移動(dòng)靶車(chē)及靶面圖像采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭　鑫，翟　超

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

Design of Moving Target Car and Target Image Acquisition Control System

GUO Xin, ZHAI Chao

(School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

移動(dòng)靶車(chē)及靶面圖像采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭鑫，翟超

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

Design of Moving Target Car and Target Image Acquisition Control System

GUO Xin, ZHAI Chao

(School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

摘要：針對(duì)一些射擊試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)靶車(chē)及靶面圖像采集控制系統(tǒng)。移動(dòng)靶車(chē)控制部分是基于西門(mén)子S7-200 PLC設(shè)計(jì)的，通過(guò)PLC控制變頻器進(jìn)而控制電機(jī)帶動(dòng)靶車(chē)移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)PLC的自由口通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。靶面圖像采集部分是利用LabVIEW做上位機(jī)，采集經(jīng)模擬微波裝置傳來(lái)的實(shí)時(shí)圖像，再利用Matlab Script進(jìn)行圖像校正。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)靶車(chē)；S7-200 PLC；自由口通信；LabVIEW；圖像校正

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0061-03

收稿日期：2015-03-11

作者簡(jiǎn)介：郭鑫(1991-)，男，山東青島人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程；翟超(1968-)，男，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)計(jì)、測(cè)控技術(shù)與幾何測(cè)量新方法等。

Abstract：In order to meet requirements of some firing tests, a moving target car and target image acquisition control system is designed. The control module is based on S7-200 PLC (Siemens AG) and the PLC controls a frequency converter which drives the motor on the target car. Remote control is achieved under Freeport mode of the PLC. Real-time target images are transferred to an upper computer which is written in LabVIEW through an analog microwave system, and then corrected by Matlab Script.

Key words：moving target car; S7-200 PLC; freeport communication; LabVIEW; image correction

0引言

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，有些射擊試驗(yàn)需要射擊活動(dòng)的目標(biāo)，出于安全的考慮，靶車(chē)在行駛的過(guò)程中不能有人在車(chē)上，所以必須使用遠(yuǎn)程控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶車(chē)行駛的控制和對(duì)靶面圖像的采集。為此設(shè)計(jì)了這套移動(dòng)靶車(chē)及靶面圖像采集控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安全可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型靶車(chē)的遠(yuǎn)程和本地雙重控制以及對(duì)靶面的實(shí)時(shí)監(jiān)控與圖像校正。

1移動(dòng)靶車(chē)控制部分設(shè)計(jì)

靶車(chē)車(chē)身利用舊火車(chē)車(chē)身改造而成，原有傳動(dòng)方式為柴油機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的遠(yuǎn)程控制難度太大，所以本設(shè)計(jì)選擇在靶車(chē)原有構(gòu)造基礎(chǔ)上加裝大功率電動(dòng)機(jī)，通過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電供給電動(dòng)機(jī)與變頻器，再通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)頻率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度和方向的控制。綜合試驗(yàn)基地風(fēng)沙比較大，環(huán)境比較惡劣的實(shí)際情況，選用抗干擾能力強(qiáng)的西門(mén)子S7-200系列PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制[1]。

1.1　移動(dòng)靶車(chē)控制部分整體設(shè)計(jì)

移動(dòng)靶車(chē)控制部分主要由變頻柜、本地控制箱和遠(yuǎn)程控制箱組成，通過(guò)PLC控制靶車(chē)速度、方向、停車(chē)制動(dòng)裝置和實(shí)現(xiàn)靶道兩端的自動(dòng)停車(chē)功能。移動(dòng)靶車(chē)控制部分整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　移動(dòng)靶車(chē)控制部分整體結(jié)構(gòu)

變頻柜以ABB公司的ACS800變頻器為主體，直接與靶車(chē)上的電動(dòng)機(jī)相連，接收本地控制箱的控制信號(hào)和遠(yuǎn)程控制箱經(jīng)本地控制箱發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制靶車(chē)運(yùn)行。本地控制箱和遠(yuǎn)程控制箱都是以西門(mén)子公司的CPU224 XP為主體，通過(guò)各自面板上的控制按鈕、操作桿以及終端傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)等控制變頻器運(yùn)行，接收從變頻器反饋回來(lái)的變頻器工作狀態(tài)信號(hào)和靶車(chē)運(yùn)行速度信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示在各自面板上，同時(shí)判斷當(dāng)前狀態(tài)決定是否自動(dòng)啟動(dòng)剎車(chē)電磁閥。

1.2　自由口通信與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)

S7-200 PLC的自由口通信是基于RS485通信基礎(chǔ)的半雙工通信，第三方設(shè)備大多支持RS485串口通信，西門(mén)子S7-200系列PLC可以通過(guò)自由口通信模式控制串口通信。自由口通信的核心就是發(fā)送(XMT)和接收(RCV)兩條指令，以及相應(yīng)的特殊寄存器控制[2]。S7-200 PLC之間的自由口通信是通過(guò)中斷程序具體實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2　自由口通信流程

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)靶車(chē)控制部分的無(wú)線(xiàn)通信，需要在本地控制箱和遠(yuǎn)程控制箱內(nèi)部各添加一個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)。本設(shè)計(jì)選擇的數(shù)傳電臺(tái)EL7052工作在230 MHz頻段上，支持RS485串口通信，提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)協(xié)議。在S7-200 PLC的自由口通信模式下通過(guò)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)EL7052就實(shí)現(xiàn)了2個(gè)控制箱之間的無(wú)線(xiàn)通信，進(jìn)而可以將后方遠(yuǎn)程控制箱的控制信號(hào)傳給前方的本地控制箱，同時(shí)將前方本地控制箱的反饋信號(hào)傳回后方的遠(yuǎn)程控制箱。

1.3　實(shí)時(shí)速度的LED顯示設(shè)計(jì)

變頻器ACS800提供一路可編程0～20 mA電流量輸出，可反映當(dāng)前變頻器實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過(guò)基于MC13213單片機(jī)設(shè)計(jì)的LED數(shù)碼顯示電路采集該電流量并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)靶車(chē)速度在本地控制箱和遠(yuǎn)程控制箱的實(shí)時(shí)LED顯示。

LED數(shù)碼顯示板包括電源轉(zhuǎn)換與數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)2部分。電源轉(zhuǎn)換部分是通過(guò)LM2576開(kāi)關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換芯片從PLC的24 V電源給單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V工作電壓。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)部分除數(shù)碼管之外還包括移位寄存器74HC595，用于單片機(jī)鎖存要顯示的數(shù)據(jù)，同時(shí)由于74HC595的工作電壓與數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電壓不同，再選擇8路光耦TLP521-4對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行隔離控制。

1.4　移動(dòng)靶車(chē)運(yùn)行具體設(shè)計(jì)

移動(dòng)靶車(chē)運(yùn)行的主要控制模式為遠(yuǎn)程控制，但是出于本地調(diào)試的需要增加了本地控制模式。在本地控制箱上有一個(gè)切換遠(yuǎn)程控制與本地控制模式的按鈕，若選擇遠(yuǎn)程控制，則本地控制箱上的操作均不起作用，但是與本地控制箱相連的剎車(chē)電磁閥控制、傳感器信號(hào)等仍然起作用；若選擇本地控制方式，遠(yuǎn)程控制箱的操作均不起作用，但是本地的速度信號(hào)以及相應(yīng)的剎車(chē)信號(hào)等仍會(huì)回傳到后方的遠(yuǎn)程控制箱上顯示出來(lái)。

靶車(chē)在選擇好控制模式的前提下，通過(guò)相應(yīng)本地或者遠(yuǎn)程控制箱上的輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、變速、換向、臨時(shí)停車(chē)與長(zhǎng)期停車(chē)等功能，移動(dòng)靶車(chē)響應(yīng)輸入信號(hào)正常運(yùn)行的同時(shí)，反饋回來(lái)當(dāng)前工作狀態(tài)、速度信號(hào)等通過(guò)信號(hào)燈和LED數(shù)碼顯示板顯示在2個(gè)控制箱面板上。在軌道的兩端設(shè)計(jì)了兩級(jí)停車(chē)裝置，當(dāng)本地控制箱接收到第1個(gè)傳感器的信號(hào)時(shí)，速度減為零，剎車(chē)電磁閥不起作用，此后靶車(chē)靠慣性繼續(xù)滑行；當(dāng)本地控制箱接收到第2個(gè)傳感器的信號(hào)時(shí)，剎車(chē)電磁閥作用，此時(shí)靶車(chē)平穩(wěn)停車(chē)。若要再次啟動(dòng)，必須切換前進(jìn)方向才可啟動(dòng)，這樣就確保了靶車(chē)安全行駛在軌道范圍內(nèi)。

2靶面圖像采集部分設(shè)計(jì)

2.1　靶面圖像采集部分整體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)射擊試驗(yàn)需求，必須對(duì)當(dāng)前靶面圖像實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)出于安全的考慮，攝像頭只能安裝在與靶面底部平行的位置且傾斜向上拍攝靶面圖像，拍得的圖像存在明顯的透視效果，所以需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的靶面圖像采集部分，對(duì)拍得的圖像在實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行梯形校正。

靶面圖像采集部分主要由攝像頭、微波傳輸裝置和包含圖像采集卡在內(nèi)的上位機(jī)3部分組成。安裝在靶面前方的攝像頭采集到靶面圖像之后，通過(guò)微波發(fā)射機(jī)發(fā)送給后方的微波接收裝置，微波接收機(jī)接收到的圖像信號(hào)通過(guò)圖像采集卡采集到上位機(jī)，在上位機(jī)LabVIEW環(huán)境中進(jìn)行當(dāng)前靶面圖像的實(shí)時(shí)顯示與圖像校正。靶面圖像采集部分整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　靶面圖像采集部分整體結(jié)構(gòu)

2.2　模擬微波傳輸

模擬微波傳輸是把視頻信號(hào)直接調(diào)制在微波的信道上，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去，接收方通過(guò)天線(xiàn)接收微波信號(hào)，然后再通過(guò)微波接收機(jī)解調(diào)出原先的視頻信號(hào)。模擬微波傳輸過(guò)程中沒(méi)有壓縮損耗，幾乎不會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，因此可以保證圖像質(zhì)量，適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單路傳輸。本設(shè)計(jì)采用海電科技的HD-630模擬微波傳輸音視頻發(fā)射機(jī)與Microsat 600AM模擬微波接收機(jī)等組成的微波圖像傳輸系統(tǒng)。

2.3　虛擬儀器LabVIEW和Matlab Script

上位機(jī)部分使用LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW包括豐富的用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)，適合于數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)。 圖像處理是在LabVIEW里利用Matlab Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab算法。在Matlab Script節(jié)點(diǎn)中，用戶(hù)可以編輯Matlab程序，也可以直接導(dǎo)入Matlab程序，并在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行[3]。

2.4　圖像的梯形校正

現(xiàn)場(chǎng)的靶面大小為6 m×6 m，背面為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，正面為白色幕布，靶面比較容易受外界干擾發(fā)生偏移，而且每次使用完畢靶面都要收起，不能使用精確標(biāo)定的方法對(duì)靶面圖像進(jìn)行校正，所以對(duì)于靶面圖像只對(duì)透視效果進(jìn)行梯形校正，而對(duì)于因?yàn)槎探咕噻R頭產(chǎn)生的圖像畸變不做處理。

對(duì)透視效果的梯形校正是在Matlab Script中完成的，為了完成梯形校正，至少需要4個(gè)已知原始坐標(biāo)的控制點(diǎn)進(jìn)行投影變換[4]。靶面圖像本身無(wú)法提供可檢測(cè)的控制點(diǎn)，因此，選擇在靶面4個(gè)頂點(diǎn)做黑色標(biāo)記作為控制點(diǎn)，通過(guò)閾值分割和連通性檢測(cè)提取出標(biāo)記區(qū)域，使用灰度質(zhì)心法計(jì)算出其中心坐標(biāo)作為控制點(diǎn)透視變形后的圖像坐標(biāo)[5]，再通過(guò)計(jì)算出的坐標(biāo)值構(gòu)建投影變換對(duì)靶面圖像進(jìn)行校正。梯形校正流程圖與投影變換示意如圖4所示。

圖4　梯形校正流程圖與投影變換示意圖

3模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1　移動(dòng)靶車(chē)控制部分

移動(dòng)靶車(chē)控制部分在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)要求中需要實(shí)現(xiàn)的靶車(chē)控制功能均得到了基本實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)時(shí)反饋的當(dāng)前工作狀態(tài)、速度信號(hào)等均穩(wěn)定無(wú)誤。

3.2　靶面圖像采集部分

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了對(duì)實(shí)際圖像采集過(guò)程的模擬，由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，不能完全模擬6 m×6 m大小的靶面，選取合適場(chǎng)地懸掛了2.5 m×2 m大小的儲(chǔ)物柜模擬靶面，在儲(chǔ)物柜的四角做了黑色標(biāo)記，同時(shí)為模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)多次安裝導(dǎo)致圖像位置不同的情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)攝像頭位置方向進(jìn)行了多次微調(diào)，來(lái)進(jìn)行圖像的采集與校正，上位機(jī)顯示的采集圖像穩(wěn)定連續(xù)，且均實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像透視效果的梯形校正。由于儲(chǔ)物柜所在圖像校正環(huán)境比現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜很多，所以可認(rèn)為此圖像采集系統(tǒng)校正功能是適用于現(xiàn)場(chǎng)梯形校正實(shí)際情況的。儲(chǔ)物柜校正前后的圖像如圖5所示。

圖5　校正前后圖像

4結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的移動(dòng)靶車(chē)及靶面圖像采集控制系統(tǒng)目前運(yùn)行安全可靠，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶車(chē)的遠(yuǎn)程和本地雙重控制以及對(duì)靶面的實(shí)時(shí)監(jiān)控與圖像校正等功能，基本滿(mǎn)足了一系列射擊試驗(yàn)射擊大型移動(dòng)目標(biāo)的需求，日后應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)可以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

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