孔晨浩，宋淮桐

基于STM8的機器視覺檢測平臺設(shè)計＊

孔晨浩，宋淮桐

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

針對工業(yè)生產(chǎn)中某些精密零件需要機器視覺檢測來檢驗合格性的要求，介紹了一種基于STM8S單片機的機器視覺檢測平臺的設(shè)計方案，闡述了對伺服電機的控制原理與控制方案，實現(xiàn)了梯形加減速的效果，可準(zhǔn)確到達指定位置，并對檢測平臺進行了整體設(shè)計，包括對攝像頭、電源、控制器等的設(shè)計。該平臺可實現(xiàn)對精密零件的缺陷檢測、形狀識別、位置標(biāo)定等功能，結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定且電路簡單。

檢測平臺；STM8S；控制器；機器視覺

目前，機器視覺是人工智能的核心技術(shù)之一，其核心是用機器代替人眼和大腦去觀測和判斷。綜合了光學(xué)、機械、電子、計算機軟硬件等方面，涉及到計算機圖像處理、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領(lǐng)域，是跨學(xué)科的前沿高科技技術(shù)。

基于制造業(yè)的發(fā)展需求，各大高校都開設(shè)了機器視覺的課程，但該課程理論性較強，學(xué)生不易理解，通過實踐操作能讓學(xué)生更快掌握機器視覺圖像處理算法和技巧，為今后實際項目應(yīng)用打好基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的機器視覺檢測系統(tǒng)實驗平臺設(shè)備陳舊、軟件集成化且功能單一，使所開設(shè)的實驗無法達到預(yù)期效果。

在該情況下，設(shè)計一個基于STM8的機器視覺檢測平臺，這對于豐富實驗平臺的功能，實現(xiàn)對精密零件的缺陷檢測、形狀識別、位置標(biāo)定等操作都有較大的幫助。同時，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實現(xiàn)人機交互都具有重要的意義。

1 開發(fā)背景

一個合適的實驗平臺，需要從學(xué)生出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生實驗操作和解決實際問題的能力。本項目擬改造實驗室現(xiàn)有的機器視覺檢測平臺，升級其自動化運動控制系統(tǒng)，完成尺寸測量、顏色識別、缺陷檢測、字符識別、匹配定位等實驗項目，使實驗效果更貼近實際應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本項目所開發(fā)的機器視覺檢測平臺是對實驗室現(xiàn)有設(shè)備的升級改造。國內(nèi)雖然有同類產(chǎn)品，但價格昂貴（10萬元左右），而且軟件集成化，開設(shè)演示實驗，無法進行設(shè)計類綜合型實驗。本項目針對機電專業(yè)課程設(shè)置，研究運動系統(tǒng)的控制程序，所設(shè)計檢測平臺的軟件部分采用模塊化設(shè)置，后臺程序可根據(jù)需求任意修改，提高了學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動性，加深了其對專業(yè)知識理解的深度。

2 實驗平臺簡介

2.1 實驗平臺的構(gòu)成

本實驗平臺主要包括多功能檢測實驗平臺運動控制部分、機器視覺在線檢測系統(tǒng)和圖像處理軟件部分。利用現(xiàn)有的機器視覺在線檢測系統(tǒng)和圖像處理軟件，通過對運動控制的設(shè)計，實現(xiàn)機器視覺檢測平臺的多樣化、簡單化。整體裝置如圖1所示。

圖1 整體裝置示意圖

2.2 實驗平臺設(shè)計基本原理

構(gòu)建的多功能實驗平臺要能模擬各種工業(yè)檢測環(huán)境，運動控制部分選用工業(yè)PC+單片機+伺服電機的控制模式。單片機是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8S208MB，其中STM8主控板由STM8微控制器模塊、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、實時時鐘模塊、傳感器接口以及各種接口構(gòu)成，通過對STM8的開發(fā)，可開發(fā)出自己的控制系統(tǒng)[1]。運動控制模塊分為直線位移臺及旋轉(zhuǎn)臺的控制。

2.3 實驗平臺開發(fā)的意義

本項目從實驗開發(fā)出發(fā)，探索新的實驗?zāi)Ｊ?，充分利用學(xué)校實驗室現(xiàn)有資源，以項目驅(qū)動，培養(yǎng)學(xué)生實驗操作和解決實際問題的能力，加強了學(xué)生對專業(yè)課知識的理解，提高學(xué)習(xí)的主動性。機電類專業(yè)課內(nèi)容較抽象且理論性強，學(xué)生在課堂上只學(xué)習(xí)了基本原理，無直觀認識。通過參與實驗平臺的實際操作，加強對基礎(chǔ)知識的理解，提高學(xué)習(xí)主動性，加深對專業(yè)知識理解的深度。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

該機器視覺檢測平臺主要由PC端、相機、光源、試驗臺、單片機最小系統(tǒng)、伺服電機控制器、伺服電機、傳感器檢測模塊、電源模塊等組成。被測物放置在載物臺上，通過PC端發(fā)送相關(guān)脈沖指令到伺服電機控制器，控制伺服電機運動到最佳觀測位置后，通過PC端操作，獲取多組高質(zhì)量零件圖像，從而對零件質(zhì)量進行分析。硬件系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)控制

3.1 核心控制器

該實驗平臺選用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8S208MB單片機作為核心控制器[2]，其內(nèi)部定時器TIME1為一種16位高級控制定時器，這是一個為更加廣泛的控制應(yīng)用而設(shè)計的一種高端定時器。而本實驗之所以選用該單片機的最重要原因是該定時器中的電平翻轉(zhuǎn)模式，實現(xiàn)對脈沖的精確控制，從而更好地控制伺服電機，實現(xiàn)梯形加減速效果。其次，還有4個獨立的捕獲/比較通道，可配置成輸入捕獲、輸出比較，還有3個輸入捕獲/輸出比較中斷，1個溢出/更新中斷，1個break中斷，都為控制伺服電機提供了良好條件。

3.2 伺服電機

該實驗平臺選用HM90B滾珠絲杠直線滑臺模組，配有1.6 N·m的57伺服電機。滑臺整體密封性好，并在側(cè)槽中配有對應(yīng)的螺母，可用于安裝傳感器檢測模塊，采用高精度滾珠絲杠，可實現(xiàn)精確定位，滑塊擁有良好的精度和韌性，同時該模組震動小，不會對相機成像造成影響，伺服電機力矩大、精度高，為實驗平臺的精確定位提供了硬件基礎(chǔ)。

3.3 傳感器檢測模塊

在該實驗平臺的搭建中，在電機的初始位置和極限位置都設(shè)有位置傳感器，實時監(jiān)控檢測平臺的位置，保證實驗安全進行。使用該方法，需在實驗開始前，進行人為調(diào)節(jié)，使實驗平臺對準(zhǔn)鏡頭，找到最佳位置。該方法對硬件要求少，搭建方便，但無法實現(xiàn)自動控制。

可在檢測平臺和相機安裝架上分別設(shè)置紅外發(fā)生器和紅外接收器實現(xiàn)自動控制，實時檢測實驗平臺的位置，該方法需在搭建平臺時確定好發(fā)生器和接收器的對應(yīng)位置，在實驗進行過程中無需人為操作，但對硬件設(shè)施要求高，搭建 復(fù)雜。

在具體進行實驗時，根據(jù)實際情況選擇不同定位方法。本實驗平臺因只需實現(xiàn)簡單的圖像識別、零件數(shù)量少，因此，選擇第一種方法更加經(jīng)濟合適。

3.4 相機以及光源選擇

相機選用了MV-VD USB2.0型高速高清工業(yè)相機，該相機采用幀曝光作為傳感器，圖像質(zhì)量高、色彩還原性好。以USB2.0作為輸出，信號穩(wěn)定，可以基本滿足該實驗的檢測要求。相機型號如圖3所示。

光源選擇上，選用高角度環(huán)形光源，該光源經(jīng)濟合適，可達到無影光源的效果，實現(xiàn)大視野高均勻照明。在實驗平臺中，使用環(huán)形光源還可避免陰影對實驗圖像的影響，得到高質(zhì)量的零件照片，為之后的圖像識別提供有力支撐。光源如圖4所示。

圖3 相機型號示意圖

圖4 光源示意圖

4 運動控制系統(tǒng)設(shè)計

為了保證得到清晰高質(zhì)量的零件圖像，該實驗平臺對運動控制系統(tǒng)進行了詳細認真的設(shè)計，在保證運動精度的同時，發(fā)揮運動控制系統(tǒng)的最佳性能，實現(xiàn)各個硬件模塊的信息傳遞，同時設(shè)計了簡單易使用的運動指令，實現(xiàn)簡單的梯形加減速控制。基本控制流程如圖5所示。

圖5 運動控制系統(tǒng)思路

4.1 脈沖發(fā)生器

為了驅(qū)動伺服電機，需要單片機產(chǎn)生脈沖方波。常用的控制伺服電機的方法有PLC直接控制，利用PWM波控制等方法。前者電路復(fù)雜，功能集成度高，在本實驗平臺中經(jīng)濟效用不高；而后者控制方法不直觀，功能上的改進有難度。因此，本實驗利用單片機的電平翻轉(zhuǎn)模式產(chǎn)生脈沖，達到控制電機的目的。

電平翻轉(zhuǎn)模式為單片機定時器中的一種功能，該模式下，單片機會捕獲定時器的計數(shù)值，與事先確定好的閾值進行比較，兩者相等時，電平自動翻轉(zhuǎn)。而在控制電機的過程中，做完比較后，在原有的閾值基礎(chǔ)上加一個數(shù)值，得到新的閾值，再進行電平翻轉(zhuǎn)，依次往復(fù)進行，得到控制電機的脈沖。

4.2 梯形加速算法

在實際工作中，電機可以達到較高的運行速度，但由于其本身的工作特質(zhì)，當(dāng)開始運行時給予較高頻率的脈沖會使電機卡住，無法動作。而梯形加速可解決該問題，相當(dāng)于給電機以緩沖階段，從而達到較高的運行速度，提高工作效率。在本實驗平臺中，結(jié)合核心控制器的電平翻轉(zhuǎn)模式，驗證了梯形加速算法在該平臺開發(fā)中的可行性。

梯形加速如圖6所示。

圖6 梯形加速示意圖

在具體實現(xiàn)方面，電機速度的控制關(guān)鍵在于脈沖的頻率，勻速運動的脈沖頻率是固定的，加速時脈沖頻率是遞增的。將這樣的原理反映到電平翻轉(zhuǎn)模式中，勻速運動時閾值按照定值遞增，保證脈沖的頻率固定；加速運動時，按照對應(yīng)的比例求出遞增值，加到之前的閾值中，使脈沖頻率逐漸增高，從而實現(xiàn)加速效果；減速運動的不同點在于使脈沖頻率逐漸降低，達到減速效果。電平翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生加速脈沖如圖7所示，加速脈沖如圖8所示。

4.3 動作指令

動作指令的發(fā)送用到了核心控制器的串口通信模塊，從PC端通過串口將相關(guān)指令發(fā)送給單片機，進而控制電機運動。在指令設(shè)計中，采用了（，）的絕對坐標(biāo)模式。上電后先讓電機運動，帶動載物臺回到原點，原點處由位置傳感器接收信息，寫入存儲器，記錄原點坐標(biāo)；之后，根據(jù)指令特征，識別不同坐標(biāo)軸的行程大小、運動方向，并將運動信息進行整合，實時記錄載物臺位置。同時，為保證實驗安全進行，還設(shè)置有急停、快進、快退等指令，并根據(jù)具體指令運行情況記錄載物臺位置。

圖7 電平翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生加速脈沖

圖8 加速脈沖示意圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種以STM8為核心控制器的機器視覺檢測實驗平臺，用于工業(yè)中零件的缺陷檢測、形狀識別以及位置標(biāo)定等。本平臺的運動控制系統(tǒng)有動態(tài)響應(yīng)靈敏、速度調(diào)節(jié)范圍大、震動小等優(yōu)點，同時在設(shè)計過程中考慮到了安全可靠的因素，保證該實驗平臺工作穩(wěn)定，滿足性能要求，對工業(yè)上零件的缺陷檢測的控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)都具有指導(dǎo)意義，同時可以在該平臺上進行二次開發(fā)，達到更加精確的效果。

［1］劉永鑫，洪添勝，徐興，等.基于STM8滴灌自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實驗［C］//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會，2011.

［2］高兵權(quán)，肖學(xué)福，湯麗，等.基于STM8S單片機的貨場鐵路道口自動報警裝置設(shè)計［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2012，9（4）：35-39.

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.023

2095－6835（2020）22－0059－03

天津科技大學(xué)大學(xué)生實驗室創(chuàng)新基金項目（編號：1901A204）

孔晨浩（1999—），男，本科在讀。宋淮桐（1999—），女，本科在讀。

〔編輯：張思楠〕