劉亞男,倪鶴鵬,張承瑞,王云飛 ,孫好春

(1. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061；2. 山東大學(xué) 高效與潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室,山東 濟(jì)南 250061)

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基于PC的運動視覺一體化開放控制平臺設(shè)計

劉亞男1,2,倪鶴鵬1,2,張承瑞1,2,王云飛1,孫好春1

(1. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061；2. 山東大學(xué) 高效與潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室,山東 濟(jì)南 250061)

摘要:為了更方便地在運動控制系統(tǒng)中集成機(jī)器視覺,簡化系統(tǒng)復(fù)雜程度,節(jié)約控制系統(tǒng)成本,借助Windows操作系統(tǒng)的實時拓展套件KRTS(Kithara real-time suite),在一臺多核PC上,建立運行實時任務(wù)的實時子系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠與運行非實時任務(wù)的Windows系統(tǒng)并行運行. 使用通用的以太網(wǎng)卡進(jìn)行運動控制數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)的傳輸,取代了運動控制卡、圖像采集卡等專用硬件. 開發(fā)了運動控制與機(jī)器視覺一體化解決方案,實現(xiàn)了控制平臺的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性和網(wǎng)絡(luò)化,系統(tǒng)最大實時響應(yīng)時間為36.96 μs. 基于該平臺,開發(fā)了視覺引導(dǎo)的DELTA高速分揀系統(tǒng)．

關(guān)鍵詞：KRTS；實時性；控制平臺；DELTA機(jī)械手；機(jī)器視覺

數(shù)控技術(shù)作為當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心,反映了一個國家工業(yè)發(fā)展的水平[1]. 目前,由于大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都采用專用的封閉式體系結(jié)構(gòu),使用不同編程語言、多種操作系統(tǒng)和非標(biāo)準(zhǔn)硬件接口,使得各個廠家數(shù)控系統(tǒng)自成體系結(jié)構(gòu),限制了數(shù)控系統(tǒng)的通用性和可重構(gòu)性,阻礙了數(shù)控系統(tǒng)向其他行業(yè)的發(fā)展[2-3].

隨著PC硬件性能的不斷提高,CPU性能完全可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求；另外,PC價格便宜,硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),基于Windows操作系統(tǒng),軟件開發(fā)資源豐富[4],使得PC成為開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的首選硬件平臺[5],進(jìn)而可以推廣到運動控制領(lǐng)域.

縱觀國內(nèi)基于PC的機(jī)器視覺與運動控制方案,在結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上,PC中嵌入NC是目前比較主流的結(jié)構(gòu)形式[5].硬件結(jié)構(gòu)是在通用PC的擴(kuò)展槽中插入運動控制卡和視覺采集卡[6]以實現(xiàn)運動控制或視覺所需要的實時條件,PC僅處理非實時任務(wù). 該結(jié)構(gòu)的缺點是通用PC擴(kuò)展槽的數(shù)量有限,擴(kuò)展性不足；沒有充分發(fā)揮PC的計算性能,閑置軟硬件資源；機(jī)器人視覺通常采用獨立于運動控制器之外的圖像采集與處理方案,即采用智能相機(jī)或單獨的計算機(jī)處理視覺信息,運動控制系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)通過一定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；運動控制卡、圖像采集卡價格昂貴. 另外,在運動控制卡的選型方面,國內(nèi)使用較成熟的僅有美國DELTA公司的PMAC運動控制卡和少數(shù)國外廠商產(chǎn)品,不利于國產(chǎn)運動控制平臺的發(fā)展[7].

針對以上問題,本文建立基于實時以太網(wǎng)的PC+Windows實時拓展軟件KRTS(Kitharareal-timesuite)[8]+ 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的運動視覺一體化控制平臺. 該平臺運動控制、圖像處理、界面顯示等功能均由單臺PC完成；在同一個工程中開發(fā)運動控制系統(tǒng)與視覺處理模塊；開發(fā)了基于該平臺的視覺引導(dǎo)高速抓取系統(tǒng),對該平臺的實時性、穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行應(yīng)用驗證．

1Kithara實時套件軟件架構(gòu)

Kithara實時套件KRTS由德國Kithara軟件公司開發(fā),在Windows操作系統(tǒng)中安裝該套件,可以將通用Windows操作系統(tǒng)拓展為2個并行的“操作系統(tǒng)”：一個是擁有豐富軟硬件平臺資源的Windows非實時操作系統(tǒng)；另一個為實時性能良好的實時子系統(tǒng)KRTS-Kernel,以滿足運動控制所需要的同步實時性. 軟件架構(gòu)如圖1所示.

與傳統(tǒng)非實時操作系統(tǒng)的實時性改造[9]相比,KRTS不需要對系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪配置,不需要專用的硬件設(shè)備支持,可以隨時加載,集成了實時運動控制、工業(yè)圖像處理和現(xiàn)場通信總線等多個成熟的模塊,開發(fā)方便,并且充分利用了PC的軟硬件資源,可以滿足工業(yè)應(yīng)用的實時性要求.

圖 1　實時拓展軟件(KRTS)架構(gòu)Fig.1　Software structure of Kithara real-time suite

實時拓展軟件的主要特點包括以下幾點.

1) 通過共享內(nèi)存、管道、Socket、信號量等來實現(xiàn)非實時任務(wù)與實時任務(wù)的同步與通信.

2)PLC模塊根據(jù)IEC61131-3用不同的編程語言編寫控制程序.

3) 支持EtherCAT、CANopen、Profibus等現(xiàn)場總線.

4) 通過GigE、USB3相機(jī)接口實時獲取圖像,并在Halcon或者其他圖像處理庫(如OpenCV)中進(jìn)行實時圖像處理.

5) 基于優(yōu)先級的實時多任務(wù)環(huán)境.

根據(jù)該實時套件軟件架構(gòu),分別進(jìn)行集成視覺的運動控制平臺的硬件設(shè)計與軟件開發(fā).

2平臺硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的運動控制總線通信采用山東大學(xué)數(shù)控研究中心自主研發(fā)的EtherMAC[10-11]總線控制平臺,通過網(wǎng)關(guān)將松下專有總線RTEX[12]的伺服系統(tǒng)連接到EtherMAC總線平臺上.

RTEX是Panasonic公司為了實現(xiàn)伺服的高速實時性能而獨立開發(fā)的專用伺服總線,協(xié)議簡單. 該總線僅兼容其公司的A4N和A5N等網(wǎng)絡(luò)型總線伺服,缺少必要的開放性好和易于開發(fā)的主控方案. 本文的硬件平臺通過EtherMAC-RTEX網(wǎng)關(guān),使得RTEX接口的伺服可以通過計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行控制. 平臺硬件連接如圖2所示.

圖2　運動控制平臺硬件連接Fig.2　Hardware connection of motion control platform

控制器集成3個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡,通過不同的接口標(biāo)準(zhǔn)連接到不同功能的設(shè)備：GigE[13]相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)連接相機(jī),Ethernet協(xié)議連接示教器,EtherMAC現(xiàn)場總線連接伺服.EtherMAC可以通過不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換分別連接松下與安川伺服,同時支持其他多種現(xiàn)場總線如EtherCAT[14].

3平臺軟件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)平臺軟件基于KRTS完成開發(fā),WindowsApplication、KRTS配置管理模塊等非實時任務(wù)在非實時操作系統(tǒng)中執(zhí)行,而運動控制及其他實時模塊以DLL(dynamiclinklibrary)的方式被加載并運行于內(nèi)核實時層.平臺軟件主要分為4部分：用戶界面層(WindowsAPI)、運行實時任務(wù)的核心運動控制層(KRTSKernel)、用于以上兩層銜接的KRTS配置管理模塊和進(jìn)行物體信息獲取的視覺模塊,具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3　運動控制平臺軟件結(jié)構(gòu)Fig.3　Software structure of motion control platform

3.1用戶界面層(Windows API)

為了實現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)的交互、數(shù)據(jù)顯示、圖像顯示等非實時任務(wù),在軟件結(jié)構(gòu)的非實時環(huán)境中設(shè)置用戶界面層. 用戶可以通過該層開啟相機(jī)、設(shè)置傳送帶速度、改變機(jī)械手的工作模式(點位示教模式、自動模式和手動模式)、設(shè)置機(jī)械手的運動參數(shù)、讀取狀態(tài)信息等. 該層支持多種語言進(jìn)行開發(fā),如.NET語言、C#、VB、還有面向?qū)ο缶幊?、泛型編程和過程化編程的C++語言以及微軟公司提供的基于C++的WindowsAPI類庫MFC(Microsoftfoundationclass)等.

3.2核心運動控制層(KRTS Kernel)：

核心運動控制層負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的實時運動控制,運行在實時環(huán)境下,主要分為機(jī)器人運動控制程序、中斷回調(diào)函數(shù)、EtherMAC-RTEX協(xié)議棧3部分,并封裝在DLL中.在配置管理模塊加載KRTS驅(qū)動后,會搶占多核CPU的一個內(nèi)核作為實時核,將DLL加載到實時內(nèi)核中運行,讓實時任務(wù)獨占一個內(nèi)核,并安裝中斷回調(diào)函數(shù),實時響應(yīng)網(wǎng)卡中斷信號；然后通過EtherMAC-RTEX協(xié)議棧將機(jī)器人運動控制程序計算出的數(shù)據(jù)下發(fā)給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動電機(jī)運行,實時控制機(jī)器人的動作,并實時反饋機(jī)器人工作的狀態(tài)信息.

機(jī)器人運動控制程序提供了機(jī)器人正逆解函數(shù),PTP(pointtopoint)、CP(continuouspath)作業(yè)工藝流程,開發(fā)者可以通過DLL接口調(diào)用所需函數(shù)；其中PTP軌跡規(guī)劃中包含各種加減速算法,如直線加減速、修正梯形加減速[15]、S曲線加減速等,在CP作業(yè)中包含直線插補、圓弧插補和NURBS復(fù)雜曲線插補等.EtherMAC協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)將機(jī)器人運動控制程序計算得出的數(shù)據(jù)以及I/O數(shù)字量、模擬量信號等數(shù)據(jù)組包下發(fā),并解析反饋數(shù)據(jù)包,保證多軸的同步控制及穩(wěn)定性,實現(xiàn)系統(tǒng)的實時通信,姬帥[16]對此進(jìn)行了論證.

3.3KRTS配置管理模塊

該模塊主要實現(xiàn)WindowsAPI與KRTSKernel之間的數(shù)據(jù)通信和管理,包括共享內(nèi)存模塊和配置管理模塊. 配置管理模塊屬于運行在用戶層的KRTSAPI,主要負(fù)責(zé)KRTS驅(qū)動的加載、網(wǎng)卡的枚舉、開辟共享內(nèi)存、加載DLL等. 共享內(nèi)存開辟后,Windows用戶層中的數(shù)據(jù)指針和KRTS內(nèi)核層中的數(shù)據(jù)指針指向同一塊共享數(shù)據(jù)區(qū),實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)與核心運動控制層數(shù)據(jù)的交互.

3.4視覺模塊

系統(tǒng)通過視覺算法模塊得到工件信息,進(jìn)行識別、定位、檢測等操作,引導(dǎo)運動控制部分進(jìn)行相應(yīng)處理.

圖像處理軟件Halcon[17]是德國MVTec公司開發(fā)的具有完善的綜合標(biāo)準(zhǔn)軟件庫和視覺集成開發(fā)環(huán)境,并提供了豐富圖像處理函數(shù)庫. 在Halcon開發(fā)環(huán)境中設(shè)計圖像處理流程,并配置好VisualStudio相應(yīng)的函數(shù)庫后可以直接使用Halcon導(dǎo)出的C++程序,提高了開發(fā)效率,增強了平臺可移植性.

系統(tǒng)工作時,相機(jī)拍攝的圖片經(jīng)過視覺算法處理,獲得目標(biāo)物體的信息；然后將這些信息進(jìn)行一定的處理,通過共享內(nèi)存與運動控制進(jìn)行交互. 根據(jù)任務(wù)對實時性的要求,機(jī)器視覺部分可以運行于實時系統(tǒng)中,也可以運行于非實時系統(tǒng)中,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變.

4平臺應(yīng)用實例

Clavel博士于1985年發(fā)明了DELTA并聯(lián)機(jī)械手.該機(jī)構(gòu)能夠完成對物料的高速分揀、插裝、封裝、包裝等操作,在電子、食品、醫(yī)藥等鄰域得到了廣泛的應(yīng)用[18].

基于提出的平臺,自主設(shè)計開發(fā)DELTA機(jī)械手本體及控制系統(tǒng),實現(xiàn)對物體的高速分揀.樣機(jī)如圖4所示.

圖4　運動視覺一體化系統(tǒng)樣機(jī)Fig.4　Motion-vision system prototype

系統(tǒng)驅(qū)動單元主要有DELTA機(jī)械手的3個電機(jī)與2條傳送帶的2個電機(jī),機(jī)械手與傳動帶的運動參數(shù)均可以在軟件用戶界面層設(shè)置；在視覺方面,通過軟件實現(xiàn)相機(jī)的啟停和圖像處理參數(shù)的修改,并將圖像顯示在用戶界面.

在系統(tǒng)運行時,相機(jī)將拍攝的圖像通過千兆網(wǎng)卡傳輸?shù)絇C,由圖像處理模塊處理后,將物體位置信息通過共享內(nèi)存?zhèn)鬟f給運動控制模塊；運動控制模塊通過遍歷共享內(nèi)存,獲得圖像處理模塊計算出的物體位置信息；若物體進(jìn)入機(jī)械手的抓取范圍,預(yù)測出抓取物體的位置,進(jìn)行軌跡規(guī)劃并抓取物體,若共享內(nèi)存中沒有數(shù)據(jù)更新,說明暫沒有物體進(jìn)入相機(jī)視野,機(jī)械手處在等待狀態(tài).

相機(jī)采用軟件周期觸發(fā)模式,運動控制與圖像處理基于系統(tǒng)統(tǒng)一的時間序列,在觸發(fā)前記錄當(dāng)前時刻,連同物體在視野中的位置信息及傳送帶的速度,預(yù)測出拍攝時物體的位置,消除了由于軟件觸發(fā)和圖像處理產(chǎn)生的延時對物體位置計算的影響. 具體的運行流程如圖5所示.

圖5　運動控制系統(tǒng)的運行流程Fig.5　Operation process of motion control system

以太網(wǎng)總線使用EtherMAC,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點包括松下網(wǎng)關(guān)板與I/O模塊；伺服電機(jī)選用松下A5N網(wǎng)絡(luò)型伺服. 其他硬件參數(shù)如表1、2所示.

表1　運動控制系統(tǒng)控制器參數(shù)

表2　系統(tǒng)視覺模塊相機(jī)參數(shù)

為了測試系統(tǒng)的實時性能、穩(wěn)定性和可靠性,分別對視覺運動控制一體化平臺和基于該平臺的DELTA分揀系統(tǒng)進(jìn)行性能測試.

1)平臺實時性能測試：設(shè)置平臺通訊周期為1ms,連續(xù)運行4h,測試平臺的實時性能及穩(wěn)定性,硬件平臺配置如表1所示.

系統(tǒng)響應(yīng)時間是系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間,是衡量系統(tǒng)實時性能的一個綜合指標(biāo),系統(tǒng)響應(yīng)時間越小則系統(tǒng)實時性能越好[19]. 此處的系統(tǒng)響應(yīng)時間是指實時子系統(tǒng)對以太網(wǎng)卡中斷信號的響應(yīng)時間,即每次下位機(jī)板卡上傳數(shù)據(jù)包到下位機(jī)接收到上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)包之間的時間,在測試系統(tǒng)運行過程中記錄這一延時時間Δt,具體時間的分布如圖6所示.圖中，N為分布數(shù)量.

圖6　控制器響應(yīng)時間分布Fig.6　Distribution of controller response time

由圖6可知,系統(tǒng)響應(yīng)時間全部分布在10～40μs內(nèi),最大響應(yīng)時間為36.96μs,響應(yīng)時間波動很小,說明該平臺具有良好的實時性能.

在工控領(lǐng)域,Beckhoff(倍福)TwinCAT軟件可以基于Windows形成實時內(nèi)核,最短通訊周期為50μs,即系統(tǒng)最大響應(yīng)時間小于50μs.PLC集成了豐富的運動控制功能,可以用于軌跡規(guī)劃和伺服控制[20].與KRTS相比,不支持實時圖像的處理.

2)分揀系統(tǒng)測試.設(shè)置平臺通訊周期為1ms,傳送帶以3種不同的速度分別連續(xù)運行4h,測試平臺的穩(wěn)定性及抓取性能.測試結(jié)果如表3所示. 表中,VCON為傳送帶速度,NSUM為抓取總個數(shù),NLOSS為漏抓個數(shù),NERR為誤抓個數(shù).

表3　運動控制系統(tǒng)抓取實驗結(jié)果

經(jīng)過測試可以得出,系統(tǒng)最快抓取頻率為110次/min,平均抓取率為99.97%,證明了控制平臺在不同速度的抓取狀態(tài)下的穩(wěn)定性與可靠性.

綜上所述,視覺運動一體化解決方案的實時性能良好,性能穩(wěn)定,運行可靠,可以用于需要視覺功能的運行控制.

5結(jié)論

(1)提出PC+Windows7+KRTS的視覺處理與運動控制一體化解決方案.該方案充分利用PC硬件資源,無需運動控制卡及圖像采集卡,簡化了控制系統(tǒng)硬件平臺,平臺的最大響應(yīng)時間為36.96μs.

(2)基于山東大學(xué)自主研發(fā)的EtherMAC以太網(wǎng)協(xié)議+RTEX總線方案,實現(xiàn)了系統(tǒng)對商用網(wǎng)絡(luò)伺服電機(jī)的實時多軸聯(lián)動控制,且擴(kuò)展靈活,適應(yīng)于自動化行業(yè).

(3)開發(fā)出一套基于視覺的高速分揀系統(tǒng),對不同運動速度下的物體進(jìn)行連續(xù)長時間抓取,運行穩(wěn)定,證明了控制平臺的有效性.

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收稿日期：2015-06-23.浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2014BAF09B01).

作者簡介：劉亞男(1990-)，男，碩士生，從事機(jī)器人運動學(xué)的研究. ORCID: 0000-0001-9625-5806. E-mail：lynsdu@qq.com 通信聯(lián)系人：張承瑞，男，教授. ORCID: 0000-0003-1536-589X. E-mail：13969076910@126.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.022

中圖分類號：TP 242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)07-1381-06

PC-basedopencontrolplatformdesignofintegrationofmachinevisionandmotioncontrol

LIUYa-nan1,2,NIHe-peng1,2,ZHANGCheng-rui1,2,WANGYun-fei1,SUNHao-chun1

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China；2. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacturing, Shandong University, Jinan 250061, China)

Abstract:A real-time sub-system taking advantage of Windows real-time extension software KRTS (Kithara real-time suite) was realized on a multi-core CPU computer in order to conveniently integrate motion control with machine vision, simplify motion control system as well as cost less. Real-time tasks ran in real time sub-system and other tasks ran in Windows in parallel. In this way, standard network cards instead of motion control cards and image capture cards were used to transfer data of motion control and images. The solution which integrated motion control with machine vision was proposed and achieved standardization, commonality and network as a motion control platform. The maximum response time of the system was 36.96 μs through test. A vision-guided high speed DELTA sorting system was developed based on the platform．

Key words:KRTS; real-time; motion control platform; DELTA manipulator; machine vision