基于线阵CCD的探边系统的研究与设计.doc

湖南大学硕士学位论文 瓻 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书作者签名：致弋学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于朐谝陨舷嘤娇蚰诖颉啊獭 本文通过对当前国内外的同类型产品系统的研究与分析，确定了基于线阵奶奖呦低车淖芴宸桨干杓啤低惩哒驝传感器来实时的采集生产线上布匹的边沿图像，运用边沿获取算法得到织物的边沿位置，再根据边沿计算控制量大小并输出给制动装置，将织物向与偏离位置相反的方向上纠正，进而达到探边纠偏的目的。 琾 ， 目录 系统的软件设计一系统通讯接口协议的设计 行机构基于伺服电机驱动，取代了传统的交流电机驱动，提高了系统的纠偏精度。该系统增强了设备的一体化、自动化和智能化水平，成本较为低廉，对于提升印染机械的自动化水平、印染速度，降低织物的残次品数量有着十分重要的意义。国内外研究现状 探边系统是解决织物在印染环节之前，确保织物能够顺利上铗，进而确保织物能够稳定可靠的进行接下来的热定、印染等环节。探边装置最早出现在二十世纪五十年代的后期，其探边是利用机械触杆与微动开关的配合感知织物的边沿，判断织物的位置情况。这代产品称为接触式探边。到六十年代，由于技术的革新，出现了非接触式的光电探边方法。该方法的关键元器件是红外发射管以及红外接收管，通过设计者精心的设计红外发射接收管的位置排列、以及光源的反射路径，判断出织物的位置。通过技术的逐步改进，二十世纪七十年代出现光电探边器，开始采用红外探边技术。具体是利用红外接收管对红外光的敏感特性，探测织物的边沿。在此阶段，由红外光源到接收管的传播路径的不同，可以分为：反射式探边器和对射式探边器。相对于接触式探边器，无论从速度、精度及低故障率等方面，都具有十分明显的优势。但也存在固有的问题：首先，由于采用的是分立的红外接收管， 图像处理是当今在工业控制及自动化等方面应用十分广泛的技术。也是各国学者竞相研究的重点领域。相对于第二代探边器，该方案具有十分明显的技术优势：第一，图像传感器的测量精度可以做到几十微米甚至更高级别，这是上面的技术无法比拟的，且速度方面可以做到很高。第二，由于信息处理技术、微处理器的运算能力的提高，使嵌入式处理图像成为可能。第三，处理器由于集成了很多其他的附加功能，对设备的自动化、人机界面、通信集总控制等方面，也得到了显著的提高。系统的软件设计方法进行了介绍。 要求该装置具有抗干扰能力强、耐高温高湿环境、操作简单易于控制、控制模式灵活、跟踪响应速度快、电机输出力矩大、性价比高等指标或功能。通过大量的实验与现场测试，设计的该装置具有探边精度高、系统运行稳定、动态跟踪能力强等特点，可以适应厂家所提供的热定型机、拉幅机的配套安装与控制。根据当前国内的使用产品的性能参数和国外部分产品的性能标准，且结合厂家的实际要求，提出了探边系统的性能参数指标，如下所示：系统主要参数：芰骸藿崧骰肪常何露，湿度藿崧 接收管一图对射式红外光电探边装置 图反射式红外光电探边装置贑传感器的光电探边技术影响光电探边精度与性能的主要因素及性能处理獾绱衅飨哒驝的工作原理及特点 图的光学影像进行积分取样，将光信号的强弱大小转换为各个采样单元的电荷多少在图像获取的过程中，存在众多的外界或内在因素，这直接影响到边缘获取 图封装图纠边制动方式的确定结束码絉模式据图的通信结构，采用协议剑的波特率，则 由表可以看出，通信方式在对系统初始化及查询驱动器系统状态上有明显的优势，而在控制电机的实时性方面劣势较为明显。为了充分利用电机驱动器的各方面的优势特点，我们最终的方案集成了两种方案，但分工有所不同。对于驱动器的初始化及状态查询方面，采用通信方式，对于进入纠偏控制电机制动时，系统自动切换到模拟电压信号控制。 本章小结 在本课题中，是基于线阵腅系统的电源设计 图系统电源电路 。具体的电路如图所示。 图电机模拟接口控制电路提供了帧错误检测和地址识别等功能【】。对串口进行控制和访问是通过操作相关 率在渚嗬氩淮笥，通过实际的测试，能够实现对电机的稳定 在图像测量系统中，光源是确保获取高质量图像的关键因素。光源可以是可见光、雷达、红外线或湎叩萚】。当光源照射在目标物体上时，会发生反射等现象，图像传感器通过对反射回来的光的强弱等信息进行收集，进而得出目标物体的图像。通常，图像传感器输出的图像信号质量与光源的光谱变化，以及光源强度大小等因素成函数关系。故恰当的光源选取是获取高质量图像的必备条件。 在前面的章节已经确定了系统的图像传感器型号，在光源选择时，只需要依、啊阳憎D囊襫阻 有自适应能力。系统显示电路都存在显示电路。在系统中，主要用来实时显示被测织物的位置及系统的运行模式桨远榔胶褪侄等。电路主要包括织物实时位置显示电路 龇釲组成拖低匙刺允镜缏由两个槌。围约为和杂谙允镜缏分械 主控芯片，而是由两片按氩觥惫苄酒值恕缤所示。号线。另外，该电路还增加了个较为人性化的功能，能够根据个人的喜好，手系统的结构设计及抗干扰方面的考虑 全性。 细参数。另外也介绍伺服电机提供的接口的两种驱动方式。之后，提到了系统结构与功能设计，以及这些在抗干扰方面的考虑。在接下来的章节中，我们主要从软件功能方面的角度，介绍系统的工作实现。首先，将介绍系统最为重要的实时探边算法的设计与实现。在第五章中，详细的介绍系统的软件工作流程，并着重介绍几个重要的模块的驱动程序及设计方法等。 基于图像处理技术的边缘检测算法介绍 ，琂琷琷一一襊，类概率为篗 之专阈值嚣表三种算法的性能比较 良的算法决定着该产品的成败。图像增强对边缘获取起到辅助作用，增强算法首先确定图像中各个像素的邻域灰度强度变化值，将图像中邻域强度有明显变化的像素点突出显示，即增强。一个良好的边缘检测算法应该满足几个要求。首先，能够准确的获取图像的边缘位置，该指标是决定算法是否成功的关键；其次，定位精度要好；第三，对于不同图像的响应幅度，具有较强的适应性；第四，对图像中的噪声不敏感，这个指标能够确保系统能够稳定获取边缘，进而稳定的工作，提高系统的可靠性；第五，较低的运算要求，这对于嵌入式系统中的应用尤为重要。上面给出了一些文字上的要求，很难定性的去评价边缘检测算法的性能。对于边缘检测算法出现问题主要表现为：误判噪声为边缘、定位精度低、丢失边缘。其中，琎分别是检测到边缘、理想边缘、实际边缘与理想边缘间 所示。 高噪声高灰度响应值图像图不同材质织物实际图像在图中，通过对图像中的数据进行直观的分析，可以发现，枷喽杂赽 近似数学模型。万琣躡图理想的鱿袼氐南哒驝图两类物体的交界像素点位置为。 的采样的噪声，高温的环境引起的噪声等。 琍；一琍；，维纳滤波算法也是一种线性滤波方法，在图像处理中，该算法据滤波器输出方误差越小，噪声滤除效果越好。有用信号，则输入信号的表达式为：刀占 一】。而确定最佳滤波器陕瞬的参数。该滤波器只适用于平稳随机过程。对于图像中的高斯白噪声、运动图像扭曲等情况，具有良好的滤除和修复效果。但缺点是，对于噪声为非平稳随机的情况就不适用了；此外对于一般的系统，对维纳霍夫积分方程中解出相关参数，进而求出解滤波器的传递函数，该积分方程往往较难求解。故没有考虑此款滤波器。谕枷裰校徊庵锿枷裼氡尘巴枷竦南喽晕恢檬且阎5以图为例，通过对相关论文文献的研究与论证，从中筛选了几种易于实现的边沿获取算法。在本章的第一节和第二节，已经介绍了相关算法的基本原理。我们主要验证三种算法，即算法、双浮动阀值算法、微分法等。对于微分法，由于算法的微分特性，对图像中出现的噪声十分敏感，这对系统中图像的预处理的方法提出了很高的要求，因此我们没有采纳。对于十分经典的算法，通过了对实际图像的边缘获取，发现能够十分准确的得到边缘，且抗噪声性能十分的优秀。并移植到初期搭建的硬件平台中，也能够顺利的获取到边缘。但项目中采用的基对于被测图像的特点已经进行了详细的介绍。设计的算法应该满足如下要求： 能力。操作。、和表示了像素为南哒驝传图确定边缘的主要原因为织物与背景的灰度差别，从而得出实际的边缘位置。因此，若是能够准确的得到织物的平均灰度响应强度以及背景的灰度响应强度，便可以找到图像的边沿。实现方法有多种，最简单的是设置一个阈值，将此图二值化，进而得到图像的边缘位置。若用伪计算机语言表示获取边缘的算法为：； 立的模型入手。图中，我们可以得出：芇但是，上面的思路要能够被适用实际情况，还要解决以下几个重要的问题： 哦：图展示的是运用改进型双闽值浮动阈值法寻找织物与背景的过程，可以图 两类物体需要两种阈值的方法。由于被测图像的显著特征，即图像中只会出现两类物体尘昂椭，故将 图中，为探头的边缘获取的整个流程。虚线方框中的内容为设计的边缘 个线阵衅鞯南袼毓婺狪蚱溲反问嘉=校。故随着像素模，是可以接受的。乞如啪：； 实验数据分析比较及结论图三种算法的探边效果比较 系统软件总体架构据程序运行的特点，将程序划分为实时运行程序和非实时运行程序两部分。当设备正常开机后，需要实时的检测织物的位置信息，当发现织物的当前位置超出正常的位置后，需要执行纠偏的动作，以尽快的将织物恢复到正常的边缘位置上来。为了让系统适用多种测量环境及用户的各种需求，需要设备具有参数显示及重置的功能。同时保证系统稳定可靠的运行，需要系统能够周期性的对自身的状态进行自检。使得时序能够满足传感器的需要，在后面的小节中，会详细的介绍具体的实现。 上上、 甎灰灰灰灰灰灰灰灰灰籎灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰籌图系统软件流程图 作为以图像处理为依据的测量控制系统，处理好图像传感器相关的信号是十，能够实现任何想要的时序。由于此类器件实际是由数字电路是基于微处理器的方案。该方案能够有效的降低系统电路的复杂性，提高硬件电线为模拟信号，需要通过疍转换变成数字信号。的时序，如下 二恻齝三曲磘斟暗鹄甮：驱动时序图。在图中，帧控制线的两个脉 门臜丌玎日展鑞耼日只舊杖課九丌孽霸巍芸素时钟，将上一帧获取的图像信号输出。其操作时序如下图所示：图传感器的一次获取图像方式时序口，且帧结构简单紧凑，目前已经在工业领域得到了广泛的应用，成为通用的工协议具有两种通信传输模式，分别为胶蚏模式； 下图中，展示了系统运用协议进行发送和接收的功能图。发送程序哪接收程序地址 。此种方法能够提高本系校杂谄渌淞糠诺搅送獠縍中，提高读取速度。 作为嵌入式系统，代码的效率、规模大小、可维护性以及开发周期都是十分驱动开发、协议接口的软件程序等等。最后，简要的归纳了嵌入式软件编程的手动优化方法或技巧，通过这些方法及配合相关的专业编译优化工具，能够使代码更加的简洁和高效。从而使系统的程序能够更好的满足实际的项目需求。在接下来章中，是对设备的各种参数的实际测试部分的介绍。通过对现场设备工作的数据进行采集和分析，判断该设备是否能够满足实际需求。 测试及误差分析是确定产品能否顺利定型最后步骤，也是用来测试该产品是否满足设计要求的必要步骤。在此步骤中，如果发现测试的产品不能满足相关参数或是设计要求，需要我们对方案进行针对性的修改，或是推到方案重来；否则，就可以顺利做产品定型，然后供用户生产使用了。本课题的测试重点主要在探头的测量精度、对探测环境的适应、影响测量精度的因素、响应速度等，在本章的接下来几个小节中，将分别从探边精度、影响测量因素、系统的灵敏度等几个方面对其进行测试，最后得出相关的实验结论。系统动态实测图像的探边实验及误差分析作为实时监测织物边缘是否偏离正常位置的设备，确保系统的测量精度和边 在对数据分析前，应该首先确定探头的环境为： 表测量平台环境参数 其中，在式中，下标为“实”的表示通过示波器手段测量的边缘数据；变参数测量条件下的测试结果及其影响时钟频率和线阵光源强度等。 表要测试的各种因素湿度、白光灯照射、灰尘的单一因素影响的图像】。 像素位置高度测量物体灰度响应图 表各种材质织物分析了环境因素对图像的影响后，接下来主要探讨设备因素对图像的影响。 伽够篓一蟛蠢麓警强王差也不会增加。故合理的选择积分时间，即曝光时间，是关键的。对于不