視覺控制在位置跟蹤系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

楊正芳

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

制造型客戶在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，許多工位需要人工定位，人工檢測(cè)，由于人力成本的增加，制造型企業(yè)希望提升制造線的自動(dòng)化水平，針對(duì)這一客戶需要，針對(duì)性的開發(fā)設(shè)計(jì)了一款視覺系統(tǒng)。

1 主要部件組成

組成：系統(tǒng)由工業(yè)照相機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及I/O接口組成（見圖1）。

（1）工業(yè)照相機(jī)：包括光源、鏡頭及相機(jī)等部件。

（2）工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括工業(yè)計(jì)算機(jī)硬件、控制系統(tǒng)軟件、相機(jī)及I/O 接口的驅(qū)動(dòng)程序等。

（3）I/O接口：可接PLC，或其他控制輸入輸出信號(hào)。

圖1 視覺控制系統(tǒng)組件

2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)特征及技術(shù)要求

系統(tǒng)采用30萬像素黑白工業(yè)照相機(jī)，初始可同時(shí)配置8 個(gè)取樣點(diǎn)；可測(cè)量位置偏移及角度偏轉(zhuǎn)，并進(jìn)行比較和數(shù)據(jù)的讀取，進(jìn)行跟蹤及尺寸計(jì)算；單點(diǎn)跟蹤運(yùn)算時(shí)間100～500 ms，動(dòng)態(tài)配置輸入輸出的開關(guān)量及通信接口，提供RS232、RS485及CAN總線接口。

系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、工業(yè)相機(jī)、I/O 接口模塊，工業(yè)相機(jī)及I/O 接口模塊均采用USB 接口與工業(yè)計(jì)算機(jī)相連，不需要連接外部電源。為達(dá)到較好的性能，工業(yè)計(jì)算機(jī)需要配置2核/2GHz處理器、2GB內(nèi)存及以上的更高配置。工業(yè)相機(jī)采用HV030UM，也可根據(jù)實(shí)際需要配置適當(dāng)焦距的定焦/變焦鏡頭。

3 I/O 硬件設(shè)計(jì)及通信協(xié)議

3.1 接口

I/O 接口通過接口模塊實(shí)現(xiàn)，模塊一端為USB接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0，與系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接。另一端是采用6 線制的接口，向其他開關(guān)量設(shè)備及通信設(shè)備提供信息連接（見圖2）。

圖2 I/O接口模塊

圖3 I/O 管腳

3.1.1 通信接口

通信由三條線組成（見圖3）：GND（端口6，黑色線）；RX_A_H（端口1，綠色線）；TX_B_L（端口2，黃色線）。通過軟件設(shè)置，可以設(shè)置為RS232、RS485、CAN 總線等傳輸方式，其中，RS232、RS485 通信采用1 個(gè)起始位，8 位數(shù)據(jù)，1 個(gè)停止位，無校驗(yàn)位，波特率通過軟件設(shè)置；CAN 總線采用320k 波特率，接收ID=1001，發(fā)送ID=1002。

3.1.2 開關(guān)量輸出

開關(guān)量輸出由三條線組成（見圖3）：VSS（端口5，白色線）、VDD（端口3，紅色線，與輸入線共用）、Vout（端口4，藍(lán)色線）。根據(jù)設(shè)定可以選擇有PNP輸出模式或NPN輸出模式

3.1.3 開關(guān)量輸入

開關(guān)量輸入兩條線組成（見圖3）：VSS（端口5，白色線）、Vin（端口3，紅色線，與外部配置供用）。通過軟件設(shè)置確定輸入模式，有上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)，響應(yīng)時(shí)間為50～100 ms。

3.2 通信協(xié)議

編碼數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包的編碼發(fā)送形式。

3.2.1 RS232/485協(xié)議

定位：

采用編碼數(shù)據(jù)的發(fā)送模式。數(shù)據(jù)DATA 格式如下（從左到右，從上到下發(fā)送）。

ADR SY1 44H DX0 ID DX1 ST DY0 SX0 DY1 SX1 AG0 SY0 AG1

其中，ADR 是軟件設(shè)置的通信地址，在“輸出信息配置”“接口地址”中設(shè)置。ID 是取樣點(diǎn)的編號(hào)，在軟件中打開取樣點(diǎn)屬性框可以查看到。ST 不為0 表示定位查找成功，否則為失敗。取樣點(diǎn)原始地址坐標(biāo)：X=SX1·256+SX0，Y=SY1·256+SY0當(dāng)前測(cè)試的地址坐標(biāo)：X=DX1·256+DX0，Y=DY·1256+DY0

按逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)角度：AG·1256+AG0

對(duì)比：

采用編碼數(shù)據(jù)的發(fā)送模式。數(shù)據(jù)格式如下（從左到右發(fā)送）：

ADR 33H ID ER0 ER1 ST

其中，ADR 是軟件設(shè)置的通信地址，在“輸出信息配置”“接口地址”中設(shè)置。ID 是取樣點(diǎn)的編號(hào)，在軟件中打開取樣點(diǎn)屬性框可以查看到。ST 不為0 表示比對(duì)完成，否則標(biāo)示未進(jìn)行比對(duì)。不匹配的分塊數(shù)：ER1·256+ER0，如果為0表示完全匹配。

3.2.2 CAN總線協(xié)議

數(shù)據(jù)采用原碼數(shù)據(jù)的模式發(fā)送，定位、對(duì)比、條碼的數(shù)據(jù)格式與RS232/485 通信協(xié)議章節(jié)相同。CAN總線是按數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)的，每個(gè)數(shù)據(jù)包只能發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)，因此在發(fā)送端需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，接收端需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包。數(shù)據(jù)包的格式如下：

SER T0TAL DATA

SER：數(shù)據(jù)包編號(hào)，0～N；TOTAL：數(shù)據(jù)包的總數(shù)，1～N+1；DATA：發(fā)送的數(shù)據(jù)，最多為6字節(jié)。組包時(shí)，必須按照數(shù)據(jù)格式中從左到右、從上到下的模式進(jìn)行，不是最后編號(hào)的數(shù)據(jù)包必須放滿6字節(jié)數(shù)據(jù)，最后一個(gè)數(shù)據(jù)包放剩余的數(shù)據(jù)，可能不夠6字節(jié)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及界面參數(shù)配置

4.1 主界面窗口

主界面設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 主界面窗口

1為系統(tǒng)菜單：包括有功能、配置、幫助；

2為實(shí)時(shí)影像窗口：如果工業(yè)相機(jī)連接及驅(qū)動(dòng)安裝正確，窗口將顯示實(shí)時(shí)影像；

3為取樣圖片窗口：顯示當(dāng)前的取樣圖片；

4為運(yùn)行圖片窗口：顯示拍照獲取的當(dāng)前正在處理的圖片，其中取樣模式顯示取樣圖片，運(yùn)行模式顯示當(dāng)前操作圖片；

5為取樣區(qū)域：綠色邊框內(nèi)為取樣區(qū)域，取樣點(diǎn)只能在該區(qū)域內(nèi)選?。?/p>

6為取樣點(diǎn)：選取的取樣點(diǎn)，可以是位置及角度跟蹤點(diǎn)、亮度基準(zhǔn)點(diǎn)、尺寸基準(zhǔn)點(diǎn)、區(qū)域?qū)Ρ赛c(diǎn)、特定讀取點(diǎn)；其中，位置及角度跟蹤點(diǎn)取樣成功的顯示為橙色，未取樣成功的顯示為黃色，鼠標(biāo)移動(dòng)到該位置時(shí)會(huì)顯示取樣區(qū)域及跟蹤區(qū)域大小，點(diǎn)擊鼠標(biāo)可以進(jìn)入取樣點(diǎn)配置窗口。在實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)過程中，顯示各信息數(shù)據(jù)等。

4.2 取樣界面參數(shù)配置設(shè)定窗口

在取樣區(qū)域內(nèi)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，或者在已存在的取樣點(diǎn)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，將彈出取樣窗口，見圖5，根據(jù)圖中設(shè)置要求，對(duì)取樣點(diǎn)、跟蹤位置、檢測(cè)尺寸范圍和模式等進(jìn)行數(shù)據(jù)的配置及模式的選擇。

4.3 影像源設(shè)置菜單

勾選“模擬卡/USB”使用模擬卡的影像源，使用基于SAA7134HL 芯片的PCI 卡，可以選擇檢測(cè)列出的“設(shè)備”及設(shè)備的通道端口，并外接攝像頭，保存后重新啟動(dòng)，否則設(shè)定無效，見圖6。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

圖6 影像源設(shè)置

4.4 通信及運(yùn)行設(shè)置

通過通信及運(yùn)行方式界面選擇通訊端口及運(yùn)行跟蹤方式，見圖7。

圖7 通信及運(yùn)行設(shè)置

4.5 輸出信息配置

在輸出信號(hào)方式界面，選擇設(shè)定信號(hào)輸出方式見圖8。

圖8 定位輸處信號(hào)設(shè)置

4.6 USB視頻設(shè)備配置

對(duì)攝取的圖像效果進(jìn)行參數(shù)設(shè)置見圖9。

5 位置與角度跟蹤

5.1 單點(diǎn)跟蹤

單點(diǎn)跟蹤是指在基準(zhǔn)圖片取樣區(qū)域只成功設(shè)置了一個(gè)跟蹤取樣點(diǎn)（未成功的點(diǎn)不會(huì)被運(yùn)行處理）。運(yùn)行時(shí)，如果成功查找到跟蹤點(diǎn)，則輸出跟蹤點(diǎn)的偏移位置信息及旋轉(zhuǎn)角度信息，并顯示相應(yīng)的狀態(tài)[1]。

5.2 多點(diǎn)跟蹤

多點(diǎn)跟蹤是指在基準(zhǔn)圖片的取樣區(qū)域成功設(shè)置了多個(gè)取樣點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)，對(duì)每個(gè)成功取樣的點(diǎn)都進(jìn)行處理。多點(diǎn)跟蹤時(shí)，如果其中有兩個(gè)取樣點(diǎn)的距離足夠大，將獲得更精確的旋轉(zhuǎn)角度信息，輸出顯示。

6 區(qū)域?qū)Ρ?/h2>

如果在基準(zhǔn)圖片的取樣區(qū)域設(shè)置了區(qū)域?qū)Ρ赛c(diǎn)，則在運(yùn)行時(shí)將進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ忍幚?。區(qū)域?qū)Ρ葘⒏鶕?jù)設(shè)置及跟蹤點(diǎn)輸出的偏移與旋轉(zhuǎn)角度信息調(diào)整目標(biāo)區(qū)域的位置與角度，并按照塊的大小進(jìn)行對(duì)比。在畫面中將根據(jù)設(shè)定誤差比較失敗的塊用紅框標(biāo)示出來，同時(shí)輸出相關(guān)的信息，包括顯示及I/O接口。

圖9 圖像參數(shù)設(shè)置

7 結(jié)束語

本文介紹了視覺控制在位置跟蹤的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快捷地捕捉位置，可根據(jù)不同客戶配以相應(yīng)的動(dòng)作控制，可起到模擬人力操作的效果，拓寬其應(yīng)用范圍。

［1］雷李輝，朱曉明，席文明.基于視覺的微馬達(dá)轉(zhuǎn)子引線自動(dòng)化裝配研究［J］.機(jī)電工程，2011（06）：671-674.