CN110092233B - 一种基于光流相机和pid控制的在线自动纠偏切割系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光流相机和PID控制的在线自动纠偏切割系统，该发明是一种可以实现对非透明切割材料进行在线自动纠偏的切割系统，解决了切割材料跑偏导致切割质量下降的问题；主要包括光学成像模块，控制模块和执行模块。该在线自动纠偏切割系统通过光学成像模块获得实时像素偏移量并发送到控制模块，控制模块对像素偏移量应用定标原理和PID控制原理计算出实时控制量，然后输入到驱动器以驱动电机带动刀片进行位置补偿，从而达到在线自动纠偏的目的。本发明解决了现有在线自动纠偏切割系统在实际纠偏应用中结构复杂，对成像质量要求较高且计算量较大的问题，适用于高速切割环境，在兼顾成本和降低计算量的基础上提高了纠偏精度。
Description
技术领域
本发明属于视觉伺服控制领域，更为具体的讲，涉及一种采用光流相机和PID控制的在线自动纠偏切割系统。
背景技术
在工业生产中，分切机主要是将宽幅纸、云母带或镭射膜等切割材料进行分切和复卷，是印后工艺的重要设备。但是在材料输送的过程中，随着材料卷径不断的减小导致材料供送的速度和张力发生变化，另外各辊之间的不平行以及切割材料绕上卷筒时不齐等因素，均会导致切割材料跑偏，进而影响切割材料的分切质量。
传统的分切机通常采用光电头跟踪材料的边缘或印刷色标，进而实现纠偏控制。但是随着镭射膜等材料的广泛应用，由于膜表面呈镜面反射以及反射的无序性，使得光电头对这类材料的检测信号微弱甚至几乎失效，导致分切生产效率降低。为了解决上述问题，新型基于机器视觉的切割材料在线自动纠偏切割系统被提出，该技术方案采用独特的照明技术和CCD成像技术获取切割材料图像，然后利用灰度投影等数字图像处理方法实现边缘的检测以及定位，进而通过视觉伺服运动控制系统实现在线自动纠偏。但是该技术方案通常严重依赖于成像质量且计算量较大，在需要较高边缘定位精度的应用中，只能提高图像的采样率，但是存在的问题之一就是随着采样率的提高，计算量和成本将大幅增加进而限制了该方案的应用范围。所以如何在兼顾成本的基础上提高在线自动纠偏的精度和速度进而提高生产效率成为了该生产领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服了现有技术的不足，在不明显增加系统成本和复杂度的条件下，提出了一种基于光流相机和PID控制的在线自动纠偏切割系统，解决了由于切割材料的跑偏导致分切质量下降的问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于光流相机和PID控制的在线自动纠偏切割系统，其包括：
光学成像模块：位于非透明切割材料的上方，由光流相机和辅助光源组成，用于对非透明切割材料进行成像，并根据采集图像输出当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量ε(n)；
执行模块：由驱动器、电机和刀片组成，用于接收相应控制信号并驱动电机带动刀片进行位置纠偏；
控制模块：接收光学成像模块输出的各帧实时像素偏移量ε(n)，并运行数据处理程序计算控制量，进而实现通过控制执行模块对刀片的位置进行纠偏。
其中，所述辅助光源采用同轴光源结构，可以提高非透明切割材料的明暗对比度；光源的入射方向平行于非透明切割材料并发射到一块分光镜上，该分光镜将入射光分成一路垂直向下照亮切割材料，另一路为透射光；光流相机从分光镜的上方对非透明切割材料进行图像采集；进而实现对非透明切割材料有效成像，提高在线自动纠偏切割系统的特征提取和运动捕捉能力；
其中，所述光学成像模块对准切割材料成像，采集连续多帧实时运动图像序列，并获得当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量ε(n)，发送到控制模块，进而通过光学成像模块实时检测切割材料与刀片之间的相对运动；
其中，所述光学成像模块与执行模块中的刀片刚性连接，即两者具有固定的空间位置关系，光学成像模块会跟随刀片的运动而运动，进而光学成像模块输出的实时像素偏移量ε(n)实际上为刀片和切割材料两者共同作用下的像素偏移量；
其中，所述控制模块根据获得的实时像素偏移量ε(n)并应用定标原理计算出刀片和切割材料相对运动下的离散实时运动偏移量e(n)；然后再根据PID控制原理计算出对刀片的离散实时控制量u(n)，实时控制量的计算公式如下所示：
e(n)＝K×ε(n)
式中K表示由定标原理确定的两者比例系数，u(n)表示控制模块输出到执行模块的实时控制量，τ表示帧序号，数值从1到当前时刻对应的采样帧序号n，KP(比例增益)，KI(积分增益)以及KD(微分增益)均为调适参数，需要根据实际系统结构进行PID调参以获得在稳定最优运动状态下的参数。
本发明的原理是：通过设计一种同轴光源结构的辅助光源可以实现对平面且表面光滑的非透明切割材料进行有效成像，进而为光流相机提供一个良好的成像环境；光流相机对切割材料进行实时成像并获得连续多帧运动图像序列。然后光流相机的板载处理器对采集到的连续多帧运动图像序列进行分析计算以获得相邻两帧间的实时像素偏移量，并输出到控制模块。当控制模块接收到实时像素偏移量，根据定标原理和PID控制原理计算出最终的控制量并输入到驱动器驱动电机带动刀片移动，进而实现在线自动纠偏。
本发明与现有在线自动纠偏切割系统相比的优点在于：本发明采用光流相机作为运动信息捕捉器件，捕捉速度快且精度高，特别适用于高速切割环境；控制模块对实时像素偏移量应用定标原理和PID控制原理计算出实时控制量，并输入到执行模块实现在线自动纠偏，稳定性较高。本发明通过简单的系统结构，降低了成像质量对系统性能的影响，且计算量较小，保证了在线自动纠偏切割系统对于低成本、高精度以及高速度的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对该系统方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例：
图1是本发明在线自动纠偏切割系统的结构框图；
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的系统方案进行清楚、完整的叙述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一种典型实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例或其原理，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书提供了一种典型实施例，其具体结构框图如附图1所示，本发明由光学成像模块(1)，控制模块(4)和执行模块(5)组成；光学成像模块(1)主要由辅助光源(2)和光流相机(3)组成，执行模块主要由驱动器(6)、电机(7)和刀片(8)组成。
光学成像模块(1)中的辅助光源(2)采用同轴光源结构，光源的入射方向平行于切割材料并发射到一个分光镜上，该分光镜将入射光分成一路垂直向下照亮切割材料，另一路为透射光；光流相机从分光镜的上方对非透明切割材料进行图像采集。采用该结构的辅助光源(2)为光流相机(3)提供一个良好的成像环境，并提高了切割材料的明暗对比度，适用于平面且表面光滑的非透明材料。光流相机(3)对切割材料进行实时成像以获得连续多帧运动图像序列，然后对采集到的连续多帧实时运动图像序列进行分析计算以获得相邻两帧图像间的实时像素偏移量ε(n)。
光学成像模块(1)和执行模块(5)中的刀片(8)刚性连接，光学成像模块(1)会跟随刀片(8)的运动而运动，所以光学成像模块(1)输出的当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量ε(n)实际上为刀片(8)和切割材料两者共同作用下的像素偏移量。当控制模块(4)接收到光学成像模块(1)输出的实时像素偏移量ε(n)，应用定标原理计算出刀片和切割材料相对运动下的实时运动偏移量e(n)；再根据PID控制原理计算出最终的控制量u(n)并输入到执行模块(5)中的驱动器(6)，以驱动电机(7)带动刀片(8)移动，进而实现在线自动纠偏；实时控制量的计算公式如下所示：
e(n)＝K×ε(n)
式中K表示由定标原理确定的两者比例系数；u(n)表示控制模块(4)输出到执行模块(5)的实时控制量，τ表示帧序号，数值从1到当前时刻对应的采样帧序号n，KP(比例增益)，KI(积分增益)以及KD(微分增益)均为调适参数。
实时像素偏移量ε(n)是指光流相机(3)对采集到的连续多帧实时运动图像序列进行分析计算出的当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量，也即相邻两帧图像间的像素偏移量；而实时运动偏移量e(n)是指切割材料的运动和刀片(8)带动光学成像模块(1)运动两者叠加后的运动偏移量，该运动偏移量与光流相机(3)计算出的各帧间像素偏移量依次对应；实际操作中可以通过对光流相机(3)进行定标操作以确定两者的比例系数K。然后再根据实际系统结构进行反复的PID调参以获得在稳定最优运动状态下的PID参数。
在实际应用中，切割材料是指被刀片(8)切割的材料，可以是纸、云母带或镭射膜等其它非透明材料；此外当切割材料的纹理特性较好时可以直接对切割材料进行成像，如果切割材料的纹理特性不明显，可以将光学成像模块(1)对准切割材料的边缘成像，同样可以获得准确可靠的实时像素偏移量。实际中光流相机(3)可以分别输出沿x轴和y轴两个方向的像素偏移量，但是在本实施例中切割材料通常只向一个轴方向偏移，所以实时像素偏移量ε(n)需要根据实际情况选择沿某轴的偏移量。此外，在实际应用中切割材料的偏移量通常并不会多大或者突变，光流相机(3)的视野范围可以满足实际应用要求。
文中结合附图对该系统方案的原理和具体实施方式进行了详细的阐述。此外，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，一切利用本发明思想的应用与发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种基于光流相机和PID控制的在线自动纠偏切割系统，其特征在于：包括：
光学成像模块：位于非透明切割材料的上方，由光流相机和辅助光源组成，用于对非透明切割材料进行成像，并根据采集图像输出当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量ε(n)；
执行模块：由驱动器、电机和刀片组成，用于接收相应控制信号并驱动电机带动刀片进行位置纠偏；
控制模块：接收光学成像模块输出的各帧实时像素偏移量ε(n)，并运行数据处理程序计算控制量，进而实现通过控制执行模块对刀片的位置进行纠偏；
所述光学成像模块对准切割材料成像，采集连续多帧实时运动图像序列，并获得当前第n帧图像相对于上一帧图像的实时像素偏移量ε(n)，发送到控制模块，进而通过光学成像模块实时检测切割材料与刀片之间的相对运动；
所述光学成像模块与执行模块中的刀片刚性连接，即两者具有固定的空间位置关系，光学成像模块会跟随刀片的运动而运动，进而光学成像模块输出的实时像素偏移量ε(n)实际上为刀片和切割材料两者共同作用下的像素偏移量；
所述控制模块根据获得的实时像素偏移量ε(n)并应用定标原理计算出刀片和切割材料相对运动下的离散实时运动偏移量e(n)；然后再根据PID控制原理计算出对刀片的离散实时控制量u(n)，实时控制量的计算公式如下所示：
e(n)＝K×ε(n)
式中K表示由定标原理确定的两者比例系数，u(n)表示控制模块输出到执行模块的实时控制量，τ表示帧序号，数值从1到当前时刻对应的采样帧序号n，KP(比例增益)，KI(积分增益)以及KD(微分增益)均为调适参数，需要根据实际系统结构进行PID调参以获得在稳定最优运动状态下的参数。
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