视觉控制在位置跟踪系统中的设计

杨正芳

（广东省机械研究所，广东广州 510635）

制造型客户在传统生产中，许多工位需要人工定位，人工检测，由于人力成本的增加，制造型企业希望提升制造线的自动化水平，针对这一客户需要，针对性的开发设计了一款视觉系统。

1 主要部件组成

组成：系统由工业照相机、工业计算机系统及I/O接口组成（见图1）。

（1）工业照相机：包括光源、镜头及相机等部件。

（2）工业计算机系统：包括工业计算机硬件、控制系统软件、相机及I/O 接口的驱动程序等。

（3）I/O接口：可接PLC，或其他控制输入输出信号。

图1 视觉控制系统组件

2 视觉检测系统特征及技术要求

系统采用30万像素黑白工业照相机，初始可同时配置8 个取样点；可测量位置偏移及角度偏转，并进行比较和数据的读取，进行跟踪及尺寸计算；单点跟踪运算时间100～500 ms，动态配置输入输出的开关量及通信接口，提供RS232、RS485及CAN总线接口。

系统硬件主要包括工业计算机、工业相机、I/O 接口模块，工业相机及I/O 接口模块均采用USB 接口与工业计算机相连，不需要连接外部电源。为达到较好的性能，工业计算机需要配置2核/2GHz处理器、2GB内存及以上的更高配置。工业相机采用HV030UM，也可根据实际需要配置适当焦距的定焦/变焦镜头。

3 I/O 硬件设计及通信协议

3.1 接口

I/O 接口通过接口模块实现，模块一端为USB接口，采用标准的USB2.0，与系统的计算机连接。另一端是采用6 线制的接口，向其他开关量设备及通信设备提供信息连接（见图2）。

图2 I/O接口模块

图3 I/O 管脚

3.1.1 通信接口

通信由三条线组成（见图3）：GND（端口6，黑色线）；RX_A_H（端口1，绿色线）；TX_B_L（端口2，黄色线）。通过软件设置，可以设置为RS232、RS485、CAN 总线等传输方式，其中，RS232、RS485 通信采用1 个起始位，8 位数据，1 个停止位，无校验位，波特率通过软件设置；CAN 总线采用320k 波特率，接收ID=1001，发送ID=1002。

3.1.2 开关量输出

开关量输出由三条线组成（见图3）：VSS（端口5，白色线）、VDD（端口3，红色线，与输入线共用）、Vout（端口4，蓝色线）。根据设定可以选择有PNP输出模式或NPN输出模式

3.1.3 开关量输入

开关量输入两条线组成（见图3）：VSS（端口5，白色线）、Vin（端口3，红色线，与外部配置供用）。通过软件设置确定输入模式，有上升沿触发或下降沿触发，响应时间为50～100 ms。

3.2 通信协议

编码数据采用数据包的编码发送形式。

3.2.1 RS232/485协议

定位：

采用编码数据的发送模式。数据DATA 格式如下（从左到右，从上到下发送）。

ADR SY1 44H DX0 ID DX1 ST DY0 SX0 DY1 SX1 AG0 SY0 AG1

其中，ADR 是软件设置的通信地址，在“输出信息配置”“接口地址”中设置。ID 是取样点的编号，在软件中打开取样点属性框可以查看到。ST 不为0 表示定位查找成功，否则为失败。取样点原始地址坐标：X=SX1·256+SX0，Y=SY1·256+SY0当前测试的地址坐标：X=DX1·256+DX0，Y=DY·1256+DY0

按逆时针的旋转角度：AG·1256+AG0

对比：

采用编码数据的发送模式。数据格式如下（从左到右发送）：

ADR 33H ID ER0 ER1 ST

其中，ADR 是软件设置的通信地址，在“输出信息配置”“接口地址”中设置。ID 是取样点的编号，在软件中打开取样点属性框可以查看到。ST 不为0 表示比对完成，否则标示未进行比对。不匹配的分块数：ER1·256+ER0，如果为0表示完全匹配。

3.2.2 CAN总线协议

数据采用原码数据的模式发送，定位、对比、条码的数据格式与RS232/485 通信协议章节相同。CAN总线是按数据包发送数据的，每个数据包只能发送8字节数据，因此在发送端需要将数据进行分包，接收端需要对数据进行组包。数据包的格式如下：

SER T0TAL DATA

SER：数据包编号，0～N；TOTAL：数据包的总数，1～N+1；DATA：发送的数据，最多为6字节。组包时，必须按照数据格式中从左到右、从上到下的模式进行，不是最后编号的数据包必须放满6字节数据，最后一个数据包放剩余的数据，可能不够6字节。

4 系统软件设计及界面参数配置

4.1 主界面窗口

主界面设计见图4。

图4 主界面窗口

1为系统菜单：包括有功能、配置、帮助；

2为实时影像窗口：如果工业相机连接及驱动安装正确，窗口将显示实时影像；

3为取样图片窗口：显示当前的取样图片；

4为运行图片窗口：显示拍照获取的当前正在处理的图片，其中取样模式显示取样图片，运行模式显示当前操作图片；

5为取样区域：绿色边框内为取样区域，取样点只能在该区域内选取；

6为取样点：选取的取样点，可以是位置及角度跟踪点、亮度基准点、尺寸基准点、区域对比点、特定读取点；其中，位置及角度跟踪点取样成功的显示为橙色，未取样成功的显示为黄色，鼠标移动到该位置时会显示取样区域及跟踪区域大小，点击鼠标可以进入取样点配置窗口。在实际运行检测过程中，显示各信息数据等。

4.2 取样界面参数配置设定窗口

在取样区域内点击鼠标，或者在已存在的取样点上点击鼠标，将弹出取样窗口，见图5，根据图中设置要求，对取样点、跟踪位置、检测尺寸范围和模式等进行数据的配置及模式的选择。

4.3 影像源设置菜单

勾选“模拟卡/USB”使用模拟卡的影像源，使用基于SAA7134HL 芯片的PCI 卡，可以选择检测列出的“设备”及设备的通道端口，并外接摄像头，保存后重新启动，否则设定无效，见图6。

图5 参数设置界面

图6 影像源设置

4.4 通信及运行设置

通过通信及运行方式界面选择通讯端口及运行跟踪方式，见图7。

图7 通信及运行设置

4.5 输出信息配置

在输出信号方式界面，选择设定信号输出方式见图8。

图8 定位输处信号设置

4.6 USB视频设备配置

对摄取的图像效果进行参数设置见图9。

5 位置与角度跟踪

5.1 单点跟踪

单点跟踪是指在基准图片取样区域只成功设置了一个跟踪取样点（未成功的点不会被运行处理）。运行时，如果成功查找到跟踪点，则输出跟踪点的偏移位置信息及旋转角度信息，并显示相应的状态[1]。

5.2 多点跟踪

多点跟踪是指在基准图片的取样区域成功设置了多个取样点，运行时，对每个成功取样的点都进行处理。多点跟踪时，如果其中有两个取样点的距离足够大，将获得更精确的旋转角度信息，输出显示。

6 区域对比

如果在基准图片的取样区域设置了区域对比点，则在运行时将进行区域对比处理。区域对比将根据设置及跟踪点输出的偏移与旋转角度信息调整目标区域的位置与角度，并按照块的大小进行对比。在画面中将根据设定误差比较失败的块用红框标示出来，同时输出相关的信息，包括显示及I/O接口。

图9 图像参数设置

7 结束语

本文介绍了视觉控制在位置跟踪的设计，使系统可以准确、快捷地捕捉位置，可根据不同客户配以相应的动作控制，可起到模拟人力操作的效果，拓宽其应用范围。

［1］雷李辉，朱晓明，席文明.基于视觉的微马达转子引线自动化装配研究［J］.机电工程，2011（06）：671-674.