基于嵌入式的劍麻繩圖像采集與檢測系統(tǒng)

潘澤鍇,楊浩然

(廣西職業(yè)技術學院機電與信息工程學院,廣西 南寧 530226)

0 引言

劍麻繩品質中無毛刺(或是少毛刺)、粗細均勻是其2項最重要的指標。劍麻繩的粗細決定它的機械強度，劍麻繩毛刺影響零件的精度、整機可靠性和安全性[1]。劍麻繩的局部粗細不均容易造成整捆劍麻繩的機械強度降低，對麻繩粗細均勻程度的檢測有利于區(qū)分不同等級的麻繩強度，對麻繩粗細不均的部分進行工藝改進可以提高劍麻繩可靠性和經濟價值[2]。因此，針對劍麻繩的品質改進與檢測新型工藝的研究，對提高鋼絲繩質量和經濟價值具有重要的意義。

圖像識別技術適用于解決麻繩直徑檢測的問題，采用專用芯片和嵌入式操作系統(tǒng)，把CMOS攝像頭輸出的信號進行圖像壓縮編碼、圖像處理，從而為實現(xiàn)自動控制提供參數(shù)依據(jù)[3]。本文在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上，選用嵌入式處理平臺實現(xiàn)前端圖像采集和控制，設計友好的界面接收與存儲，采用圖像處理算法獲取控制參數(shù)[4]。使用SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，維護與管理，統(tǒng)計生產過程中劍麻繩毛刺出現(xiàn)時段，劍麻繩直徑實時顯示，進行誤差分析獲取控制參數(shù)，為提高產品質量提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

1 硬件設計

在實際的硬件設計中，克服生產前期劍麻繩毛刺生成過多，以及生產出的劍麻繩因粗細不均造成的整捆麻繩機械強度降低的問題[6]，以智能控制理論和圖像識別技術為基礎，采用ARM和DSP 32位嵌入式微處理器，結合圖像處理和圖像檢測技術，設計劍麻繩圖像獲取和粗細程度在線檢測系統(tǒng)。其劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)原理

劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)由無線傳輸模塊、嵌入式處理器、圖像傳感器和控制對象等組成。圖1中的嵌入式處理平臺采用32位RISC嵌入式微處理器，具有高性價比、高主頻等優(yōu)點，適用于圖像、視頻處理；圖像傳感器采用CMOS數(shù)字圖像技術，具有采集快、高分辨率的優(yōu)點；嵌入式圖像處理平臺與控制對象之間通過無線傳感器相連；無線測控終端是由無線傳感器和控制對象共同組成，控制對象是帶RS232或RS485接口的智能傳感器或執(zhí)行對象[7]。

1.1 嵌入式系統(tǒng)設計

嵌入式系統(tǒng)主要由圖像采集、存儲和處理3部分組成，其嵌入式系統(tǒng)設計如圖2所示。系統(tǒng)中由嵌入式硬件平臺外接帶CAMIF接口的CMOS攝像頭完成圖像采集，本設計采用CMOS攝像頭作為圖像采集部分，將CMOS攝像頭采集到的圖像信息通過CAMIF接口傳輸?shù)角度胧狡脚_上。由于這個嵌入式平臺可以兼容I2C的標準，而本圖像采集裝置是采用CAMIF接口的標準，所以還要編寫相應的驅動程序使系統(tǒng)能夠識別和接收傳輸?shù)膱D像信息。因為嵌入式平臺有2個RS232接口，同樣可以把GPIO的接口轉換成RS232接口實現(xiàn)圖像接收的任務；系統(tǒng)將通過CMOS攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲在輸入緩沖區(qū),然后對緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)直接進行相關處理,再保存并打成數(shù)據(jù)包后，系統(tǒng)通過算法進行圖像處理[8]。

圖2 嵌入式系統(tǒng)設計

1.2 無線控制通信設計

控制命令主要是根據(jù)圖像處理統(tǒng)計后得出的參數(shù)實現(xiàn)對控制對象的調整。無線傳輸控制原理如圖3所示。其中，無線傳輸模塊對外的通信接口統(tǒng)一采用串口RS232接口交換數(shù)據(jù)，控制命令通過嵌入式處理平臺發(fā)出，下位機的無線傳輸接收模塊收到數(shù)據(jù)后送傳感器控制單元實現(xiàn)對控制對象的控制，為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，傳感器控制系統(tǒng)在接收到控制命令和實現(xiàn)控制后也通過無線傳輸模塊通知嵌入式處理平臺，采用雙握手機制提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谏衔粰C和下位機的工作過程中，可靠的電源供給是信號穩(wěn)定傳輸?shù)谋Ｕ蟍9]。

圖3 無線傳輸控制原理

2 軟件設計

軟件設計主要包括嵌入式Linux內核定制、外設驅動開發(fā)和應用程序開發(fā)。嵌入式Linux內核定制需要加載必要的外設驅動，系統(tǒng)加載前期的處理通過BootLoader來完成，它主要實現(xiàn)的功能包括硬件初始化、設置內存空間映射規(guī)則和分配內存存儲空間等，為系統(tǒng)驅動加載調試提供合適的環(huán)境。設計的嵌入式操作系統(tǒng)采用Linux2.4.18內核，開發(fā)模式采用宿主開發(fā)模式，軟件和硬件之間的調試可以通過USB數(shù)據(jù)線在線完成，通過USB連線傳輸?shù)缴衔粰C上，利用QT編程完成接收應用程序，實現(xiàn)在嵌入式平臺圖像存儲和圖像處理功能，測試通過后把程序統(tǒng)一固化到內核文件中[10]。

2.1 攝像頭接口驅動程序設計

攝像頭接口驅動程序是抽象硬件和軟件的連接接口，屬于系統(tǒng)內核的組成部分。攝像頭驅動根據(jù)主設備號來創(chuàng)建1個放置在DEV目錄下的設備文件，當要訪問此攝像頭時，調用Open、Read和Write等函數(shù)進行操作。接口函數(shù)提供統(tǒng)一的對外數(shù)據(jù)通信接口，系統(tǒng)根據(jù)對應的函數(shù)功能完成攝像頭數(shù)據(jù)控制與采集任務[11]。攝像頭驅動加載流程如圖4所示。

圖4 攝像頭驅動加載流程

攝像頭驅動首先聲明1個可視化設備結構，獲得設備的相關初始化信息，接下來就開始圖像數(shù)據(jù)的幀打包，按照固定的格式把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在嵌入式平臺應用程序發(fā)出文件操作的相關命令時，檢驗圖像數(shù)據(jù)幀是否采集完成。攝像頭驅動加載主要工作是完成功能函數(shù)的調用，以參數(shù)的形式傳遞數(shù)據(jù)，這樣就完成驅動和核心之間的通信，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)幀發(fā)送到嵌入式平臺[12]。

2.2 控制數(shù)據(jù)采集與傳輸

在CC2530處理器進行控制命令的傳輸過程中，采用自動連續(xù)轉換模式，在進行數(shù)據(jù)的接口初始化之后，進入控制命令的監(jiān)控狀態(tài)，實時接收從嵌入式開發(fā)平臺發(fā)出的命令，當接收到控制命令之后，將對控制對象進行操作(控制對象通常是電機)，控制對象在接收到命令之后通常也會反饋信息到中央處理平臺，這樣可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹13]?？刂茢?shù)據(jù)相對容量較小，對傳輸速率要求不高，在實際的處理中使用數(shù)組進行處理即可，數(shù)組數(shù)據(jù)存儲完成交由CC2530處理器統(tǒng)一處理?？刂泼顐鬏斄鞒倘鐖D5所示。

圖5 控制命令傳輸流程

2.3 劍麻繩圖像處理軟件設計

針對劍麻繩生產過程中圖像快速變化的特點，采用圖像處理的方法實時獲取劍麻繩直徑的變化情況[14]。劍麻繩圖像處理流程如圖6所示。在圖像采集的過程中，不間斷讀取麻繩的圖像存儲到本地文件夾中，對讀取進入系統(tǒng)的圖像采用顏色空間轉換的方法,將圖像從RGB顏色空間轉換為HSI顏色空間，利用HSI顏色空間各分量相對獨立性以及麻繩的色調差異，通過改進遺傳算法和改進Otsu算法相結合的分割方法對H分量進行分割，可以提高圖像分割的質量和分割的速度，同時避免照度不均和背景光線變化帶來的影響[15]；再通過數(shù)學形態(tài)學，平滑濾波，去除毛刺噪聲，以及去除與圖像邊界連通的毛刺等方法進行后續(xù)處理，修正圖像邊緣相連不完整的連線；最后對處理后的圖像提取麻繩圖像寬度的平均值并把數(shù)據(jù)實時顯示出來，通過對直徑參數(shù)的變化情況統(tǒng)計獲取控制參數(shù)，給自動控制系統(tǒng)提供參數(shù)支持[16]。

圖6 劍麻繩圖像處理流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 圖像采集驅動測試

圖像采集驅動測試主要是完成攝像頭圖像的采集功能，系統(tǒng)驅動通過內核編譯的形式固化在系統(tǒng)內核中，隨著系統(tǒng)的啟動加載驅動程序，驅動程序調用對應的接口函數(shù)完成硬件的初始化、圖像采集控制同步等功能，同時驅動程序提供對應的接口在系統(tǒng)內核中供應用程序開發(fā)調用，測試通過編寫對應的應用程序實現(xiàn)圖像的采集、存儲和顯示等功能[17]。首先通過調用API函數(shù)創(chuàng)建1個用來顯示圖像的窗體，然后創(chuàng)建回調函數(shù)線程實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，再根據(jù)回調函數(shù)中不同的操作向系統(tǒng)發(fā)送不同的消息值，處理圖像的讀取、顯示等。圖像存儲在系統(tǒng)內存中，對圖像信息進行處理時，可以保存在本地文件夾中供圖像處理所用。攝像頭圖像采集驅動測試如圖7所示。

圖7 攝像頭圖像采集驅動測試

3.2 圖像處理與檢測測試

在實際的劍麻繩生產現(xiàn)場，由于受到機器纏繞誤差和劍麻繩固有毛刺的影響，造成劍麻繩的大小和粗細不均勻從而影響麻繩機械強度，在實驗現(xiàn)場需要實時檢測出劍麻繩的直徑變化情況，對設定超出閾值的麻繩發(fā)出預警。在實際的測試中，現(xiàn)場環(huán)境光線不足，光線受周邊的環(huán)境變化影響較大，故設計1個密閉的盒子，在盒子的內部安置3個不同方向的光源，設計的光源穩(wěn)定，背景環(huán)境相對統(tǒng)一，降低環(huán)境對采集圖像質量的干擾。在嵌入式控制平臺上使用圖像傳感器實時采集麻繩圖像，通過改進遺傳算法和改進Otsu算法的圖像處理方法，實時獲取麻繩的直徑值。麻繩平均直徑實時獲取測試如圖8所示。

圖8 麻繩平均直徑實時獲取測試

根據(jù)麻繩生產工藝的特殊情況，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)和SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)劍麻繩生產過程中直徑參數(shù)的實時監(jiān)測和存儲。在實際的測試中，選擇任意200 s的數(shù)據(jù)作為研究樣本，每10 s采集1次麻繩的直徑，得出麻繩直徑檢測顯示曲線如圖9所示。實時顯示劍麻繩直徑的變化情況，為生產階段的自動控制提供了比較準確的決策依據(jù)。通過統(tǒng)計麻繩直徑誤差變化趨勢可知，麻繩的直徑變化在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內可控，當超過某個臨界值之后發(fā)出預警并記錄下時間。這個臨界值可以通過參數(shù)設置的方式改變。麻繩直徑誤差變化趨勢如圖10所示。

圖9 麻繩直徑檢測顯示曲線

圖10 麻繩直徑誤差變化趨勢

4 結束語

以嵌入式作為設計平臺，實現(xiàn)劍麻繩的圖像采集與檢測，這是在麻繩生產工業(yè)的自動化控制的全新嘗試，在麻繩生產車間自動化、集成監(jiān)控工藝技術方面新的應用。系統(tǒng)可為自動化控制提供可靠的參數(shù)支持，為實現(xiàn)整個劍麻繩生產工藝的自動化提供可靠的保證，推動劍麻繩制造業(yè)信息化管理建設發(fā)展，提高劍麻繩品質量和產品檔次，節(jié)能節(jié)水，提高效益，增強市場競爭力。