一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)視覺(jué)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]嵌入式系統(tǒng)ES (Embedded System)是一種用途廣泛的系統(tǒng)，以應(yīng)用為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已深入應(yīng)用至社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域，特別是工業(yè)控制領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，通常采用集中式系統(tǒng)，控制功能都高度集中在一臺(tái)服務(wù)器或者主機(jī)上，所有的功能及處理任務(wù)都由服務(wù)器或者主機(jī)記性處理。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，集中式系統(tǒng)不能滿足具有更龐大功能需求的工業(yè)控制領(lǐng)域，客戶(hù)需要具有分布處理能力的、完整一體化的分布式系統(tǒng)。
[0004]分布式系統(tǒng)是若干計(jì)算機(jī)的集合，內(nèi)部由通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，以通信為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。整個(gè)分布式系統(tǒng)采用獨(dú)立工作或者合作工作兩種方式，各個(gè)操作主機(jī)可以并行操作以及分布控制。
[0005]在嵌入式系統(tǒng)中的分布式體系結(jié)構(gòu)，不同的嵌入式設(shè)備之間以某種方式分布式地相互連接，彼此協(xié)作，最終達(dá)到高靈活性和高可靠性的工控系統(tǒng)。
[0006]分布式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比具有一定的優(yōu)越性:
[0007]I)、分布式系統(tǒng)中各個(gè)操作主機(jī)并行操作，意味著實(shí)現(xiàn)了在物理性質(zhì)上的獨(dú)立性以及在邏輯性質(zhì)上的合作性。
[0008]2)、分布式系統(tǒng)具有較高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)中一臺(tái)或者多臺(tái)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其余獨(dú)立的主機(jī)可以自行修復(fù)，重新構(gòu)成和原系統(tǒng)功能一致的系統(tǒng)，使整個(gè)分布式系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)到故障前狀態(tài)。
[0009]近年來(lái)，工業(yè)控制領(lǐng)域中工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛地應(yīng)用，傳統(tǒng)的技術(shù)方法采用操作人員離線編程引導(dǎo)的方式控制工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人重復(fù)地執(zhí)行存儲(chǔ)在內(nèi)存單元中的程序，執(zhí)行所要求的操作動(dòng)作。
[0010]這種控制方式對(duì)智能機(jī)器人限制性極強(qiáng)，不具備實(shí)時(shí)性，對(duì)外界信息變化的感知能力不足，不能夠根據(jù)環(huán)境的變化對(duì)操作行為進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，同時(shí)大量的功能需要大量的編程準(zhǔn)備時(shí)間，在一定程度上大大降低了系統(tǒng)效率。
[0011]為了解決上述問(wèn)題，需要在工業(yè)機(jī)器人上添加一套視覺(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地較為直觀地對(duì)外界環(huán)境做出反應(yīng)，并根據(jù)其變化相應(yīng)地做出調(diào)整，從而最終提高機(jī)器人的靈活性和實(shí)時(shí)性。
[0012]傳統(tǒng)通用的工控機(jī)器人視覺(jué)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:工業(yè)控制機(jī)器人模塊，計(jì)算機(jī)控制器模塊，圖像顯示器模塊，大容量存儲(chǔ)器模塊，專(zhuān)用圖像處理硬件模塊，圖像處理軟件模塊和獲取圖像傳感器模塊；
[0013]獲取圖像傳感器模塊捕捉特征捕捉對(duì)象的信息并傳遞給專(zhuān)用圖像處理硬件模塊，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制器模塊傳遞給圖像處理軟件模塊進(jìn)行圖像處理，將處理結(jié)果返回給計(jì)算機(jī)控制器模塊，控制工業(yè)控制機(jī)器人模塊進(jìn)行操作，同時(shí)顯示在圖像顯示器模塊和根據(jù)用戶(hù)命令存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)器模塊。
[0014]傳統(tǒng)的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的信息處理，才能夠得到較為準(zhǔn)確的信息。由于計(jì)算機(jī)控制器模塊中嵌入的CPU芯片計(jì)算能力有限，對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度很高的視覺(jué)算法，嵌入式CPU芯片的處理速度很難滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。傳統(tǒng)的利用專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)視覺(jué)處理算法雖然能解決視覺(jué)系統(tǒng)性能、功耗以及容量等方面的矛盾，但是傳統(tǒng)算法同樣具有開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、通用性較差、改進(jìn)不便等缺點(diǎn)。
[0015]與此同時(shí)，傳統(tǒng)的集中式控制器模式中存在以下缺點(diǎn):所有I/O信號(hào)都集中至計(jì)算機(jī)控制器模塊上，傳輸距離受限且布線困難；集中硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限，無(wú)法完成特大規(guī)模信號(hào)處理的要求；系統(tǒng)更新升級(jí)困難，容量較為確定，可提升的空間范圍??；維修成本高，一旦出現(xiàn)故障需要整機(jī)維修。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是為了解決上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用方法中的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)機(jī)械臂的新型嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)高性能、低功耗和結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的功能。
[0017]一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，包括:圖像采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)模塊、工控機(jī)模塊和執(zhí)行終端模塊。
[0018]圖像采集模塊由多個(gè)圖像采集裝置組成，多個(gè)圖像采集裝置以分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭載在執(zhí)行終端模塊上，采集執(zhí)行終端模塊捕捉到的特征對(duì)象的圖像，并傳輸給現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA模塊進(jìn)行處理。
[0019]現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA模塊通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線與工控機(jī)模塊連接，負(fù)責(zé)整個(gè)嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)字邏輯控制以及時(shí)序調(diào)整，對(duì)圖像采集模塊采集的圖像視頻進(jìn)行數(shù)字化、圖像二值化和濾波等預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸至工控機(jī)模塊。
[0020]工控機(jī)模塊米用ARM (Advanced RISC Machines)內(nèi)核處理器作為主控制器的處理器，進(jìn)行實(shí)時(shí)的多視頻處理和圖像處理，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及判斷能力，判斷來(lái)自主控制器的控制命令，進(jìn)行控制命令尋址和處理，將現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA模塊得到的ROS消息結(jié)果，給出相應(yīng)的指令控制操作，通過(guò)CAN總線以協(xié)議形式傳輸給執(zhí)行終端模塊；
[0021]執(zhí)行終端模塊，指模塊化的機(jī)械臂，與主控制器利用通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且根據(jù)工控機(jī)模塊輸出的矯正指令，調(diào)整機(jī)械臂的位姿。
[0022]一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的使用方法，具體步驟如下:
[0023]步驟一、對(duì)嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)離線進(jìn)行初始化標(biāo)定；
[0024]步驟二、圖像采集模塊采集捕捉特征對(duì)象的圖像視頻模擬信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像視頻信號(hào)并傳輸給現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA模塊；
[0025]步驟三、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA模塊對(duì)數(shù)字圖像視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，送入工控機(jī)模塊中。
[0026]步驟四、工控機(jī)模塊對(duì)預(yù)處理后的圖像視頻數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)一步處理，得到多圖相視頻處理結(jié)果以及相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，并發(fā)送給執(zhí)行終端模塊。
[0027]ARM內(nèi)核處理器具有強(qiáng)大運(yùn)算功能的算數(shù)邏輯單元，對(duì)傳入的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)時(shí)的多圖像視頻處理和圖像處理，根據(jù)處理結(jié)果，工控機(jī)模塊得出相應(yīng)的執(zhí)行操作目的以及控制信號(hào)。
[0028]步驟五、執(zhí)行終端模塊控制機(jī)械臂根據(jù)多圖相視頻處理結(jié)果的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的位姿校正和調(diào)整。
[0029]工控機(jī)模塊相應(yīng)給出矯正指令，向執(zhí)行終端模塊發(fā)送控制信號(hào)，從而使執(zhí)行終端模塊根據(jù)指令相應(yīng)地調(diào)整位姿，完成位置校正操作。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0031](I) 一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，提出新的具有分布式通信網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的嵌入式視覺(jué)控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的視覺(jué)控制系統(tǒng)而言，很好地解決了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域所提出的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，具有更高的魯棒性，穩(wěn)定性，靈活度。
[0032](2) 一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，高效實(shí)時(shí)地利用視覺(jué)圖像信息對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行位姿調(diào)節(jié)，具有相應(yīng)的位姿矯正功能，從而提高了系統(tǒng)的精確度。
[0033](3) 一種針對(duì)機(jī)械臂的嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的并行性能以及處理效率。