集成視覺的運動控制平臺設計及測試方法研究.pdf

1、運動控制技術是推進制造業(yè)革新的核心技術之一。隨著工業(yè)生產的發(fā)展，對控制系統(tǒng)的功能多樣性的要求越來越強。因此要求運動控制系統(tǒng)具備一個開放、柔性的體系結構，而功能軟件化則是實現(xiàn)該體系結構的有效途徑。運動控制總線技術將運動控制器與伺服系統(tǒng)等終端模塊組成了一個數(shù)字化整體，其中實時以太網技術的成熟又極大促進了運動控制技術的發(fā)展，進一步推進了運動控制系統(tǒng)的軟件化。為能夠在更短的時間內，設計出品質可靠且功能豐富的運動控制系統(tǒng)，亟需實現(xiàn)開放、可重構的控

2、制系統(tǒng)體系結構，并且需要一種便捷有效的測試方法測試構建的運動控制系統(tǒng)的功能。
　　機器視覺系統(tǒng)常被作為運動控制系統(tǒng)的一個關鍵功能拓展。對于基于PC的機器視覺系統(tǒng)，強大的計算性能可以有效縮短圖像處理時間。但是Windows并不是一個實時操作系統(tǒng)，圖像采集處理及其與運動控制的數(shù)據(jù)交互的時間抖動性較大，無法適用于對實時性要求較高的應用需求。專用于圖像采集處理的嵌入式系統(tǒng)具有較強的實時性，通過通信總線或I/O將圖像處理結果傳遞給運動控制器

3、，但是僅能使用內置的機器視覺算法，功能拓展性不足。因此運動控制系統(tǒng)亟需一種開放式實時機器視覺系統(tǒng)，本文利用軟運動控制器在實時域的開放性，對視覺集成的運動控制平臺的設計方法進行研究，將機器視覺與運動控制運行在同一個實時域內，從而可有效提高機器視覺的實時性。
　　本文基于Windows+Kithara Real-time Suite(KRTS)為開放式軟運動控制器設計了一個基礎實時運行環(huán)境，經過測試在Symmetric Multi-P

4、rocessing(SMP)硬件架構下，系統(tǒng)對網卡的系統(tǒng)響應時間的最大值不超過13μs。在此此環(huán)境下本文為自主研發(fā)的實時以太網Ethernet for Manufacture Automation Control(EtherMAC)設計了主站協(xié)議棧，使其最小通信周期達到100μs。參照PLCopen的Motion Control部分的功能規(guī)范，給出了開放式軟運動控制器的可編程接口的實現(xiàn)方法并通過設計的控制資源層以降低實時以太網與軟運動控

5、制器之間的耦合性。給出了運行在實時域內的機器視覺功能的設計方法，以開放式圖像傳輸協(xié)議GigE Vision作為圖像采集接口，并可重用Windows上豐富的圖像處理軟件資源。最后，通過依據(jù)以上方法設計的視覺引導的機器人控制系統(tǒng)驗證了本文設計的集成視覺的運動控制平臺的功能可行性。
　　實時以太網是運動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)紐帶，也是軟件功能表達的直接接口，以實時以太網傳輸數(shù)據(jù)為基礎，給出了一種基于數(shù)據(jù)逆向分析的運動控制系統(tǒng)軟件功能測試方法。為

6、避免對實時以太網正常通信的影響，基于Field ProgrammableGate Array(FPGA)設計了一種無延時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽方法。以EtherMAC實時以太網為例，給出了數(shù)據(jù)鏈路層和應用層解析方法，從而可提取出有效的運動控制數(shù)據(jù)，并以基于EtherMAC的數(shù)控系統(tǒng)作為測試對象進行了測試功能驗證。該測試方法無需連接機械系統(tǒng)或修改電氣線路，即可評測運動控制系統(tǒng)的軟件功能。
　　本文的研究成果為實時機器視覺應用提供了一種開放且成本