集成視覺的運(yùn)動控制平臺設(shè)計及測試方法研究.pdf

1、運(yùn)動控制技術(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，對控制系統(tǒng)的功能多樣性的要求越來越強(qiáng)。因此要求運(yùn)動控制系統(tǒng)具備一個開放、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)動控制總線技術(shù)將運(yùn)動控制器與伺服系統(tǒng)等終端模塊組成了一個數(shù)字化整體，其中實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)的成熟又極大促進(jìn)了運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)了運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件化。為能夠在更短的時間內(nèi)，設(shè)計出品質(zhì)可靠且功能豐富的運(yùn)動控制系統(tǒng)，亟需實(shí)現(xiàn)開放、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試方法測試構(gòu)建的運(yùn)動控制系統(tǒng)的功能。
　　機(jī)器視覺系統(tǒng)常被作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能拓展。對于基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)，強(qiáng)大的計算性能可以有效縮短圖像處理時間。但是Windows并不是一個實(shí)時操作系統(tǒng)，圖像采集處理及其與運(yùn)動控制的數(shù)據(jù)交互的時間抖動性較大，無法適用于對實(shí)時性要求較高的應(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)時性，通過通信總線或I/O將圖像處理結(jié)果傳遞給運(yùn)動控制器

3、，但是僅能使用內(nèi)置的機(jī)器視覺算法，功能拓展性不足。因此運(yùn)動控制系統(tǒng)亟需一種開放式實(shí)時機(jī)器視覺系統(tǒng)，本文利用軟運(yùn)動控制器在實(shí)時域的開放性，對視覺集成的運(yùn)動控制平臺的設(shè)計方法進(jìn)行研究，將機(jī)器視覺與運(yùn)動控制運(yùn)行在同一個實(shí)時域內(nèi)，從而可有效提高機(jī)器視覺的實(shí)時性。
　　本文基于Windows+Kithara Real-time Suite(KRTS)為開放式軟運(yùn)動控制器設(shè)計了一個基礎(chǔ)實(shí)時運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)過測試在Symmetric Multi-P

4、rocessing(SMP)硬件架構(gòu)下，系統(tǒng)對網(wǎng)卡的系統(tǒng)響應(yīng)時間的最大值不超過13μs。在此此環(huán)境下本文為自主研發(fā)的實(shí)時以太網(wǎng)Ethernet for Manufacture Automation Control(EtherMAC)設(shè)計了主站協(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，給出了開放式軟運(yùn)動控制器的可編程接口的實(shí)現(xiàn)方法并通過設(shè)計的控制資源層以降低實(shí)時以太網(wǎng)與軟運(yùn)動控

5、制器之間的耦合性。給出了運(yùn)行在實(shí)時域內(nèi)的機(jī)器視覺功能的設(shè)計方法，以開放式圖像傳輸協(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，通過依據(jù)以上方法設(shè)計的視覺引導(dǎo)的機(jī)器人控制系統(tǒng)驗證了本文設(shè)計的集成視覺的運(yùn)動控制平臺的功能可行性。
　　實(shí)時以太網(wǎng)是運(yùn)動控制系統(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)動控制系統(tǒng)軟件功能測試方法。為

6、避免對實(shí)時以太網(wǎng)正常通信的影響，基于Field ProgrammableGate Array(FPGA)設(shè)計了一種無延時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽方法。以EtherMAC實(shí)時以太網(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)動控制數(shù)據(jù)，并以基于EtherMAC的數(shù)控系統(tǒng)作為測試對象進(jìn)行了測試功能驗證。該測試方法無需連接機(jī)械系統(tǒng)或修改電氣線路，即可評測運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件功能。
　　本文的研究成果為實(shí)時機(jī)器視覺應(yīng)用提供了一種開放且成本