CN112040131B - 基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机及其控制方法 - Google Patents
基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机及其控制方法,该智能相机包括:通过EtherCAT工业以太网总线相连的控制系统和一个以上的EtherCAT智能相机;控制系统与一个以上的EtherCAT智能相机;且控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向一个以上的EtherCAT智能相机下发相机指令,一个以上的EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线将相机指令的对应结果和状态反馈给控制系统。本发明将智能相机设备能够接入到EtherCAT工业以太网总线系统中,并利用EtherCAT工业以太网网络,与运动控制器/数控系统/机器人控制系统进行相关的数据信息交互。
Description
技术领域
本发明涉及自动化行业中的智能相机领域,尤其涉及一种基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机及其控制方法。
背景技术
当前,智能相机在自动化视觉检测中的份额逐年上升。智能相机逐渐取代应用最广的采集相机,原因包括:
1、ARM/FPGA/DSP等芯片的性能逐年攀升;
2、ARM/FPGA/DSP帮助智能相机小型化;
3、智能相机减轻工控机的计算负担;
4、FPGA生态在向图像算法靠拢;
5、halcon等商用库对ARM的支持越来越好。
尽管智能相机有了长足的发展,但通过对市场上众多品牌的智能相机进行对比,发现这些智能相机都是与运动控制系统一对一直连。也就是说,如果一个机器人需要N个智能相机,那么机器人控制器系统就需要支持N个网口和N条网线,协议大多是TCP/IP协议。
智能相机采用上述通信方式,存在以下问题:
1、多网口方式,增加了运动控制器/数控系统/机器人控制系统的软件设计与硬件设计复杂度,大大提高了硬件成本,还降低了系统的性能;
2、多网线方式,增加了现场布线的难度,造成其他方面的问题;
3、采用TCP/IP、UDP/IP、和TCP/MODBUS等通信协议,造成工业自动化现场总线杂乱,增加了信息融合的复杂度,不符合中国智能制造2025和工业4.0的发展要求。
发明内容
本发明提供了一种基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机及其控制方法,用以解决现有的运动控制器/数控系统/机器人与智能相机为一对多时,接口多走线复杂,信息控制和融合复杂的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,包括:通过EtherCAT工业以太网总线相连的控制系统和一个以上的EtherCAT智能相机;控制系统与一个以上的EtherCAT智能相机;且控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向一个以上的EtherCAT智能相机下发相机指令,一个以上的EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线将相机指令的对应结果和状态反馈给控制系统。
优选地,EtherCAT智能相机,包括:用于与EtherCAT工业以太网总线连接的EtherCAT从站电路、用于处理和执行相机指令的运算单元,以及用于完成视觉功能的相机单元。
优选地,视觉功能包括识别、定位以及测量中的一种或任意几种的组合。
优选地,还包括:一个以上与对应的电机相连的EtherCAT伺服/步进单元,一个以上的EtherCAT伺服/步进单元连入EtherCAT工业以太网总线中,且控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向一个以上的EtherCAT伺服/步进单元下发运动控制指令,一个以上的EtherCAT伺服/步进单元控制对应的电机执行运动控制指令对应的机械动作。
优选地,还包括:一个以上的EtherCAT IO设备,一个以上的EtherCAT IO设备连入EtherCAT工业以太网总线中,且控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向一个以上的EtherCAT IO设备下发IO开关量,一个以上的EtherCAT IO设备通过EtherCAT工业以太网总线将光栅尺或IO开关量反馈给控制系统。
优选地,EtherCAT工业以太网总线通过ECAT数据帧在控制系统与一个以上的EtherCAT智能相机之间传递相机指令以及相机指令的对应结果和状态;ECAT数据帧包括ECAT头部、智能相机数据以及ECAT尾部;相机指令以及相机指令的对应结果和状态置于智能相机数据中。
优选地,智能相机数据包括控制指令/状态显示信息、预留/位置信息,以及输入开关量/输出开关量信息。
优选地,ECAT数据帧还包括运动控制模块数据以及IO模块数据。
本发明还提供一种上述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的控制方法,包括进行以下几种操作中一种或者任意几种:
原图采集与调焦调光源:EtherCAT智能相机拍摄原始图像,操作员通过与EtherCAT智能相机相连的显示器上显示的原始图像,通过控制系统对EtherCAT智能相机进行调焦和调光源;
相机标定:操作员通过控制系统控制EtherCAT智能相机对标定板进行不同方位的取图;再通过与EtherCAT智能相机相连的显示器上显示的标定界面进行标定,并保存标定结果;
识别与定位:在EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线收到来自控制系统的定位指令后,EtherCAT智能相机进行拍照并利用模板匹配算法进行定位,得出定位结果;
定位结果上传:EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线将定位成功的标志反馈给控制系统,并同时反馈定位结果和状态信息。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,将智能相机设备能够接入到EtherCAT工业以太网总线系统中,并利用EtherCAT工业以太网网络,与运动控制器/数控系统/机器人控制系统(控制系统)进行相关的数据信息交互。
2、本发明的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,运动控制器/数控系统/机器人控制系统无需关注其他软件协议和硬件接口,无需增加软件底层驱动,大大降低了系统设计复杂度。针对需要一对多台智能相机的场合,省掉了运动控制器/数控系统/机器人控制系统的多个网口,对于整个系统来说,硬件成本也会降低。
3、本发明的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的控制方法,在EtherCAT技术和Canopen协议基础上,运动控制器/数控系统/机器人控制系统和各个智能相机的信息交互更加简化、方便和标准。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的结构示意图;
图2是本发明优选实施例的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的另一实施结构示意图;
图3是本发明优选实施例的EtherCAT智能相机的硬件架构图;
图4是本发明优选实施例的ECAT数据帧的结构示意图;
图5是本发明优选实施例的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的控制方法的流程示意图。
图中各标号表示:
1、PC;2、控制系统;3、电机;4、EtherCAT伺服/步进单元;5、EtherCAT智能相机;6、EtherCAT IO设备;100、电源系统;101、功率IO电路;102、串口电路;103、EtherCAT从站电路;104、运算单元;105、CMOS传感器;106、HDMI显示接口电路;107、鼠标键盘接口电路;108、千兆网口接口电路;200、开关电源;201、IO设备;203、EtherCAT工业以太网总线;204、显示器;205、鼠标键盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1,本发明的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,包括:通过EtherCAT工业以太网总线203相连的控制系统2(运动控制器/数控系统/机器人控制系统)和一个以上的EtherCAT智能相机5;控制系统2与一个以上的EtherCAT智能相机5;且控制系统2通过EtherCAT工业以太网总线203向一个以上的EtherCAT智能相机5下发相机指令,一个以上的EtherCAT智能相机5通过EtherCAT工业以太网总线203将相机指令的对应结果和状态反馈给控制系统2。上述结构,将智能相机设备能够接入到EtherCAT工业以太网总线203系统中,并利用EtherCAT工业以太网网络,与控制系统2(运动控制器/数控系统/机器人控制系统)进行相关的数据信息交互。
实施时,参见图3,本发明实施例的EtherCAT智能相机5,可采用如下结构:包括电源系统100、功率IO电路101、串口电路102、EtherCAT从站电路103、运算单元104、CMOS传感器105、HDMI显示接口电路106、鼠标键盘接口电路107和千兆网口接口电路108。其中,电源系统100与外部开关电源200连接,用于给EtherCAT智能相机5供电。运算单元104(运算单元,通常为FPGA+ARM)为整个智能相机的核心,分别与功率IO电路101、串口电路102、EtherCAT从站电路103、CMOS传感器105、HDMI显示接口电路106、鼠标键盘接口电路107和千兆网口接口电路108连接。运算单元104用于处理和执行相机指令,并将相机指令对应的结果和状态加入ECAT数据帧返回控制系统2。其中,运算单元104与功率IO电路101连接,用于输入输出IO开关量。运算单元104与串口电路102连接,用于厂家系统调试。运算单元104与EtherCAT从站电路103连接,用于收取EtherCAT指令和上传EtherCAT状态和结果。
运算单元104与CMOS传感器105连接,用于获取图像,以完成视觉功能,视觉功能包括识别、定位以及测量中的一种或任意几种的组合。运算单元104与HDMI显示接口电路106,用于显示器204显示图像。运算单元104与鼠标键盘接口电路107,用于操作员操作相机。运算单元104与千兆网口接口电路108,用于厂家调试与升级。功率IO电路101还与IO设备201连接。串口电路102还与PC1连接。
EtherCAT从站电路103用于与EtherCAT工业以太网总线203连接。HDMI显示接口电路106与显示器204连接。鼠标键盘接口电路107与鼠标键盘205连接。千兆网口接口电路108还与PC1连接。
参见图2,为了使用实际的应用场合,还可以在本实施例的基于EtherCAT工业以太网总线203的智能相机中,加入一个以上与对应的电机3相连的EtherCAT伺服/步进单元4,这些EtherCAT伺服/步进单元4连入EtherCAT工业以太网总线203中,且控制系统2通过EtherCAT工业以太网总线203向一个以上的EtherCAT伺服/步进单元4下发运动控制指令,一个以上的EtherCAT伺服/步进单元4控制对应的电机3执行运动控制指令对应的机械动作。
还可以接入一个以上的EtherCAT IO设备6,这些EtherCAT IO设备6连入EtherCAT工业以太网总线203中,且控制系统2通过EtherCAT工业以太网总线203向一个以上的EtherCAT IO设备6下发IO开关量,一个以上的EtherCAT IO设备6通过EtherCAT工业以太网总线203将光栅尺或IO开关量反馈给控制系统2。
控制系统2还可以与PC1相连,PC1为非独立模式下的运动控制器提供上位机操作界面,但PC1在数控系统、机器人控制系统2以及独立运行模式下的运动控制器中一般不使用,数控系统和机器人控制系统2有自己的处理器显示界面,独立运行模式下的运动控制器也不需要界面来操作。运动控制器/数控系统/机器人控制系统2为整个系统的大脑,用于计算EtherCAT伺服/步进单元4所需的位置/速度/力矩等数据,计算EtherCAT IO设备6所需的开关量数据,并通过EtherCAT工业以太网总线203将这些数据传递给EtherCAT伺服/步进单元4和EtherCAT IO设备6,同时通过EtherCAT工业以太网总线203将EtherCAT伺服/步进单元4、EtherCAT智能相机5和EtherCAT IO设备6的相关信息收集回来,用于后续的连续计算。
参见图4,EtherCAT工业以太网总线203通过ECAT数据帧在控制系统2与一个以上的EtherCAT智能相机5之间传递相机指令以及相机指令的对应结果和状态;ECAT数据帧包括ECAT头部、智能相机数据以及ECAT尾部;相机指令以及相机指令的对应结果和状态置于智能相机数据中。实施时,智能相机数据包括控制指令/状态显示信息、预留/位置信息,以及输入开关量/输出开关量信息。在增设有EtherCAT IO设备6以及EtherCAT伺服/步进单元4的系统中,ECAT数据帧还包括运动控制模块数据以及IO模块数据。
在ECAT数据帧中,定义以下数据对象:
0x2060:定位使能,1个字节,下行,包含清除定位成功标志的bit位;
0x2061:定位结果,1个字节,上行,包含不定位时,该设备的一些状态信息;
0x2062:定位所需信息,8个字节,下行;
0x2063:定位结果(x1h,x1l,y1h,y1l;x2h,x2l,y2h,y2l),8个字节,上行;定位圆心时,采用点(x1h,x1l,y1h,y1l),而点(x2h,x2l,y2h,y2l)填充;定位矩形时,采用点(x1h,x1l,y1h,y1l)和点(x2h,x2l,y2h,y2l);
0x2064:输出开关量,1个字节,下行;
0x2065:输入开关量,1个字节,上行。
基于上述的ECAT数据帧的结构,参见图5,本发明实施例还提供一种上述的基于EtherCAT工业以太网总线203的智能相机的控制方法,包括进行以下几种操作中一种或者任意几种:
S1、原图采集与调焦调光源:首先EtherCAT智能相机5通过CMOS传感器105拍摄原始图像,再由运算单元104将采集的视频图像送至HDMI显示接口电路106,HDMI显示接口电路106将视频图像显示在外接的显示器204上;操作员根据外接的显示器204上显示的视频原图,通过控制系统2对EtherCAT智能相机5进行调焦和调光源。其中,在调焦和调光源阶段,相机采用内部连续触发的方式。
S2、相机标定:首先操作员操作运动控制器/数控系统/机器人控制系统2和EtherCAT智能相机5对标定板进行不同方位的取图;然后操作员在外接的显示器204的界面上利用界面标定软件和前面存储的标定板图像进行标定,并保存标定结果;此时相机采用外部帧触发模式。
S3、识别与定位:在EtherCAT智能相机5通过EtherCAT工业以太网总线203收到运动控制器/数控系统/机器人控制系统2的定位指令后,EtherCAT智能相机5进行拍照并利用模板匹配算法进行定位,得出定位结果。
S4、定位结果上传:EtherCAT智能相机5通过EtherCAT工业以太网总线203反馈给运动控制器/数控系统/机器人控制系统2定位成功的标志,并同时反馈定位结果和状态信息。
综上可知,本发明通过将智能相机设备能够接入到EtherCAT工业以太网总线系统中,并利用EtherCAT工业以太网网络,与控制系统2进行相关的数据信息交互,信息交互更加简化、方便和标准。使用时,控制系统2无需关注其他软件协议和硬件接口,无需增加软件底层驱动,大大降低了系统设计复杂度。针对需要一对多台智能相机的场合,省掉了控制系统2的多个网口,降低整个系统的硬件成本。
本发明将自动化控制领域的最新技术EtherCAT,应用到智能相机领域,能极其方便地将多个智能相机直接部署在自动化产线固有的EtherCAT网络中,无需调整生产线的布线。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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EtherCAT工业以太网总线的智能相机,其特征在于,包括:通过EtherCAT工业以太网总线相连的控制系统和一个以上的EtherCAT智能相机;所述控制系统与所述一个以上的EtherCAT智能相机;且所述控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向所述一个以上的EtherCAT智能相机下发相机指令,同时,所述一个以上的EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线将相机指令的对应结果和状态反馈给所述控制系统;
所述EtherCAT工业以太网总线通过ECAT数据帧在控制系统与一个以上的EtherCAT智能相机之间传递所述相机指令以及所述相机指令的对应结果和状态;所述ECAT数据帧包括ECAT头部、智能相机数据、运动控制模块数据、IO模块数据以及ECAT尾部;所述相机指令以及所述相机指令的对应结果和状态置于所述智能相机数据中,包括:控制指令/状态显示信息、定位/位置信息,以及输入开关量/输出开关量信息;包括以下数据对象:
0x2060:定位使能,1个字节,下行,包含清除定位成功标志的bit位;
0x2061:定位结果,1个字节,上行,包含不定位时,所述EtherCAT智能相机的状态信息;
0x2062:定位所需信息,8个字节,下行;
0x2063:定位结果(x1h, x1l, y1h, y1l; x2h, x2l, y2h, y2l),8个字节,上行;定位圆心时,采用点(x1h, x1l, y1h, y1l),而点(x2h, x2l, y2h, y2l)填充;定位矩形时,采用点(x1h, x1l, y1h, y1l)和点(x2h, x2l, y2h, y2l);
0x2064:输出开关量,1个字节,下行;
0x2065:输入开关量,1个字节,上行。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,其特征在于,所述EtherCAT智能相机,包括:用于与所述EtherCAT工业以太网总线连接的EtherCAT从站电路、用于处理和执行所述相机指令的运算单元,以及用于完成视觉功能的相机单元。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,其特征在于,所述视觉功能包括识别、定位以及测量中的一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求2所述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,其特征在于,还包括:一个以上与对应的电机相连的EtherCAT伺服/步进单元,所述一个以上的EtherCAT伺服/步进单元连入所述EtherCAT工业以太网总线中,且所述控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向所述一个以上的EtherCAT伺服/步进单元下发运动控制指令,所述一个以上的EtherCAT伺服/步进单元控制对应的电机执行所述运动控制指令对应的机械动作。
5.根据权利要求2所述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机,其特征在于,还包括:一个以上的EtherCAT IO设备,所述一个以上的EtherCAT IO设备连入所述EtherCAT工业以太网总线中,且所述控制系统通过EtherCAT工业以太网总线向所述一个以上的EtherCAT IO设备下发IO开关量,所述一个以上的EtherCAT IO设备通过EtherCAT工业以太网总线将光栅尺或IO开关量反馈给所述控制系统。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的基于EtherCAT工业以太网总线的智能相机的控制方法,其特征在于,包括进行以下几种操作中一种或者任意几种:
原图采集与调焦调光源:EtherCAT智能相机拍摄原始图像,操作员通过与EtherCAT智能相机相连的显示器上显示的原始图像,通过控制系统对所述EtherCAT智能相机进行调焦和调光源;
相机标定:操作员通过控制系统控制所述EtherCAT智能相机对标定板进行不同方位的取图;再通过与EtherCAT智能相机相连的显示器上显示的标定界面进行标定,并保存标定结果;
识别与定位:在EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线收到来自控制系统的定位指令后,EtherCAT智能相机进行拍照并利用模板匹配算法进行定位,得出定位结果;
定位结果上传:EtherCAT智能相机通过EtherCAT工业以太网总线将定位成功的标志反馈给控制系统,并同时反馈定位结果和状态信息。
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