集成視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法研究.pdf

1、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是推進(jìn)制造業(yè)革新的核心技術(shù)之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的功能多樣性的要求越來(lái)越強(qiáng)。因此要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備一個(gè)開(kāi)放、柔性的體系結(jié)構(gòu)，而功能軟件化則是實(shí)現(xiàn)該體系結(jié)構(gòu)的有效途徑。運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)將運(yùn)動(dòng)控制器與伺服系統(tǒng)等終端模塊組成了一個(gè)數(shù)字化整體，其中實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的成熟又極大促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件化。為能夠在更短的時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)出品質(zhì)可靠且功能豐富的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，亟需實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、可重構(gòu)的控

2、制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并且需要一種便捷有效的測(cè)試方法測(cè)試構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能。
　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)常被作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能拓展。對(duì)于基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，強(qiáng)大的計(jì)算性能可以有效縮短圖像處理時(shí)間。但是Windows并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，圖像采集處理及其與運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)交互的時(shí)間抖動(dòng)性較大，無(wú)法適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。專用于圖像采集處理的嵌入式系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，通過(guò)通信總線或I/O將圖像處理結(jié)果傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器

3、，但是僅能使用內(nèi)置的機(jī)器視覺(jué)算法，功能拓展性不足。因此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)亟需一種開(kāi)放式實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，本文利用軟運(yùn)動(dòng)控制器在實(shí)時(shí)域的開(kāi)放性，對(duì)視覺(jué)集成的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，將機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)行在同一個(gè)實(shí)時(shí)域內(nèi)，從而可有效提高機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)性。
　　本文基于Windows+Kithara Real-time Suite(KRTS)為開(kāi)放式軟運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)過(guò)測(cè)試在Symmetric Multi-P

4、rocessing(SMP)硬件架構(gòu)下，系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)卡的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的最大值不超過(guò)13μs。在此此環(huán)境下本文為自主研發(fā)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet for Manufacture Automation Control(EtherMAC)設(shè)計(jì)了主站協(xié)議棧，使其最小通信周期達(dá)到100μs。參照PLCopen的Motion Control部分的功能規(guī)范，給出了開(kāi)放式軟運(yùn)動(dòng)控制器的可編程接口的實(shí)現(xiàn)方法并通過(guò)設(shè)計(jì)的控制資源層以降低實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與軟運(yùn)動(dòng)控

5、制器之間的耦合性。給出了運(yùn)行在實(shí)時(shí)域內(nèi)的機(jī)器視覺(jué)功能的設(shè)計(jì)方法，以開(kāi)放式圖像傳輸協(xié)議GigE Vision作為圖像采集接口，并可重用Windows上豐富的圖像處理軟件資源。最后，通過(guò)依據(jù)以上方法設(shè)計(jì)的視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人控制系統(tǒng)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的集成視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的功能可行性。
　　實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)紐帶，也是軟件功能表達(dá)的直接接口，以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出了一種基于數(shù)據(jù)逆向分析的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件功能測(cè)試方法。為

6、避免對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)正常通信的影響，基于Field ProgrammableGate Array(FPGA)設(shè)計(jì)了一種無(wú)延時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)方法。以EtherMAC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為例，給出了數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層解析方法，從而可提取出有效的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，并以基于EtherMAC的數(shù)控系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試功能驗(yàn)證。該測(cè)試方法無(wú)需連接機(jī)械系統(tǒng)或修改電氣線路，即可評(píng)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件功能。
　　本文的研究成果為實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提供了一種開(kāi)放且成本