一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)視覺領域，具體涉及一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術】
[0002]嵌入式系統(tǒng)ES (Embedded System)是一種用途廣泛的系統(tǒng)，以應用為中心、計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。隨著計算機技術和相關電子技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已深入應用至社會中的各個領域，特別是工業(yè)控制領域。
[0003]現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，通常采用集中式系統(tǒng)，控制功能都高度集中在一臺服務器或者主機上，所有的功能及處理任務都由服務器或者主機記性處理。但是，在實際應用中，集中式系統(tǒng)不能滿足具有更龐大功能需求的工業(yè)控制領域，客戶需要具有分布處理能力的、完整一體化的分布式系統(tǒng)。
[0004]分布式系統(tǒng)是若干計算機的集合，內部由通信網絡實現(xiàn)，以通信為網絡基礎。整個分布式系統(tǒng)采用獨立工作或者合作工作兩種方式，各個操作主機可以并行操作以及分布控制。
[0005]在嵌入式系統(tǒng)中的分布式體系結構，不同的嵌入式設備之間以某種方式分布式地相互連接，彼此協(xié)作，最終達到高靈活性和高可靠性的工控系統(tǒng)。
[0006]分布式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信網絡相比具有一定的優(yōu)越性:
[0007]I)、分布式系統(tǒng)中各個操作主機并行操作，意味著實現(xiàn)了在物理性質上的獨立性以及在邏輯性質上的合作性。
[0008]2)、分布式系統(tǒng)具有較高的可靠性，當系統(tǒng)中一臺或者多臺主機發(fā)生故障時，其余獨立的主機可以自行修復，重新構成和原系統(tǒng)功能一致的系統(tǒng)，使整個分布式系統(tǒng)自動調節(jié)恢復到故障前狀態(tài)。
[0009]近年來，工業(yè)控制領域中工業(yè)機器人得到了廣泛地應用，傳統(tǒng)的技術方法采用操作人員離線編程引導的方式控制工業(yè)機器人，機器人重復地執(zhí)行存儲在內存單元中的程序，執(zhí)行所要求的操作動作。
[0010]這種控制方式對智能機器人限制性極強，不具備實時性，對外界信息變化的感知能力不足，不能夠根據環(huán)境的變化對操作行為進行相應的調整，同時大量的功能需要大量的編程準備時間，在一定程度上大大降低了系統(tǒng)效率。
[0011]為了解決上述問題，需要在工業(yè)機器人上添加一套視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)實時地較為直觀地對外界環(huán)境做出反應，并根據其變化相應地做出調整，從而最終提高機器人的靈活性和實時性。
[0012]傳統(tǒng)通用的工控機器人視覺處理系統(tǒng)的結構如圖1所示，包括:工業(yè)控制機器人模塊，計算機控制器模塊，圖像顯示器模塊，大容量存儲器模塊，專用圖像處理硬件模塊，圖像處理軟件模塊和獲取圖像傳感器模塊；
[0013]獲取圖像傳感器模塊捕捉特征捕捉對象的信息并傳遞給專用圖像處理硬件模塊，經過計算機控制器模塊傳遞給圖像處理軟件模塊進行圖像處理，將處理結果返回給計算機控制器模塊，控制工業(yè)控制機器人模塊進行操作，同時顯示在圖像顯示器模塊和根據用戶命令存儲到大容量存儲器模塊。
[0014]傳統(tǒng)的嵌入式視覺系統(tǒng)需要進行大量的信息處理，才能夠得到較為準確的信息。由于計算機控制器模塊中嵌入的CPU芯片計算能力有限，對于計算復雜度很高的視覺算法，嵌入式CPU芯片的處理速度很難滿足工業(yè)控制的實時性要求。傳統(tǒng)的利用專用集成電路實現(xiàn)視覺處理算法雖然能解決視覺系統(tǒng)性能、功耗以及容量等方面的矛盾，但是傳統(tǒng)算法同樣具有開發(fā)周期長、通用性較差、改進不便等缺點。
[0015]與此同時，傳統(tǒng)的集中式控制器模式中存在以下缺點:所有I/O信號都集中至計算機控制器模塊上，傳輸距離受限且布線困難；集中硬件系統(tǒng)數(shù)據傳輸帶寬有限，無法完成特大規(guī)模信號處理的要求；系統(tǒng)更新升級困難，容量較為確定，可提升的空間范圍?。痪S修成本高，一旦出現(xiàn)故障需要整機維修。

【發(fā)明內容】

[0016]本發(fā)明的目的是為了解決上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用方法中的缺點，實現(xiàn)針對機械臂的新型嵌入式視覺系統(tǒng)高性能、低功耗和結構精簡的功能。
[0017]一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)，包括:圖像采集模塊、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)模塊、工控機模塊和執(zhí)行終端模塊。
[0018]圖像采集模塊由多個圖像采集裝置組成，多個圖像采集裝置以分布式網絡結構搭載在執(zhí)行終端模塊上，采集執(zhí)行終端模塊捕捉到的特征對象的圖像，并傳輸給現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊進行處理。
[0019]現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊通過地址總線和數(shù)據總線與工控機模塊連接，負責整個嵌入式視覺系統(tǒng)的數(shù)字邏輯控制以及時序調整，對圖像采集模塊采集的圖像視頻進行數(shù)字化、圖像二值化和濾波等預處理，并將處理后的數(shù)據信號通過數(shù)據總線傳輸至工控機模塊。
[0020]工控機模塊米用ARM (Advanced RISC Machines)內核處理器作為主控制器的處理器，進行實時的多視頻處理和圖像處理，具有強大的運算能力以及判斷能力，判斷來自主控制器的控制命令，進行控制命令尋址和處理，將現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊得到的ROS消息結果，給出相應的指令控制操作，通過CAN總線以協(xié)議形式傳輸給執(zhí)行終端模塊；
[0021]執(zhí)行終端模塊，指模塊化的機械臂，與主控制器利用通信節(jié)點進行數(shù)據傳輸，且根據工控機模塊輸出的矯正指令，調整機械臂的位姿。
[0022]一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)的使用方法，具體步驟如下:
[0023]步驟一、對嵌入式視覺系統(tǒng)離線進行初始化標定；
[0024]步驟二、圖像采集模塊采集捕捉特征對象的圖像視頻模擬信號，模數(shù)轉換成數(shù)字圖像視頻信號并傳輸給現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊；
[0025]步驟三、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊對數(shù)字圖像視頻信號進行預處理，送入工控機模塊中。
[0026]步驟四、工控機模塊對預處理后的圖像視頻數(shù)據信號進一步處理，得到多圖相視頻處理結果以及相對應的控制信號，并發(fā)送給執(zhí)行終端模塊。
[0027]ARM內核處理器具有強大運算功能的算數(shù)邏輯單元，對傳入的數(shù)據信號進行進一步實時的多圖像視頻處理和圖像處理，根據處理結果，工控機模塊得出相應的執(zhí)行操作目的以及控制信號。
[0028]步驟五、執(zhí)行終端模塊控制機械臂根據多圖相視頻處理結果的控制信號進行相應的位姿校正和調整。
[0029]工控機模塊相應給出矯正指令，向執(zhí)行終端模塊發(fā)送控制信號，從而使執(zhí)行終端模塊根據指令相應地調整位姿，完成位置校正操作。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0031](I) 一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)，提出新的具有分布式通信網絡性質的嵌入式視覺控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的視覺控制系統(tǒng)而言，很好地解決了傳統(tǒng)工業(yè)機器人領域所提出的問題和挑戰(zhàn)，具有更高的魯棒性，穩(wěn)定性，靈活度。
[0032](2) 一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)，高效實時地利用視覺圖像信息對機械臂系統(tǒng)進行位姿調節(jié)，具有相應的位姿矯正功能，從而提高了系統(tǒng)的精確度。
[0033](3) 一種針對機械臂的嵌入式視覺系統(tǒng)，采用分布式網絡通信結構，大大提高了整個系統(tǒng)的并行性能以及處理效率。