基于圖像識別的XY軸模組運動控制

齊美星　張志強　王云凱　段舒馨

【摘 要】隨著中國產業經濟結構的轉型升級和發展，基于機器視覺的伺服運動控制在智能制造類自動化設備上應用也越來越廣泛。本文采用改進的模板匹配算法，建立并遍歷系統的標準字符或圖形模板庫，計算兩幅圖像對應像素點的歐氏距離并歸一化進行相似度判別，從而識別出目標圖形的外形輪廓，驅動運動機構重繪該輪廓圖形的軌跡。實際測試結果顯示該算法對目標匹配識別準確性高，運動軌跡重繪也準確。

【關鍵詞】圖像識別;目標匹配;XY模組;定位控制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0072-002

0 引言

隨著“中國制造2025”戰略的推進和產業經濟結構轉型升級，加工制造類企業在人力成本管理、產品性能和質量提高和快速定制制造等方面有了明顯改善，人們已經認識到把先進智能處理技術應用到制造行業是時代發展趨勢，涌現出許多無人自動化生產車間或智能制造車間。因此對制造零部件進行品質分類識別、目標匹配定位、機械手移載作業等都是智能機器設備代替人的典型工序流程。基于機器視覺的伺服運動控制在智能制造類自動化設備上應用也越來越廣泛，尤其是自動化生產線、工業機器人應用、智能倉儲物流系統、智能監控和安保機器人等行業和應用領域，具有很好的發展和應用前景。

1 系統總體結構

本系統由上位機、相機、運動控制單元等組成，運動控制系統采用PLC和驅動器的控制結構，通過旋轉編碼器檢測滑臺位置及速度，從而構成閉環控制系統。選用西門子公司的S7-1200系列CPU1214DC/DC/DC PLC作為控制器，本機有8 DI和6DO，為晶體管輸出類型，可實現4路單相100KHZ的高速計數輸入、支持最多4路高速脈沖輸出。驅動器采用DM542，額定電壓為18～50VDC，脈沖響應頻率可達200KHZ，具有128細分設定且不影響其輸出力矩，同時具有過壓、欠壓、過流、短路和過熱等保護及報警功能。上位機與攝像頭通過USB口連接，與PLC通過以太網實現通信，上位機軟件采用VS2015平臺開發。系統主要實現功能，先固定拍攝某個圖像，利用圖像識別算法識別出其輪廓形狀，然后驅動運動機構上的畫筆重繪該輪廓圖形的軌跡。

2 圖形目標識別算法

圖像識別技術作為人工智能的一個重要分支，是指對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術。主要涉及圖像濾波、圖像增強、邊緣檢測和模板匹配學習等算子。

首先采集圖像，進行彩色圖形灰度化處理，為了改善與噪聲有關的后續邊緣檢測的性能，采用高斯濾波算法進行圖像濾波處理;接下來通過計算圖形梯度的幅值來完成邊緣增強，然后利用Sobel算子在邊緣檢測算子擴大其模板，在邊緣檢測的同時盡量削弱了噪聲。其模板大小為3×3，其將方向差分運算與局部加權平均相結合來提取邊緣。最后通過模板匹配算法完成即可進行實際的圖形識別。

圖像中的每個像素點和以上水平和垂直兩個卷積算子做卷積運算后，再計算得到梯度幅值 G（x，y），然后選取適當的閾值τ，若G（x，y）>τ，則（i，j）為邊緣點，否則，判斷（i，j）為非邊緣點。由此得到一個二值圖像 {g（i，j）}，即邊緣圖像。

Sobel算子在空間上比較容易實現，不但產生較好的邊緣檢測效果，同時由于其引入了局部平均，使其受噪聲的影響也較小。若使用較大的鄰域，抗噪性會更好，但也增加了計算量，并且得到的邊緣比較粗[1-2]。

采用改進的模板匹配算法。即計算兩幅圖像對應像素點的歐氏距離進行相似度判別方式。歐氏距離越小，相似度越高，以此為依據，搜索得到匹配對象。該方法的大致流程如下：首先對剛提取出來的圖形字符進行歸一化預處理，得到與標準字符一致的規格。然后，建立系統的標準字符模板庫，對模板庫中字符進行有規律的命名。最后，遍歷模板庫計算待識字符圖像與標準字符的歐氏距離即相似度，從而找出匹配對象。

式中，代表模板某像素點，I（x，y）代表測試圖像某灰度值，R（x，y）代表測試圖像與模板的匹配度。

為了進一步提高匹配準確度，我們對式（1）中的匹配度進行歸一化處理：

其中，是歸一化后的匹配度，根據工程評價給定匹配度，判斷是否匹配到目標。

3 XY軸模組運動控制實現

滑臺模組作為一種提供直線運動的機構，可以臥式、立式或按特定方式組合應用。按傳動機構可分為齒輪型、同步帶型、滾珠絲桿型和直線電機驅動型，其中由步進或伺服電機驅動的伺服滑臺作為運動控制類高檔精密部件，具有定位精度高、速度快、行程大、低速運行平穩、噪聲低等特點[3-4]。目前對于滑臺的驅動控制結構一般有以下幾種方式：（1）采用PLC+驅動器。一般經濟型和小型PLC都有數個高速脈沖輸出和高速計數器功能，該方式多用于軸數少的控制系統，編程應用方便。（2）采用PC機+運動控制模塊+驅動器。主要用于軸數較多或者工藝要求比較復雜，利用PC機的強大運算處理功能可以設計復雜的控制算法及友好的人機界面。（3）直接采用微處理器+驅動接口板+伺服電機。該方式成本低，但系統設計開發周期較長，對維護人員要求很高。

我們以雙軸滑臺模組疊加構成XY直角坐標，PLC作為控制器，設計了一種能夠實現機構自動快速搜索原點、定位、曲線插補等運動控制。如圖3所示，SD1和SD2分別表示步進電機驅動器，控制脈沖和方向信號由PLC發出，S2、S3和S4分別表示左、右限位和原點接近開關。

4 結論

針對本設計，我們以數字、常見字符和簡易圖形為測試目標，通過數十次的實際的系統測試，結果都能準確地對目標的進行識別，這也驗證了文中圖形識別算法的有效性，且設計的運動機構能夠正確地進行定位、曲線插補等以及重繪該輪廓圖形的軌跡。該設計的方案和算法在現代自動化生產線、激光切割和焊接、智能倉儲物流系統、智能監控等行業和應用領域，具有很好的發展和應用前景。

【參考文獻】

[1]胡明星.模板匹配優化耦合圖像校正的旋轉工件目標定位算法[J].組合機床與自動化加工技術，2016，21（21）：283-287.

[2]田明銳.結合聚類參數的圓投影模板匹配改進算法[J]. 計算機工程與應用，2015，16（4）：181-185.

[3]胡玉春.機械手原理[M].北京：中央廣播電視大學出版社2011.

[4]李銀露.貼片機伺服運動控制系統的設計與實現[J].電子設計工程.2018.26（19）：147-149.