智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與開發(fā)

周博文　李艷斌　吳亮紅

摘 要：智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)基于機(jī)器視覺與智能控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文章給出了智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)設(shè)計(jì)思路，介紹了平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)了基于工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+數(shù)據(jù)采集卡的控制系統(tǒng)方案，研制了在高速情況下的次品分離裝置，開發(fā)了模塊化的軟件算法平臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上，驗(yàn)證了開發(fā)視覺檢測實(shí)驗(yàn)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：視覺檢測；智能控制；次品分揀；圖像處理

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0013-03

Abstract： The experiment platform of intelligent vision detection and control is an experimental system based on machine vision and intelligent control. This paper presents the research and design idea of the intelligent visual inspection and control experimental platform， introduces the frame structure of the platform， and develops the control system scheme based on industrial personal computer + motion control card + data acquisition card. The device for separating defective products at high speed is developed， and the modular software algorithm platform is developed. The validity and practicability of developing visual inspection experiment are verified on the platform of experimental system.

Keywords： visual detection； intelligent control； substandard sorting； image processing

人工智能和“中國制造2025”是當(dāng)今的一個(gè)熱門話題，而智能視覺技術(shù)是人工智能中的重要組成部分，伴隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理算法、智能控制和成像技術(shù)及手段的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，替代人工進(jìn)行各種檢測、定位和識別等，為產(chǎn)品的質(zhì)量控制和生產(chǎn)線系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供關(guān)鍵技術(shù)保障[1][2]。因此智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，為視覺檢測及控制實(shí)驗(yàn)提供了幫助。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是機(jī)器視覺和控制技術(shù)在視覺在線檢測、測量、識別與智能控制中的典型應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是集機(jī)器視覺、光學(xué)成像、多傳感器融合、計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理和控制技術(shù)為一體的綜合性高技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

根據(jù)生產(chǎn)線在線檢測、測量、識別與控制的要求，結(jié)合現(xiàn)代生產(chǎn)線上高速度、高精度等的特點(diǎn)，智能視覺檢測與檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求能模擬現(xiàn)代生產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境，使穩(wěn)定和高效可行的視覺檢測和基于視覺的智能控制方案的研究、開發(fā)、實(shí)驗(yàn)與測試成為可能，是機(jī)器視覺和智能控制技術(shù)在現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用的集中體現(xiàn)[3][4]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)才有直線式傳輸方式，如圖1所示，傳送帶中部設(shè)置有一個(gè)檢測機(jī)柜，傳送帶的傳送方向是從右向左運(yùn)行，被測的物品從傳送帶進(jìn)入中間的檢測機(jī)柜，檢測機(jī)柜是一個(gè)暗室環(huán)境，外界光對內(nèi)部的影響很小，在檢測機(jī)柜內(nèi)設(shè)置有多個(gè)類型的LED光源系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。

被測物品通過傳送帶，進(jìn)入檢測機(jī)柜后，觸發(fā)光電傳感器，檢測機(jī)柜內(nèi)的相機(jī)拍攝被測物品，并把圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，通過圖像處理算法，判斷被測產(chǎn)品的尺寸、形狀或者表面缺陷等情況，若認(rèn)為是次品，則當(dāng)被測產(chǎn)品通過傳輸帶輸出到次品剔除位置時(shí)，控制剔除器的動(dòng)作，把次品剔除出生產(chǎn)線。

從圖1可看出，智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其傳送系統(tǒng)、光學(xué)成像及視覺信息獲取系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制部分等必須在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的協(xié)調(diào)下，準(zhǔn)確完成復(fù)雜的視覺檢測、定位和測量等任務(wù)。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

在工業(yè)智能化生產(chǎn)線上，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要求具有穩(wěn)定性、靈活性和模塊化的要求，因此，本文設(shè)計(jì)了基于工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+數(shù)據(jù)采集卡的電氣控制部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，工控機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵和中心部分，主要是進(jìn)行上位機(jī)的控制和人機(jī)交互，包括數(shù)據(jù)的分析、圖像處理、目標(biāo)識別等，另外還包括電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整和設(shè)置，并處理各硬件部件分工合作和協(xié)調(diào)控制[5]。

系統(tǒng)的底層運(yùn)動(dòng)控制由運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)，主要負(fù)責(zé)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，如正反轉(zhuǎn)控制、速度控制等，包括精確的位置控制；數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)IO數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，包括一些IO的邏輯輸入輸出，以及傳感器的數(shù)據(jù)采集、剔除器的動(dòng)作等，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)的視覺信息獲取

智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于工業(yè)PC+工業(yè)相機(jī)的模式，完成整個(gè)視覺系統(tǒng)的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，圖像采集由工業(yè)相機(jī)來完成，圖像采集卡（包括網(wǎng)卡）負(fù)責(zé)圖像的緩存、傳輸，有些還具備初步的處理的功能，實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的采集控制；工控機(jī)（工業(yè)PC）負(fù)責(zé)圖像的識別、判斷、分類和圖像的理解等上層工作。基于工業(yè)PC+工業(yè)相機(jī)的模式無需設(shè)計(jì)較多的硬件電路，視覺系統(tǒng)的成本較低，靈活性很強(qiáng)，并且有很好的開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，還可自主靈活添加檢測算法，軟件完全可按照開發(fā)者的思路執(zhí)行。endprint

4 次品分揀

次品的準(zhǔn)確剔除是生產(chǎn)線上的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，在智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，才有直接擊出和觸發(fā)傳感器計(jì)數(shù)的方法，判斷當(dāng)前產(chǎn)品是否為次品。次品分離的流程如圖3所示。

次品分揀的執(zhí)行動(dòng)作過程如下：首先，被檢測產(chǎn)品通過傳送帶進(jìn)入檢測區(qū)域，觸發(fā)攝像機(jī)對產(chǎn)品拍照，檢測軟件判斷分析該產(chǎn)品是否為合格品，若為合格品，則計(jì)數(shù)器Zt進(jìn)行計(jì)數(shù)，若為次品，則通過圖像再判斷該次品是否可回收再次利用，若可回收，則計(jì)數(shù)器Xn計(jì)數(shù)，否則計(jì)數(shù)器Ym計(jì)數(shù)。當(dāng)次品進(jìn)入擊出位時(shí)，擊出位傳感器判斷產(chǎn)品是否到達(dá)，若達(dá)到，則通過計(jì)數(shù)器的標(biāo)記判斷是否為次品，若為次品，且為計(jì)數(shù)器Xn計(jì)數(shù)，則柔性擊出進(jìn)行回收處理，若為Ym計(jì)數(shù)則進(jìn)行破壞性處理。

5 開放性軟件模塊設(shè)計(jì)

智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件采用模塊化架構(gòu)，主要分為四個(gè)類模塊，分別是：運(yùn)動(dòng)控制類模塊CMotionCard類、數(shù)據(jù)采集類模塊CDataCard類、圖像采集和處理類模塊CImagingCard類、人機(jī)交互界面類模塊CIFaceView類，四個(gè)類模塊負(fù)責(zé)四個(gè)部分的軟件，相互獨(dú)立有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，形成一個(gè)有機(jī)的整體，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，根據(jù)以上的四個(gè)類模塊，可以直接在軟件中調(diào)用各個(gè)硬件的多種功能及選項(xiàng)，并能方便實(shí)現(xiàn)硬件的參數(shù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用者無需知道與之相關(guān)的硬件知識就能在平臺(tái)上做后續(xù)軟件開發(fā)，使系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性、通用性和實(shí)時(shí)性。

6 結(jié)束語

本論文研發(fā)了一套智能視覺檢測與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)外觀如圖5所示，通過分析和測試，驗(yàn)證了文章所提出來的機(jī)械體系和基于工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+數(shù)據(jù)I/O卡的電氣控制系統(tǒng)的可行性和正確性及圖像獲取、次品分揀和軟件算法平臺(tái)的有效性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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