测设备关键部位的运转情况，并通过网络与后台服务器通信,实现对设备性能的在线监测、设备运行状态的评估与风险预警、设备早期故障的诊断等。3）车间混流制造通过RFID技术与网络、MES等系统的集成，可以实现工艺路线、加工装备、加工程序等的智能选择，最终实现车间混流制造。2 .基于RFID技术的汽车全生命周期管理智能化是汽车制造发展的重要方向和趋势，汽车智能制造的特征之一在于可实现汽车全生命周期内信息的快速获取与共享。RFID技术与传感器技术的集成，能实时、高效械取汽车在加工、装配、服役等阶段的状态信息，可为车企的后台服务、远程命令下达及生产方案的改进提供有力的雌支持.【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在汽车智能制造中,RFID的标签会永久贴于车内零件吗？还是汽车生产完毕后取下？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3 .基于RFlD技术的智能化物流I）自动化与批量识别将RFlD系统与车企的资产出入库集成，可实现货品出入库的自动化与批量化识别，提高物流配送的及时性和准确性。2）优化采购RFID技术和GPS技术的集成，可以实现车企对在制品的精确定位，同时通过网络传输，实现物流信息共享与产品全程监控，从而优化企业采购过程。3）提升物流管理水平将RFID系统与智能物流系统、ERP系统、MES系统无飒接，可以快速响应订单，降低产品库存，进而提升车企物流管理的智能化水平。如图3-4所示为智能物流系统（详见教材）【学生】聆听、理解、记忆【教师】讲解机器视觉技术的概述、关键技术和应用学习情境二机器视觉技术一、机器视觉技术概述机器视觉也称为计算机视觉，是指利用计算机对机器视觉设备采集的图像或者嫩进行处理,从而实现对客观世界三维场景的瞰口、识SU和理解.机器视觉技术涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理和模式识别等多个技术领域。它主要利用计算机来模拟或者再现与人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息、分析特征，最终用于工业检测、工螃伤、精密测控、自动生产线及在各种危险场合工作的机器人等。I.机器视觉系统的组成机器视觉系统是机器视觉技术应用的载体，其主要由以下几个部分组成。1 ）光源光源可以定义为能够产生光辐射的辐射源。光源是影响机器视觉系统中图像质量的重要因素。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：机器视觉系统的光源有哪些特征？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解（1）能突出目标的特征，即可以在物体需要检测的部分与非检测的部分之间产生明显区别，增加对比度。（2）能保持足够的亮度和稳定性。（3）多采用透射光。在透射光中，物体位置的变化不影响成像质量；而对于反射光，则需要充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理、物体的几何形状等要素。2）光学系统机器视觉系统的光学系统主要指光学镜头。光学镜头类似人眼的晶状体，其主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。光学镜头对成像的质量有关键性作用，它对成像质量的几个主要指t赭隋影响，如分辨率、对比度、景深及各种像差。因此，在选用光学镜头时需要考虑成像面积、焦距、视角、工作距离和视野等参数。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：机器视觉系统中的光学系统昼间和夜间通用吗？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3）图像捕捉系统图像捕捉系统主要由相机组成，现在主要以高分辨率数码相机为主。数码相机是一种半导体器材,具有光电转换、信息存储和延时等功能。数码相机的扫描方式可分为行扫描（线阵式）和面扫描（面阵式）两大类。其中，行扫描一次只能获得图像的一行信息，因此被拍摄的物体必须以直线形式从相机前移过，才能获得完整的图像；而面扫描可以一次获得完整的图像。4）图像采集卡图像采集卡又称图像卡，它可以将图像或视频信号进行保存，供计算机处理、存储、显示和传输使用。图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，其传输数据的速度远远高于普通的传输接口。5）图像信号处理系统图像信号处理系统是机器视觉系统的核心，主要依靠计算机来完成运算工作。图像采集卡采集到的图像或视频信号，经图像信号处理系统分析处理后，将用于控制现场设备的动作。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：图像信号处理系统包括伺服控制的运算吗？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行i井解2 .机器视觉系统的特点1 ）非接触测量2）光谱响应范围宽3）稳定性高4）成本低5）易于集成6）精度高7）灵活性好（详见教材）二、机器视觉的关键技术机器视觉系统的关键技术主要包括图像预处理、数学形态学、图像分割。I.图像预处理图像预处理是相对于图像识别、图像分析而言的一种前期处理。图像预处理的主要目的是消除图像中无关的信息，恢复真实有用的信息，增强有关信息的可检测性和最大限度地简化孀,从而提高特征提取、图像分割、匹酉怀口识别的可靠性。图像预处理过程一般有数字化、几何变换、归T七、平滑、复原和增强等。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在;气车智能制造中,图像预处理主要筛查哪些信息？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解图像增强是图像预处理中最基本的内容之一，也是图像预处理的主要方法。由于外界环境或设备本身的原因，通常所获取的原始数字图像质量并不是非常高，因此在对图像进行边缘检测、图像分割等操作之前，一般需要对原始数字图像进行增强处理。图像增强一方面可改善图像的视觉效果，另一方面可提高边缘检测或图像分割的可靠性。2 .数学形态学数学形态学可以用来解决特征提取、边缘检测、图像分割、形状识别、纹理分析、图像恢复与重建、图像压缩等图像处理问题。数学形态学的应用可以简化图像数据，保持它们基本的形状特征，并除去不相干的结构。3 .图像分割相比于图像预处理对图像质量的改善，图像分割则侧重于详细地研究并描述组成一幅图像各个不同部分的特征及其相互关系，它是提取图像属性的方法。图像分割是指根据灰度、色彩、空间纹理、几何形状等特征将图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同。简单地讲，就是在一副图像中将目标从背景中分离出来，以便于进一步处理。三、机器视觉技术在汽车智能制造中的应用由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，且易于自动处理，因此机器视觉技术广泛地用于汽车智能制造中。【教师】播放“给汽车制造一双慧眼”视频（详见教材），让学生了解机器视觉技术在汽车智能制造中的具体应用1 .引导和定位汽车生产车间的焊接、搬运、装配等固定流程的工作正在逐步被工业机器人取代，这些工作对于工业机器人来说，只需按照既定的程序执行即可.但在口k机器人的操作过程中，零部件的初始状态（如位置和姿态等）与工业机器人的相对位置并不是固定的，这会导致零部件的实际摆放位置和理想加工位置存在差距，令工业机器人难以按照原定程序进行加工。随着机器视觉技术的发展，这个问题得到了很好地解决。机器视觉系统能够快速、准确地找到目标零件并确认其位置，引导灵活的工业机械手臂准确抓取并进行工作。2 .质量检测汽车生产用到的所有零部件都需要进行质量检测，主要包括尺寸检测、外观缺陷检测等。部分零部件的检测精密度可达到001mm此外，零部件缺失检测、位置检测等也要用到机器视觉技术。如图3-5所示（详见教材）为机器视觉系统对车身进行检测。3 .精准识别利用机器视觉技术对图像的处理和分析功能，可精准识别并记录不同种类及不同型号的汽车零部件，以达到数据的采集和追溯，提高生产的自动化程度。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在对数据的采集与追溯方面，RFID技术和机器视觉技术有什么区别？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解【学生】聆听、理解、记忆探索活动【教师】讲解有关“机器视觉检测技术在汽车行业的实际应用”的材料，学生56人一组分组讨论汽车行业是较早应用机器视觉技术的行业之一，汽车在零件生产、组装等各制造环节要求都t墩高，是一个高科技行业，需要用到多种先进的自动化技术，确保生产高效进行。目前在汽车制造的许多环节都已经使用机器设备自动化进行操作，无须人工操作，但为保证每一次装配的正确性及装配部件的合格性，就需要用到一种可靠的检测技术去检验。请思考：机器视觉在汽车的安全带滚轮检测和汽车控制版面检测系统的应用有哪些？【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答问题【学生】阐述、聆听、记忆课堂小结【教师】简要总结本节课的要点(1)射频识别(RHD)技术的工作原理与特点、RFlD系统的组成、RFID技术在汽车智能制造中的应用(2)机器视觉系统的组成与特点、机器视觉的关键技术、机器视觉技术在汽车智能制造中的应用【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业完成本章学习成果检验中的相关习题。【学生】完成课后任务教学反思