肖培+薛頂柱+錢鴻志+席嘉俊

摘 要：人參下須的原理是通過比較某一人參須干的直徑是否小于設(shè)定數(shù)值，小于則實行剪切操作的過程。針對這一點，文章設(shè)計了一種基于機器視覺的三軸傳動切割系統(tǒng)，系統(tǒng)運用圖像處理技術(shù)，將圖像經(jīng)過二值化處理，然后合并成簡單的三維圖像，通過判斷物體的直徑是否小于設(shè)定的數(shù)值，小于則利用三軸傳動切割系統(tǒng)進行切割操作，從而實現(xiàn)對規(guī)則物體的定直徑切割。文章將從機械結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)設(shè)計及軟件系統(tǒng)設(shè)計三個方面對系統(tǒng)進行詳細的介紹。

關(guān)鍵詞：機器視覺；三軸傳動；STM32F407ZGT6；二值化；切割系統(tǒng)

機器視覺是研究用計算機來模擬生物視覺的科學技術(shù)[1]。機器視覺自起步到現(xiàn)在，已有幾十年歷史。在這幾十年里，機器視覺蓬勃發(fā)展，各種新概念、新理論不斷涌現(xiàn)。如今，中國作為世界機器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一，應(yīng)用范圍涵蓋了國民經(jīng)濟的各個行業(yè)。

人參下須是將人參須與主枝干分離的過程，目前人參下須采用的是人工下須，此種方法耗時耗力，由于這點，本文提出的一種基于機器視覺的三軸傳動切割系統(tǒng)，系統(tǒng)運用簡單的圖像處理，結(jié)合三軸傳動技術(shù)，可以對規(guī)則物體進行定直徑的切割。以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F4微處理器具有能產(chǎn)生多路PWM輸出的TIM和帶有獨立采樣電路的ADC，其控制系統(tǒng)外圍電路簡單，實時控制速度快，穩(wěn)定可靠，性價比高，非常適合用作三軸傳動系統(tǒng)的驅(qū)動器[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)包括PC端、圖像采集端以及控制端。圖像采集端共有兩套圖像采集裝置，負責采集對應(yīng)的圖像；PC端則負責將采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制指令，然后通過串口通信，發(fā)送給控制端；控制端的控制器采用高性能的STM32F407ZGT6開發(fā)板，負責步進電機及切割頭的控制；同時，控制端還有一個5寸的LCD觸控顯示屏，可以顯示切割頭的位置以及對應(yīng)的控制狀態(tài)，還可以實時控制系統(tǒng)進行切割操作[2]。

2 系統(tǒng)機械設(shè)備概述

本系統(tǒng)是以切割對象的三軸坐標為基礎(chǔ)，將對應(yīng)的三軸坐標轉(zhuǎn)換成機架的空間位移，讓切割頭能夠到達指定切割點的切割系統(tǒng)。系統(tǒng)機械部分由機械平臺、三軸傳動系統(tǒng)和切割頭組成[3]。

系統(tǒng)的機械平臺由30cm×30cm×50cm的鋁型框架搭建而成，三軸傳動系統(tǒng)如圖2所示，以步進電機為動力源，其中xy平面采用H型結(jié)構(gòu)，能夠更好的控制xy平面切割的精準度；切割頭由微型高速電機和切割片構(gòu)成；三部分相互結(jié)合，可以實現(xiàn)定點定距切割，同時保證切割的精確性。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1步進電機控制原理

步進電機是一種可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频臄?shù)字控制電動機。未超載時，通過改變脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)就可以改變電機轉(zhuǎn)速和停止的位置。當使用步進電機驅(qū)動器時，只需要給其一個脈沖信號和方向信號，就能使步進電機按照指定的速率和方向轉(zhuǎn)到指定的位置。

3.2 DRV8825驅(qū)動器和cnc shield v3 擴展板

DRV8825 是德州儀器 （TI） 為打印機、掃描儀和其他自動化設(shè)備設(shè)計的集成電機驅(qū)動芯片。它集成了2 個H 橋電路，以及片上1/32微步進分度器，可以驅(qū)動一個雙極型電機，或兩個直流有刷電機[6]。

cnc shield v3 擴展板可用作雕刻機，3D打印機等的驅(qū)動擴展板，擴展板一共有4路步進電機驅(qū)動模塊的插槽，可驅(qū)動4路步進電機，而每一路步進電機都只需要2個IO口，也就是說，6個IO口就可以很好的管理3個步進電機，使用起來非常的方便，告別傳統(tǒng)步進電機操作繁瑣。此處搭配DRV8825驅(qū)動模塊用作三軸傳動系統(tǒng)的驅(qū)動擴展板。

3.3 控制器選型

三軸傳動系統(tǒng)的控制器采用STM32系列中的STM32F407ZGT6，該控制器采用Cortex_M4內(nèi)核，共擁有112個I/O口，這些I/O口可以控制電機的轉(zhuǎn)動速率和旋轉(zhuǎn)方向、LCD觸控屏數(shù)據(jù)的顯示與采集以及切割頭的運動狀態(tài)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1PC端圖像處理軟件

4.1.1 圖像二值化

圖像二值化的目的是最大限度的將圖像中感興趣的部分保留下來，在很多情況下，也是進行圖像分析、特征提取與模式識別之前的必要的圖像預處理過程。

本軟件使用的二值化算法為基于谷底最小值的閾值算法，此方法實用于具有明顯雙峰直方圖的圖像，其尋找雙峰的谷底作為閾值。該函數(shù)的實現(xiàn)是一個迭代的過程，每次處理前對直方圖數(shù)據(jù)進行判斷，看其是否已經(jīng)是一個雙峰的直方圖，如果不是，則對直方圖數(shù)據(jù)進行半徑為1（窗口大小為3）的平滑，如果迭代了一定的數(shù)量比如1000次后仍未獲得一個雙峰的直方圖，則函數(shù)執(zhí)行失敗，如成功獲得，則最終閾值取兩個雙峰之間的谷底值作為閾值[7][8]。圖3是效果圖。

4.1.2 軟件流程設(shè)計

PC端圖像處理軟件采用C#語言進行編寫，流程圖如圖4所示，軟件首先從兩個攝像頭各獲取一幅圖片，然后對圖像進行灰度和二值化處理，將處理后的圖片合成三維圖像，然后再調(diào)用對應(yīng)的掃描函數(shù)得出對應(yīng)的切割指令，最后通過串口發(fā)送給控制器。

4.2 控制端軟件

4.2.1 UCOS-II操作系統(tǒng)移植

UCOS-II的前身是UCOS，最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J- Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的5月和6月刊上刊登的文章連載，并把UCOS的源碼發(fā)布在該雜志的BBS 上。本系統(tǒng)移植的是UCOS-II 的2.91版本[9]。

UCOSII的移植，我們只需要修改：os_cpu.h、os_cpu_a.asm 和os_cpu.c 等三個文件即可，其中：os_cpu.h，進行數(shù)據(jù)類型的定義，以及處理器相關(guān)代碼和幾個函數(shù)原型；os_cpu_a.asm，是移植過程中需要匯編完成的一些函數(shù)，主要就是任務(wù)切換函數(shù)；os_cpu.c，定義一些用戶HOOK函數(shù)。

4.2.2 相關(guān)初始化函數(shù)

系統(tǒng)移植后，如圖5所示，首先需要對系統(tǒng)進行初始化，部分初始化函數(shù)聲明如下：

//6個限位開關(guān)I/O初始化，用于系統(tǒng)位置校正

void RESET_XYZ_Init（void）；

//串口初始化

//bound：設(shè)置波特率

void UART_Init（u32 bound）；

//獨立看門狗初始化，防止程序跑飛

//prer：分頻數(shù)：0-7（只有低三位有效）rlr：自動裝載初值：0-0xFFF

//分頻因子：4*2^prer 但最大只能是256

//rlr：重裝載寄存器值：低11位有效

//時間計算：Tout=（（4*2^prer）*rlr）/32 （ms）

void IWGD_Init（u8 prer，u16 rlr）；

//切割頭初始化

void Cut_Init（void）；

//LCD觸摸屏初始化

void LCD_Init（void）；

4.2.3 系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建

UCOS-II 2.91版本支持最大255個任務(wù)，不過對于我們來說，一般64個任務(wù)就足夠了。

整個系統(tǒng)一共創(chuàng)建以下5個任務(wù)：

//START任務(wù)：執(zhí)行LCD界面初始化，位置校正以及創(chuàng)建以下4個任務(wù)

#define START_TASK_PRIO 5 //設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級

#define START_STK_SIZE 64//設(shè)置任務(wù)堆棧大小

OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE]；//任務(wù)堆棧

void start_task（void *pdata）；//任務(wù)函數(shù)

//看門狗任務(wù)：防止系統(tǒng)跑飛

#define DOG_TASK_PRIO 4 //設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級

#define DOG_STK_SIZE 64//設(shè)置任務(wù)堆棧大小

OS_STK DOG _TASK_STK[DOG _STK_SIZE]；//任務(wù)堆棧

void dog_task（void *pdata）；//任務(wù)函數(shù)

//串口數(shù)據(jù)接收任務(wù)：接收并處理來自串口的數(shù)據(jù)

#define UART_TASK_PRIO 3 //設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級

#define UART _STK_SIZE 128//設(shè)置任務(wù)堆棧大小

OS_STK UART _TASK_STK[UART _STK_SIZE]；//任務(wù)堆棧

void uart_task（void *pdata）；//任務(wù)函數(shù)

//LCD任務(wù)：用于LCD的顯示以及接收相關(guān)的操作指令

#define LCD_TASK_PRIO 2 //設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級

#define LCD_STK_SIZE 128//設(shè)置任務(wù)堆棧大小

OS_STK LCD_TASK_STK[LCD_STK_SIZE]；//任務(wù)堆棧

void lcd_task（void *pdata）；//任務(wù)函數(shù)

//輕觸開關(guān)檢測任務(wù)：當切割頭越界時，用于重新校正

#define KEY_TASK_PRIO 1 //設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級

#define KEY_STK_SIZE 64//設(shè)置任務(wù)堆棧大小

OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE]；//任務(wù)堆棧

void key_task（void *pdata）；//任務(wù)函數(shù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的系統(tǒng)現(xiàn)在只能對規(guī)則的物體進行定直徑切割，例如，可以切割圓錐體或者四面體直徑小于某一數(shù)值的部分。相信在接下來的時間里，通過優(yōu)化PC端的圖像處理軟件算法，最終可以完成對不規(guī)則物體的定直徑切割。系統(tǒng)的三軸傳動切割子系統(tǒng)通過升級或更改對應(yīng)的部件，也可以適用于多種場合，例如，3D打印機的機械部分基本都是采用三軸傳動系統(tǒng)。

參考文獻

[1]田原 ，黃合成，譚慶昌，等.基于機器視覺的零件尺寸測量[J].激光與光電子學進展，2010，01：82-90.

[2]張團善，張娜，武玉婷.基于增強型STM32驅(qū)動雙極步進電機的研究[J].電子測量技術(shù)，2010，10：16-18+55.

[3]張斌.3D打印驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京印刷學院，2015.

[4]庫少平，劉晶.基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢理工大學學報，2009，03：107-110.

[5]羅鑫，張峰.基于ARM Cortex-M3的步進電機線性速度控制的實現(xiàn)[J].電氣自動化，2009，05：42-44.

[6]吳迪.基于DRV8825的打印機電機驅(qū)動電路設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013，11：62.

[7]J. M. S. Prewitt and M. L. Mendelsohn， “The analysis of cell images，” innnals of the New York Academy of Sciences， 1966，128：1035-1053.

[8]C. A. Glasbey， “An analysis of histogram-based thresholding algorithms，” CVGIP： Graphical Models and Image Processing， 1993，55：532-537.

[9]張洋，劉軍，嚴漢宇，等. 精通STM32F4（庫函數(shù)版）[M].北京：北京航空航天大學出版社， 2015.

作者簡介：肖培（1996-），男，漢族，湖南邵陽，在讀本科生，研究方向：嵌入式開發(fā)。