專利名稱：一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)及其測控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)及其測控方法。
背景技術(shù)：
在檢測技術(shù)中，被測物體的外形往往具有某種幾何形狀，其長度、角度、圓孔直徑、 弧度等都是典型的待測幾何參數(shù)，傳統(tǒng)的測量方法是利用卡尺或千分尺在被測工件上針對某個參數(shù)進(jìn)行多次測量后取平均值，但這種測量方法精度低、測試速度慢，且數(shù)據(jù)無法實(shí)時處理，控制器也就無法據(jù)此實(shí)時做出控制決策，所以不適合自動化生產(chǎn)。基于機(jī)器視覺的尺寸測量方法以其非接觸性、實(shí)時性、靈活性和精確性等特點(diǎn)可以有效地解決這些問題，另外，這種方法不但可以獲取尺寸參數(shù)，還可以根據(jù)測量結(jié)果及時給出反饋信息給控制器，由此做出控制決策，控制執(zhí)行器的操作，修正加工參數(shù)，避免生產(chǎn)更多的次品，減少企業(yè)損失。以往我們將視覺測控系統(tǒng)中的圖像采集設(shè)備、圖像處理器、控制器和執(zhí)行器等設(shè)備作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，通過1394、RS232、RS485、CAN等總線連接，這種網(wǎng)絡(luò)的連網(wǎng)范圍是有限的，組網(wǎng)也很不靈活，管理起來比較麻煩，而且無法實(shí)現(xiàn)與企業(yè)的Internet/Intranet無縫連接從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。而在所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)由于其通信速率高、開放性好、應(yīng)用廣泛以及價格低廉、易于信息集成等特點(diǎn)，基本壟斷了商業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)市場，而隨著以太網(wǎng)接口在視覺采集設(shè)備上的推廣使用，將以太網(wǎng)用于視覺測控系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信平臺，是發(fā)展的必然趨勢。但是由于以太網(wǎng)絡(luò)不具備其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的專用性，同時為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，?yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸多是基于UDP協(xié)議的，這樣就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸中網(wǎng)絡(luò)丟包的大量存在。 由于丟包的存在，運(yùn)用傳統(tǒng)的控制方法，可能導(dǎo)致某些時刻控制指令的無效，非但起不到控制調(diào)節(jié)的作用，反而可能造成不利的影響。同時，現(xiàn)有的機(jī)器視覺測量裝置和控制裝置，往往是基于PC機(jī)的，這些裝置往往價值不菲，而且體積龐大，不僅增加了成本，實(shí)際上也喪失了許多的靈活性。而嵌入式設(shè)備不僅功耗低、體積小、成本低，而且穩(wěn)定性、實(shí)時性好。嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不僅可以構(gòu)建LAN，而且可以方便地接入網(wǎng)絡(luò)。而且嵌入式設(shè)備可以作為一個嵌入式web服務(wù)器，這樣就可使管理人員無論何時何地，都可以十分方便地利用web瀏覽器對其進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理和控制。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)及其測控方法，在控制目標(biāo)上用相對穩(wěn)定性代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全程漸近穩(wěn)定性要求， 能夠有效地抑制以太網(wǎng)傳輸過程中丟包現(xiàn)象給控制調(diào)節(jié)所帶來的影響。一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，包括圖像采集單元，用于對測量區(qū)域內(nèi)的待測物件進(jìn)行圖像采集，輸出一張待測圖像和若干張備用圖像；數(shù)據(jù)填補(bǔ)單元，用于通過以太網(wǎng)接收所述的待測圖像和若干張備用圖像，并利用若干張備用圖像對待測圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)，輸出一張待處理圖像；圖像處理單元，用于對所述的待處理圖像進(jìn)行特征提取，求得待測物件的當(dāng)前特征信息；信息存儲單元，用于存儲待測物件的當(dāng)前特征信息以及歷史特征信息；控制單元，用于從信息存儲單元中提取出所述的當(dāng)前特征信息以及歷史特征信息，且接收給定的特征設(shè)定值，并計(jì)算出控制參數(shù)；進(jìn)而根據(jù)當(dāng)前特征信息、歷史特征信息、 特征設(shè)定值以及控制參數(shù)，計(jì)算出控制量并輸出；執(zhí)行器，用于通過以太網(wǎng)接收所述的控制量，并根據(jù)控制量執(zhí)行操作。優(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)填補(bǔ)單元、圖像處理單元、信息存儲單元和控制單元集成于嵌入式模塊中；使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、實(shí)時性好，且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便攜、功耗低、成本低。優(yōu)選地，所述的控制單元連接有人機(jī)界面單元，控制單元將待測物件的當(dāng)前特征信息以及計(jì)算出的控制量通過以太網(wǎng)傳輸給人機(jī)界面單元，供其對這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；所述的人機(jī)界面單元接收用戶輸入的特征設(shè)定值，并將所述的特征設(shè)定值通過以太網(wǎng)傳輸給控制單元；使得用戶能夠?qū)崟r獲取測控過程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。所述的圖像采集單元為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；所述的人機(jī)界面單元為上位機(jī)。一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控方法，包括如下步驟(I)對測量區(qū)域內(nèi)的待測物件進(jìn)行圖像采集，獲得一張待測圖像和若干張備用圖像；并利用若干張備用圖像對待測圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)后得到一張待處理圖像；(2)對所述的待處理圖像進(jìn)行特征提取，求得待測物件的當(dāng)前特征信息；并獲取待測物件的歷史特征信息以及特征設(shè)定值；(3)計(jì)算出控制參數(shù)；根據(jù)待測物件的當(dāng)前特征信息、歷史特征信息、特征設(shè)定值以及所述的控制參數(shù)，計(jì)算出控制量；使執(zhí)行器根據(jù)所述的控制量執(zhí)行操作。所述的控制參數(shù)包括比例調(diào)控值和積分調(diào)控值；且比例調(diào)控值和積分調(diào)控值滿足以下關(guān)系式；
權(quán)利要求
1.一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，其特征在于，包括圖像采集單元，用于對測量區(qū)域內(nèi)的待測物件進(jìn)行圖像采集，輸出一張待測圖像和若干張備用圖像；數(shù)據(jù)填補(bǔ)單元，用于通過以太網(wǎng)接收所述的待測圖像和若干張備用圖像，并利用若干張備用圖像對待測圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)，輸出一張待處理圖像；圖像處理單元，用于對所述的待處理圖像進(jìn)行特征提取，求得待測物件的當(dāng)前特征信信息存儲單元，用于存儲待測物件的當(dāng)前特征信息以及歷史特征信息；控制單元，用于從信息存儲單元中提取出所述的當(dāng)前特征信息以及歷史特征信息，且接收給定的特征設(shè)定值，并計(jì)算出控制參數(shù)；進(jìn)而根據(jù)當(dāng)前特征信息、歷史特征信息、特征設(shè)定值以及控制參數(shù)，計(jì)算出控制量并輸出；執(zhí)行器，用于通過以太網(wǎng)接收所述的控制量，并根據(jù)控制量執(zhí)行操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)填補(bǔ)單元、圖像處理單元、信息存儲單元和控制單元集成于嵌入式模塊中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像采集單元為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，其特征在于所述的控制單元連接有人機(jī)界面單元，控制單元將待測物件的當(dāng)前特征信息以及計(jì)算出的控制量通過以太網(wǎng)傳輸給人機(jī)界面單元，供其對這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；所述的人機(jī)界面單元接收用戶輸入的特征設(shè)定值，并將所述的特征設(shè)定值通過以太網(wǎng)傳輸給控制單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，其特征在于所述的控制參數(shù)包括比例調(diào)控值和積分調(diào)控值；且所述的比例調(diào)控值和積分調(diào)控值滿足以下關(guān)系式；mm cs.t. (a)W+ "A 0A0A1S1I [q, qif B1B [q0 % ]<o(b) +1 + ( -!)( +^J/2]Si< c2f(c) YQqm〉Qo〉0，Qim〉〉0，C〉I其中Y為調(diào)控變量，％和Q1分別為比例調(diào)控值和積分調(diào)控值，S。為大于等于I的定值，S1為大于0的定值，I為2X2維的單位矩陣，nM為最大丟包量，TM為最大等效時延且tM= ，Tm為最小等效時延且Tm= 33為滿足_l)h < a ( 的整數(shù)，-bh為釆樣周期，a為對象時滯，^B-b-~htT為對象增益，T為時間常數(shù)，#OM)且為方程arctgz+z aT = 31 的根，= [77%2 cos(aiy0) + iy0 sii^aiyo)]/ /^ , ω0 e (ο, π/2α)且為方程 tg( α ω) = ω (2Τ+α ) / (Τ α ω2_1)的根，c 為優(yōu)化系數(shù)。
6.一種如權(quán)利要求I所述的基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)的測控方法，包括如下步驟(1)對測量區(qū)域內(nèi)的待測物件進(jìn)行圖像采集，獲得一張待測圖像和若干張備用圖像； 并利用若干張備用圖像對待測圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)后得到一張待處理圖像；(2)對所述的待處理圖像進(jìn)行特征提取，求得待測物件的當(dāng)前特征信息；并獲取待測物件的歷史特征信息以及特征設(shè)定值；(3)計(jì)算出控制參數(shù)；根據(jù)待測物件的當(dāng)前特征信息、歷史特征信息、特征設(shè)定值以及所述的控制參數(shù)，計(jì)算出控制量；使執(zhí)行器根據(jù)所述的控制量執(zhí)行操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測控方法，其特征在于所述的控制參數(shù)包括比例調(diào)控值和積分調(diào)控值；且比例調(diào)控值和積分調(diào)控值滿足以下關(guān)系式；
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測控方法，其特征在于所述的步驟(I)中，利用若干張備用圖像對待測圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)的過程為首先檢測待測圖像的數(shù)據(jù)報(bào)丟失情況；所述的待測圖像或備用圖像被分成η個數(shù)據(jù)報(bào)，所述的數(shù)據(jù)報(bào)包含有m行像素?cái)?shù)據(jù)和一個地址標(biāo)簽；若待測圖像的第i數(shù)據(jù)報(bào)丟失，則依次從備用圖像中尋找對應(yīng)的第i數(shù)據(jù)報(bào)對待測圖像進(jìn)行填補(bǔ)；填補(bǔ)后，判斷待測圖像中的數(shù)據(jù)報(bào)總數(shù)是否少于n-10個若是，則不對本次采集到的圖像進(jìn)行測量，并記丟包一次；若否，且待測圖像中仍不存在第i數(shù)據(jù)報(bào)，則檢測待測圖像的第i_l數(shù)據(jù)報(bào)和第i+Ι數(shù)據(jù)報(bào)是否均存在，若是，則使待測圖像的第i_l數(shù)據(jù)報(bào)的最后一行像素?cái)?shù)據(jù)作為待測圖像的第i數(shù)據(jù)報(bào)中前m/2行像素?cái)?shù)據(jù)的每行像素?cái)?shù)據(jù)，使待測圖像的第i+Ι數(shù)據(jù)報(bào)的最前一行像素?cái)?shù)據(jù)作為待測圖像的第i數(shù)據(jù)報(bào)中后m/2行像素?cái)?shù)據(jù)的每行像素?cái)?shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測控方法，其特征在于所述的比例調(diào)控值和積分調(diào)控值是針對圖像數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包狀況，按照系統(tǒng)無丟包時運(yùn)用漸近穩(wěn)定性概念和有丟包時運(yùn)用有限時間穩(wěn)定性概念的控制策略求得的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺測控系統(tǒng)，包括圖像采集單元、數(shù)據(jù)填補(bǔ)單元、圖像處理單元、信息存儲單元、人機(jī)界面單元、控制單元和執(zhí)行器。本發(fā)明充分考慮了以太網(wǎng)傳輸隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)丟包的存在，從減少圖像數(shù)據(jù)傳輸丟包的影響和控制策略的優(yōu)化等方面著手，在控制目標(biāo)上用相對穩(wěn)定性代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全程漸近穩(wěn)定性要求，使得測控過程更為流暢，測控結(jié)果更為準(zhǔn)確。同時本發(fā)明還公開該測控系統(tǒng)的測控方法，其能有效減少丟包對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒性，降低了控制器設(shè)計(jì)的保守性。
文檔編號G05B19/04GK102608928SQ201210065790
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者李健, 毛維杰, 薛文平 申請人:浙江大學(xué)