基于CCD攝像頭的換向器云母槽檢測(cè)與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管功湖，胡永良

(臺(tái)州學(xué)院，浙江臨海317000)

0 引 言

直流電動(dòng)機(jī)因其調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)定子提供磁場(chǎng)，直流電源向轉(zhuǎn)子繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變，使電動(dòng)機(jī)保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。換向器是直流電動(dòng)機(jī)的重要組成部件，主要由換向片和云母片構(gòu)成。換向片采用銀銅、鎘銅等合金材料，云母片起到絕緣作用。換向器把銅材料與云母在一定溫度下壓制而成，并通過(guò)固化處理。

換向器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)云母槽要進(jìn)行下刻，自動(dòng)刻槽系統(tǒng)是直流電動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中必需的設(shè)備，其關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)云母槽的檢測(cè)與定位。檢測(cè)方法主要有接觸式［1］和非接觸式兩種，非接觸式因其適應(yīng)性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用，如采用激光傳感器、光纖傳感器、CCD 或 CMOS 傳感器［2－3］。隨著 CCD 或 CMOS傳感器技術(shù)的發(fā)展，由它們構(gòu)成的自動(dòng)刻槽系統(tǒng)具有精度高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要針對(duì)汽車起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子換向器云母刻槽過(guò)程，利用CCD攝像頭拍攝換向器視頻圖像，然后對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出換向器云母槽的位置。在單片機(jī)的控制下，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，使得云母槽和銑刀對(duì)準(zhǔn)，然后完成對(duì)換向器云母刻槽工作。設(shè)計(jì)的換向器云母槽檢測(cè)與定位系統(tǒng)也可應(yīng)用于電動(dòng)工具等其它轉(zhuǎn)子換向器云母刻槽過(guò)程。

1 云母槽檢測(cè)與定位系統(tǒng)構(gòu)成

在汽車起動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，起動(dòng)機(jī)的換向器表面加工處理過(guò)程是:換向器半精車、云母槽下刻、換向器精車。云母槽下刻過(guò)程位于半精車和精車之間，一旦在云母槽下刻過(guò)程中換向器表面形成的微小劃痕可在精車時(shí)去除。換向器云母槽檢測(cè)與定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

主要由單片機(jī)、光源、CCD攝像頭、監(jiān)視器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、銑刀機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成。換向器在光源的照射下，由CCD攝像頭實(shí)時(shí)拍下它的圖像，以視頻方式輸出，一路送給監(jiān)視器，另一路經(jīng)圖像處理單元處理后，獲取換向器的銅片和云母槽的識(shí)別信息，再送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后確定云母槽的運(yùn)動(dòng)位置信息，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)換向器轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)換向器的云母槽位置和銑刀位置對(duì)準(zhǔn)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出銑槽指令，銑刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成一次銑槽過(guò)程，當(dāng)換向器的云母槽全部銑完后，停機(jī)。

2 云母槽視頻檢測(cè)與識(shí)別電路設(shè)計(jì)

汽車起動(dòng)機(jī)換向器的云母槽一般有28槽或29槽，云母槽的寬度和深度在2 mm左右。當(dāng)燈光照射在換向器上時(shí)，銅片和云母片的反光性能是不同的，前者反光性能好，因此用黑白CCD攝像頭拍下的換向器視頻圖像則是亮暗分明，通過(guò)對(duì)視頻圖像處理后，就能獲取云母槽的位置信息。

2.1 CCD 攝像頭

CCD攝像頭采用CCD圖像傳感器作為感光器件。CCD與CMOS圖像傳感器是當(dāng)前普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD圖像傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS圖像傳感器，而CMOS圖像傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中采用VS－808H黑白CCD攝像頭，它的成像元件是1/3 SONY CCD，有效像素為752×582，水平解析度為600線，標(biāo)準(zhǔn)的1.0 V、75Ω復(fù)合視頻信號(hào)輸出。

2.2 視頻同步分離電路

視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。要對(duì)換向器視頻圖像進(jìn)行處理，就必須從中分離出行同步、場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)等識(shí)別信號(hào)。LM1881可以從0.5～2 V的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性NTSC制、PAL制、SECAM制視頻信號(hào)中提取復(fù)合同步、場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)等識(shí)別信號(hào)，以便確定采集點(diǎn)在哪一場(chǎng)、哪一行［4］。LM1881芯片引腳與時(shí)序如圖2所示。

圖2 LM1881芯片引腳與時(shí)序

CCD攝像頭的復(fù)合視頻從LM1881的2腳輸入后，經(jīng)1、3、7引腳分別輸出行同步場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)等識(shí)別信號(hào)，然后送給單片機(jī)作為處理?yè)Q向器視頻圖像的信號(hào)。

2.3 視頻圖像識(shí)別電路

因起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是豎向放置，通過(guò)CCD攝像頭獲得的換向器黑白視頻圖像是黑白條垂直的圖像。白色顯示的是銅片圖像，而黑色顯示的則是云母槽圖像，為了能更好地識(shí)別云母槽的圖像信息，把CCD攝像頭的安裝位置旋轉(zhuǎn)90°后，得到水平的視頻圖像。

換向器視頻圖像由黑白兩色組成，通過(guò)二值化處理來(lái)識(shí)別換向器槽的位置信息，二值化處理主要有軟件二值化和硬件二值化，通常可用固定閾值法和邊沿跳變法對(duì)圖像進(jìn)行黑白分割。對(duì)換向器黑白視頻圖像的采集方法可以采用A/D轉(zhuǎn)換器和硬件比較器。如采用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)采集視頻信息，采樣精度高，能夠保存圖像的灰度信息，可以極大程度地防止圖像信息的丟失。但是A/D轉(zhuǎn)換速度要求足夠快，外圍電路比較復(fù)雜，而且占用了較多的I/O口資源。為了降低單片機(jī)的計(jì)算負(fù)荷，對(duì)PAL信號(hào)進(jìn)行硬件二值化，采用固定閾值法將灰度圖像轉(zhuǎn)換成黑白圖像，并得到了滿意的效果，固定參考電壓的二值電路如圖3所示。

圖3 固定參考電壓的二值電路

采用LM393比較器構(gòu)成的固定參考電壓的二值電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)參考閾值電壓調(diào)節(jié)也比較方便，只需調(diào)節(jié)一個(gè)電位器阻值即可，故具有一定的場(chǎng)境適應(yīng)性。

3 云母槽定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換向器云母槽定位系統(tǒng)是根據(jù)前述的利用CCD攝像機(jī)獲取的視頻圖像，一路經(jīng)視頻同步分離電路，產(chǎn)生行和奇偶場(chǎng)同步信號(hào)，另一路經(jīng)過(guò)硬件電路二值化，然后一起送給單片機(jī)處理，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得云母槽和銑刀位置對(duì)準(zhǔn)，然后實(shí)現(xiàn)刻槽過(guò)程。要求做到定位速度快，同時(shí)定位準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)時(shí)采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)［5－6］，它的主要特點(diǎn)是動(dòng)作速度快，能實(shí)現(xiàn)精確定位、無(wú)積累誤差。通過(guò)軟件產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制脈沖序列，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起停、加減速及正反轉(zhuǎn)的控制。不僅簡(jiǎn)化了硬件線路，降低成本，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路

在綜合考慮定位系統(tǒng)的定位精度及負(fù)載的情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選型時(shí)采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)75BF001，它的工作電壓為24 V，電流為3 A，步距角為1.5°/3°，保持轉(zhuǎn)矩為 0.392 N·m。采用三相六拍運(yùn)行方式，同時(shí)采取10∶1的行星齒輪減速，以提升定位精度，每步為0.15°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制采取開(kāi)環(huán)控制及全電壓驅(qū)動(dòng)方式，控制電路以單片機(jī)為核心，控制脈沖序列和環(huán)行脈沖分配等由相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制電路如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制電路

圖中只給出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相的控制電路，單片機(jī)的P1.0低電平有效，使光耦TLP521導(dǎo)通，繼而使Q1導(dǎo)通，然后驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相得電。其中R4是大功率限流電阻，D1和D2是快恢復(fù)二極管。B、C相控制電路類似，分別由單片機(jī)的P1.1、P1.2控制。由此可以得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在三相六拍方式時(shí)正轉(zhuǎn)的控制字為01H、03H、02H、06H、04H、05H，反轉(zhuǎn)的控制字為 01H、05H、04H、06H、02H、03H。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速是通過(guò)控制P1.0 、P1.1 和 P1.2 輸出的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 定位算法設(shè)計(jì)

換向器黑白視頻圖像是采用PAL制輸出，掃描方式為隔行掃描，每秒50場(chǎng)，場(chǎng)周期為20 ms，每場(chǎng)為312.5行，行周期為64μs。黑白電視信號(hào)由圖像信號(hào)、復(fù)合消隱脈沖、復(fù)合同步脈沖組成。場(chǎng)消隱期寬度為25個(gè)行周期，場(chǎng)同步脈沖寬度為2.5個(gè)行周期，行消隱期寬度為12μs，行同步脈沖寬度為4.7 μs。在視頻區(qū)域中每行信號(hào)持續(xù)時(shí)間約為64μs，行同步脈沖持續(xù)約4.7μs，所以每場(chǎng)圖像單個(gè)視頻信號(hào)行中有效視頻持續(xù)的時(shí)間為57.3μs。

在圖像處理中，模板匹配定位法是常用的確定物體位置的方法。在本系統(tǒng)中采用單片機(jī)作為控制中心，它的運(yùn)算能力有限，同時(shí)對(duì)視頻圖像采用硬件二值化，所以不適合采用模板匹配定位法。銑刀與云母槽對(duì)準(zhǔn)過(guò)程采用視頻定位與手工調(diào)試相結(jié)合的方法。云母槽的定位基準(zhǔn)設(shè)定在每場(chǎng)視頻的中間區(qū)域145行至165行處。為了提高定位速度，開(kāi)始時(shí)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以較快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)進(jìn)行減速，以提高定位準(zhǔn)確度。在換向器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)云母槽的起始邊緣到達(dá)每場(chǎng)視頻的145行處減速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)165行時(shí)停止。

云母槽視頻定位具體實(shí)現(xiàn)時(shí)單片機(jī)以視頻同步分離電路送來(lái)的奇偶場(chǎng)同步信號(hào)作為判斷信號(hào)，低電平是奇場(chǎng)同步，高電平是偶場(chǎng)同步。在奇偶場(chǎng)中分別對(duì)行同步信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到145或146時(shí)，判斷視頻圖像的硬件二值化值，當(dāng)其為低電平時(shí)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到165或166時(shí)，判斷視頻圖像的硬件二值化值，當(dāng)其為低電平時(shí)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止。

為了使銑刀與云母槽對(duì)準(zhǔn)，設(shè)立手工調(diào)試模式，調(diào)試分單槽調(diào)試和連續(xù)調(diào)試。在換向器刻槽前，先使用單槽調(diào)試，每按一次起動(dòng)按扭走一槽，不斷調(diào)整攝像頭的微調(diào)旋扭，使銑刀與云母槽對(duì)準(zhǔn)。然后使用連續(xù)調(diào)試，在此方式下，會(huì)自動(dòng)尋找下一槽，結(jié)合攝像頭和燈光的調(diào)整，完成銑刀與云母槽對(duì)準(zhǔn)的調(diào)試過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

換向器云母槽的檢測(cè)與定位是換向器自動(dòng)刻槽機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)的基于CCD攝像頭的云母槽視頻檢測(cè)與定位系統(tǒng)通過(guò)視頻同步分離，采用硬件二值化處理，簡(jiǎn)化硬件電路，同時(shí)減輕單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷。該系統(tǒng)成功地應(yīng)用在汽車起動(dòng)機(jī)換向器自動(dòng)刻槽機(jī)中。

在實(shí)際使用過(guò)程中，光源、云母粉末和銅屑對(duì)CCD攝像頭拍攝的視頻圖像產(chǎn)生影響，從而影響定位。所以需要注意光源的調(diào)整及云母粉末和銅屑的清理，尤其是CCD攝像鏡頭的清理。實(shí)踐證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位速度快，準(zhǔn)確度高。

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