基于机器视觉的小样织机对针系统的开发

1、基于机器视觉的小样织机对针系统的开发邹鲲，王伟（东华大学 机械工程学院，上海 201620）摘 要：在传统小样织机中，通常采用人工对针的方式，精度低，易出错。本文提出了基于LabVIEW开发平台，使用USB工业相机，无需图像采集卡的机器视觉对针系统，具有硬件成本低，软件开发周期短，易于二次开发的特点，可以快速，准确的实现对针。关键词：LabVIEW；低成本；图像处理；对针0 引言LabVIEW是美国NI公司开发的基于G语言（图形化编程语言）的虚拟仪器软件。LabVIEW采用的图形化编程是采用数据流的方式编写程序，图标表示函数或者实现某个功能的模块，连线表示数据的流向。图形化编程简单易学，极大的

2、提高了程序编写的速度，缩短了项目开发的时间。同时，作为NI设计平台的核心，LabVIEW集成了庞大的函数库并且提供了大量的硬件驱动方便用户使用。因此，LabVIEW在科研，教学以及工业现场都有大量的应用。 相机根据输出图像类型的不同可以分为模拟相机和数字相机，其中模拟相机需要配备图像采集卡才能与计算相连接。而数字相机根据接口的不同又可分为USB相机，1394相机和GigE相机。其中USB相机使用目前世界上应用最广泛的USB接口，可以非常方便的与计算机连接，并且USB相机通过USB接口直接为相机供电，不需要为相机单独准备电源。因此在中低速工业应用中，选择USB相机可以大大减少用户成本。在小样织机

3、的研发中，针与孔板的定位问题一直没有获得很好的解决。随着结项时间的临近，急需一种能够快速实现的解决方案。而在现今的机器视觉应用领域，缺乏这种不需要高速处理，精度要求也不高，却对硬件成本和项目开发成本有较高要求的应用实例。基于这样的考虑，结合项目具体问题本文探索了一种低成本，快速开发，适用于中低速应用的解决方案。1 系统平台的搭建如图1所示是小样织机对针系统的结构示意图，其中孔板上规则地分布着大量的小孔，插针会如同“插秧”一般将纱线以“U”字形插入小孔。因此针和孔板的相对位置必须非常精确，才能保证针能够顺利的插入每个小孔。 图1 小样织机对针系统结构示意图在图1中插针只能进行一维运动。因此，在进

4、行图像采集时，需要在针关于孔板对称的一侧安装相机，同时为避免运动干涉，需要采用长焦镜头以增大物距，因此相机的安装位置比较固定。而经过反复试验，无法找到良好的打光角度以实现图片质量的最佳效果。这样在复杂的光线背景下，如果通过模式识别等复杂算法进行全自动的图像处理必然会需要更长的开发周期，对系统的软硬件水平也会提出更高的要求。因此考虑采用交互式图像处理方法，而小样织机工程机上已经配置了工控机，只需在工控机上安装LabVIEW，通过USB接口把工业相机接入系统即可。对针系统的实物图如下图2所示：2 视觉系统的实现2.1 LabVIEW图像处理的软硬件配置本系统采用LabVIEW2011作为开发平台，

5、在安装了LabVIEW2011基础版以后，还需要到NI官网下载安装IMAQ Vision，这样才能把机器视觉功能模块以及图像处理函数库集成到LabVIEW中。随着NI的不断开发，视觉开发模块的内容也越来越丰富，如各种边缘检测算法、滤波器、阈值检测、傅里叶变换、小波变换等。硬件方面本系统选用130万像素的USB2.0免驱工业相机，加装YX15系列大变倍比显微镜头。2.2图像处理的实现按照机器视觉系统的功能结构， 在LabVIEW程序中分别编程实现：（1）图像获取模块图像获取模块，首先对接入计算机端口的设备进行枚举，以便用户进行端口选择，选定端口以后，从硬件设备（相机）读取数字图像数据，并且在系统

6、中创建存储空间以保存从相机获取的图像数据。 图3 图像获取部分的程序框图如图3所示为图像采集模块的程序框图，。程序运行后，首先启动相机进行图像获取，存储在系统创建的缓冲区中，然后复制到存储路径的位置，并通过“Image display”控件进行前端显示。（2）图像处理模块利用NI提供的图像处理函数可以进行大部分的机器视觉图像处理，如果需要自己编写图像处理算法，进行大量的数据运算则建议使用MATLAB Script节点这样就可以利用MATLAB丰富的数据处理和图像算法进行混合编程。用户可以根据实际情况去选择是否混合编程。本系统中，采用交互式图像处理的方式，通过在复杂环境中拍摄的照片上直接选择相关

7、特征体进行定位，主要借助相机长焦镜头的放大作用以及计算机的精确计算取得良好的标定效果。 图4 图像获取部分的程序框图在获取图像以后，针对圆孔和针（针的剖面图呈矩形）选用不同的控件（分别为“Select Rectangle”和“Select Annulus”）来获取圆心和针的中心。程序框图如图4所示。2.3 分析与反馈用户界面如下图所示，在交互式图像处理中，通过界面来微调针和孔的位置是很重要的一步。因此在用户界面中设计了很多的按钮来控制孔板的微调运动，右侧的图像显示控件可以实时显示相机拍摄的内容以监控孔板的位置选取合适的图像采集位置。图5 程序用户界面相比于传统对针方式，本系统通过对操作顺序和方

8、法的调整大大提高了对针效率，具体对针过程如下：首先，在安装孔板之前先提取针的空间位置，控制针左右动作进入工作区域，如图6所示，获取针中心坐标值，在安装孔板之前完成针的坐标提取，由于针只有一维运动因此在垂直于针的平面内这个坐标是固定不变的。然后，安装孔板，这样在获取针坐标以后安装孔板就避免了针前进到工作位置时可能会撞击到孔板。最后通过获取孔板的图像得到左上孔的圆心坐标，如图7所示。剩下的工作由程序自身完成。具体内容有，计算针中心坐标和孔中心坐标的差值，根据相机参数把像素差值转化为实际空间差值，通过串口通信把差值数据传送给微控制器。 图6 选取针图像的样张 图7 选取孔图像的样张在系统硬件系统搭建

9、完成，软件调试通过后，对系统的定位精度进行了实验测试，在选取130w像素摄像头，配合显微镜头的情况下，手动选取矩形和圆形，本例中孔的直径为2.5mm，矩形长1.7mm，宽1.0mm，在图像中圆孔直径大约为500个像素，平均每个像素0.005mm，进行上百次选取试验后发现，在让圆或者矩形与圆孔或者针重合的时候，边缘误差一般不超过5个像素，因此标定误差不超过0.05mm。系统要求针能顺利插入孔中，经过计算这要求我们的定位精度不低于10%，也即0.1mm，因此我们的结果完全可以满足系统的精度要求。一个完善的机器视觉系统不仅仅需要简便的图像获取途径，良好的图像处理算法，还需要及时的分析和快速的反馈。这

10、样的一个机器视觉系统才能在工业自动化和信息化中有现实意义。如果一个机器视觉系统开发以后还需要花大精力去开发底层驱动以实现与工业现场的连接，会大量增加项目开发时间和成本。LabVIEW提供了工业现场使用的如RS232、GPIB、VXI等接口的硬件设备的驱动，并且免费提供了世界知名仪器仪表厂商的数百种产品的源码级仪器驱动，为用户的二次开发提供了极大的便利。本系统根据图像处理的结果，通过LabVIEW可以轻松实现和系统其他组件的通信互联以及对工业现场设备如电机、气缸、继电器等的控制，提高了整个系统的自动化程度。3 结语本系统基于虚拟仪器技术，通过LabVIEW附带的视觉开发模块进行程序开发，采用交互式图像处理的方式，创新性的修改了传统对针流程，在未安装孔板的情况下首先进行针的定位，这样分别完成对针和孔板的初始定位，避免了两者相互干涉的情况，不需要设计复杂的模式识别算法，提高了系统运行速度，也降低了对系统硬件的要求，用于小样织机中针与孔板的标定，取得了良好的实用效果，提高了机器视觉的实际使用价值。参考文献：1 丁晟，蒋晓瑜，汪熙.基于LabVIEW的图像处理技术研究J.微计算机信息，2010（2）：204-205.2 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用M.北京:电子工业出版社，