CN114104856B - 基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于机器视觉技术，以CCD相机和DSP+FPGA架构为图像处理器、PCL为电机控制器，提出了一种非接触式纱线张力实时检测控制系统。首先线阵CCD相机采集纱线在运动状态下的图像并由FPGA嵌入式处理器将图像数据传输至DSP嵌入式处理器中；然后DSP处理器对图像进行的基本处理，再对图像进行建模，计算出纱线的张力；最后将DSP处理器上的计算结果反馈到PCL电机控制器上，对纱线卷绕锟电机进行控制，形成纱线张力的闭环控制系统。该系统对纱线的张力进行实时测量与控制，当纱线张力的检测值与规定值不符时，调控纱线的运行速度并对张力大小进行反馈，最终使纱线张力实际张力值与理想设定值一致。

Description

基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统及方法
技术领域
本发明属于纱线张力检测领域，尤其是涉及一种基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统及方法。
背景技术
所有纺织产品在生产过程中都对其张力有所要求，要求在纺织制造中，精确控制纱线张力，以保证产品质量和生产效率。纱线的张力不仅影响着成品的质量、染色是否均匀等问题，甚至可能严重降低产能，对生产设备造成不必要的损耗，此正确高效地检测并控制纱线张力对织造行业有重要意义。
按照纱线张力检测时的接触状态来划分，张力检测方法可分为接触式和非接触式。目前大多数纺织工艺中均使用直接接触式张力仪测试纱线张力，接触式测量方法较为成熟，适应能力强，但会对纱线的运行状态产生影响，且检测装置长期使用后，会因被磨损而导致检测不精准，不能真实反应纱线的张力。此外，接触式检测仪测量精度与价格息息相关，也无法将张力信息反馈到控制器上形成闭环控制。从产品质量需求来看，接触式测量方法的传感器价格低的精度不达标，而从经济性的角度出发，价格高的难以大规模地用于纺织行业。而目前市面上的纱线张力非接触式检测系统，虽可解决上述问题，却因为检测速度较慢而无法实现对纱线张力的实时检测与控制。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统，能更精确、更快速地检测出纱线张力，并将检测结果反馈到控制器上对纱线张力进行实时控制，以解决针织生产过程中纱线张力波动、断纱、停纱等由张力变化影响织物质量的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统，包括FPGA系统和DSP系统，所述FPGA系统和DSP系统串接，所述FPGA系统用于实现图像传输，所述DSP系统用于实现图像处理并计算纱线张力，并对计算的张力值返回控制系统中指导PLC控制器对卷绕辊电机进行调节，使纱线张力能保持在恒定值。
本发明还提出一种基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制方法，包括如下步骤：
S1：搭建基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统；
S2：利用CCD相机拍摄，通过FPGA系统进行图像传输；
S3：利用DSP系统对FPGA系统传输来的图像进行处理并计算纱线张力；
S4：将得到的张力值通过串口传到PLC中，PLC依次矫正收卷辊转速，保持张力的稳定。
进一步的，所述步骤S2中，FPGA系统的具体工作步骤如下：
(1)FPGA采集TLCameraLinkF FMC模块的图像；
(2)将差分输入数据转化成并行数据；
(3)将串并转换出来的数据进行重组，分离出行同步信号、场同步型号、数据有效信号和每个像素数据；
(4)根据cameralink的帧有效信号和行有效信号，连续不停地将cameralink图像数据写入FIFO，控制FIFO读操作，每次从FIFO读取完指定的数据并通过AXI4-stream接口传输到SRIO IP；
(5)使用SRIO IP核，将灰度图像数据发送到DSP系统。
进一步的，所述步骤S3具体包括如下：
(1)初始化SRIO；
(2)响应DOORBELL，将图像进行切割，通过IPC MessageQ机制与DSP其他核心进行通信，发送图像消息；
(3)响应图像消息，将图像数据存入数组返回；
(4)等待各核心返回消息，计算振动频率，最终得出纱线实时张力值。
进一步的，所述步骤S3中，图像处理的步骤还包括依次对图像进行拼接以获得纱线运动过程图利用卡尔曼滤波降噪处理、利用幂律变换对原始图像进行灰度处理、利用LBSA边界搜索算法获取纱线轮廓、利用傅里叶描述子对纱线进行平滑处理。
进一步的，所述步骤S3中，纱线图像处理后，建立数学模型，利用弦振动理论建立力学方程式，在图像中提取特征值，计算纱线张力。
进一步的，所述步骤S3中，利用FPGA进行数据传输，再通过高速运算的DSP检测图像数据的极值点，计算该组数据周期的个数n与每组数据的固定周期为T，纱线振动频率f＝n/2T即可确定纱线振动频率与张力之间的关系，最后可以得到纱线张力的值。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统及方法具有以下优势：
本发明方法及系统能够有效用于纺织制造业中，实现了检测与控制的一体化，保证纱线在生产过程中张力严格符合要求，能有效提高纱线成品的质量，具有实时监测与控制、对纱线生产状态无影响、使用寿命长、设备故障率低等特点。
附图说明
构成本发明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是本发明方法所搭建的检测控制系统的物理模型图；
图2是DSP嵌入式处理器中进行图像处理的流程图；
图3是本发明中DSP的算法流程图；
图4是本发明中FPGA的算法流程图；
图5是本发明的纱线张力实时控制系统流程框图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为更好理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及最佳实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
在纺织制造中，纱线的张力不仅影响着成品的质量、染色不匀等问题，甚至可能严重降低产能，对生产设备造成不必要的损耗。本发明在此背景下，基于机器视觉技术，以CCD相机和DSP+FPGA架构为图像处理器、PLC为电机控制器，提出了一种非接触式纱线张力实时检测控制系统。本系统包含两个部分，第一：FPGA-DSP一体化的嵌入式纱线张力计算系统；第二：纱线张力实时检测与控制的闭环控制方案。如图1-5所示。
本发明系统的工作流程大致如下：首先线阵CCD相机采集纱线在运动状态下的图像并由FPGA嵌入式处理器将图像数据传输至DSP嵌入式处理器中；然后DSP处理器对图像进行的基本处理如图像拼接、图像滤波、边界提取、平滑处理等处理后，再对图像进行建模，计算出纱线的张力；最后将DSP处理器上的计算结果反馈到PCL电机控制器上，对纱线卷绕锟电机进行控制，形成纱线张力的闭环控制系统。该系统对纱线的张力进行实时测量与控制，当纱线张力的检测值与规定值不符时，调控纱线的运行速度并对张力大小进行反馈，最终使纱线张力实际张力值与理想设定值一致。
具体的，FPGA-DSP一体化的嵌入式纱线张力计算系统将两个嵌入式系统连接起来，利用FPGA处理器实现图像传输的功能,利用DSP实现图像处理并计算纱线张力的功能，使得纱线张力计算的速度大大加快，FPGA具体工作流程如下：
(1)FPGA采集TLCameraLinkF FMC模块的图像(cameralink full模式)；
(2)将差分输入数据转化成并行数据；
(3)将串并转换出来的数据进行重组，分离出行同步信号、场同步型号、数据有效信号和每个像素数据；
(4)根据cameralink的帧有效信号和行有效信号，连续不停地将cameralink图像数据写入FIFO。控制FIFO读操作，每次从FIFO读取完指定的数据并通过AXI4-stream接口传输到SRIO IP；
(5)使用SRIO IP核(作为Initiator)，将灰度图像数据发送到DSP(Target)。每发送一帧图像就发送一个DOORBELL信息，通知Target(DSP)对数据做处理。
DSP的具体工作流程如下，由于线阵相机传输的图片需要进行拼接后才能进行纱线张力计算，因此为了提高计算速度，采用DSP多核并行处理：
DSP Core0：
(1)初始化SRIO；
(2)响应DOORBELL，将图像进行切割。通过IPC MessageQ机制与DSP其他核心(包含Core0)进行通信，发送图像消息；
(3)响应图像消息，将图像数据存入数组返回；
(4)等待各核心返回消息，计算振动频率，最终得出纱线实时张力值。
DSP Core1～7：响应图像消息，将图像数据存入数组返回。
具体的，对于图像实时处理算法与纱线张力计算方法，明确了图像处理算法的步骤，如图2所示，依次对图像进行拼接以获得纱线运动过程图、利用卡尔曼滤波降噪处理、利用幂律变换对原始图像进行灰度处理、利用LBSA边界搜索算法获取纱线轮廓、利用傅里叶描述子对纱线进行平滑处理。纱线图像处理后，建立数学模型，利用弦振动理论建立了力学方程式，在图像中提取特征值，计算出了纱线张力。
对于纱线张力实时闭环控制方案，本发明将计算的张力值返回控制系统中指导控制器对卷绕辊电机进行调节，使纱线张力能保持在恒定值。整个闭环系统具体如下：在上位机上设定纱线张力值与收卷辊的速度，通过PLC来控制伺服驱动器使得收卷辊电机转动。线阵相机水平固定在横动卷绕机正对面，保证能拍摄到纱线卷绕过程中纵向范围内的图像。辅助光源固定在线阵相机一侧，保证纱线卷绕部分有充足的光亮。利用线阵相机连续采集纱线卷绕过程中运行状态的图像信息，当得到640个纱线瞬时高度采样信息时，进行一次纱线瞬时振动频率的提取。利用FPGA灵活快速的串并数据传输优点，再通过高速运算的DSP检测图像数据的极值点，计算该组数据周期的个数n与每组数据的固定周期为T，纱线振动频率f＝n/2T即可确定，根据纱线振动频率与张力之间的关系，最后可以得到纱线张力的值。通过DSP与PLC的串口通信将实时检测的纱线张力值发送给PLC与张力设定值形成闭环控制器的输入，利用PLC中的PID控制器去控制夹紧辊的速度，使得纱线的张力值保持恒定。
本发明攻克纱线在快速运动过程中呈轴向不稳定状态下进行图像处理困难的难题，以减少应用于动态测量中的误差；通过DSP+FPGA架构为图像处理器，加快检测结果的响应时间，并开展检测结果用于实时控制系统方案的设计，最终为速度和张力耦合控制系统提供张力即时反馈信息，并且能够依次矫正收卷辊转速，保持张力的稳定，在无人工干预的情况下实现了张力的实时检测并矫正，降低人力成本。
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 (4)

1.基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：搭建基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制系统；
系统包括FPGA系统和DSP系统，所述FPGA系统和DSP系统串接，所述FPGA系统用于实现数据传输，所述DSP系统用于实现图像处理并计算纱线张力，并对计算的张力值返回控制系统中指导PLC控制器对卷绕辊电机进行调节，使纱线张力能保持在恒定值；
S2：利用CCD相机拍摄，通过FPGA系统进行数据传输，包括图像数据，具体包括如下：
（1）FPGA采集TLCameraLinkF FMC模块的图像；
（2）将差分输入数据转化成并行数据；
（3）将串并转换出来的数据进行重组，分离出行同步信号、场同步型号、数据有效信号和每个像素数据；
（4）根据cameralink的帧有效信号和行有效信号，连续不停地将cameralink图像数据写入FIFO，控制FIFO读操作，每次从FIFO读取完指定的数据并通过AXI4-stream接口传输到SRIO IP；
（5）使用SRIO IP核，将灰度图像数据发送到DSP系统；
（6）FPGA每得到640个纱线瞬时高度采样信息时，进行一次纱线瞬时振动频率的提取，将数据传输至DSP系统；
S3：利用DSP系统对FPGA系统传输来的图像进行处理并计算纱线张力；具体包括如下：
（1）初始化SRIO；
（2）响应DOORBELL，将图像进行切割，通过IPC MessageQ机制与DSP其他核心进行通信，发送图像消息；
（3）响应图像消息，将图像数据存入数组返回；
（4）等待各核心返回消息，计算振动频率，最终得出纱线实时张力值；
S4：将得到的张力值通过串口传到PLC中，PLC依次矫正收卷辊转速，保持张力的稳定。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，图像处理的步骤还包括依次对图像进行拼接以获得纱线运动过程图利用卡尔曼滤波降噪处理、利用幂律变换对原始图像进行灰度处理、利用LBSA边界搜索算法获取纱线轮廓、利用傅里叶描述子对纱线进行平滑处理。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，纱线图像处理后，建立数学模型，利用弦振动理论建立力学方程式，在图像中提取特征值，计算纱线张力。
4.根据权利要求2所述的基于机器视觉的纱线张力非接触实时检测控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用FPGA进行数据传输，再通过高速运算的DSP检测图像数据的极值点，计算该组数据周期的个数n与每组数据的固定周期为T，纱线振动频率f=n/2T即可确定纱线振动频率与张力之间的关系，最后可以得到纱线张力的值。
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