（计算机软件与理论专业论文）基于视觉定位的电机控制系统设计.pdf

。p尊量j量哥t蛋， t ad i s s e r t a t i f o r s u p e r v i s o r ：p r 研l i nw e i m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fc o m p u t e r g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r - c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 近年来，随着计算机技术的迅速发展和微电子工艺水平的提高。工业控制领域 中自动化及智能化程度水平越来越高。各种各样的新型技术的出现不断代替传统的 控制理论。将视觉定位技术跟电机控制技术相结合引入工业控制领域就是其中的一 种新的方法。本课题研究了与视觉定位技术相结合的一种新型的、智能型的电机控 制系统。本系统集成了计算机电机控制技术、a r m 技术、图像处理及分析等技术为 一体的技术含量高的嵌入式系统。首先，通过将u s b 摄像头采集工控场景图像。然 后，使用数字图像处理与分析的算法进行目标的识别与定位。最后，当识别出目标 及确定其位置信息后，根据这些位置信息及一些参数的设置，进行对电机的控制， 最终实现通过电机控制的物体对准目标位置。 本文介绍在嵌入式a r m + l i n u x 环境下基于视觉定位的电机控制系统的设计与 实现。全文共分为6 章。前二章分别是绪论部分和系统所涉及到的数字图像基础理 论。第三章是对整个系统的总体设计，包括硬件结构和软件的总体设计。在第四章 介绍了系统硬件三大模块的设计与实现，包括核心控制模块、视频图像采集模块、 电机控制模块。第五章是系统的软件结构的设计与实现。最后一章是系统调试及其 运行结果。基本上达到了预期的目标。 本文的重点是系统的硬件和软件设计与实现。在硬件设计方面，首先，介绍了 核心控制模块的c p u 与存储器的硬件选型及其外围电路的电路设计与原理。系统采 用$ 3 c 2 4 1 0 a 作为中央微处理器，外围电路采用一些比较常用的电路设计。接着， 详细讲述了图像采集模块的硬件设计，系统采用常用的z c 0 3 0 1 p l 芯片的摄像头，其 强大的内置图象处理功能使这款芯片可提供高质量图象。最后，介绍了步进电机驱 动控制电路的设计与实现，采用东芝公司生产t a 8 4 3 5 h 芯片来驱动步进电机，且电 路简单，工作可靠。 在软件设计方面，主要介绍了整个系统的各个模块的软件设计与实现。首先， 介绍了嵌入式软件平台的搭建和嵌入式用户界面q t e g u i 相关方面的知识。然后， 讲述了几个数字图像处理功能模块的软件设计与实现，包括图像采集、图像滤波、 图像边缘检测、模板匹配等。本系统采用的基于图像边缘特征的模板匹配方法，相 对于全局模板匹配的方法大大缩短了匹配的时间，能基本上满足系统实时性的要求。 i i 目录 a b st r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e i m p r o v e m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yl e v e l i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ， t h el e v e l so fa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c ei s i m p r o v i n g t h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sn e w t e c h n o l o g i e sc o n t i n u et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r y t h ev i s i o np o s i t i o n t e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h em o t o rc o n t r o li so n eo fan e wa p p r o a c h t h ei s s u es t u d i e d ai n t e l l i g e n tm o t o rc o n t r o ls y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ev i s i o np o s i t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e m o t o rc o n t r o ls y s t e mi st h ei n t e g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a r mt e c h n o l o g y , i m a g e p r o c e s s i n ga n da n a l y s i st e c h n o l o g ya so n eo ft h eh i g h - t e c he m b e d d e ds y s t e m s t h e s y s t e mu s e st h eu s bc a m e r aa sav i d e oc a p t u r ed e v i c et oc a p t u r et h e i n d u s t r i a ls c e n e c a m e r ai m a g ea tf i r s t ；t h e ni d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi st h en e x ts t e pb yu s i n gi m a g e r e c o g n i t i o na l g o r i t h m st oi d e n t i f yt a r g e to b j e c ta n di t sl o c a t i o ni n f o r m a t i o n ；f i n a l l y , m o t o rw i l lb ec o n t r ol l e da c c o r d i n gt ot h s e sl o c a t i o ni n f o r m a t i o na n ds o m ep a r a m e t e r s ，s o t h a tt h et a r g e to b j e c tc o n t r o l l e db ym o t o rc a na c c u r a t e l ya i ma tt h e t a r g e tl o c a t i o n t h ei s s u ed e s c r i b e st h em o t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nb a s e do n t h ee m b e d d e da r m + l i n u xa n dv i s u a lp o s i t i o n i n g t h ep a p e ri sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s t h ef i r s tt w oc h a p t e r sa r et h e i n t r o d u c t i o np a r ta n dt h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a li m a g e i n v o l v e di nt h es y s t e m c h a p t e ri i ii so ft h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h r e em a j o rm o d u l e so ft h es y s t e mh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h ec o r ec o n t r o lm o d u l e ，t h e v i d e oi m a g ec a p t u r em o d u l e ，m o t o rc o n t r o l m o d u l e c h a p t e rv i st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nt h es y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e t h ef i n a lc h a p t e ri st h et h ed e b u g g i n g a b o u tt h es y s t e mr u n n i n ga n dt h er e s u l t so ft h ed e b u g g i n ga r eo b t a i n e d t h ee x p e c t e d g o a l sa r eb a s i c a l l ya c h i e v e d t h ei s s u ef o c u s e so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i n h a r d w a r ed e s i g na s p e c t ，t h es e l e c t i o no f t h ec p ua n dm e m o r yo fc o r ec o n t r o lm o d u l ea n d i t sp e r i p h e r a lh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dc i r c u i tt h e o r ya r ei n t r o d u c e d s y s t e mu s e s i l l i v 目录 口罩 i = 1 - k 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s i x 第一章绪论1 1 1 课题意义l 1 2 计算机视觉2 1 3 国内外研究现状3 1 3 1 计算机视觉定位研究现状3 1 3 2 电机定位控制系统的现状4 1 4 课题的内容及实现目标5 1 4 1 课题的主要内容5 1 4 2 课题的目标5 第二章数字图形图像处理与分析6 2 1 数字图像处理6 2 1 1 数字图像处理的概念6 2 1 2 数字图像的基本类型6 2 1 3 数字图像处理的方法7 2 2 数字图像的预处理7 2 2 1 图像平滑7 2 2 2 边缘检测l o 2 3 模板匹配1 3 2 3 1 全局模板匹配1 4 2 3 2 模板向量匹配l5 2 3 3 基于图像边缘特征的模板匹配1 6 2 4 本章小结l7 v 广东工业大学硕士学位论文 第三章系统总体设计1 8 3 1 系统需求分析1 8 3 2 系统硬件结构1 8 3 3 系统软件总体设计1 9 3 4 本章小结一2 0 第四章系统硬件设计与实现2 1 4 1 系统核心部件硬件选型2 1 4 1 1 a r m 微处理器的选型：2 l 4 1 2 f l a s h 选型2 3 4 1 3 s d r a m 选型2 4 4 2 系统外围电路设计2 5 4 2 1 电源电路设计2 5 4 2 2 存储器设计2 6 4 2 3 晶振及复位电路设计2 7 4 2 4 j t a g 接口电路设计2 8 4 2 5 串口接口设计2 9 4 2 6 矩阵键盘设计3 0 4 2 7 l c d ( 3 2 0 x 2 4 0 ) 电路设计3 l 4 3 u s b 图像采集模块硬件设计一3 2 4 3 1 u s b 摄像头选型3 2 4 3 2 u s bh o s t 接口电路3 4 4 4 步进电机驱动控制电路设计3 5 4 3 1 步进电机特点3 5 4 3 2 步进电机驱动芯片t a 8 4 3 5 h 介绍3 6 4 3 3 步进电机驱动电路设计3 9 4 5 本章小结一4 0 第五章系统软件设计与实现4 l 5 1 嵌入式l i n u x 开发平台搭建4 l 5 1 1 嵌入式l i n u x 的概述4 l 5 1 2 嵌入式l i n u x 软件平台搭建的步骤4 2 目录 5 2 嵌入式图形用户界面的概述一4 2 5 2 1q t e g u i 的简介及特性4 2 5 2 2 q t e g u i 体系结构4 3 5 2 3 q t e g u i 应用程序开发流程一4 4 5 3 图像采集模块的设计4 5 5 3 1v i d e of o rl i n u x ( v 4 l ) 的介绍4 5 5 3 2 v i d e 0 4 l i n u x 下的视频采集过程一4 6 5 3 3 v i d e 0 4 l i n u x 下的摄像头采集编程4 7 5 4 图像滤波模块设计4 9 5 4 1 功能描述4 9 5 4 2 算法流程4 9 5 4 3 程序设计5 0 5 5 图像边缘检测模块的设计一5 1 5 5 4 功能描述5 1 5 5 5 算法流程5 2 5 5 6 程序设计5 3 5 6 模板匹配程序的设计一5 4 5 6 1 模块功能描述5 4 5 6 2 算法流程5 4 5 6 3 程序设计5 5 5 7 电机控制模块的设计一5 7 5 7 1 功能描述5 7 5 7 2 程序设计5 7 5 8 主控模块的设计一6 0 5 8 1 功能描述：6 0 5 8 2 主控模块的流程6 0 5 8 3 程序设计6 l 5 9 本章小结6 2 第六章系统调试6 3 6 1 系统运行环境的调试一6 3 v 广东工业大学硕士学位论文 局6 4 6 5 6 7 6 8 7 0 7 ：； 7 4 致谢7 5 v i i i c o n t e n t s e n g u s h a b s i ra ( ：i ：。l c 印 n e s ec o n 盯三n t s v e n g u s hc o n l l 孙汀s e i ( c h a f r i e r1p r e f a c e 二l 1 1r e s e a r c hs i g n i f i c a n o eo f t h es u b j e c t 1 1 2 c o m p u t e rv r s i o n 2 1 3 r e s e a r c hs t a t u s 3 1 3 1c o m p u t e rv i s i o np o s i t i o ns t a t u s 3 1 3 2m o t o rp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ms t a t u s 4 1a m a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dg o a lo f t l ：- ed i s s e r t a t i o n 5 1 4 1 恤r e s e a r c hc 0 m e mo f n s u b j e c t 5 1 4 2g o a lo f t h es u b j e c t 5 c h a m r2d i g r r a i ，n m 气g ep r o ( 、i 之e s s i n ga n da na iy s i s 一6 2 1d i g i t a li m a g e p r o g r e s s i n g 6 2 1 1c o n c e p to f d i g i t a li m a g ep r o g r e s s 吨6 2 1 2 t y p e o f d i g i t a l i m a g ep r o g r e s s i n g 6 2 1 3m e t h o d so f d i g i t a li m a g ep r o g l 础a g 7 2 2 d i g i t a li m a g ep r e p r o c e s s i n g 7 2 2 1i m a g es m o o t h i n g 7 2 2 2i m a g es m o o t h i n g 1 0 2 3 t e m p l a t em a t c h i n g 1 3 2 3 1g l o b a lt e m p l a t ei v l a t c h i n g 1 4 2 3 2t e m p l a t ev e c t o rm a t c h e 1 5 2 3 3t e m p l a t ev e c t o rm a t c h e 1 6 2 4 s u m m a r y 1 7 c h a m r3s y s t e md e s i ( w 呵l8 广东工业大学硕士学位论文 3 1 a n a l y s i s o f t h e d e m a n d o f t h e s y s t e m 1 8 3 2 s l m a t r eo f t h eh a r e w a r eo f s y s t e m 1 8 3 3s o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e m 1 9 3 4 s u m m a r y 2 0 c h a f f e r4h a r d w a r ed e s i g na n di 4 p ie 任! n t a t l 0 n 2 1 4 1c o r em o d u l eh a r d w a r es e l e c t i o n 2l 4 1 1a r m m i c r o p r o c e s s o rs e l e c t i o n 2 1 4 i 2f l a s hs e l e c t i o n 2 3 4 1 3s d r a ms e l e c t i o n 2 4 4 2 d e s i g no f s y s t e mp e r i p h e r a lc i r c u i t 2 5 4 2 1p o w e rc i r c u i t1 ：) i e ：s i j g j f i 2 5 4 2 2m e m o r yc i r c u i td e s i g i l 2 6 4 2 3c r y s t a lo s c i l l a t o ra n dr e s e tc i r c u i td e s i 印2 7 4 2 4j t a gi n t e r f a c ec i r c u i t 】 ： i l e 咖2 8 4 2 5s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n 2 9 4 2 6m a t r i xk e y b o a r dd e s i g n 3 0 4 2 7l c d ( 3 2 0 x 2 4 0 ) c i r c u i td e s 弘31 4 3 h a r d w a r ed e s i g no f u s b i m a g ec a p t u r em o d u l e 3 2 4 3 1u s bc a m e r as e l e c t i o n 3 2 4 3 2u s bh o s ti n t e r f a c ec i r c u i t 3 4 4 4 s t e p p e rm o t o rd r i v ec o r a r o lc i r c u i t 3 5 4 4 1c h a m c t e f i s t i c so f s t e p p e rm o t o r 3 5 4 4 2s t e p p e rm o t o rd r i v e rc h i pt a 8 4 3 5 hi n t r o d u c t i o n 。3 6 4 4 3s t e p p e rm o t o rd r i v ec o n t r o lc i r c u i t 3 9 4 5s u m m a r y 2 - 0 c h a f i e r5s o f t w a r ed e s i g na n di 田l e m 肿a 1 1 0 n 4 l 5 1 e m b e d d e d l i n u x d e v e l o p n n t p h t f o r m b u i l d i n g 4 1 5 1 1s u m r m f i z a t i o no f e m b e d d e dl i n u x 4 1 5 1 2 s t e po f e m b e d d e dl i n u xs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mb u i l d i l 】g 4 2 5 2 s m n m a r i z a t i o no f e m b e d d e dl i n u xg u i 4 2 x c o n t e n t s 5 2 1 na n df e a t u r e so f q t e g u i 4 2 5 2 2 a r c h i t e c a a eo f q t e g u i 4 3 5 2 3 a p p l i c a t i o nd e v e l o t n m m tp r o c e s so f q t e g u i 4 4 5 3 d e s i g no f h i n g ec a p t u r em o d u l e 4 5 5 3 1 v k l e of o rl i n u x ( v 4 l ) i n t r o d u c t i o n 4 5 5 3 z l h ev d e oc a p t u r ep r o c e s so f v d e 0 4 l i n n x 4 6 5 3 3 c z n x 匏c a p t u r ep r o g r m n o f v j s e 0 4 l i n u x 4 7 5 4 d e s i g no f f i l t e d n gm o d u l e 4 9 5 4 1f u n c t i o nd e s c r i p t i o n 4 9 5 4 2 a l g o r i t h mf l o w 4 9 5 4 3 p r o g r a r r a n i n g 5 0 5 5 d e s i g no f e d g ed e t e c tm o d u l e 5 1 5 5 1 f t m c t i o nd e s c r i p t i o n 5 1 5 5 2 a l g o r i t h mf l o w 5 2 5 5 3 p r o g r a m n 恤5 3 5 6 d e s i g no f t e n 1 a t em a t c h i n gm o d u l e 5 4 5 6 1f u n c t i o nd e s c r i p t i o n 5 4 5 6 2 a l g o r i t h mf l o w 5 4 5 6 3 p r o g r a m m i l l g 5 5 5 7 d e s i g no f m o t o r c o r 血 o lm o d u l e 5 7 5 7 1f u n c t i o nd e s c r i p t i o n 5 7 5 7 2 p r o 5 7 5 8 d e s i g no f m a i nc o n t r o lm o d u l e 6 0 5 8 1 f u n c t i o nd e s c r i p t i o n 6 0 5 8 2 m a i nc o n t r o lm o d u l ef l o w 6 0 5 8 3 p r o g r a m m i n g 6 1 5 9 s u m r n a r y 6 2 c h a f f e r6s y s t e md e b u g g i n g 6 3 6 1d e b u g g i n go f s y s t e m 唧i n ge n v i r o m m m t 6 3 6 2 q t e g u ii n t e r f a c el a y o u t 6 4 x i x i i 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 近几十年来，随着微电子工艺水平的提高，电机控制水平有了飞速的发展。及 世界上著名的集成电路芯片制造商纷纷推出各自的产品，使得电机微控制系统种类 不断增多，功能日益增强。对于现代高性能的电机控制系统而言，除了要有一个功 能强大的计算内核外，还需要一些附加的外部电路，从而在各个领域出形形式式的 电机控制系统。本课题是将视觉定位技术结合a r m 芯片而设计的一种新型的、智能 型的电机控制系统。计算机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入传感手 段，由计算机来代替大脑完成处理和解释。目前计算机视觉系统构成主要可分为两 大类，基于pc 机的视觉系统和嵌入式智能视觉系统。本课题采用的是嵌入式智能 视觉系统。计算机视觉技术的核心实质就是图形图像的处理技术，因此计算机视觉 ( c v ) 又称之为图像理解和图像分析。i e e e l 9 8 8 年8 月的会刊组织了计算机视觉专 辑，在其引言中，定义计算机视觉为用任何方法对图像数据做出理解。 视觉定位技术的应用极为广泛，特别是在工业控制领域中的应用。其中最具盛 名的是：计算机视觉系统普遍应用于工业印刷电路板的布局布线自动检测，芯片表面 焊接定位检测，集成电路t l 动检测。在这些细化，而且难度大的工作情况下，如果 单靠肉眼难以分辨，而且难以长时间的观察。所以迫切要求自动化检测。另外计算 机视觉的最大优点是与被观测的对象无接触，因此对观测与被观测者都不会产生任 何损伤，而且可以长时间不知疲倦，始终如一地观察对象，十分安全可靠。 由于电能的生产、输送、控制具有无与伦比的优越性，今天工业生产机械几乎 全靠电动机拖动。对电机的控制水平，从一个侧面反映了一个国家机械加工工业的 技术水平。在生产过程中，只有对电机进行科学的自动控制，使生产机械各部件按 一定顺序动作，才能保证生产过程和加工工艺合乎预定要求，以提高生产效率和产 品质量。所以使电机控制系统更加自动化和智能化有着重大的现实意义。 本课题研究目的是将计算机视觉定位技术引入工业控制领域。本控制系统并非 传统的电机控制系统定位方法来实现对电机的控制。首先，通过将u s b 摄像头采集 工控场景图像。然后，使用数字图像处理与分析的算法进行目标的识别与定位。最 广东工业大学硕士学位论文 后，当识别出目标及确定其位置信息后，根据这些位置信息及一些参数的设置，进 行对电机的控制，最终实现通过电机控制的物体对准目标位置。基于视觉定位的电 机控制系统将有很大的现实意义。比如在生产线上对产品的自动分类、工控场合对 螺丝孔自动识别后由电机控制机械手对其进行安装螺丝等一系列的工业应用。由于 图像采集、处理、识别的实时性，这种控制系统具有自动化程度高，精度高的特点。 视觉定位技术有着很好应用前景。技术的发展能够有力地提高劳动的生产率。 1 2 计算机视觉 人类通过视觉识别文字、图片、和周围的环境；利用听觉识别与理解语言。视 觉与听觉是人类智能的重要组成部分。从信息处理的角度搞清它们的机理，研究它 们的计算理论与算法，以使计算机实现人的视觉、听觉等模式识别的能力，是人类 在基础与应用研究中面临的最重大的挑战之一。人类是通过眼睛与大脑来获取、处 理与理解视觉信息的。周围环境中的物体在可见光的照射下，在人眼的视网膜上形 成图像，由感光细胞转换成神经脉冲信号，经神经纤维传入大脑皮层进行处理与理 解。视觉，不仅指对光信号的感受，它还包括了对视觉信息的获取、传输、处理、 存储、与理解的全过程。人们试图用摄像机获取环境图像并转换成数字信号，用计 算机实现对视觉信息处理的全过程，就形成了计算机视觉。 计算机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来 代替大脑完成处理和解释。计算机视觉技术的核心实质上就是图形图像的处理技术。 乜3 计算机视觉研究的目的：一是提供人类视觉的计算模型；二是利用计算机来设计 与发展某种真实的适度的视觉系统，并提供具有良好性价比的专用系统。前者是关 于计算神经科学的基础性研究，而后者往往涉及很强的应用性和工程性问题。口1 2 0 世纪8 0 年代初，美国m i t 的马尔( d m a r t ) 教授创立了视觉计算理论，这一 理论把视觉过程看作是一个信息处理过程，并把这一过程分为三个层次：第一个层 次是计算理论，在这个层次上所研究的是对什么信息进行计算和为什么要进行计算： 第二个层次是算法与数据结构，它所研究的是如何进行所要求的计算，也就是设计 特定的算法：第三个层次是硬件实验。马尔强调了当时并不受人重视的计算理论的 层次，并在这层次，把视觉过程主要地规定为定量地恢复出图像所反映的场景中 的三维物体的形状和空间位置。 2 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1计算机视觉定位研究现状 在国外，由于电子产业的的发展、自动化水平的大幅度的提高和计算机图形图 像处理技术的迅速发展，计算机视觉技术的应用已经进入了成熟化阶段，特别是在 工业发达的国家。当今比较著的工业视觉系统，如s r iv i s i o nm o d u l e ，p a p s 系统等， 但这些视觉系统结构复杂，价格昂贵。 近三十年来，国内外研究人员十分重视计算机视觉的研究，已取得了很多成果， 如：龙绪明在国外技术和设备的基础上，进行了p c b 板定位下视系统和元器件对中 上视系统的研究，可以用于p c b 板定位、拼板图形定位、器件定位和不良板号去掉 等；“5 1 彭建把视觉系统的硬件组成与软件设计应用于生产线工件形状分析和视觉 定位并与杭州电子工业学院的杨纪春等人，研制成功一套安装在一台平面关节机器 人上的二维视觉系统，进行工件的形状分析和视觉定位，并将位置信息传递给机器 人控制系统，引导机器人对工件进行操作。n 1 视觉定位技术