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(chǎn)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級和發(fā)展，基于機器視覺的伺服運動控制在智能制造類自動化設(shè)備上應(yīng)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(tǒng)的標準字符或圖形模板庫，計算兩幅圖像對應(yīng)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(qū)動運動機構(gòu)重繪該輪廓圖形的軌跡。實際測試結(jié)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(guān)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(zhàn)略的推進和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，加工制造類企業(yè)在人力成本管理、產(chǎn)品性能和質(zhì)量提高和快速定制制造等方面有了明顯改善，人們已經(jīng)認識到把先進智能處理技術(shù)應(yīng)用到制造行業(yè)是時代發(fā)展趨勢，涌現(xiàn)出許多無人自動化生產(chǎn)車間或智能制造車間。因此對制造零部件進行品質(zhì)分類識別、目標匹配定位、機械手移載作業(yè)等都是智能機器設(shè)備代替人的典型工序流程?；跈C器視覺的伺服運動控制在智能制造類自動化設(shè)備上應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是自動化生產(chǎn)線、工業(yè)機器人應(yīng)用、智能倉儲物流系統(tǒng)、智能監(jiān)控和安保機器人等行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由上位機、相機、運動控制單元等組成，運動控制系統(tǒng)采用PLC和驅(qū)動器的控制結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)編碼器檢測滑臺位置及速度，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(xiàn)4路單相100KHZ的高速計數(shù)輸入、支持最多4路高速脈沖輸出。驅(qū)動器采用DM542，額定電壓為18～50VDC，脈沖響應(yīng)頻率可達200KHZ，具有128細分設(shè)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(wǎng)實現(xiàn)通信，上位機軟件采用VS2015平臺開發(fā)。系統(tǒng)主要實現(xiàn)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(qū)動運動機構(gòu)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(shù)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(shù)。主要涉及圖像濾波、圖像增強、邊緣檢測和模板匹配學(xué)習(xí)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(guān)的后續(xù)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(quán)平均相結(jié)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(dāng)?shù)拈撝郸?，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(xiàn)，不但產(chǎn)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(yīng)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(jù)，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(yù)處理，得到與標準字符一致的規(guī)格。然后，建立系統(tǒng)的標準字符模板庫，對模板庫中字符進行有規(guī)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(jù)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(xiàn)

滑臺模組作為一種提供直線運動的機構(gòu)，可以臥式、立式或按特定方式組合應(yīng)用。按傳動機構(gòu)可分為齒輪型、同步帶型、滾珠絲桿型和直線電機驅(qū)動型，其中由步進或伺服電機驅(qū)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(wěn)、噪聲低等特點[3-4]。目前對于滑臺的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)一般有以下幾種方式：（1）采用PLC+驅(qū)動器。一般經(jīng)濟型和小型PLC都有數(shù)個高速脈沖輸出和高速計數(shù)器功能，該方式多用于軸數(shù)少的控制系統(tǒng)，編程應(yīng)用方便。（2）采用PC機+運動控制模塊+驅(qū)動器。主要用于軸數(shù)較多或者工藝要求比較復(fù)雜，利用PC機的強大運算處理功能可以設(shè)計復(fù)雜的控制算法及友好的人機界面。（3）直接采用微處理器+驅(qū)動接口板+伺服電機。該方式成本低，但系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)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(gòu)成XY直角坐標，PLC作為控制器，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)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(qū)動器，控制脈沖和方向信號由PLC發(fā)出，S2、S3和S4分別表示左、右限位和原點接近開關(guān)。

4 結(jié)論

針對本設(shè)計，我們以數(shù)字、常見字符和簡易圖形為測試目標，通過數(shù)十次的實際的系統(tǒng)測試，結(jié)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(shè)計的運動機構(gòu)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(shè)計的方案和算法在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線、激光切割和焊接、智能倉儲物流系統(tǒng)、智能監(jiān)控等行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

【參考文獻】

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

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[3]胡玉春.機械手原理[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社2011.

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