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(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

0 引言

機(jī)器視覺是人工智能領(lǐng)域內(nèi)正在快速發(fā)展的一個分支，它是利用計算機(jī)模擬生物視覺的技術(shù)。機(jī)器視覺因具有觀察范圍廣，觀察時間長，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車，電子等行業(yè)[1-3]，但傳統(tǒng)基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)具有可移植性差，安裝不便等缺點(diǎn)[4]，因此迫切需要可用于自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的便攜式機(jī)器視覺組件。隨著嵌入式系統(tǒng)性能的進(jìn)一步發(fā)展與提高，許多過去主要憑借PC處理的各種應(yīng)用開始逐漸的傾向于嵌入式平臺，尤其是低端領(lǐng)域的智能相機(jī)和結(jié)構(gòu)功能更為全面的嵌入式視覺主機(jī)，文獻(xiàn)[5]將嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器視覺控制結(jié)合起來,設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器視覺測控系統(tǒng)；卲華等[6]設(shè)計基于機(jī)器視覺的嵌入式定位沖孔系統(tǒng)，并利用快速Hough變換算法進(jìn)行圖像圓心定位，實現(xiàn)印制電路板的定位沖孔；基于嵌入式的機(jī)器視覺系統(tǒng)繼承了基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)勢,并且解決了基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)在實際應(yīng)用方面存在的不足之處,使機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能方面有了一定程度的提升。在運(yùn)動控制技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)今，機(jī)器視覺技術(shù)、嵌入式技術(shù)及控制技術(shù)組成的基于嵌入式機(jī)器視覺的控制系統(tǒng),成為機(jī)器視覺發(fā)展與研究的一個新的趨勢。因而，本研究設(shè)計了基于DSP與運(yùn)動控制器的測控系統(tǒng)，嘗試將嵌入式機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)，并取得了良好的效果。

1 機(jī)器視覺與運(yùn)動控制系統(tǒng)平臺設(shè)計

機(jī)器視覺與運(yùn)動控制系統(tǒng)平臺分別由圖像處理模塊，控制模塊與通信模塊三個部分組成。該系統(tǒng)平臺采用TI公司的DM642芯片作為本次實驗的圖像處理模塊，其工作主頻更是高達(dá)720 MHz，不僅信息處理能力十分強(qiáng)大，而且開發(fā)周期短、產(chǎn)品穩(wěn)定性較高，是專用于數(shù)字媒體應(yīng)用方面的一款高性能32位定點(diǎn)DSP[7]。通信模塊主要是由PC機(jī)的COM1口以及DSP的RS232接口構(gòu)成，它們分別完成信號的采集和輸出。系統(tǒng)控制模塊分別由固高科技運(yùn)動控制器，伺服電機(jī)以及和其相匹配的臺達(dá)伺服驅(qū)動器等三部分組成，用于控制伺服電機(jī)實現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動，進(jìn)而驗證運(yùn)動控制器與DSP是否能夠?qū)崿F(xiàn)正常通信，系統(tǒng)平臺如圖1。

圖1 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)上電后，初始化伺服驅(qū)動器與運(yùn)動控制器的參數(shù)；其次運(yùn)行PC機(jī)端的C#程序不斷判斷PC機(jī)的COM1口接收到的數(shù)據(jù)；然后將圖像處理C程序下載到DSP中；接著運(yùn)行圖像處理程序?qū)CD相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理，當(dāng)檢測到目標(biāo)后，DSP通過RS232接口發(fā)送數(shù)據(jù)到PC的COM1口。

2 測控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 圖像處理算法設(shè)計

圖像處理硬件環(huán)境為TI的DM642芯片，軟件環(huán)境為CCS3.3(Code Composer Studio 3.3)，編程語言為C語言，本研究將文獻(xiàn)[8]中提出的MATLAB圖像處理算法移植到DSP上，算法流程如圖2。

圖2 圖像處理算法流程

該算法共分為4個步驟進(jìn)行，分別如下：

第一步：開始時，需要先進(jìn)行初始化操作，使用改進(jìn)型的半因果支持域聯(lián)合改進(jìn)型最大化背景預(yù)測對連續(xù)4幀的原始圖像實現(xiàn)預(yù)處理操作，然后把得到的4幀殘差圖像傳送到流水線管道1中；

第二步：其次，對經(jīng)過初始化操作得到的4幀殘差圖像在流水線管道1中作交叉差分運(yùn)算[9]，隨后將得到的交叉差分后的圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割處理，且將得到的兩幀二值圖像傳送到流水線管道2中。

第三步：接著對流水線管道2中的兩幀二值圖像進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算[10]，使用邏輯“與”運(yùn)算的目的是為了增強(qiáng)算法的穩(wěn)定性，消除一些僅在單幀圖像中隨機(jī)出現(xiàn)的干擾噪聲點(diǎn)；

第四步：形態(tài)學(xué)開運(yùn)算[11]去除一些比弱小目標(biāo)小的噪聲點(diǎn)，同時保留結(jié)構(gòu)元素所不能腐蝕的且保持像素點(diǎn)灰度級和目標(biāo)特性相對不變的點(diǎn)。本研究根據(jù)弱小目標(biāo)的大小選擇1×3的垂直結(jié)構(gòu)元素，并依次對邏輯“與”操作后的圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹運(yùn)算，并得到弱小目標(biāo)的檢測結(jié)果。

其中，公式(1)和公式(2)所示的為自適應(yīng)閾值分割算法的表達(dá)式：

(1)

式中,f(m,n)為圖像像素點(diǎn)(m,n)經(jīng)過預(yù)處理后的灰度值，s(m,n)為圖像像素點(diǎn)(m,n)經(jīng)過自適應(yīng)閾值分割后的灰度值，其中T表示使用自適應(yīng)閾值法確定的閾值：

T=mean+λσ

(2)

式(2)中,mean為圖像的灰度均值，σ為圖像預(yù)處理后的灰度均方差，p為閾值分割加權(quán)系數(shù)，一般可以取2～15，本次實驗p取12。

2.2 通信電路設(shè)計

測控系統(tǒng)的通信主要指圖像處理模塊DSP與控制模塊運(yùn)動控制器之間的通信，數(shù)據(jù)發(fā)送的功能的實現(xiàn)主要依靠圖像處理模塊DSP中的RS232通信，檢測到目標(biāo)的DSP，可以把信號傳送給PC機(jī)，該項功能也可以通過把數(shù)據(jù)預(yù)先安放到DSP中加以實現(xiàn)，在利用算法檢測到目標(biāo)后，預(yù)先安置在DSP串口中的數(shù)據(jù)即被發(fā)送給PC機(jī)，運(yùn)動控制器接收到的數(shù)據(jù)是通過PC機(jī)串口進(jìn)行讀取獲得的，從而完成控制伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位運(yùn)動，DSP發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

1)像素點(diǎn)的灰度值判斷。經(jīng)過算法處理后得到的圖像是一幀灰度值為0和255的二值圖像，其中0表示為黑色，255表示為白色，如果經(jīng)過圖像處理后的圖像中含灰度值為255的像素點(diǎn)，則可以判斷出檢測結(jié)果中含有弱小目標(biāo)。本文處理的圖像共167160個像素點(diǎn)，其圖像大小為420 pixel×398 pixel；

2)數(shù)據(jù)發(fā)送。對圖像像素點(diǎn)的處理采用遍歷的方式，體現(xiàn)到程序中即為循環(huán)掃描的方式，當(dāng)像素點(diǎn)灰度值為0時，程序會繼續(xù)判斷下一個像素點(diǎn)的灰度值，如果像素點(diǎn)的灰度值為255，則向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)被PC機(jī)接收后，則控制電機(jī)完成點(diǎn)位運(yùn)動，本文發(fā)送的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制的02。

2.3 運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件采用的是固高科技公司GTS-400系列運(yùn)動控制器，其主要控制單元由DSP與FPGA兩部分構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的點(diǎn)位運(yùn)動控制[12]。運(yùn)動控制硬件系統(tǒng)主要是由運(yùn)動控制器、臺達(dá)ASDA-AB伺服驅(qū)動器及伺服電機(jī)組成。運(yùn)動控制器使用PCI總線及多軸端子板與臺達(dá)ASDA-AB伺服驅(qū)動器進(jìn)行連接，再經(jīng)由伺服驅(qū)動器連接伺服電機(jī)共同構(gòu)成了運(yùn)動控制硬件系統(tǒng)。軟件通過Visual Studio 2010編程，編程語言為C#語言。控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是響應(yīng)PC機(jī)接收到的數(shù)據(jù)16#02，并控制伺服電機(jī)完成點(diǎn)位運(yùn)動，控制系統(tǒng)對PC機(jī)接收數(shù)據(jù)的響應(yīng)方式為查詢方式，即運(yùn)動控制器輪詢PC機(jī)COM1口的數(shù)據(jù)，軟件控制界面如圖4所示。

圖4 C#控制界面

1)初始化。程序開始運(yùn)行后，先對運(yùn)動控制器進(jìn)行復(fù)位，然后對運(yùn)動控制器進(jìn)行初始化，載入配置文件到運(yùn)動控制器，對軸的報警和限位進(jìn)行清除，最后對軸的位置信息進(jìn)行清零操作。

2)點(diǎn)位運(yùn)動參數(shù)設(shè)置。先對軸號進(jìn)行選擇，文中試驗選擇的是軸1，速度設(shè)置為100 pulse/ms，步長設(shè)置為200000 pulse，減速度設(shè)置為0.5 pulse/ms2，加速度設(shè)置為0.5 pulse/ms2，平滑時間設(shè)置為0 ms；

3)伺服使能及啟動運(yùn)動。此時程序不停輪詢接收數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)是02時，系統(tǒng)啟動點(diǎn)位運(yùn)動，否則，程序?qū)?shù)據(jù)區(qū)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢操作；

4)運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)測。位置和速度兩個參數(shù)均為運(yùn)動監(jiān)測的對象，在啟動運(yùn)動之前，先完成點(diǎn)位運(yùn)動位置和速度參數(shù)的規(guī)劃，啟動運(yùn)動開始之后，再通過程序界面顯示的實際速度與位置來對控制系統(tǒng)執(zhí)行情況進(jìn)行判斷。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 圖像處理結(jié)果

DM642芯品為本次實驗圖像處理部分的主處理器，利用C語言編寫檢測弱小目標(biāo)的算法程序，通過DSP集成開發(fā)軟件Code Composer Studio 3.3進(jìn)行移植、編譯、調(diào)試及優(yōu)化，將調(diào)試無誤的算法程序下載到DSP中，對目標(biāo)出現(xiàn)前、出現(xiàn)后的兩幀原始圖像進(jìn)行處理，利用嵌入式機(jī)器視覺單元檢測復(fù)雜背景下的弱小目標(biāo)，原始圖像的來源同文獻(xiàn)[13]。圖5、圖6分別為目標(biāo)出現(xiàn)前、出現(xiàn)后的原始圖像。

圖5 目標(biāo)出現(xiàn)前圖像A 圖6 目標(biāo)出現(xiàn)出后圖像B

圖7為本文算法檢測結(jié)果的三維灰度圖，灰度較高的部分即對應(yīng)圖7白色方框中的弱小目標(biāo)，原始圖像的背景和噪聲會對目標(biāo)的檢測產(chǎn)生一定的干擾，目標(biāo)經(jīng)過預(yù)處理、幀差、自適應(yīng)閾值分割、邏輯“與”、形態(tài)學(xué)運(yùn)算等處理操作后，會使其干擾得到有效的抑制，且能夠成功檢測出目標(biāo)。

圖7 檢測結(jié)果的三維灰度圖

3.2 通信實驗結(jié)果與分析

RS232通信結(jié)果如圖8所示，規(guī)劃速度和實際速度由狀態(tài)監(jiān)測的速度和位置參數(shù)得知并且均是100 pulse/ms；規(guī)劃位置和實際位置基本保持一致，分別為200000 pulse和200001 pulse，伺服電機(jī)在預(yù)先設(shè)定的參數(shù)下實現(xiàn)了點(diǎn)位運(yùn)動，且接收數(shù)據(jù)區(qū)的PC機(jī)端接收的數(shù)據(jù)為16#02， 與DSP中發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，成功在DSP與PC機(jī)之間實現(xiàn)了RS232通信。

圖8 RS232通信結(jié)果

4 結(jié)論

基于RS232通信的嵌入式機(jī)器視覺測控系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確、快速的檢測目標(biāo)；并能對圖像處理模塊的信號輸出做出快速響應(yīng)，進(jìn)而精確控制伺服電機(jī)實現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動，順利完成對目標(biāo)的檢測、通信、控制一體功能。對嵌入式機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)具有實際意義。

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