CN113277314B - 基于fpga图像检测控制的板材偏移调整装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置及方法，包括支架、摄像头支架、X轴电机、滚珠丝杠、导轨、滑块、Z轴电机、减速器、旋转盘、气缸、吸盘、摄像头、真空吸具、控制盒。根据位置图片得到板材边缘数据，并将得到的边缘数据，根据板材边缘数据得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，对调整值进行修正，根据修正后的调整值驱动电机。本发明不仅检测快速，而且精准度高。

Description

基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置及方法
技术领域
本发明设计一种板材偏移检测调整装置及方法，具体设计一种FPGA图像检测的板材偏移调整装置和方法。
背景技术
现有板材加工的生产设备自动化水平低，产线的很多部分由于安全问题不能人工干预，所以生产线在设计的时候为了解决板材运输过程中的偏移情况，在加工端不得不放宽加工精度。所以解决板材在运输过程中发生偏移的情况影响着板材加工企业的产品质量。对于板材的偏移检测，机器视觉将予以重视。机器视觉技术需要很强的实时性和对高速处理图像视频的能力。FPGA的图像处理技术在很多处理器中优势明显。FPGA是一种现场可编程的门阵列器件，有很强的灵活性并且由于内部采用的是并行执行，所以对图片的处理速度是其他串行处理器的数倍，在实际的机器视觉使用中有着高速，低延迟，低功耗的优势。传统的对于板材偏移调整方式基于光电传感器加PLC控件发出推拉式的调整动作。但由于传感器的限制，并不能检测出板材的倾斜状态，只能对板材的整体偏移做出反应，所以精度达不到预期，简单的推拉式调整也只能处理一种尺度的板材，灵活性很差。
目前已有的板材偏移调整装置，主要停留在使用机械部件如滑轮，轨道等硬性限制板材的偏移，对未加工的板材有较大的损伤，脆性较大的板材不可以使用这种方法。因此将FPGA的视觉处理技术应用到板材跑偏调整上来是很有应用价值的。申请号为2017104225417的中国专利公开了一种快速识别板材偏移的冲床送料机及其工作方法，在送料锟上采用摄像头采集初始图像，将采集信息送往分析装置和测量机构，由运动控制平台产生X轴和Y轴的进给，通过平面的直线运动调整板材的直线偏移。申请号为201721443977.6的中国专利公开了一种防止冲压板材偏移的防偏调节装置，采用调节丝杠和调偏轮形成定位区域，使用机械定位的方式使板材不会发生偏移，节省了人力资源。申请号为201922217823.0的中国专利公开了一种砖机用避免板材偏移的送板机，使用限位孔和限位的板的左右移动的板防止物料发生偏移，安装较为便捷。现有的板材调整装置都是使用机械的手段，通过限定板材的运动轨迹的方法，实现板材偏移调整问题。现有的板材偏移方法自动化水平不高，技术不完善。应用范围小，调整的过程中板材也会有一定的伤害。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置及方法，能够取代传统的机械手段的自动化不足的问题，实现FPGA图像处理技术与板材调整相结合，达到快速检测，精准调整的要求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，包括支架、摄像头支架、X轴电机、滚珠丝杠、导轨、滑块、Z轴电机、减速器、旋转盘、气缸、吸盘、摄像头、真空吸具、控制盒，其中：
所述支架横跨安装于板材传送带上方，所述滚珠丝杠、导轨安装在支架的顶部，所述X轴电机固定安装在支架上，且所述X轴电机与滚珠丝杠传动连接。所述滑块安装在导轨上，且所述滑块与导轨滑动连接，同时所述滑块与滚珠丝杠的螺母固定连接。Z轴电机与滑块固定连接，所述Z轴电机通过减速器与旋转盘传动连接，所述气缸安装在旋转盘上，且所述气缸位于板材传送带上方。所述吸盘安装在气缸上，且所述吸盘与真空吸具连通。
所述摄像头通过摄像头支架安装在支架上，且所述摄像头指向传送带。
所述控制盒分别与X轴电机、Z轴电机、旋转盘、气缸、摄像头、真空吸具连接。
所述控制盒设置有配置表模块、边缘检测单元、偏移检测单元、气缸控制模块、气缸驱动电路、吸具控制模块、吸具驱动电路、X轴电机控制模块、X轴电机驱动电路、Z轴电机控制模块、Z轴电机驱动电路、误差修正单元，所述摄像头分别与配置表模块、边缘检测单元连接，所述偏移检测单元分别与边缘检测单元、气缸控制模块、吸具控制模块、X轴电机控制模块、Z轴电机控制模块连接，所述X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路连接，所述X轴电机驱动电路与X轴电机连接，所述Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路连接，所述Z轴电机驱动电路与Z轴电机连接，所述气缸控制模块与气缸驱动电路连接，所述气缸驱动电路通过气缸继电器单元与气缸连接，所述吸具控制模块与吸具驱动电路连接，所述吸具驱动电路通过吸具继电器单元与真空吸具连接。所述误差修正单元包括X轴电机修正模块和Z轴电机修正模块，所述X轴电机修正模块连接在X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路之间，Z轴电机修正模块连接在Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路之间。
所述边缘检测单元包括依次连接的图像采集模块、中值滤波模块、灰度值转换模块、Sobel边缘检测模块、sdram存储模块。
所述偏移检测单元包括行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块、列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块、偏移允许值模块，所述行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块依次连接。所述列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块依次连接。所述偏移允许值模块分别与比较器一、比较器二连接。
优选的：所述气缸、吸盘为四个，且所述气缸沿旋转盘周向均匀分布设置，所述气缸、吸盘一一对应设置。
优选的：所述支架的底部设置有底座。
优选的：所述控制盒的外壳为ABS塑料壳，所述控制盒的外壳设置有防电磁干扰层。
优选的：所述气缸为SC复动型气缸。
优选的：所述摄像头通过IIC总线分别与配置表模块、边缘检测单元连接。
优选的：所述滚珠丝杠行程选择315-400mm。
优选的：所述气缸行程70-90mm。
一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整方法，包括以下步骤：
步骤1，摄像头实时采集板材的位置图片发送给边缘检测单元。
步骤2，所述边缘检测单元根据位置图片得到板材边缘数据，并将得到的边缘数据发送给偏移检测单元。
步骤3，所述偏移检测单元根据板材边缘数据得到板材位置。然后根据板材位置和偏移允许值进行比较，得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，并将得到的X轴电机调整值和Z轴电机调整值发送给误差修正单元。将板材位置分别发送给气缸控制模块、吸具控制模块。
偏移检测单元内嵌有偏移检测方法，所述偏移检测方法包括如下步骤：
步骤31，定义感兴趣区域，建立行像素计数器和列像素计数器，将感兴趣区域中的边缘像素点通过行像素计数器对像素值按行计数，通过列像素计数器对像素值按列计数，从而得到边缘像素点对应的坐标值。
步骤32，根据统计的边缘像素点对应的坐标值得到各边缘像素点的边缘直线的回归方程：
Figure BDA0003078856290000031
其中，
Figure BDA0003078856290000032
表示第i个直线回归方程第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值，xj表示第j个边缘像素点的横坐标值，ai表示第i个直线回归方程的回归常数，bi表示第i个直线回归方程的回归系数，i＝1,2,…,n，n表示直线回归方程个数，j＝1,2,…,m，m表示直线回归方程个数。
步骤33，回归曲线确定模型：
Figure BDA0003078856290000033
其中，Ai表示纵坐标离差的平方和，yj表示第j个边缘像素点的实际纵坐标值。
步骤34，根据步骤33的回归曲线确定模型得到最小的纵坐标离差的平方和Ai'，根据最小的纵坐标离差的平方和Ai'得到其对应的最佳边缘直线的回归方程：
Figure BDA0003078856290000041
其中，
Figure BDA0003078856290000042
表示第j个边缘像素点的最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标值，ai'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归常数，bi'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归系数。
步骤35，根据步骤34得到的最佳边缘直线的回归方程，确定最终曲线回归常数、最终回归系数、最终的直线回归方程：
Figure BDA0003078856290000043
Figure BDA0003078856290000044
Figure BDA0003078856290000045
则，最终的直线回归方程为：
Figure BDA0003078856290000046
其中，
Figure BDA0003078856290000047
表示最终曲线回归常数，
Figure BDA0003078856290000048
表示最终回归系数，
Figure BDA0003078856290000049
表示最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标均值，
Figure BDA00030788562900000410
表示实际横坐标均值，
Figure BDA00030788562900000411
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值，
Figure BDA00030788562900000412
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值。
步骤35，根据得到的最终回归系数
Figure BDA00030788562900000413
和最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值
Figure BDA00030788562900000414
得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值。
步骤4，所述误差修正单元根据X轴电机调整值进行误差修正，得到修正后X轴电机调整值。根据Z轴电机调整值进行误差修正，得到修正后Z轴电机调整值。将得到的修正后X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路。将得到的修正后Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路。
步骤41，给出实验板材，采用步骤3中的方法得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，分别记为实验X轴电机调整值和实验Z轴电机调整值。
步骤42，根据实验X轴电机调整值计算得到横坐标调整预估值d1。根据实验Z轴电机调整值计算得到板材旋转倾斜预估值k1。
步骤43，将得到的实验X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路。实验Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路。X轴电机驱动电路根据实验X轴电机调整值对X轴电机进行驱动控制。Z轴电机驱动电路根据实验Z轴电机调整值对Z轴电机进行驱动控制，对板材进行调整。此时，测量调整后的板材横坐标值，记为测量横坐标值d2。测量调整后的板材的倾斜值，记为测量倾斜值k2。
步骤44，根据得到的横坐标调整预估值d1和测量横坐标值d2建立横坐标修正模型：
Figure BDA0003078856290000051
其中，
Figure BDA0003078856290000052
表示修正后的横坐标值，ξ表示修正常数。
步骤45，根据得到的板材旋转倾斜预估值k1和测量倾斜值k2建立回归系数修正模型：
Figure BDA0003078856290000053
其中，
Figure BDA0003078856290000054
表示修正后的回归系数。
步骤5，X轴电机驱动电路根据修正后X轴电机调整值对X轴电机进行驱动控制。Z轴电机驱动电路根据修正后Z轴电机调整值对Z轴电机进行驱动控制。
在X轴电机驱动电路的控制下，X轴电机驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的转动带动滑块上的移动，滑块的移动带动Z轴电机移动，Z轴电机移动到修正后X轴电机调整值对应位置，X轴电机驱动电路停止驱动。此时气缸控制模块根据板材位置启动气缸驱动电路，气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸向下作动，将吸盘压在板材上。吸具控制模块根据板材位置启动吸具驱动电路，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元控制真空吸具工作，吸盘通过负压吸附住板材。然后在Z轴电机驱动电路的控制下，Z轴电机驱动旋转盘转动，旋转盘转动带动气缸转动，气缸的转动带动板材转动，板材转动到修正后Z轴电机调整值对应位置后，Z轴电机驱动电路停止驱动，完成板材偏移调整。
步骤6，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元关闭真空吸具工作，吸盘与板材松开。气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸向上作动回归初始位置，将吸盘带离板材，等待下一板材到来。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明将FPGA图像检测功能与机器视觉相结合，设计出一套的自动化设备来处理板材偏移调整问题。针对采集到的数据设计一种跑偏检测算法，利用可编程逻辑器件的并行处理的特点，将一套自动化驱动设备的控制系统集中到一块集成FPGA上，减少后续维护的成本人力资源，避免机械限位等方式对板材的不必要的损伤。由于X轴电机、Z轴电机的驱动误差，设计了误差修正方法，提高了调整精度。从材料运输的角度，提高后续板材加工减少加工余量，提高产品精度等级。
附图说明
图1为本发明的机械装置示意图；
图2为本发明的控制模块结构图；
图3为FPGA的图像边缘提取模块结构图；
图4为FPGA跑偏检测算法算法框图；
图5为FPGAD伺服电机控制模块仿真结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，本发明机械结构部分是通过气缸和伺服电机驱动装置完成直线和旋转运动，吸盘吸住板材进行位置调整。板材的偏移有两种，一歪斜偏移和整体位置偏移，设计的机构需要有三个自由度。分别是控制压板的左右平移，调整板材歪斜的旋转动作和装置上下的方便吸取的动作。板材吸取部分采用四个真空吸盘，分别用四个气缸带动吸盘的上下移动，旋转板使用一伺服电机驱动旋转，增加减速机控制电机速度提高旋转精度。调整机构动作过程由图像检测部分，检测出板材的边沿，通过边沿的斜率和位置判断是否需要歪斜和位置调整，并在FPGA上计算出偏移的角度和距离，给出X轴电机和Z轴电机的旋转量。气缸带动吸盘下放，吸盘吸取后升起气缸。根据FPGA计算给出的控制量，调整位置重新下放之后松开吸盘。如图1-5所示，包括支架1、摄像头支架12、X轴电机2、滚珠丝杠21、导轨22、滑块23、Z轴电机3、减速器31、旋转盘4、气缸5、吸盘51、摄像头6、真空吸具、控制盒7，其中：
所述支架1横跨安装于板材传送带8上方，保证传送带8的正中与支架1中心对齐，使基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置与传送带8成水平位置。支架1的底部设置有底座11。所述滚珠丝杠21、导轨22安装在支架1的顶部，所述X轴电机2固定安装在支架1上，且所述X轴电机2与滚珠丝杠21传动连接，通过X轴电机2与滚珠丝杠21的配合实现左右横移调整。丝杠的总长比支架的长度短10cm左右，滚珠丝杠的导程选择8mm(螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离)保证导轨长度大于20cm。本发明丝杠的行程选择315-400mm，这个距离是横向偏移的范围，如果板材具有较大的偏移，需要针对的加长导轨的长度，丝杠的定位误差选择C7级别(任意走过300mm行程，误差不超过0.05mm)，滚轴丝杠通过联轴器和减速机与伺服电机相连。伺服电机使用西门子公司的IFT6108-8WB7型无刷交流伺服电机，额定转1500r/min，额定功率18.2kw，额定转矩116Nm。通过调节电机的转速可以控制丝杠的横向移动速度。丝杠螺母推动滑块在导轨上滑行，另一伺服电机垂直安装于滑块中心位置，Z轴的伺服电机使用的工业机器人关节减速机，体积下，精度高。实现高精度的角度调整。所述滑块23安装在导轨22上，且所述滑块23与导轨22滑动连接，同时所述滑块23与滚珠丝杠21的螺母固定连接。Z轴电机3与滑块23固定连接，所述Z轴电机3通过减速器31与旋转盘4传动连接，所述气缸5安装在旋转盘4上，且所述气缸5位于板材传送带8上方。所述吸盘51安装在气缸5上，且所述吸盘51与真空吸具连通。气缸5亚德客SC复动型气缸，气缸缸径50mm,行程80mm,平均安装于旋转盘的上方，气缸的推杆通过圆孔向下伸出，末端固定真空吸具，真空吸具使用两位四通电磁阀控制。FPGA板卡为Altera(inte)公司的CYcloneⅣE，总共有I/O数91个。摄像头采集的图像数据通过IIC传送协议，传输到FPGA图像处理模块并且将摄像头的配置数据通过协议反向传输到摄像头。在安装摄像头和电机之前，要对FPGA给与内部电机位置存储模块设定一个初始位置和正中位置.
所述摄像头6通过摄像头支架12安装在支架1上，且所述摄像头6指向传送带8。在支架的的上平面的中心线位置安装摄像头支架12，摄像头支架12突出调整装置大约30-40cm，所述的摄像头为工业CCD相机，调整CCD工业相机的角度，镜头部分与传送面平行。工业CCD相机的选择，以镜头不发生明显畸变，可进行运动拍摄，防尘等要求，像素深度常用的8bit。
所述控制盒7分别与X轴电机2、Z轴电机3、旋转盘4、气缸5、摄像头6、真空吸具连接。
如图2所示，所述控制盒7设置有配置表模块、边缘检测单元、偏移检测单元、气缸控制模块、气缸驱动电路、吸具控制模块、吸具驱动电路、X轴电机控制模块、X轴电机驱动电路、Z轴电机控制模块、Z轴电机驱动电路、误差修正单元，所述偏移检测单元分别与边缘检测单元、气缸控制模块、吸具控制模块、X轴电机控制模块、Z轴电机控制模块连接，所述X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路连接，所述X轴电机驱动电路与X轴电机2连接，所述Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路连接，所述Z轴电机驱动电路与Z轴电机3连接，所述气缸控制模块与气缸驱动电路连接，所述气缸驱动电路通过气缸继电器单元与气缸5连接，所述吸具控制模块与吸具驱动电路连接，所述吸具驱动电路通过吸具继电器单元与真空吸具连接。所述误差修正单元包括X轴电机修正模块和Z轴电机修正模块，所述X轴电机修正模块连接在X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路之间，Z轴电机修正模块连接在Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路之间。
所述摄像头6通过IIC总线分别与配置表模块、边缘检测单元连接，通过FPGA内部的IIC总线，将配置表(配置参数的查找表)的配置信息发往CCD相机，完成相机的参数配置。IIC是双向信息传送协议，CCD相机拍摄的图像信息也通过IIC总线发送给FPGA内部的边缘检测单元，边缘检测单元将已经处理好的图片信息发送到偏移检测单元，由偏移检测单元，判断板材是否发生偏移，发生的偏移类型是什么，并计算出伺服电机的输出脉冲是多少个时钟单位。偏移检测单元计算出的不同输出量同时送往X轴伺服电机控制模块、Z轴伺服电机控制模块、气缸控制模块以及真空吸具控制模块，这几个模块的输出端均用三极管放大电路驱动，电机驱动模块可以直接发送脉冲电压驱动伺服电机、气缸控制模块和真空吸具模块依次通过继电器和电磁阀才能控制气缸和吸具。
控制盒使用ABS工业塑料，内部为FPGA板卡、继电器、电磁阀提供三个腔体，将FPGA板卡与其他器件隔离放置，FPGA板卡的控制信号由三极管电压放大为24v后驱动继电器，继电器连接220v电源控制电磁阀从而达到控制气缸和真空吸具。伺服电机可接受脉冲信号，所以可以经三极管直接驱动。所述控制盒7的外壳设置有防电磁干扰层。
所述边缘检测单元包括依次连接的图像采集模块、中值滤波模块、灰度值转换模块、Sobel边缘检测模块、sdram存储模块。边缘检测单元主要作用是把CCD相机发送来的彩色RGB图像利用一系列的算法变为后续跑偏算法需要的边缘信息。首先CCD相机传输的图片信息经过中值滤波模块，去除图片的噪音并使图片变得平滑，滤波后的图像经过梯度计算转化为灰度图像，灰度图像经过Sobel的边缘检测算法，产生图像的边缘信息，随后发往SDRAM存储起来，以供后续跑偏算法使用边缘信息。
所述偏移检测单元包括行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块、列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块、偏移允许值模块，所述行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块依次连接。所述列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块依次连接。所述偏移允许值模块分别与比较器一、比较器二连接。
一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整方法，包括以下步骤：
步骤1，摄像头6实时采集板材的位置图片发送给边缘检测单元。
步骤2，所述边缘检测单元根据位置图片得到板材边缘数据，并将得到的边缘数据发送给偏移检测单元。Sobel为边缘提取的主要算法，算法提供了水平和垂直两个方向的矩阵模板，将模板与图像作平面卷积，可得横向和纵向的亮度差分近似值，即横向和纵向边缘检测图像灰度值Gx,Gy，由此可的该点灰度值为
Figure BDA0003078856290000091
若G大于某一阈值代表该点为边缘点。
步骤3，所述偏移检测单元根据板材边缘数据得到板材位置。然后根据板材位置和偏移允许值进行比较，得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，并将得到的X轴电机调整值和Z轴电机调整值发送给误差修正单元。将板材位置分别发送给气缸控制模块、吸具控制模块。
偏移检测单元内嵌有偏移检测方法，所述偏移检测方法包括如下步骤：
步骤31，定义感兴趣区域，建立行像素计数器和列像素计数器，将感兴趣区域中的边缘像素点通过行像素计数器对像素值按行计数，通过列像素计数器对像素值按列计数，从而得到边缘像素点对应的坐标值。
步骤32，根据统计的边缘像素点对应的坐标值得到各边缘像素点的边缘直线的回归方程：
Figure BDA0003078856290000092
其中，
Figure BDA0003078856290000093
表示第i个直线回归方程第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值，xj表示第j个边缘像素点的横坐标值，ai表示第i个直线回归方程的回归常数，bi表示第i个直线回归方程的回归系数，i＝1,2,…,n，n表示直线回归方程个数，j＝1,2,…,m，m表示直线回归方程个数。
步骤33，回归曲线确定模型：
Figure BDA0003078856290000094
其中，Ai表示纵坐标离差的平方和，yj表示第j个边缘像素点的实际纵坐标值。
步骤34，根据步骤33的回归曲线确定模型得到最小的纵坐标离差的平方和Ai'，根据最小的纵坐标离差的平方和Ai'得到其对应的最佳边缘直线的回归方程：
Figure BDA0003078856290000101
其中，
Figure BDA0003078856290000102
表示第j个边缘像素点的最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标值，ai'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归常数，bi'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归系数。
步骤35，根据步骤34得到的最佳边缘直线的回归方程，确定最终曲线回归常数、最终回归系数、最终的直线回归方程：
Figure BDA0003078856290000103
Figure BDA0003078856290000104
Figure BDA0003078856290000105
则，最终的直线回归方程为：
Figure BDA0003078856290000106
其中，
Figure BDA0003078856290000107
表示最终曲线回归常数，
Figure BDA0003078856290000108
表示最终回归系数，
Figure BDA0003078856290000109
表示最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标均值，
Figure BDA00030788562900001010
表示实际横坐标均值，
Figure BDA00030788562900001011
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值，
Figure BDA00030788562900001012
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值。
步骤35，根据得到的最终回归系数
Figure BDA00030788562900001013
和最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值
Figure BDA00030788562900001014
得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值。
边缘位置的准确判定在系统设置时，以标定的非偏移传送带在图像中的位置为标准，通过对其采样和平均得到非偏移传送带边缘横坐标的值
Figure BDA00030788562900001015
这个值与实际投影出的边缘位置L相比较，限定偏移允许的范围l，即满足
Figure BDA00030788562900001016
超出允许范围则可认为传送带发生横向跑偏。
步骤4，所述误差修正单元根据X轴电机调整值进行误差修正，得到修正后X轴电机调整值。根据Z轴电机调整值进行误差修正，得到修正后Z轴电机调整值。将得到的修正后X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路。将得到的修正后Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路。
步骤41，给出实验板材，采用步骤3中的方法得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，分别记为实验X轴电机调整值和实验Z轴电机调整值。
步骤42，根据实验X轴电机调整值计算得到横坐标调整预估值d1。根据实验Z轴电机调整值计算得到板材旋转倾斜预估值k1。
步骤43，将得到的实验X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路。实验Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路。X轴电机驱动电路根据实验X轴电机调整值对X轴电机2进行驱动控制。Z轴电机驱动电路根据实验Z轴电机调整值对Z轴电机3进行驱动控制，对板材进行调整。此时，测量调整后的板材横坐标值，记为测量横坐标值d2。测量调整后的板材的倾斜值，记为测量倾斜值k2。
步骤44，根据得到的横坐标调整预估值d1和测量横坐标值d2建立横坐标修正模型：
Figure BDA0003078856290000111
其中，
Figure BDA0003078856290000112
表示修正后的横坐标值，ξ表示修正常数。
步骤45，根据得到的板材旋转倾斜预估值k1和测量倾斜值k2建立回归系数修正模型：
Figure BDA0003078856290000113
其中，
Figure BDA0003078856290000114
表示修正后的回归系数。
预先设定好的可允许偏移值与得出的斜率和横向位置进行比较，如果符合要求则发出电机保持的信号，如果比较超出允许范围，则向相应的电机发送运作信息。
步骤5，X轴电机驱动电路根据修正后X轴电机调整值对X轴电机2进行驱动控制。Z轴电机驱动电路根据修正后Z轴电机调整值对Z轴电机3进行驱动控制。
在X轴电机驱动电路的控制下，X轴电机2驱动滚珠丝杠21，滚珠丝杠21的转动带动滑块23上的移动，滑块23的移动带动Z轴电机3移动，Z轴电机3移动到修正后X轴电机调整值对应位置，X轴电机驱动电路停止驱动。此时气缸控制模块根据板材位置启动气缸驱动电路，气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸5向下作动，将吸盘51压在板材上。吸具控制模块根据板材位置启动吸具驱动电路，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元控制真空吸具工作，吸盘51通过负压吸附住板材。然后在Z轴电机驱动电路的控制下，Z轴电机3驱动旋转盘4转动，旋转盘4转动带动气缸5转动，气缸5的转动带动板材转动，板材转动到修正后Z轴电机调整值对应位置后，Z轴电机驱动电路停止驱动，完成板材偏移调整。
步骤6，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元关闭真空吸具工作，吸盘51与板材松开。气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸5向上作动回归初始位置，将吸盘51带离板材，等待下一板材到来。
设定电机位置计数器，对电机目前的位置进行判断和记录，通过电机的位置信息判断电机的下一部的转动情况，位置信息同时给速度控制模块和PID控制模块，速度控制模块使用S型加减速算法，解决电机的急停和急启问题，减少电机功耗和转动精度。PID模块控制电机的输出情况，转动速度、时间、角度、圈数等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：包括支架(1)、摄像头支架(12)、X轴电机(2)、滚珠丝杠(21)、导轨(22)、滑块(23)、Z轴电机(3)、减速器(31)、旋转盘(4)、气缸(5)、吸盘(51)、摄像头(6)、真空吸具、控制盒(7)，其中：
所述支架(1)横跨安装于板材传送带(8)上方，所述滚珠丝杠(21)、导轨(22)安装在支架(1)的顶部，所述X轴电机(2)固定安装在支架(1)上，且所述X轴电机(2)与滚珠丝杠(21)传动连接；所述滑块(23)安装在导轨(22)上，且所述滑块(23)与导轨(22)滑动连接，同时所述滑块(23)与滚珠丝杠(21)的螺母固定连接；Z轴电机(3)与滑块(23)固定连接，所述Z轴电机(3)通过减速器(31)与旋转盘(4)传动连接，所述气缸(5)安装在旋转盘(4)上，且所述气缸(5)位于板材传送带(8)上方；所述吸盘(51)安装在气缸(5)上，且所述吸盘(51)与真空吸具连通；
所述摄像头(6)通过摄像头支架(12)安装在支架(1)上，且所述摄像头(6)指向传送带(8)；
所述控制盒(7)分别与X轴电机(2)、Z轴电机(3)、旋转盘(4)、气缸(5)、摄像头(6)、真空吸具连接；
所述控制盒(7)设置有配置表模块、边缘检测单元、偏移检测单元、气缸控制模块、气缸驱动电路、吸具控制模块、吸具驱动电路、X轴电机控制模块、X轴电机驱动电路、Z轴电机控制模块、Z轴电机驱动电路、误差修正单元，所述摄像头(6)分别与配置表模块、边缘检测单元连接，所述偏移检测单元分别与边缘检测单元、气缸控制模块、吸具控制模块、X轴电机控制模块、Z轴电机控制模块连接，所述X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路连接，所述X轴电机驱动电路与X轴电机(2)连接，所述Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路连接，所述Z轴电机驱动电路与Z轴电机(3)连接，所述气缸控制模块与气缸驱动电路连接，所述气缸驱动电路通过气缸继电器单元与气缸(5)连接，所述吸具控制模块与吸具驱动电路连接，所述吸具驱动电路通过吸具继电器单元与真空吸具连接；所述误差修正单元包括X轴电机修正模块和Z轴电机修正模块，所述X轴电机修正模块连接在X轴电机控制模块与X轴电机驱动电路之间，Z轴电机修正模块连接在Z轴电机控制模块与Z轴电机驱动电路之间；
所述边缘检测单元包括依次连接的图像采集模块、中值滤波模块、灰度值转换模块、Sobel边缘检测模块、sdram存储模块；
所述偏移检测单元包括行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块、列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块、偏移允许值模块，所述行像素计数器、基尔霍夫变换模块、斜率偏角计算模块、比较器一、Z轴电机调整值模块依次连接；所述列像素计数器、边缘判读模块、累加器、均值计算模块、比较器二、X轴电机调整值模块依次连接；所述偏移允许值模块分别与比较器一、比较器二连接。
2.根据权利要求1所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述气缸(5)、吸盘(51)为四个，且所述气缸(5)沿旋转盘(4)周向均匀分布设置，所述气缸(5)、吸盘(51)一一对应设置。
3.根据权利要求2所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述支架(1)的底部设置有底座(11)。
4.根据权利要求3所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述控制盒(7)的外壳为ABS塑料壳，所述控制盒(7)的外壳设置有防电磁干扰层。
5.根据权利要求4所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述气缸(5)为SC复动型气缸。
6.根据权利要求5所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述摄像头(6)通过IIC总线分别与配置表模块、边缘检测单元连接。
7.根据权利要求6所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述滚珠丝杠(21)行程选择315-400mm。
8.根据权利要求7所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置，其特征在于：所述气缸(5)行程70-90mm。
9.一种基于权利要求1所述基于FPGA图像检测控制的板材偏移调整装置的偏移调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，摄像头(6)实时采集板材的位置图片发送给边缘检测单元；
步骤2，所述边缘检测单元根据位置图片得到板材边缘数据，并将得到的边缘数据发送给偏移检测单元；
步骤3，所述偏移检测单元根据板材边缘数据得到板材位置；然后根据板材位置和偏移允许值进行比较，得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，并将得到的X轴电机调整值和Z轴电机调整值发送给误差修正单元；将板材位置分别发送给气缸控制模块、吸具控制模块；
偏移检测单元内嵌有偏移检测方法，所述偏移检测方法包括如下步骤：
步骤31，定义感兴趣区域，建立行像素计数器和列像素计数器，将感兴趣区域中的边缘像素点通过行像素计数器对像素值按行计数，通过列像素计数器对像素值按列计数，从而得到边缘像素点对应的坐标值；
步骤32，根据统计的边缘像素点对应的坐标值得到各边缘像素点的边缘直线的回归方程：
Figure FDA0003078856280000031
其中，
Figure FDA0003078856280000032
表示第i个直线回归方程第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值，xj表示第j个边缘像素点的横坐标值，ai表示第i个直线回归方程的回归常数，bi表示第i个直线回归方程的回归系数，i＝1,2,…,n，n表示直线回归方程个数，j＝1,2,…,m，m表示直线回归方程个数；
步骤33，回归曲线确定模型：
Figure FDA0003078856280000033
其中，Ai表示纵坐标离差的平方和，yj表示第j个边缘像素点的实际纵坐标值；
步骤34，根据步骤33的回归曲线确定模型得到最小的纵坐标离差的平方和Ai'，根据最小的纵坐标离差的平方和Ai'得到其对应的最佳边缘直线的回归方程：
Figure FDA0003078856280000034
其中，
Figure FDA0003078856280000035
表示第j个边缘像素点的最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标值，ai'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归常数，bi'表示最佳边缘直线的回归方程所对应的回归系数；
步骤35，根据步骤34得到的最佳边缘直线的回归方程，确定最终曲线回归常数、最终回归系数、最终的直线回归方程：
Figure FDA0003078856280000036
Figure FDA0003078856280000037
Figure FDA0003078856280000038
则，最终的直线回归方程为：
Figure FDA0003078856280000041
其中，
Figure FDA0003078856280000042
表示最终曲线回归常数，
Figure FDA0003078856280000043
表示最终回归系数，
Figure FDA0003078856280000044
表示最佳边缘直线的回归方程所对应的实际纵坐标均值，
Figure FDA0003078856280000045
表示实际横坐标均值，
Figure FDA0003078856280000046
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值，
Figure FDA0003078856280000047
表示最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值对应的纵坐标值；
步骤35，根据得到的最终回归系数
Figure FDA0003078856280000048
和最终确定的第j个边缘像素点的横坐标值
Figure FDA0003078856280000049
得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值；
步骤4，所述误差修正单元根据X轴电机调整值进行误差修正，得到修正后X轴电机调整值；根据Z轴电机调整值进行误差修正，得到修正后Z轴电机调整值；将得到的修正后X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路；将得到的修正后Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路；
步骤41，给出实验板材，采用步骤3中的方法得到X轴电机调整值和Z轴电机调整值，分别记为实验X轴电机调整值和实验Z轴电机调整值；
步骤42，根据实验X轴电机调整值计算得到横坐标调整预估值d1；根据实验Z轴电机调整值计算得到板材旋转倾斜预估值k1；
步骤43，将得到的实验X轴电机调整值发送给X轴电机驱动电路；实验Z轴电机调整值发送给Z轴电机驱动电路；X轴电机驱动电路根据实验X轴电机调整值对X轴电机(2)进行驱动控制；Z轴电机驱动电路根据实验Z轴电机调整值对Z轴电机(3)进行驱动控制，对板材进行调整；此时，测量调整后的板材横坐标值，记为测量横坐标值d2；测量调整后的板材的倾斜值，记为测量倾斜值k2；
步骤44，根据得到的横坐标调整预估值d1和测量横坐标值d2建立横坐标修正模型：
Figure FDA00030788562800000410
其中，
Figure FDA00030788562800000411
表示修正后的横坐标值，ξ表示修正常数；
步骤45，根据得到的板材旋转倾斜预估值k1和测量倾斜值k2建立回归系数修正模型：
Figure FDA00030788562800000412
其中，
Figure FDA0003078856280000051
表示修正后的回归系数；
步骤5，X轴电机驱动电路根据修正后X轴电机调整值对X轴电机(2)进行驱动控制；Z轴电机驱动电路根据修正后Z轴电机调整值对Z轴电机(3)进行驱动控制；
在X轴电机驱动电路的控制下，X轴电机(2)驱动滚珠丝杠(21)，滚珠丝杠(21)的转动带动滑块(23)上的移动，滑块(23)的移动带动Z轴电机(3)移动，Z轴电机(3)移动到修正后X轴电机调整值对应位置，X轴电机驱动电路停止驱动；此时气缸控制模块根据板材位置启动气缸驱动电路，气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸(5)向下作动，将吸盘(51)压在板材上；吸具控制模块根据板材位置启动吸具驱动电路，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元控制真空吸具工作，吸盘(51)通过负压吸附住板材；然后在Z轴电机驱动电路的控制下，Z轴电机(3)驱动旋转盘(4)转动，旋转盘(4)转动带动气缸(5)转动，气缸(5)的转动带动板材转动，板材转动到修正后Z轴电机调整值对应位置后，Z轴电机驱动电路停止驱动，完成板材偏移调整；
步骤6，吸具驱动电路驱动通过吸具继电器单元关闭真空吸具工作，吸盘(51)与板材松开；气缸驱动电路驱动通过气缸继电器单元控制气缸(5)向上作动回归初始位置，将吸盘(51)带离板材，等待下一板材到来。
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