（计算机应用技术专业论文）数控制材系统中原木形状识别技术的研究.pdf

。 + 、一“ u 摘要 摘要 在木材加工中，原木的外围几何形状是制约下锯的关键性因素，对原木形状的精确 识别已成为木材加工业的首要问题。长期以来使用的人工检尺方法，受人为因素影响较 大且工作效率低，无法适应现代化木材加工的发展趋势。因此，提高原木形状识别的准 确性，实现原木形状检测与识别过程的数控化和智能化，是我国制材行业迫切需要解决 的关键问题。 本文是国家引进国际先进农业科学技术“9 4 8 ”项目( 2 0 0 卜2 7 ) “数控激光及视频 识别制材技术引进”的一部分。详细阐述了如何在自行研制的原木形状识别机 m q k 3 1 0 2 上对数控原木形状识别系统进行研究与开发。提出将原木表面形状的三维几 何数据的检测、原木外形轮廓三维模拟再现以及原木形状参数分析与管理操作过程交由 计算机控制完成。 根据实验室现有的设备条件，实验研究过程中主要致力于实现原木表面三维几何数 据的计算机实时采集，原木形状的计算机模拟再现过程的处理，其中数据的采集及再现 方法的选择是关键问题，并且应用具体的数学模型和描述理论对原木截面径级等形状参 数进行分析计算，同时引入数据库技术支持，建立原木形状参数数据库进行统一管理。 考虑到本文所涉及的实验及理论是建立在原木表面形态描述的基础上，再结合原木形状 识别机的硬件结构特点，因此本论文采用v i s u a lc 十+ 6 o 程序设计语言，以模块化设计 方法进行原木形状识别系统的设计，通过样本原木的实际检测，达到一定的识别要求， 为原木形状识别的工业化推广提供良好的理论和应用基础。 关键词原木；形状识别：计算机模拟再现 a b s t r a c t i nw o o dd r o c e s s i n g ，t h ee x t e r n a lg e o m e t r ys h a p eo fl o gi st h ek e yf a c t o ri nc o n s t r a i n i n g t h es a wc u t t i n g i th a sb e c o m et h ep r i m a r yi s s u et h a ti d e n t i f y i n gt h es h a p eo f l o gp r e c i s e l yi n w o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r y t h em e t h o do fm e a s u r i n gt h r o u g hm a n u a lw o r kw h i c hh a sb e e n u s e df o ral o n gt i m ei ss e r i o u s l ya f f e c t e db ym a n m a d ef a c t o r sa n di t so p e r a t i n ge f f i c i e n c y1 s 1 0 w er t h i sw i l ln o tb ea b l et om e e tt h et r e n do fm o d e r n i z e dw o o dp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ， i m p r o v i n gt h ea c c u r a c y o fi d e n t i f y i n gl o gs h a p ea n dr e a l i z i n gn u m e r i cc o n t r o l l e d a n d i n t e l l i g e n td r o c e s s i n g f o rd e t e c t i n ga n di d e n t i f y i n gl o gs h a p ei s t h ec r i t i c a lp r o b l e mw h i c h n e e d ss o l v i n gu r g e n t l yi nw o o dm a k i n gi n d u s t r yo f o u rc o u n t r y t h ep a p e ri sap a r to f ”n u m e r i cc o n t r o l l e dl a s e r a n dv i d e of r e q u e n c yd i s t i n g u i s h m a n u f a c t u r et i m b e rt e c h n o l o g yi n t r o d u c e di t e m ”w h i c hi ss u p p o r t e db yt h e f u n do fn a t i o n a l t 9 4 8 ”p r o j e c t ( 2 0 0 1 2 7 ) i te l a b o r a t e sh o w t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h en u m e r i cc o n t r o l l e d s v s t e mf o ri d e n t i f y i n gl o gs h a p eo no u rs e l f - d e v e l o p e dm q k 3 10 2l o gs h a p er e c o g m z m g m a c h i n e i tp u t sf o r w a r dt h a tm e a s u r i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cd a t ao fl o gs u r t a c e s h a p e ，r e a p p e a r i n gl o gs h a p ea n da n a l y z i n ga n dm a n a g i n gs h a p ep a r a m e t e r s o tl o gi sa l l c o n t r o l l e db yc o m p u t e r u n d e rt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n si nl a b o r a t o r y , t h es t u d yc e n t r a l i z e so nr e a l t i m e l yc o l l e c t i n g t h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cd a t ao fl o gs u r f a c ea n dp r o c e s s i n gi m i t a t er e a p p e a r a n c e o fl o g s h a d eb vc o m p u t e r ，i nw h i c hd a t ac o l l e c t i o na n dt h ec h o i c e f o rt h em e t h o d so fi m i t a t e r e a p p e a r a n c ei st h ek e yp o i n t a n da c c o r d i n gt os p e c i f i cm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd e s c r i p t i o n t h e o r i e s ，t h ed i a m e t e rl e v e l so ft h e1 0 9 sc r o s ss e c t i o na n do t h e rs h a p ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d a n dc o m p u t e d m e a n w h i l e ，t h ed a t a b a s et e c h n o l o g ys u p p o r t i sa l s ob r o u g h ti n t ot h el o gs h a p e i d e n t i f y i n gs y s t e mt o e s t a b l i s ht h ed a t a b a s eo fl o gs h a p ep a r a m e t e r st o r e a l i z ei n t e g r a t e m a l l a g e m e n t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ew o r ki n v o l v e di n t h ee x p e r i m e n ta n dt h et h e o r y 1 s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fl o gs u r f a c es h a p ed e s c r i p t i o n ，a n da l s oc o m b i n e d w i t ht h eh a r d w a r e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f1 0 9s h a p er e c o g n i z i n gm a c h i n e ，i nt h ep a p e r t h es y s t e ms o f t w a 。e1 s d e s i g n e db yv i s u a lc + + 6 0p r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dt h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d t h r o u g ht h et e s t so ns a m p l el o g s ，t h es y s t e mc o m e s t oac e r t a i ni d e n t i f y i n gr e q u i r e m e n t s t h e s t u d yi nt h j sp a p e rw i l lp r o v i d eg o o dt h e o r e t i c a la n da p p l i e df o u n d a t i o nf o rt h ei n d u s t r i a l i z e d p r o m o t i o no fl o gs h a p ei d e n t i f i c a t i o n k e y w o r d sl o g ；s h a p ei d e n t i f i c a t i o n ；c o m p u t e ri m i t a t er e a p p e a r a n c e i i l 绪论1 绪论 11课题背景 随着现代木材加工工业技术的迅速发展，传统的制材技术也在逐步更新。以往在原木加工过程中所采用的传统的原木形状检尺方法，正逐渐被世界各国的新发明、新技术 和新设备所取代，以实现原木形状识别过程的数控化和自动化。这样做一方面可以使原木得到最优利用；另一方面又是现代制材加工技术以及实现原木材积等级科学化管理的 要求。因此，对于目前我国制材行业来说，如何利用先进的原木形状识别技术，对原木 形状进行精确识别，以利于木材的进一步分类选择，合理加工，提高其出材率等，更显 得尤为重要。 1 1 1 国内外原木形状识别理论的研究概况 国外对原木形状识别理论的描述发展较早，美国著名的麦迪逊研究室很早就开始了 对原木数学模型的研究。7 0 年代初，随着国外计算机技术在生产中的广泛应用，计算机 仿真原木加工和仿真数学模型的建立等观点也相继被提出，但他们都是在传统原木描述 理论的基础上，针对具体树种和加工工艺提出的仿真模型，从理论上来说，并没有建立 统一的原木数学模型。7 0 年代中期，世界上研究原木数学模型和最佳下锯理论有了新的 进展。从那时起以截项圆锥体为理论基础的原木数学模型，一直是原木数学描述领域中 的权威模型。到1 9 8 2 年，又提出了以二次干曲线绕轴旋转形成的圆截顶原木数学描述 理论。后来b o f ( 优化下锯) 研究的权威l e w i s 教授在“改进的b o f 系统”中提出了 中间弯曲的原木模型，并在该系统中增测了原木小头的长径、短径及水平中间弯曲高 度，使原木数学模型的建立从原木圆截面数学描述过渡到原木椭圆截面数学模型的描 述，从直中心线过渡到弯曲中心线，开创了原木数学描述的新领域。之后，原木数学描 述学者们又相继提出了弓形弯曲、翘曲和偏心原木的数学模型，使原木数学模型的建立 有了新的进展。 我国原木的质量较差，制材自动化水平也较低，目前，b o f 方法还没有完全应用于 生产。但在理论和计算机仿真研究方面，我国并不落后。早在2 0 世纪8 0 年代，我国就 开始对原木形状识别技术进行研究，但当时的研究重点是为了解决制材工业中的下锯图 绘制和划线下锯方法【l _ i 。8 0 年代后期，在美国麦迪逊研究室研究成果的推动下，我国对 原木数学模型描述理论的研究有了重大突破。 东北林业大学在1 9 8 6 年提出了截顶椭圆抛物柱原木数学模型和材积计算公式，从 此开始了对椭圆抛物柱原木的三维优化理论的研究。随后，又完成了在该模型下的扁方 材、板皮、钝棱板、边条锯材及毛边板的数学模型描述，至此，完成了该模型下原木形 状描述、锯材形状描述的研究，并处于国际领先地位。研究弯曲原木的数学模型是解决 “改进的b o f 系统”的关键理论难题。1 9 8 9 年他们提出了极坐标下的截顶椭圆幂曲面 l 绪论 到的每根原木真实形状数据输入计算机内。通过图形处理可获得原木外形的缺陷，如弯 曲、尖稍等。这种原木检测方式可适应外形比较复杂的原木，检测的效率和精确度均比 较高。 ( 6 ) 光电扫描检测利用光束被阻断原理【_ 7 1 ，测取原木直径。该装置包括光源、 抛物镜、检测器等。当原木位于抛物镜和光源同一测时，用这种方法可测量原木长度方 向的任意断面直径，从而得到原木的外部轮廓。这种方法在欧洲和北美洲的一些国家使 用较多。 上述各种检测技术均属于无损检测，针对不同目的，可选取适合的检测方法来获取 原木外形、尺寸和各种缺陷的原始信息资料。 1 2 国内外下锯优化的发展对制材工业的影响 制材工业是国际木材加工工业中最大的生产部门，也是木材加工工业的基础。国外 提出b o f 的概念较早，随着b o f 研究的发展，制材工艺和设备也在不断地更新和改 进。实现b o f 制材的一个关键条件就是，检测系统要具备原木三维形状和缺陷的自动 识别功能峭j 。传统制材阶段属于工艺和设备的发展阶段，对b o f 还只是感性的认识。在 自动化制材阶段，上木、翻转等工序均实现了自动化，摇尺实现了数控化。但在这个阶 段，由于软件部分不能实现原木三维缺陷的自动识别，所以，原木的定向、调梢仍不能 实现真正的优 检测形式是人工检测的方法。操作者 凭经验和传统的手工工具，人工目测确定原木中心，用卡尺检测原木外形。它的主观 检测方式终将被取代。( 2 ) 机械检测 传统的原木定心机械装置是根据3 点接触原理设计而成的。美国等 国家采用机械式4点接s暴；丽蒹萋耄薹纛黔j爨弱泼毖羹霉磊冀篙蠢霈箬蓦雩秀薷蓄 攀矬蜊鹦蒸j划嵩冀幕攘妻弱雾李；重冀望攀麴磊耻壁；毪萋羹r亚!毫基墓鬻垡镧妻；i 薹型攀吾鑫深臻蒸譬是霾鬻彳酵霪鸶萎二雨瓣雾零薹霎羹霪羹萎强墓型灞需誊群囊藩浆 篙，巍群型基雩卫童螵要蓉掣j甚薹副蹦型剡犁羹篓罄氍剀懋霆于敌鏊篓妻j羹醵鹘鬈 簦盔些囊墚谚蠡祢蘖苯形状蠹基善ii 妻! 耐羹薹雾爱 氍粥塑霆搿酬。控坞嗅耋墼嘲瑁i 些基鼋的数控制材设备中 ，下锯优化真正起到 了作用，所以，它的出材率相对传统的b o f 来讲有了明显的提高。同时，它使制材的 经济效益也大幅度提高。由于受到“改进的b o f 系统”的影响，国际上对原木形状进 行精确描述、充分考虑原木缺陷的b o f 软件在高精度原木检测仿真系统的引导下，大 大加快了优化控制数控制材设备的发展速度。在先进的制材国家中，实现b o f 制材已 经变成企业生存的必要条件。国外著名的制材专家e d w i l l i st o n 在展望国际制材技术发 展的文章中曾指出：“在自动化制材中，应该进一步改进对原木沿长度方向的形状识 别，特别是对弓形弯曲、翘曲和偏心的更精确识别【10 1 。”制材工业利用b o f 的技术已经 东北林业大学硕士学位论文 “改进的b o f 系统”的理论研究在我国刚刚开始，还未实际应用。但随着市场竞 争的发展，为了创造更高的经济效益，解放制材工人笨重的体力劳动，实现b o f 制材 无疑是我们的发展方向。但要指出的是，我们应从传统制材直接发展到b o f 阶段，即 步达到国外花2 0 年探索走出的正确道路。对我国来讲，如果采取b o f 制材，使出材 率提高1 0 ，将会使制材企业迅速走出困境。由于我国原木成本占制材成本的比例大， 故出材率提高1 0 将产生极为可观的经济效益。如果在近十年中赶上这个制材革命的潮 流，我们就可以迈进制材先进国家的行列，否则，与先进国家的距离将迸一步加大。 1 3 原木形状识别技术的研究方向和发展趋势 当今，全球的制材设备都在向着提高木材利用率，提高木材加工精度，提高生产率 和自动化程度方向发展。我国制材设备与先进国家的产品尚存在一定差距，主要表现于 产品的高科技水平和产品质量两个方面【l 。先进国家生产的木工设备几乎全部进入计算 机控制，将人的繁重操作变为自动程序控制，同时有效地提高了加工质量，如：瑞典生 产带锯联合机和三联带锯组成的制材生产线上采用工业计算机操作和监控技术，仅用1 人在控制室内操作，完全实现了制材数控化、自动化生产。曰本庄田錾喜孑登雾捌器重 募薹勘淄谢i 碛宵篓刻鋈掘题鬻蠼篱；签景篙劬萋剁蠼嫣囊翼菱船墼犟? 枣耋；一! x 1 绪论 技术，提高识别精度，提高生产效率等方面【】2 l 。计算机控制技术是计算机技术与控制技 术相结合的产物。由于计算机具有存储容量大、计算能力强等优势，可以达到常规技术 所达不到的优异性能，因此，计算机技术为现代原木加工流水线的快速、准确控制创造 了条件。 采用了先进的处理技术，基础理论研究就必须先行一步。因此，深入研究原木形状 描述模型和下锯优化理论将成为木材加工工业今后重要的基础理论课题。从国际、国内 的研究形式和方向看，研究的重点应该放在以下几个方面： ( 1 ) 以连续模型为基础，建立原木的分段模型。这样，既可以利用连续模型实测参 数少、运算和优化性能好的特点，又可以分析各种复杂原木形状，提高模型的优化精 度，便于检测设备的设计。 ( 2 ) 原木模型的设计必须与检测设备的研究同步进行。最佳模型的优化设计应节省 设备投资，摒弃不适用的数学模型，推广和完善有利于普及和应用的数学模型。 ( 3 ) 逐步提高离散模型和仿真模型矩阵的次数，减少实测参数，发展动态检测技 术，使离散模型尽快的应用于实际生产中。 1 4 本论文研究的目的和意义 我国是锯材消耗大国，进口居世界前列。随着我国对森林资源的保护，锯材的原料 供应也日趋紧张，为弥补木材短缺，国家每年要进口大批大径级原木。为此，提高出材 率己成为我国缓解木材供需矛盾的根本途径，以其作为攻关目标具有重大意义。但是， 我国木材出材率和综合利用率指标与发达国家相比，还有较大的差距。世界发达国家的 木材综合利用率一般均在8 0 以上，与此相比，我国木材利用率仅为6 0 左右，木材加工 时的极大浪费与当前木材原料的短缺极不协调。因此，开发引进先进的木材加工技术， 以千方百计的提高木材利用率和出材率，是十分必要的。 原木锯割作为木材加工的第一步，其下锯结果将直接影响到原木出材率和利用率的 高低。而在此过程中，原木的外围几何形状又是制约下锯的关键性因素。所以对原木形 状的精确识别己成为木材加工业的首要问题，它将为实现木材分类、下锯优化等提供可 靠依据。然而，目前国内大多数林区和木材加工单位仍采用最原始的人工检尺方法来识 别原木形状，通过人的判断来确定原木缺陷，用卡尺来测量原木外围几何数据。这种传 统方法不但浪费时间和人力，而且还会由于人为因素导致较大误差，从而降低识别精 度。更重要的是，这种全凭人的经验靠目测来识别原木形状的方法已经完全不能适应现 代木材加工业的发展趋势。而对于其它现有的原木形状检测方法在实际普及过程中都或 多或少遇到一定的困难。 因此，寻求一种能将切实可行的检测理论和实际生产有机结合起来的原木形状识别 方法，来实现原木形状检测与识别过程的数控化、智能化，已势在必行。本文就针对上 述问题，在自行研制的木工机械设备上对数控原木形状识别软件系统进行了研究与开 发，提出将原木形状检测、整根原木外形轮廓三维模拟仿真以及外形参数管理的整套过 东北林业大学硕士学位论文 程操作交由计算机控制完成。为原木下锯优化提供数据基础，实现原木形状识别过程的 高效率、高精度以及原木形状参数统计的计算机管理。 本文的研究对国内数控原木形状检测理论的研究具有推动意义。将计算机科学中先 进的技术应用到原木端面检测上，使原木检测技术实现数控化。同时，对提高原木出材 率、劳动生产率以及推进原木识别技术在木材工业上的实用化，也都具有十分重要的意 义。 其次，数控原木形状识别系统尤其适合大径优质原木和珍贵树种原木的使用，其市 场附加值大、综合效益高，能够避免传统人工识别所导致的产品开发费用高、误差大、 浪费大等弊病。特别适合于我国现在大量进口木材的经济结构特点，在我国具有极为广 阔的发展前景。 从技术的经济价值角度分析，我国的制材企业如果采用原木形状识别技术和b o f 制材技术，实现木材的优化利用，将会使出材率得到明显提高，从而带来巨大的经济效 益。例如，一个年产5 万m 3 锯材的制材厂，按出材率为6 0 计算，则需原木8 3 万 m 3 。由于出材率提高可增产锯材8 3 0 0 m 3 。若按锯材6 0 0 元m 3 计算，年可增纯利4 9 8 万 元。因此，该技术的市场和经济效益也是相当可观的。 2 数控原木形状识别系统的建立 2 数控原木形状识别系统的建立 数控原木形状识别系统主要由自行研制的原木形状检测装置m q k 3 1 0 2 原木形 状识别机和原木形状识别软件系统两部分组成。 2 1 原木形状检测装置的建立! 目前，原木形状的检测主要有机械、光电、激光测量等方法。这些方法在实际应用 中，要求由技术水平较高、操作熟练的技术人员来完成。其中，后两种方法的设备资金 投入较大；另外，在原木形状检测过程中，上述方法所选取的原木截面数量少，较难反 映出原木的实际形状。综合考虑到生产成本，生产条件和生产环境的要求，传统方法难 以实用，因此，针对具体研究和应用我们自行研制了原木形状检测装置m o k 3 1 0 2 原木形状识别机。 2 1 1m o k 3 10 2 原木形状识别机的主要结构 m q k 3 1 0 2 原木形状识别机主要由机架、检测机构、动力部件、拉箴部件、链式传 送系统等构成。机架与检测框架均采用优质型材，以螺栓连接的形式合为一体。动力部 件安放在机架的底部，保证动力输出平稳。机架的上部安放了两根经过精密加工的平滑 导轨，选用优质传送链条作为原木的运输载体，在机架上方位于导轨两侧，安装了限位 装置，以防止原木侧滑。这种结构保证了原木在检测过程中的平稳性。识别机主视图如 图2 一l 所示。 图2 1m q k 3 1 0 2 原木形状识别机主视图 其中，检测机构是整部识别机的重要组成部分，原木外部形状的检测主要由它来完 成，如图2 - 2 所示。检测机构设置于识别机的中部，两侧各有一个拉筋连接检测框和机 架。矩形检测框上按圆周形式布置了8 根检测摆杆，摆杆的底端安装了直径很小的滚 轮，以减小与原木表面接触滑动时产生的摩擦；摆杆的固定端是一个芯轴，摆杆可以绕 其自由转动，芯轴上安放了x s d a 3 0 高检测精度角度传感器。 东北林业大学硕士学位论文 图2 - 2 检测机构主视图 2 1 2m q k 3 10 2 原木形状识别机的工作原理与工艺流程 m q k 3 1 0 2 原木形状识别机提供了一种纵向快速检测原木外形轮廓的机械设备及工 艺技术，它利用八个检测触头检测原木的截面形状，为下一步计算机模拟识别原木整体 外形提供必要的实测数据。其工作原理如下： 原木由输送辊台送入，启动电机后，传输链负载原木以一定速度匀速向前运动。当 原木运动到检测框时，原木端部将检测杆推开，检测杆绕芯轴转动，最终所有摆杆的底 部触头落到原木表面，八根检测杆在原木外轮廓上做相对运动。在原木行进过程中，因 为其外表面不可能是光滑等直径的，某一时刻下原木表面的凹凸起伏变化会引起摆杆转 动，从而导致角度传感器输出值的变化。通过计算机实时采集n a 个角度传感器的输出 值，确定出相应检测杆的转角，经运算处理后，得出原木当前截面上八个采样点的坐标 值。整根原木检测完毕后，沿长度方向上的所有采样截面的检测数据被自动保存，并实 时在计算机屏幕上显示刷新，作为原木形状三维仿真和分析计算原木端面的长短径、材 长、材积等几何参数的数据基础。如图2 3 所示，为整个硬件系统的工艺流程。 图2 3 数控原木形状识别系统的工艺流程 2 数控原木形状识别系统的建立 2 2 系统总体结构的设计 2 2 - 1 系统设计要求 本系统要求完成对原木截面形状数据的自动实时检测；根据实测数据，对原木外形 进行计算机模拟再现；经过运算分析得出原木端面径级等几何形状参数；由数据库统一 存储和管理每根原木的参数信息，建立原木档案，实现数据共享；用户实时监控检测状 态，当前原木的检测数据与参数的计算结果及时更新显示；系统界面形式直接，人机交 互操作简单易懂，配合相应的提示和帮助，以方便用户使用。 2 2 2 系统总体设计 为了实现上述系统设计要求，本文建立了数控原木形状识别系统。该系统主要分为 三部分：原木形状数据的实时检测与采集：原木外形的三维仿真：原木形状参数 的计算与数据管理。该系统综合采用了智能检测技术、三维仿真技术和数据库管理技 术，以计算机图形学为理论基础完成对原木形状的识别过程。其中，系统软件的编制和 处理算法的研究是系统设计的重点和难点。系统总体设计流程如图2 - 4 所示。 图2 4 数控原木形状识别系统总体设计流程 2 3 系统软件的设计 2 3 1 软件开发平台的确定 当软件设计进入到具体编程阶段时，首先就要确定出软件的开发环境，选择一种合 适恰当的程序设计语言，对软件的编程实现来说是非常重要的。 本系统选用当今最为流行的面向对象程序设计语言v i s u a lc + + 6 0 作为主开发平 东北林业大学硕士学位论文 台。综合考虑到本系统软件的结构和功能特点，选用v i s u a lc + + 6 0 进行程序开发，主 要因其具有以下优势： ( 1 ) v c + + 6 0 所提供的微软基础类库( m f c ) 对w i n 3 2 应用程序接口( a p i ) 进行了彻 底的封装，从而提供了功能强大的编程环境。此外，它的可视化、交互式和简洁性等特 点使编程者完全可以使用面向对象的方法来进行w i n 3 2 应用程序的开发，这与使用c 和w i n d o w ss d k 开发w i n d o w s 应用程序相比，大大缩短了程序的开发周期，降低了开 发成本，提高了w i n d o w s 应用程序的开发效率。 ( 2 ) 对于底层硬件的访问以及数据i o 操作的实现，过去一般都是在d o s 操作系 统下应用汇编语言或c 语言来开发的。由于w i n d o w s 操作系统的普及应用，相对于 v i s u a ls t u d i o 家族的其它成员来比，v i s u a lc + + 对底层硬件的访问和数据i o 的操作更为 方便直接，甚至有些功能是其它成员所不具备的【l3 | 。再从程序调试角度来看，汇编语言 的特点是难于调试，而v i s u a lc + + 这样的高级编程语言具有良好的可读性和方便的调试 手段。因此，在v i s u a lc + + 环境下实现实时性数据采集过程就显得十分方便、可靠。 ( 3 ) 在本系统中涉及到图形方面的应用。进行计算机图形和图像编程的主要工具就 是v i s u a lc 抖，它具有强大的图形绘制和图像处理功能。虽然其它开发工具如d e l p h i 、 v i s u a lb a s i c 等也可以进行图形和图像处理，但是在实现速度以及灵活性方面，却远远 比不上v i s u a lc + + 。进行图形程序编程主要是针对w i n d o w s 自身带的图形设备接口 ( g d i ) 函数库和设备环境( d c ) 进行操作，通过调用这些函数库中的函数，来完成绘制工 作。对应w i n d o w s 中的设备环境，v i s u a lc + + 提供了设备环境类c d c ，并且把与d c 有 关的图形操作a p i 函数封装进c d c 类中，从而用户可以很容易地对图形进行处理。 ( 4 ) v i s u a lc + + 6 o 提供了多种多样的数据库访问技术，有o d b c 、d a o 、r d o 、 a d o 等，而且还提供了高性能的3 2 位驱动程序以方便用户对各种数据库管理系统的访 问。同时，m f c 已将这些数据库访问技术分别封装成类，如o d b c 类、d a o 类等，开 发者可以直接使用这些类，通过编程语言来访问和操纵数据库中的数据，并管理数据 库、数据库对象与结构。不但访问速度快，而且可扩展性好。 2 3 2 软件界面设计 系统软件界面包括启动界面和主操作界面。 2 3 2 1 启动界面 软件启动时，启动界面自下而上循环滚动显示软件名称、版本、用户名、研制单位 等信息文字，在用户按任意键或单击鼠标键后，立即结束演示进入程序主操作界面。本 文在v c + + 中通过添加s p l a s hs c r e e n 组件，然后扩展c s p l a s h w n d 类的方法实现了这一 功能。如图2 5 所示。 2 数控原木形状识别系统的建立 图2 - 5 软件启动界面图 2 3 2 2 主操作界面 一个单文档界面中存在多个视图，并且可以根据需要进行视图的动态切换，这是当 前比较流行的界面风格l l4 | ，它可以满足用户在不同时刻下对功能操作和显示方面的需 要。 根据系统设计要求，本文将主操作界面设计成两种不同的环境，即检测环境和三维 再现环境。这两种环境分别对应单文档应用程序的两种不同视图。在软件设计时，将应 用程序默认生成的c m y v i e w 类( 由c f o r m v i e w 类派生而来) 作为检测环境对应的视图 类，同时，再向工程中添加一个c 3 d v i e w 类( 由c v i e w 类派生而来) 作为三维再现环 境对应的视图类，从而实现两种工作环境的动态切换。 系统各部分功能菜单如图2 6 所示。 圆圈。 原末植溯巧境三维仿窦环境 l l 结果输出 ll 选择原木 l ( a ) 检测环境菜单 图2 - 6 系统功能菜单 ( b ) 三维再现环境菜单 ( 1 ) 检测环境 该环境被设置为主界面的默认环境，如图2 7 所示。在这里可以实时监控原木形状 数据的检测状态。原木长度方向上各个采样截面圆周上的8 个数据点的坐标以及根据实 测数据计算得到的参数结果在屏幕上实时显示，并以列表的形式动态刷新显示数据库中 的原木参数信息。在该环境下，为了避免干扰检测过程，系统其它所有菜单将处于不可 用状态。 东北林业大学硕士学位论文 图2 7 检测环境 ( 2 ) 三维再现环境 在检测环境处于非工作状态时，可以切换到该环境下，选择并打开指定原木的数据 文件，完成对原木外形轮廓的模拟再现过程。如图2 - 8 所示，为三维再现环境，其具体 功能实现在第4 章中说明。 图2 - 8 三维再现环境 2 数控原木形状识别系统的建立 2 4 本章小结 一 本章主要从硬件和软件两个方面阐述了数控原木形状识别系统的总体结构，对 m q k 3 1 0 2 原木形状识别机硬件结构给出了说明，并从系统设计要求出发，给出的软件 系统的总体设计方案。 东北林业大学硕士学位论文 3 原木形状数据的计算机实时采集方法研究与实现 3 1 原木形状检测中关于采样理论的分析 原木形状的检测过程是在原木的径向上每隔一段距离检测一次，在每个截面上的检 测点也是有限的。如果把原木表面展开，那么上述检测过程就类似于在这个平面图像上 的检测过程，即对原木表面展开图像的数字化过程【j5 | ，只不过平面图像检测点是检测该 点的r g b 值，而此处检测点检测的是原木表面凹凸情况。如图3 1 所示，每条横线与 纵线的交叉点作为一个采样点，那么所有采样点将整个原木表面划分成网格形式。若纵 线的数量是原木被检测的截面个数，则某条纵线上的点数就对应该截面上的采样点数。 图3 1 原木表面采样点分布不恿图 如果把整个原木表面看成个平面，平面上的每一点用( z ，y ) 来表示，则采样值z 就 是关于( x ，y ) 的函数，记作z = ( x ，y ) ，z 代表了原木表面上的凹凸程度。 既然，上述原木形状的检测过程类似于图像的数字化过程，那么它就要符合。图像 采样的要求，才+ 能最终根据采样值再现出原木本来的几何形状特征。以下对确定采样截 面的间隔以及一个截面上采样点的个数进行理论分析。 令厂( x ，y ) 为一个有限带宽的二维连续函数，( x ，y ) 的傅立叶变换对为： 厂( x ，少) ，( “，v ) f ( z f ，v ) 具有以下特点1 1 6 j ：当甜、v 方向上的带宽分别为三。、三。时，厂( x ，y ) 的能量 集中在半径为三。或三，的区域内，如图3 2 所示。 0 三， ! 厂 一h 图3 2 频域能量示意图 3 原木形状数据的计算机实时采集方法研冗与实现 在完善的图像采样系统中，理想图像的空间样本实际上是用空间抽样函数s ( _ ) c ，y ) 与 理想图像相乘的结果。二维取样函数s ( x ，y ) 可以表示为： s ( x ，y ) = 万( x 一心，y 一脚) ( 3 1 ) f - 。m 公式( 3 1 ) 是脉冲函数万( x ，y ) 在x 、】，方向以缸、少为间隔的展开，缸、缈分别 为x 、y 方向的取样间隔。图3 3 是脉冲函数阵列的示意图。 图3 3 脉冲函数阵列 抽样过程可以看作连续图形和抽样函数的相乘，用表示如下： ，( x ，y ) = 厂( x ，y ) s ( x ，y ) 。= 厂( x ，y ) 万( x f 缸，y 一妙) = 厂( f 血，缈) 万( x f 缸，y 一匈) ( 3 2 ) 取样函数万( x ，y ) 的傅立叶变换为： s c 州，2 南茎羞艿c “一z 去，v 一一，古， = 黑艺艺砸- f 刚叫v ) ( 3 _ 3 ) 缸缈怎兰、 。 根据傅立叶变换的性质，时域上的相乘相当于频域上进行卷积，所以公式( 3 2 ) 的 频域变换为： e ( “，v ) = 去f ( ”) + s ( “，v ) ( 3 4 ) 将( 3 3 ) 式代入( 3 4 ) 式中，展开卷积式并进一步整理后得： 月c 刚，2 孥量叁砌一去，y 一古， 2 南丕p _ f 幽。v ) 巧 由( 3 5 ) 式不难看出，取样图像( z ，y ) 的频谱是连续图像谱在( “，v ) 方向上以一定间 隔的分布。当缸：少选择适当，使得“、v 大于或等于原图像覆盖频率间隔三“、三v 东北林业大学硕士学位论文 两倍时，取样就不会出现重叠现象，如图3 4 所示，从而可以获得期望的取样点阵。 如o o 唱吕吕 一蜘l 一 图3 4 取样频谱图 从上面的分析可以得到，要保证正确取样，必须满足以下条件： ”2 厶， 打2 三， v 2 三。 v 2 三。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 即有： “2 m a x ( 上u ，上v ) ( 3 1 0 ) v 2 m a x ( u ，三v ) ( 3 一l1 ) 上述结论说明，只要按照原木表面几何数据变化频率的两倍或两倍以上的速率采 样，所得的数据就完全可以真实再现原木本来的几何形状特征。根据原木表面特点，只 要在原木长度方向上每1 5 l l 采样一个截面的数据，就可重建原木外形。如果检测速度 很快，也可增加采样次数，这样三维再现的效果会更好。但考虑到本系统实时检测的特 点，最好尽量减少检测次数，以提高检测的速度和计算机处理的速度。另外，一个截面 上的采样点的数量也没有一个确定限制，本系统中使用的m q k 3 1 0 2 原木形状识别机设 计为8 点检测，可以再现出原木的基本轮廓特征。 3 2 本系统中原木截面周边上样点的采集原理， 本实验采用自行研制的m q k 3 1 0 2 原木形状识别机检测原木截面周边上的有限离散 样点。在原木经过位于机身中部的检测框时，上面按圆周形式布置的8 根检测摆杆的底 端触头落到原木表面上，各摆杆展开一定角度。在原木移动过程中，原木表面的凹凸起 伏引起每根摆杆角度的变化，从而导致摆杆固定端上的角度传感器输出值的变化。由此 可计算出原木截面圆周上采样点的世界坐标值。 矩形检测框如图3 5 和图3 6 所示，将其左下角作为世界坐标系的原点，检测框底 边水平方向作为x 轴，左边垂直方向作为y 轴。设d ，、d ，分别表示摆杆固定端的横 坐标与纵坐标，d 为摆杆在检测框平面x o y 上的投影值，口为摆杆与x 轴负方向的夹 角，则原木任意截面周边上的样点坐标可由公式( 3 1 2 ) 确定： 3 原木形状数据的计算机实时采集方法研究与实现 卜妥+ 篓a 1 2 ) ly 2 d y d s i n a ”。 若摆杆长度为，摆杆的摆角为口，则有： j = ，c o s 乡 ( 3 一1 3 ) 在公式( 3 一1 2 ) 和公式( 3 一1 3 ) 中，d ，、q 、口和，由m q k 3 1 0 2 原木形状识别机的 设计参数确定，臼由角度传感器实时采集获得。 y o y o 图3 5 检测框正视图 x 图3 6 检测框侧视图 3 3 数据采集硬件的选择与设置 数据采集一般是采用软件或硬件的定时中断并通过a d 转换来读取外界传感器的数 据。本系统中检测摆杆的旋转角度臼由角度传感器的输出值来确定，因此，要求计算机 能够按照一定的采样周期，在原木行进过程中实时采集到传感器的输出值。这里选用了 “研华”公司推出的基于p c i 总线的低损耗多功能数据采集卡p c i 1 7 11 ，来采集 东北林业大学硕士学位论文 m q k 3 1 0 2 原木形状识别机上的八个角度传感器的输出值。 3 3 1p c 卜17 11 数据采集卡简介 p c i 17 1 1 是1 2 位的低损耗多功能采集卡，具有独特的电路设计和完善的数据采集 与控制功能，支持即插即用，具有f i f o 的高速缓存，可灵活设定输入类型和范围，具 有1 6 通道单端模数输入、1 6 通道数字i o 和2 通道数模输出，采样速率可达 1 0 0 k h z ，可编程的计数计时器可作为a ，d 转换的速度触发，同时，具有通道增益自动 扫描功能，且每个输入通道的增益可编程。内部结构主要有单端模拟输入通道、模拟输 出通道和触发源连接三部分 1 1 l 。 ( 1 ) 即插即用功能 p c i 1 7 1 1 完全符合p c i 规格r e v 2 1 标准，支持即插即用。在安装插卡时，不需要 设置任何跳线和d i p 拨码开关。所有与总线相关的配置，如基地址、中断等均由即插即 用功能完成。 ( 2 ) 灵活的输入类型和范围设定 p c i 1 7 11 有一个自动通道增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完成对多 路选通开关的控制。用户可以根据每个通道不同的输入电压类型来进行相应的输入范围 设定。所选择的增益值将储存在s 洲中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所 需的多通道和高速采样。 ( 3 ) f i f o ( 先入先出) 存储器 p c i 1 7 11 卡上提供了f i f 0 ( 先入先出) 存储器，可储存1 k 的采样值。可以启 用或禁用f i f o 缓冲器中断请求功能，当启用f i f o 中断请求功能时，可以进一步指定 中断请求发生在1 个采样产生时还是在f i f o 半满时。该特性提供了连续高速的数据传 输及w i n d o w s 下更可靠的性能。 ( 4 ) 可编程计数器 p c i 1 7 11 有1 个可编程计数器，可用于d 转换时的定时触发。计数器芯片为 8 2 c 5 4 或与8 2 c 5 4 兼容的芯片，它包 在原木形 状检测过程中，将pci171l卡上的其中八路模拟量输入通道aioa17，分别与八 个角度传感器的输出端连接，用来采集角度传感器的输出值。传感器的两个输入端连接 直流稳压电源，提供稳定的5v电压。同时，传感器的接地一端与pci一1711的模拟量输 入接地端aig连接。数据采集系统硬件连接如图37所示。检测中八 路模拟信号要进行同步高频采集。每一路信号的采样频率都要求1 0 h z ， 东北林业大学硕士学位论文 断0 8 h ，1 秒之内最多可以打断1 8 2 次，即该定时器的最小定时精度只能达到 5 4 9 4 5 m s 。此外，w mt i m e r 这个定时消息的优先权很低，只有在所有消息( 除 w mp a 玳t ) 被处理后才得到处理，当消息队列中有多个w mt i m e r 消息时，系统要进 行消息合并2 0 1 。因此，该定时器只能用于一般的定时，远不能满足高精度实时数据采集 的要求。 ( 2 ) 采样处理作为一个单独的线程，将该线程的优先级调高。对于线程进行操作是 比较危险的( 容易破坏临界资源) ，而且仍然存在2 0 m s 的误差。 ( 3 ) 使用多媒体定时器( m u l t i m e d i at i m