[发明专利]一种针对机械臂的嵌入式视觉系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于工业视觉领域，具体涉及一种针对机械臂的嵌入式视觉系统及其使用方法。

背景技术

嵌入式系统ES(Embedded System)是一种用途广泛的系统，以应用为中心、计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。随着计算机技术和相关电子技术的发展，嵌入式系统已深入应用至社会中的各个领域，特别是工业控制领域。

现有的控制系统中，通常采用集中式系统，控制功能都高度集中在一台服务器或者主机上，所有的功能及处理任务都由服务器或者主机记性处理。但是，在实际应用中，集中式系统不能满足具有更庞大功能需求的工业控制领域，客户需要具有分布处理能力的、完整一体化的分布式系统。

分布式系统是若干计算机的集合，内部由通信网络实现，以通信为网络基础。整个分布式系统采用独立工作或者合作工作两种方式，各个操作主机可以并行操作以及分布控制。

在嵌入式系统中的分布式体系结构，不同的嵌入式设备之间以某种方式分布式地相互连接，彼此协作，最终达到高灵活性和高可靠性的工控系统。

分布式系统与传统的通信网络相比具有一定的优越性：

1)、分布式系统中各个操作主机并行操作，意味着实现了在物理性质上的独立性以及在逻辑性质上的合作性。

2)、分布式系统具有较高的可靠性，当系统中一台或者多台主机发生故障时，其余独立的主机可以自行修复，重新构成和原系统功能一致的系统，使整个分布式系统自动调节恢复到故障前状态。

近年来，工业控制领域中工业机器人得到了广泛地应用，传统的技术方法采用操作人员离线编程引导的方式控制工业机器人，机器人重复地执行存储在内存单元中的程序，执行所要求的操作动作。

这种控制方式对智能机器人限制性极强，不具备实时性，对外界信息变化的感知能力不足，不能够根据环境的变化对操作行为进行相应的调整，同时大量的功能需要大量的编程准备时间，在一定程度上大大降低了系统效率。

为了解决上述问题，需要在工业机器人上添加一套视觉系统，视觉系统实时地较为直观地对外界环境做出反应，并根据其变化相应地做出调整，从而最终提高机器人的灵活性和实时性。

传统通用的工控机器人视觉处理系统的结构如图1所示，包括：工业控制机器人模块，计算机控制器模块，图像显示器模块，大容量存储器模块，专用图像处理硬件模块，图像处理软件模块和获取图像传感器模块；

获取图像传感器模块捕捉特征捕捉对象的信息并传递给专用图像处理硬件模块，经过计算机控制器模块传递给图像处理软件模块进行图像处理，将处理结果返回给计算机控制器模块，控制工业控制机器人模块进行操作，同时显示在图像显示器模块和根据用户命令存储到大容量存储器模块。

传统的嵌入式视觉系统需要进行大量的信息处理，才能够得到较为准确的信息。由于计算机控制器模块中嵌入的CPU芯片计算能力有限，对于计算复杂度很高的视觉算法，嵌入式CPU芯片的处理速度很难满足工业控制的实时性要求。传统的利用专用集成电路实现视觉处理算法虽然能解决视觉系统性能、功耗以及容量等方面的矛盾，但是传统算法同样具有开发周期长、通用性较差、改进不便等缺点。

与此同时，传统的集中式控制器模式中存在以下缺点：所有I/O信号都集中至计算机控制器模块上，传输距离受限且布线困难；集中硬件系统数据传输带宽有限，无法完成特大规模信号处理的要求；系统更新升级困难，容量较为确定，可提升的空间范围小；维修成本高，一旦出现故障需要整机维修。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述传统系统的使用方法中的缺点，实现针对机械臂的新型嵌入式视觉系统高性能、低功耗和结构精简的功能。

一种针对机械臂的嵌入式视觉系统，包括：图像采集模块、现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)模块、工控机模块和执行终端模块。

图像采集模块由多个图像采集装置组成，多个图像采集装置以分布式网络结构搭载在执行终端模块上，采集执行终端模块捕捉到的特征对象的图像，并传输给现场可编程门阵列FPGA模块进行处理。

现场可编程门阵列FPGA模块通过地址总线和数据总线与工控机模块连接，负责整个嵌入式视觉系统的数字逻辑控制以及时序调整，对图像采集模块采集的图像视频进行数字化、图像二值化和滤波等预处理，并将处理后的数据信号通过数据总线传输至工控机模块。