多視覺傳感器CAN總線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、光電檢測、圖像處理以及模式識(shí)別等各學(xué)科的不斷完善和互相滲透，視覺檢測技術(shù)作為一種多領(lǐng)域、各學(xué)科交叉的技術(shù)已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它是以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的新型測試技術(shù)，具有測量時(shí)非接觸、速度快、信息量大、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。視覺檢測技術(shù)廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測，自動(dòng)巡視商店、銀行或其他重要場所的安防監(jiān)視，產(chǎn)品的標(biāo)簽文字標(biāo)識(shí)檢查，紡織印染業(yè)中的自動(dòng)分色、配色，大型物體三維結(jié)構(gòu)尺寸的測量，各種復(fù)雜三維表面形狀的檢測、恢復(fù)重構(gòu)以及逆向工程等很多領(lǐng)域。視覺檢測系統(tǒng)通常是由計(jì)算機(jī)、視覺傳感器與控制系統(tǒng)三大模塊組成。對(duì)于多視覺傳感器大型實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，為了讓視覺檢測系統(tǒng)快速、精確地獲得理想的圖像信息，視覺傳感器的控制系統(tǒng)的作用尤為重要。視覺傳感器的控制系統(tǒng)根據(jù)其使用的串行控制總線標(biāo)準(zhǔn)不同，其控制與通訊的性能將不同。這里采用CAN (Controller Area Network) 總線作為系統(tǒng)的串行控制總線。

由于CAN 總線具有通訊速率高、實(shí)時(shí)性好、帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性及抗干擾能力好、總線利用率高及硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適于大型測試系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的通訊。因此，本文將基于CAN 總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，介紹多視覺傳感器的實(shí)時(shí)控制方法與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

視覺傳感器的檢測原理與系統(tǒng)組成

視覺檢測一般基于三角法，由攝像機(jī)、光源跟被測物體構(gòu)成測量三角，CCD 相機(jī)把光源投射到被測物體表面的經(jīng)過調(diào)制后的三維深度信息轉(zhuǎn)換成二維圖像傳給計(jì)算機(jī)再經(jīng)由圖像處理、特征提取等恢復(fù)解調(diào)出被測物體的三維形貌信息。如圖1 所示，簡單的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器可由一個(gè)平面結(jié)構(gòu)光投射器L 與一個(gè)CCD 攝像機(jī)A 組成，但當(dāng)被測物體表面曲率變化較大時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象，即光平面與物體表面的交線被旁邊的曲面遮擋，使攝像機(jī)無法看到該交線，以致測量信號(hào)消失。為避免由測量復(fù)雜表面物體時(shí)產(chǎn)生的死區(qū)現(xiàn)象，可用兩個(gè)相機(jī)A 和B 對(duì)稱分布于光平面兩側(cè)，接收光條的漫反射光。本例使用波長為650nm 的紅色激光器作為光源，因其與環(huán)境光反差大，干擾小，較易進(jìn)行圖像特征點(diǎn)的提取，雙目視覺傳感器組成的多視覺傳感器測量系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究其CAN 總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

圖2 給出了多視覺傳感器CAN 總線網(wǎng)絡(luò)控制檢測系統(tǒng)的基本組成原理。本系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為PC 機(jī)，下位機(jī)為8051 單片機(jī)控制單元(MCU) ，上、下位機(jī)之間用CAN 總線進(jìn)行通訊，由于PC 機(jī)中并不帶CAN 總線接口，因此需要一個(gè)CAN 接口卡，這里選用USBCAN 智能接口卡來通信，因其具有體積小、外置且即插即用等特點(diǎn)。這樣，PC 可通過USB 總線方便地連接至CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，控制各個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

視覺傳感器的控制電路(MCU) 主要包括視頻切換、電源供給和CAN 通訊接口三個(gè)模塊。電源供給電路模塊提供CCD 攝像機(jī)、激光投射器與MCU的電源，并且由MCU 控制單元控制著它們的開啟與關(guān)閉。為了避免激光投射器使用時(shí)間過長導(dǎo)致激光器( 或普通照明光源) 發(fā)熱引起光能分布不穩(wěn)或視覺傳感器受熱變形從而影響測量精度，以及延長投射器的使用壽命，我們采用如下的控制方式： 當(dāng)傳感器開始測量時(shí)，先上電初始化，再打開激光器，測量完畢后即關(guān)閉光源電源。由于每個(gè)傳感器里面含有一到兩個(gè)CCD 相機(jī)，而任一時(shí)刻傳感器只能輸出一路視頻信號(hào)，因此需要視頻切換開關(guān)對(duì)二路視頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分時(shí)切換。

為了滿足大尺寸物體的視覺檢測需要，充分利用CAN 總線的特點(diǎn)，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有積木式的可擴(kuò)充能力，本控制系統(tǒng)按最少能帶64 個(gè)傳感器的負(fù)載能力進(jìn)行了設(shè)計(jì)。如果設(shè)每個(gè)視覺傳感器里面都有兩個(gè)攝像機(jī)，即最多共有128 路視頻輸入，而任一時(shí)刻系統(tǒng)只選取其中一路視頻圖像傳給計(jì)算機(jī)圖像采集卡進(jìn)行圖像采集處理，因此在圖2 每個(gè)視覺傳感器的單路視頻輸出處，需再加上一個(gè)多路視頻切換器，如圖3 所示，每8 個(gè)視頻輸入1 路視頻輸出作為一個(gè)視頻信號(hào)切換單元，實(shí)現(xiàn)8 選1 方式的視頻切換。那么按圖3 中的積木式連接方式，9 個(gè)單元就可驅(qū)動(dòng)64 路傳感器。每個(gè)視頻切換單元都有自己的CAN 總線接口，連接到整個(gè)控制系統(tǒng)的分布式網(wǎng)路上，與單個(gè)傳感器控制系統(tǒng)一起協(xié)同工作。我們采用8 選1 視頻切換為一個(gè)單元，采用積木式結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，主要是考慮到在實(shí)際的多視覺傳感器測量系統(tǒng)中，對(duì)于具體不同的測量對(duì)象，使用的傳感器的數(shù)目可能不同。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)使用的傳感器的多少進(jìn)行自由組合。