CN1861880A - 基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统及其控制方法。包括有工控机(A)及与工控机(A)连接的图形采集卡(C)及运动控制器(B)，其中图形采集卡(C)的输入与静态摄像头(D)及动态摄像头(E)连接，图形采集卡(C)的输出端与工控机(A)的输入端连接，工控机(A)的USB接口端与运动控制器(B)连接。本发明采用计算机视觉测量和数字图像处理技术，提取图案的轮廓，生成加工轨迹，并建立加工布料变形的数学模型，通过稳定、快速和准确的相关运算，求得全局极小，得到变形后的位置偏移值，以补偿加工轨迹的偏离。本发明解决单针绗缝的加工对象边缘多变、背景复杂、柔性变形等问题，实现快速精确绗缝的自动化加工。

Description

基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统及其控制方法

技术领域：

本发明是一种基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统及其控制方法，属于基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统及其控制方法的创新技术。

背景技术：

我国是缝制设备生产大国，约占全球产量的70％，但产品大多处于国际中低档水平，单针绗缝是其中一种重要产品，用于加工单花模大图案的床垫沙发等外套产品，其立体感强、色彩鲜明及个性突出的特点，深受消费者欢迎。在缝制设备对这类柔性物料进行高速加工时，因方向与速度的动态变化，导致物料产生较大变形，因而使加工轨迹偏离设定路线，采用传统的闭环反馈和一般补偿方法，难以有效实时补偿，影响加工质量和效率。国外先进单针绗缝机一般系统刚度较好，采用较先进的控制技术，加工速度快、质量较好、但价格较贵。我国生产单针数控绗缝机技术相对落后，加工效率不够高，快速加工时产品质量难以保证。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种解决单针绗缝的加工对象边缘多变、背景复杂、柔性变形等问题，实现快速精确绗缝的自动化加工基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统。

本发明的另一目的在于克服上述缺点而提供一种操作简单，控制方便基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统的控制方法。

本发明的原理框图如图1所示，包括有工控机(A)及与工控机(A)连接的图形采集卡(C)及运动控制器(B)，其中图形采集卡(C)的输入与静态摄像头(D)及动态摄像头(E)连接，图形采集卡(C)的输出端与工控机(A)的输入端连接，工控机(A)的USB接口端与运动控制器(B)连接，运动控制器(B)包括有控制单片机(1)、通讯单片机(2)、D/A输出控制器(3)、计时计数器(4)、鉴相器(6)，其中控制单片机(1)的接口通过通讯单片机(2)及通讯接口与工控机(A)连接，控制单片机(1)的输出接口通过D/A输出控制器(3)与Z轴变频调速器(9)连接，通过计时计数器(4)分别与X轴伺服驱动器(11)及Y轴伺服驱动器(12)连接，通过鉴相器(6)与X轴编码器(10)、Y轴编码器(13)连接，Z轴变频调速器(9)、X轴伺服驱动器(11)、Y轴伺服驱动器(12)分别与Z轴电机(14)、X轴电机(15)、Y轴电机(16)连接，X轴编码器(10)、Y轴编码器(13)分别与X轴电机(15)、Y轴电机(16)连接。

上述控制单片机(1)还连接有I/O检测与控制器(5)，I/O检测与控制器(5)通过光电隔离电路(7)分别与主轴、X轴、Y轴及其他的辅助动作控制信号及控制装置连接。

上述工控机(1)的输入接口连接有键盘(F)，工控机(1)的输出接口连接有显示器(G)。

上述通讯单片机(2)还连接有存储器(8)。

上述图形采集卡(C)通过PCI总线与工控机(A)连接，工控机(A)的输出端通过USB总线与运动控制器(B)连接。

上述控制单片机(1)为ATMEGA16，通讯单片机(2)为C541，D/A输出控制器(3)为0832，计时计数器(4)为8254，鉴相器(6)为LS7266R1。

上述I/O检测与控制器(5)为8255，存储器(8)为62256。

本发明基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统的控制方法，其包括有如下步骤：

1)工控机(A)通过静态摄像头(D)和图形采集卡(C)获取整幅加工布料花纹图像信息；

2)工控机(A)对布料花纹图像进行处理，得到图像边缘图案，并由人工确定绗缝加工轨迹；

3)工控机(A)通过USB接口向运动控制器(B)发送图形加工信息并存贮在存储器(8)中；

4)运动控制器(B)机根据加工轨迹和针距要求，对绗缝的加工路径和加工点进行规划；

5)运动控制器(B)控制主交流电机转动，带动绗缝针架上下及相应的机构运动；

6)运动控制器(B)同时进行插补运算和PID算法处理后，通过分别给定X轴和Y轴方向和进给脉冲信号到伺服驱动器控制X轴和Y轴伺服电机，带动绗缝针的机架左右运动和前后运动，使绗缝针按要求加工出相应的图案，其中X轴和Y轴伺服电机采用编码器闭环反馈；

7)在加工过程中工控机(A)通过动态摄像头(E)动态摄取当前图像，经相关算法处理获得柔性布料中绗缝针运动局部位置质点的当前位置与给定位置之间的偏差值；

8)工控机(A)及时通过USB口将偏差值实时向运动控制器(B)传送，运动控制器(B)对每针的控制轨迹信息进行修改和调整。

9)若加工完成或中间需要间断加工，则X轴、Y轴伺服电机和主轴针架停止运动，并剪线。

此外，本发明在X轴、Y轴伺服电机的运动过程中，运动控制器(B)对X轴和Y轴伺服驱动器、X轴和Y轴的端点和原点，主轴变频器和原点、断线等信号进行检测。

本发明采用两级多微机控制系统的结构，一般的两级系统中通常都采用PCI总线的结构，本发明的图像采集卡为PCI总线，而运动控制器采用当前最流行的USB通信，充分应用该平台的高速性能和丰富软件，并使运动控制器安装脱离计算机中，可以放入驱动柜。此外，本发明采用计算机视觉测量和数字图像处理技术，提取图案的轮廓，生成加工轨迹，克服以往单纯人为主观确定加工轨迹，使加工图案更加自然合理。并建立加工布料变形的数学模型，在得到变形前后两幅图形的相关计算中，应用有效的迭代初始值赋值综合方法，通过稳定、快速和准确的相关运算，求得全局极小，得到变形后的位置偏移值，以补偿加工轨迹的偏离。解决单针绗缝的加工对象边缘多变、背景复杂、柔性变形等问题，实现快速精确绗缝的自动化加工。本发明是一种设计合理，结构合理，性能优良，方便实用的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统。本发明的控制方法操作简单，控制方便。

附图说明：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中运动控制器(B)的原理框图；

图3、4为本发明中运动控制器(B)的电路原理图。

具体实施方式：

实施例：

本发明的原理框图及运动控制器(B)的原理框图分别如图1、2所示，包括有工控机A及与工控机A连接的图形采集卡C及运动控制器B，其中图形采集卡C的输入与静态摄像头D及动态摄像头E连接，图形采集卡C的输出端与工控机A的输入端连接，工控机A的USB接口端与运动控制器B连接，运动控制器B包括有控制单片机1、通讯单片机2、D/A输出控制器3、计时计数器4、鉴相器6，其中控制单片机1的接口通过通讯单片机2及通讯接口与工控机A连接，控制单片机1的输出接口通过D/A输出控制器3与Z轴变频调速器9连接，通过计时计数器4分别与X轴伺服驱动器11及Y轴伺服驱动器12连接，通过鉴相器6与X轴编码器10、Y轴编码器13连接，Z轴变频调速器9、X轴伺服驱动器11、Y轴伺服驱动器12分别与Z轴电机14、X轴电机15、Y轴电机16连接，X轴编码器10、Y轴编码器13分别与X轴电机15、Y轴电机16连接。

上述控制单片机1还连接有I/O检测与控制器5，I/O检测与控制器5通过光电隔离电路7分别与主轴、X轴、Y轴及其他的辅助动作控制信号及控制装置连接。主轴、X轴、Y轴及其他的辅助动作控制信号及控制装置包括有分别输出到X轴、Y轴伺服驱动器11、12的X、Y轴使能、方向、复位信号，输出到Z轴变频调速器9的主轴使能信号，输出到剪线器的剪线信号，分别由X轴、Y轴机构的相应位置检测装置输入的X轴及Y轴的原点、限位信号，分别由X轴、Y轴伺服驱动器11、12输入的X轴、Y轴准备好信号，由主轴运动机构的检测装置输入的主轴原点、主复位信号，由Z轴变频调速器9输入的主轴故障、准备好信号，由检测器输入的断线或有布信号等等。

上述工控机1的输入接口连接有键盘F，工控机1的输出接口连接有显示器G。

上述通讯单片机2还连接有存储器8。

上述图形采集卡C通过PCI总线与工控机A连接，工控机A的接口通过USB总线与运动控制器B连接。

本实施例中，本发明中运动控制器B的电路原理图如图3、4所示，上述控制单片机1为ATMEGA16，通讯单片机2为C541，D/A输出控制器3为0832，计时计数器4为8254，鉴相器6为LS7266R1。上述I/O检测与控制器5为8255，存储器8为62256。

上述控制板上C541负责NC控制器与上位机的通信，同时把由上位机获得的加工数据存储在静态RAM中，这给主控计算机带来了很大方便，使主控计算机的应用效率大大提高，同时实现控制的实时性。AVR单片机ATMEGA16是NC控制器的主CPU，负责对8254、8255、D/A0832、LS7266R1的管理和控制，同时实现C541的串行通讯。

8255口作为对外口I/O控制，其作用定义如下：A口定义为输出通道，共8路数字输出。B口和C口定义为输入通道，16路数字输入。

8254为计时计数器，可产生多路脉冲信号，其主要功能是产生X、Y轴位置控制执行的脉冲信号，经伺服驱动器输出控制伺服电机。D/A转换采用0832芯片，用于控制通过变频器控制的主轴的速度。

LS7266R1为用于对X，Y轴编码器的反馈的脉冲以实现闭环控制。LS7266R1为24位双轴正交信号鉴相器，2个24位计数器用于位移测量时的X，Y轴计数。在非鉴相模式，计数频率达30MHZ，在X4鉴相模式，计数频率可达17MHZ。可编程8位独立滤波器，可编程逻辑输入及其它I/O口。8位三态数据I/O总线。单5伏供电与TTL/CMOS电平相兼容28脚表面贴封或双列直插。

本发明基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统的控制方法，其包括有如下步骤：

1)工控机A通过静态摄像头D和图形采集卡C获取整幅加工布料花纹图像信息；

2)工控机A对布料花纹图像进行处理，得到图像边缘图案，并由人工确定绗缝加工轨迹；

3)工控机A通过USB接口向运动控制器B发送图形加工信息并存贮在存储器8中；

4)运动控制器B根据加工轨迹和针距要求，对绗缝的加工路径和加工点进行规划；

5)运动控制器B控制主交流电机转动，带动绗缝针架上下及相应的机构运动；

6)运动控制器B同时进行插补运算和PID算法处理后，通过分别给定X轴和Y轴方向和进给脉冲信号到伺服驱动器控制X轴和Y轴伺服电机，带动绗缝针的机架左右运动和前后运动，使绗缝针按要求加工出相应的图案，其中X轴和Y轴伺服电机采用编码器闭环反馈；

7)在加工过程中工控机A通过动态摄像头E动态摄取当前图像，经相关算法处理获得柔性布料中绗缝针运动局部位置质点的当前位置与给定位置之间的偏差值；

8)工控机A及时通过USB口将偏差值实时向运动控制器B传送，运动控制器B对每针的控制轨迹信息进行修改和调整。

9)若加工完成或中间需要间断加工，则X轴、Y轴伺服电机和主轴针架停止运动，并剪线。

此外，本发明在X轴、Y轴伺服电机的运动过程中，运动控制器B对X轴和Y轴伺服驱动器、X轴和Y轴的端点和原点，主轴变频器和原点、断线等信号进行检测。

本发明单针绗缝加工主要以加工单个大型图案为主，机架运动范围较大，其运动机构由两大部分组成，主交流电机，即Z轴电机控制绗缝针架上下运动，X轴和Y轴伺服电机由位置控制卡控制，控制绗缝针的机架左右运动和前后运动。工控机A在单针绗缝数字图像处理中，首先是加工总图(即鸟瞰图)的数字特征轮廓处理，并确定加工轨迹；其次是加工过程中，对加工轨迹的动态图像跟踪和数据采集；最后应用数字相关运算，确定动态图像的位置和补偿偏差值，即工控机A对图像处理后得到的是绗缝点与预先设定的轨迹之间的偏差，即所需的调整距离。在应用到控制过程中时，需将偏差值转化为约定的数据格式，送到运动控制器中，由运动控制器集中实时控制系统的电气资源。

Claims (8)

1、一种基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于包括有工控机(A)及与工控机(A)连接的图形采集卡(C)及运动控制器(B)，其中图形采集卡(C)的输入与静态摄像头(D)及动态摄像头(E)连接，图形采集卡(C)的输出端与工控机(A)的输入端连接，工控机(A)的输出端与运动控制器(B)连接，运动控制器(B)包括有控制单片机(1)、通讯单片机(2)、D/A输出控制器(3)、计时计数器(4)、鉴相器(6)，其中控制单片机(1)的接口通过通讯单片机(2)及通讯接口与工控机(A)连接，控制单片机(1)的输出接口通过D/A输出控制器(3)与Z轴变频调速器(9)连接，通过计时计数器(4)分别与X轴伺服驱动器(11)及Y轴伺服驱动器(12)连接，通过鉴相器(6)与X轴编码器(10)、Y轴编码器(13)连接，Z轴变频调速器(9)、X轴伺服驱动器(11)、Y轴伺服驱动器(12)分别与Z轴电机(14)、X轴电机(15)、Y轴电机(16)连接，X轴编码器(10)、Y轴编码器(13)分别与X轴电机(15)、Y轴电机(16)连接。

2、根据权利要求1所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述控制单片机(1)还连接有I/O检测与控制器(5)，I/O检测与控制器(5)通过光电隔离电路(7)分别与主轴、X轴、Y轴及其他的辅助动作控制信号及控制装置连接。

3、根据权利要求1所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述工控机(1)的输入接口连接有键盘(F)，工控机(1)的输出接口连接有显示器(G)。

4、根据权利要求1所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述通讯单片机(2)还连接有存储器(8)。

5、根据权利要求1所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述图形采集卡(C)通过PCI总线与工控机(A)连接，工控机(A)接口通过USB总线与运动控制器(B)连接，

6、根据权利要求1至5任一项所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述控制单片机(1)为ATMEGA16，通讯单片机(2)为C541，D/A输出控制器(3)为0832，计时计数器(4)为8254，鉴相器(6)为LS7266R1。

7、根据权利要求6所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统，其特征在于上述I/O检测与控制器(5)为8255，存储器(8)为62256。

8、根据权利要求1所述的基于视觉跟踪的单针绗缝智能控制系统的控制方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)工控机(A)通过静态摄像头(D)和图形采集卡(C)获取整幅加工布料花纹图像信息；

2)工控机(A)对布料花纹图像进行处理，得到图像边缘图案，并由人工确定绗缝加工轨迹；

3)工控机(A)通过USB接口向运动控制器(B)发送图形加工信息并存贮在存储器(8)中；

4)运动控制器(B)机根据加工轨迹和针距要求，对绗缝的加工路径和加工点进行规划；

5)运动控制器(B)控制主交流电机转动，带动绗缝针架上下及相应的机构运动；

6)运动控制器(B)同时进行插补运算和PID算法处理后，通过分别给定X轴和Y轴方向和进给脉冲信号到伺服驱动器控制X轴和Y轴伺服电机，带动绗缝针的机架左右运动和前后运动，使绗缝针按要求加工出相应的图案，其中X轴和Y轴伺服电机采用编码器闭环反馈；

7)在加工过程中工控机(A)通过动态摄像头(E)动态摄取当前图像，经相关算法处理获得柔性布料中绗缝针运动局部位置质点的当前位置与给定位置之间的偏差值；

8)工控机(A)及时通过USB口将偏差值实时向运动控制器(B)传送，运动控制器(B)对每针的控制轨迹信息进行修改和调整。

9)若加工完成或中间需要间断加工，则X轴、Y轴伺服电机和主轴针架停止运动，并剪线。

10)在X轴、Y轴伺服电机的运动过程中，运动控制器(B)对X轴和Y轴伺服驱动器、X轴和Y轴的端点和原点，主轴变频器和原点、断线等信号进行检测。

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