CN106249765A - 一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种融合压缩图像信息的倒立摆控制方法。本方法操作步骤如下：首先本地服务器端安装一台工业相机用于倒立摆运动图像的实时采集，并将采集到的图像通过图像压缩单元进行采样压缩。然后经过采样压缩后的图像经由网络传输到远程客户端，远程客户端以C/S的方式与本地服务器端信息交互，远程客户端计算机对接收到的压缩图像进行解压缩处理，并利用OpenCV机器视觉库相关图像处理函数对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取倒立摆小车与摆杆的特征点进而获取状态信息，客户端的PC机将获取的状态信息经过网络发送到服务器端。服务器端PC机内部嵌入运动控制卡，运动控制卡根据接收的状态信息计算出相应的控制量并发送给电控箱，电控箱内部伺服驱动器按照控制量大小直接驱动伺服电机转动带动倒立摆小车在滑轨上来回自由运动，达到倒立摆稳定的目的，实现融合视觉采样信息的网络化倒立摆控制。本发明主要为机器视觉和网络控制系统理论研究者提供一个实际验证平台。

Description

一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法
技术领域
本发明涉及一种融合压缩图像信息的倒立摆控制方法，特别一种融合压缩图像信息的是网络化倒立摆控制方法，属于机器视觉与自动控制技术领域。
背景技术
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是控制领域内的经典研究对象，是进行控制理论教学及开展各种控制算法研究的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，可以用来检验新的控制方法是否具有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业控制领域都有着广泛的应用，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
机器视觉是一项综合技术，包括图像处理、自动控制、电光源照明、光学成像、
传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术。最基本的特点就是提高生产的灵活性和
自动化程度。随着机器视觉的发展，使得视觉信息越来越多的被用于连续的反馈，在此基础
上，提出了基于视觉的伺服控制形式。即利用机器视觉的原理，对视觉传感器得到的图像进
行快速处理得到视觉反馈信息，再由控制器得到控制输入，最终使得被控对象得以控制。融
合视觉信息的倒立摆控制系统是一个典型的视觉伺服控制系统。
计算机、通信、自动控制和仪器仪表等技术的发展和相互渗透, 传感器、控制器
以及执行器通过网络形成闭环构成网络化控制系统，由于低成本、高灵活性及易安装等诸多
优点,NCSs已逐步应用于冶金、电站等领域。由于网络引入到控制系统中，而网络带宽有限
给控制系统带来了许多新的问题，如网络诱导延时和数据丢包等。
随着机器视觉与网络控制技术等各领域研究的不断的深入，学科之间的交叉融合
逐渐成为深入研究的重要方向和研究热点。然而，众所周知图像传输的数据量大与网络传输
带宽有限的突出矛盾一直是相关领域研究者不可跨越的难点，目前相关的研究均采用数字仿
真的方式模拟网络环境和图像处理误差和延时，然而数字仿真终究无法代替实际控制系统，
数字仿真不可能完全反映实际控制系统，所以本发明提出了一种融合压缩图像信息的倒立摆
网络控制方法，旨在为机器视觉与网络控制理论研究者提供一个实际的验证平台。
发明内容
为了解决以上诸多问题，本发明的目的在于提供一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，可为机器视觉与网络控制理论研究者提供一个实际的验证平台。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，在本地服务器端安装一台工业相机(1)用于倒立摆(2)运动图像的实时采集，一台图像压缩单元PC机(3)中嵌入OpenCV机器视觉库，用于对采集到的图像进行采样压缩，远程客户端以C/S的方式与本地服务器端交互，一台远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，利用OpenCV机器视觉库中相关图像处理函数对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取倒立摆(2)小车与摆杆的特征点进而获取状态信息，远程客户端PC机(4)将获取的状态信息经过网络发送到一台本地服务器端PC机(5)，本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡根据接收的状态信息计算出相应的控制量并发送给一个电控箱(6)，电控箱(6)内部伺服驱动器按照控制量大小直接驱动一个伺服电机(7)转动，带动倒立摆(2)小车在滑轨上来回自由运动，达到倒立摆(1)稳定的目的，实现融合视觉采样信息的网络化倒立摆控制。
所述的工业相机是一种高帧率单色相机，为了满足倒立摆(2)系统实时性要求，工业相机(1)帧率要求在60FPS以上。
所述的图像压缩单元PC机(3)是一台配置OpenCV计算机视觉库和MicrosoftVisual Studio开发环境的本地计算机，其中OpenCV可以被其他任何计算机视觉库代替，只要是可以实现图像压缩功能即可。
所述的图像压缩目的在于不显著影响所需图像特征信息的前提下，降低数据传输量，减少网络负载，不局限于某种方法，只要实现图像压缩功能即可。
所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，先要获得本地服务器端的操作权限，从而使远程客户端PC机(4)能够获取图像单元PC机(3)中的压缩图像，同时将状态信息发送到本地服务器端PC机(5)。
所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，在远程客户端PC机(4)界面上采用IP地址和端口号的形式取得图像单元PC机(3)和本地服务器端PC机(5)的操作权限。
所述的远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，并对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取小车与摆杆的特征点进而获取状态信息。
所述的本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡用以实现各种控
制算法。
所述本地服务器端PC机(5)获取小车与摆杆的实时状态信息后，采用控制算法计算出对应的控制量，其中控制算法不局限于运动控制卡内部已经实现的LQR、PID控制算法，可自定义各种算法，只要可以实现倒立摆稳定控制即可。
所述的电控箱(6)内部嵌入伺服驱动器和端子板，伺服驱动器用以对运动控制卡。下发给伺服电机(7)的信号进行驱动，端子板用来转接运动控制卡的相关控制信号。
所述的电控箱(6)内部伺服驱动器驱动伺服电机(7)转动，带动小车在滑轨上来回自由运动达到倒立摆(2)稳定的目的。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明采用机器视觉和网络控制相关技术有效的实现了融合视觉信息的网络化倒立摆的控制。特别是针对其中的图像传输的数据量大与网络传输带宽有限的突出矛盾，本发明提出了采用图像压缩的方式降低了图像传输的数据量，减小了通信延时与负载延。为当前机器视觉与网络控制领域的研究者提供了一个有效的实际平台。
附图说明
图1融合压缩图像信息的倒立摆网络控制控制框图。
图2本发明的服务器端系统流程图。
图3本发明的客户端系统流程图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
如图1所示，一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于操
作步骤如下：在本地服务器端安装一台工业相机(1)用于倒立摆(2)运动图像的实时采集，图像压缩单元PC机(3)中嵌入OpenCV机器视觉库，用于对采集到的图像进行采样压缩，远程客户端以C/S的方式与本地服务器端交互，远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，利用OpenCV机器视觉库中相关图像处理函数对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取倒立摆(2)小车与摆杆的特征点进而获取状态信息，远程客户端PC机(4)将获取的状态信息经过网络发送到本地服务器端PC机(5)，本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡根据接收的状态信息计算出相应的控制量并发送给电控箱(6)，电控箱(6)内部伺服驱动器按照控制量大小直接驱动伺服电机(7)转动，带动倒立摆(2)小车在滑轨上来回自由运动，达到倒立摆(2)稳定的目的，实现融合视觉采样信息的网络化倒立摆控制。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1-图3，
所述的工业相机是一种高帧率单色相机，为了满足倒立摆(2)系统实时性要求，工业相机
(1)帧率要求在60FPS以上。
所述的图像压缩单元PC机(3)是一台配置OpenCV计算机视觉库和MicrosoftVisual Studio开发环境的本地计算机，其中OpenCV可以被其他任何计算机视觉库代替，只要是可以实现图像压缩功能即可。
所述的图像压缩目的在于不显著影响所需图像特征信息的前提下，降低数据传输量，减少网络负载，不局限于某种方法，只要实现图像压缩功能即可。
所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，先要获得本地服务器端的操作权限，从而使远程客户端PC机(4)能够获取图像单元PC机(3)中的压缩图像，同时将状态信息发送到本地服务器端PC机(5)。
所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，在远程客户端PC机(4)界面上采用IP地址和端口号的形式取得图像单元PC机(3)和本地服务器端PC机(5)的操作权限。
所述的远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，并对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取小车与摆杆的特征点进而获取状态信息。
所述的本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡用以实现各种控制算法。
所述本地服务器端PC机(5)获取小车与摆杆的实时状态信息后，采用控制算法计算出对应的控制量，其中控制算法不局限于运动控制卡内部已经实现的LQR、PID控制算法，可自定义各种算法，只要可以实现倒立摆稳定控制即可。
所述的电控箱(6)内部嵌入伺服驱动器和端子板，伺服驱动器用以对运动控制卡下发给伺服电机(7)的信号进行驱动，端子板用来转接运动控制卡的相关控制信号。
所述的电控箱(6)内部伺服驱动器驱动伺服电机(7)转动，带动小车在滑轨上来回自由运动达到倒立摆(2)稳定的目的。

Claims (10)

1.一种融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：操作步骤如下：在本地服务器端安装一台工业相机(1)用于倒立摆(2)运动图像的实时采集；图像压缩单元PC机(3)中嵌入OpenCV机器视觉库，用于对采集到的图像进行采样压缩；远程客户端以C/S的方式与本地服务器端交互；由一台远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，利用OpenCV机器视觉库中相关图像处理函数对解压后的图像进行一系列的图像处理操作以便获取小车与摆杆的特征点进而获取状态信息；远程客户端PC机(4)将获取的状态信息经过网络发送到本地服务器端PC机(5)，本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡根据接收的状态信息计算出相应的控制量并发送给一台电控箱(6)，该电控箱(6)内部伺服驱动器按照控制量大小直接驱动一个伺服电机(7)转动，带动倒立摆(2)小车在滑轨上来回自由运动，达到倒立摆(2)稳定的目的，实现融合视觉采样信息的网络化倒立摆控制。
2.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的工业相机(1)是一种高帧率单色相机，为了满足倒立摆(2)系统实时性要求，工业相机(1)帧率要求在60FPS以上。
3.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的图像压缩单元PC机(3)是一台配置OpenCV计算机视觉库和Microsoft Visual Studio开发环境的本地计算机，其中OpenCV可以被其他任何计算机视觉库代替，只要是可以实现图像压缩功能即可。
4.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的图像压缩目的在于不显著影响所需图像特征信息的前提下，降低数据传输量，减少网络负载，不局限于某种方法，只要实现图像压缩功能即可。
5.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，先要获得本地服务器端的操作权限，从而使远程客户端PC机(4)能够获取图像单元PC机(3)中的压缩图像，同时将状态信息发送到本地服务器端PC机(5)。
6.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述远程客户端以C/S的方式远程访问本地服务器端时，在远程客户端PC机(4)界面上采用IP地址和端口号的形式取得图像单元PC机(3)和本地服务器端PC机(5)的操作权限。
7.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的远程客户端PC机(4)对接收到的压缩图像进行解压缩处理，并对解压后的图像进行一系列
的图像处理操作以便获取倒立摆(2)小车与摆杆的特征点进而获取状态信息。
8.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的本地服务器端PC机(5)内部嵌入运动控制卡，运动控制卡用以实现各种控制算法。
9.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述本地服务器端PC机(5)获取倒立摆(2)小车与摆杆的实时状态信息后，采用控制算法计算出对应的控制量，其中控制算法不局限于运动控制卡内部已经实现的LQR、PID控制算法，可自定义各种算法，只要可以实现倒立摆稳定控制即可。
10.如权利要求1所述的融合压缩图像信息的网络化倒立摆控制方法，其特征在于：所述的电控箱(6)内部嵌入伺服驱动器和端子板，伺服驱动器用以对运动控制卡下发给伺服电机(7)的信号进行驱动，端子板用来转接运动控制卡的相关控制信号。
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