CN111391503A - 基于fpga的高速视觉定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的高速视觉定位系统，包括：上位机、线阵CCD相机、FPGA控制板卡；所述FPGA控制板卡设有上位机接口和线阵CCD相机接口，还设有图像采集信号发生器、图像处理模块和位置计算单元；所述图像处理模块按照采样频率合成平面图像，所述位置计算单元计算纸张当前位置，并通过上位机接口发送给上位机。本发明使用线阵CCD相机进行图像采集，并进行智能图像处理，可以适应更多数量及类型的纸张，提高印刷产品的多样性及定位系统的适应性。

Description

基于FPGA的高速视觉定位系统
技术领域
本发明属于数字喷印设备技术领域，特别是涉及到一种基于FPGA的高速视觉定位系统。
背景技术
近年来，数字印刷技术迅猛发展，印刷速度越来越快，相应的，对于纸张的定位系统，无论是速度，还是精度，要求也越来越高。
传统的定位系统，采用光电电眼/数字电眼和压轮/同轴编码器相结合。通过电眼采集纸张或色块位置，然后通过编码器计数，定位到打印位置进行打印。以下是传统定位系统的缺点：
1.对纸张起始位置进行定位时，要求纸张与输送皮带或其他输送机构色差较大，与当下印刷产品的多样性相矛盾；
2.对纸张上色块进行定位时，对纸张反光要求严格，而镭射纸张的印刷，在市场占有很大比例；
3.压轮编码器，对于压轮的安装要求相对严格，如果压轮跳动或者打滑，对于定位系统的影响是致命的；
4.同轴编码器由于安装在机器内部，工作条件恶劣，容易受到油污影响，并且联轴器寿命低，同时，同轴安装方式对于速度采集分辨率较低，导致精度下降；
5.传统定位系统，只能针对纸张在走纸方向上的位置进行采集，而对于垂直于走纸方向位置、纸张倾斜角度，无法进行采集和纠正。
发明内容
本发明提出一种基于FPGA的高速视觉定位系统，解决印刷机的纸张定位问题，大大提高现有印刷机的效率及精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于FPGA的高速视觉定位系统，包括：上位机、线阵CCD相机、FPGA控制板卡；所述FPGA控制板卡设有与上位机对接的上位机接口和与线阵CCD相机对接的线阵CCD相机接口，还设有图像采集信号发生器、图像处理模块和位置计算单元；所述图像采集信号发生器通过上位机接口接收上位机发出的相机控制起始信号，并通过线阵CCD相机接口发送给线阵CCD相机；所述图像处理模块将线阵CCD相机接口得到的图像帧数据，按照采样频率合成平面图像，得到纸张边沿的色块在当前相机上成像位置坐标；所述位置计算单元接收图像处理模块传来的色块成像位置坐标之后，计算纸张当前位置，并通过上位机接口发送给上位机。
进一步的，所述上位机接口为CAN收发模块，所述上位机设有以太网CAN转接模块，所述以太网CAN转接模块将上位机的以太网数据与CAN收发模块的CAN总线信号相互转换。
进一步的，所述线阵CCD相机接口包括与线阵CCD相机控制口连接的串转并控制信号接口以及与线阵CCD相机输出口连接的串行数据接口，所述图像采集信号发生器通过所述串转并控制信号接口将控制信号并行发送给线阵CCD相机，线阵CCD相机将每次采集的图像二值化数据通过所述串行数据接口发送给图像处理模块。
更进一步的，所述串行数据接口通过DDR缓存连接所述图像处理模块，所述DDR缓存用于缓存图像二值化数据。
进一步的，所述图像处理模块按照采样频率合成平面图像的具体过程为：
进一步的，所述图像处理模块得到成像位置坐标的具体过程为：
进一步的，所述位置计算单元计算纸张当前位置的具体过程为：色块左边沿基于走纸平台侧规的固定坐标为x0；图像处理模块传来的色块左上角点位置坐标a(xa,ya),左下角点位置坐标b(xb,yb)；如果xa＝xb，则纸张垂直于走纸方向的位置x＝xa-x0；如果xa≠xb，则纸张出现倾斜，倾斜角度
Figure BDA0002417283480000021
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明使用线阵CCD相机进行图像采集，并进行智能图像处理，可以适应更多数量及类型的纸张，提高印刷产品的多样性及定位系统的适应性；
2、采用高速FPGA作为核心处理芯片，主频可达几百兆，并且FPGA使用并行控制信号，可以同时控制多个相机采集、处理图像、计算纸张角度，实时性更高，大大提高了纸张位置的精度，不但可以提高印刷速度，对于多色套印或者光油机，可以提高套印精度；
3、采用相机采集色块图像，通过图像处理算法，不但可以计算出走纸方向的速度位置，还可以计算出垂直于走纸方向的速度位置及纸张的倾斜角度，用于喷印系统数据矫正，可大大降低废品率。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
图2为本发明实施例的系统原理框图；
图3为本发明实施例的图像帧数据合成示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为使本发明专利的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明专利的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明专利实施例的目的。
本发明针对数字喷印设备传统定位系统所出现的问题，设计了基于FPGA的高速、高精度定位系统，如图1所示，通过系统结构图可以看出，整个系统构架在走纸平台上，通过FPGA控制板卡，控制线阵CCD相机，实时采集纸张边沿的黑块(色块)，每采集一次CCD数据，FPGA收集到一帧图像，当纸张运动起来，CCD不停的采集图像时，就会呈现出一张清晰的图像。
如图2所示是整个系统的系统原理框图，该原理图体现了系统的组成、控制信号以及数据流向，其中：
上位机：通过软件发出相机拍照起始信号，接收下面上传的纸张位置数据，该部分数据收发是通过以太网实现的；
以太网CAN转接模块：用于将上位机的以太网数据转换为CAN总线信号，采用有人物联网的CANET200模块；
CAN收发模块：接收控制信号数据，转换为寄存器数据向下发送，将内部纸张位置数据，转换为CAN总线信号，向上发送；
图像采集信号发生器：由于本系统采用线阵CCD，所以需要一定频率的脉冲波进行驱动，逐帧拍照，由线组成二维画面图像，本模块可以产生可设定频率的脉冲波，具体的说，本模块中集成5V电平标准的编码器，编码器通过压轮或者联轴器的方式与平台连接，可以实时采集纸张运动速度，并产生A/B/Z相驱动脉冲信号驱动线阵相机进行图像采集；
串转并控制信号接口：本模块通过FPGA内部逻辑代码实现，可以将图像采集信号发生器产生的脉冲波转换为并行信号，用来驱动CCD进行图像采集；
相机：由线阵CCD与镜头组成，由于采用黑白线阵CCD，所以采集到的图像数据为二值化的数字图像；
串行数据接口：用于接收相机输出的图像数据；
DDR缓存：用于缓存图像数据；
图像处理模块：由于线阵相机采集得到的图像数据为二值化数据，所以只需要将得到的帧数据，按照采样频率合成平面图像，即将一维二进制数组拼接成为二位二进制数组，类似如图3所示的格式，图中每一行即是一帧图像数据，由“1”组成的部分即是色块；相应的，通过平面图像数据，可以得到色块在当前相机上成像位置:左上角点位置a(xa,ya),左下角点位置b(xb,yb),右上角点位置c(xc,yc),右下角点位置d(xd,yd)；
位置计算单元：接收图像处理模块传来的色块四个角坐标之后，用于计算纸张当前位置，由于走纸平台侧规作用，纸张会一直沿侧规前进，这是色块左边沿会有一个固定的位置，记为x0，
如果xa＝xb，则纸张垂直于走纸方向的位置x＝xa-x0；
如果xa≠xb，则纸张出现倾斜，倾斜角度
Figure BDA0002417283480000041
其中，本发明采用的是intel cyclone v系列FPGA控制板卡，所述CAN收发模块、图像采集信号发生器、串转并控制信号接口、串行数据接口、DDR缓存、图像处理模块、位置计算单元集成在FPGA控制板卡上。
本发明使用CAN总线，CAN总线通过CAN收发器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现像在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于"死锁"状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。同时由于该定位系统最终应用到数字打印机中，数字打印机会同时控制多个外设，例如编码器处理系统、供墨系统、打印系统等等，CAN总线可以保证多点外设通信的实时性和总线的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，包括：上位机、线阵CCD相机、FPGA控制板卡；所述FPGA控制板卡设有与上位机对接的上位机接口和与线阵CCD相机对接的线阵CCD相机接口，还设有图像采集信号发生器、图像处理模块和位置计算单元；所述图像采集信号发生器通过上位机接口接收上位机发出的相机控制起始信号，并通过线阵CCD相机接口发送给线阵CCD相机；所述图像处理模块将线阵CCD相机接口得到的图像帧数据，按照采样频率合成平面图像，得到纸张边沿的色块在当前相机上成像位置坐标；所述位置计算单元接收图像处理模块传来的色块成像位置坐标之后，计算纸张当前位置，并通过上位机接口发送给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，所述上位机接口为CAN收发模块，所述上位机设有以太网CAN转接模块，所述以太网CAN转接模块将上位机的以太网数据与CAN收发模块的CAN总线信号相互转换。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，所述线阵CCD相机接口包括与线阵CCD相机控制口连接的串转并控制信号接口、以及与线阵CCD相机输出口连接的串行数据接口，所述图像采集信号发生器通过所述串转并控制信号接口将控制信号并行发送给线阵CCD相机，线阵CCD相机将每次采集的图像二值化数据通过所述串行数据接口发送给图像处理模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，所述串行数据接口通过DDR缓存连接所述图像处理模块，所述DDR缓存用于缓存图像二值化数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，所述图像采集信号发生器集成编码器，编码器通过压轮或者联轴器的方式与走纸平台连接，实时采集纸张运动速度，并产生A/B/Z相驱动脉冲信号作为采样频率，驱动线阵相机进行图像采集。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速视觉定位系统，其特征在于，所述图像处理模块得到成像位置坐标、计算纸张当前位置的具体过程为：色块左边沿基于走纸平台侧规的固定坐标为x0；图像处理模块传来的色块左上角点位置坐标a(xa,ya),左下角点位置坐标b(xb,yb)；如果xa＝xb，则纸张垂直于走纸方向的位置x＝xa-x0；如果xa≠xb，则纸张出现倾斜，倾斜角度
Figure FDA0002417283470000021
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114348699A (zh) * 2021-12-29 2022-04-15 深圳圣德京粤科技有限公司 一种印刷平台联线定位方法、定位装置及印刷系统

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