集成视觉的运动控制平台设计及测试方法研究

  运动控制技术是推进制造业革新的核心技术之一。随着工业生产的发展,对控制系统的功能多样性的要求越来越强。因此要求运动控制系统具备一个开放、柔性的体系结构,而功能软件化则是实现该体系结构的有效途径。运动控制总线技术将运动控制器与伺服系统等终端模块组成了一个数字化整体,其中实时以太网技术的成熟又极大促进了运动控制技术的发展,进一步推进了运动控制系统的软件化。为能够在更短的时间内,设计出品质可靠且功能丰富的运动控制系统,亟需实现开放、可重构的控制系统体系结构,并且需要一种便捷有效的测试方法测试构建的运动控制系统的功能。机器视觉系统常被作为运动控制系统的一个关键功能拓展。对于基于PC的机器视觉系统,强大的计算性能可以有效缩短图像处理时间。但是Windows并不是一个实时操作系统,图像采集处理及其与运动控制的数据交互的时间抖动性较大,无法适用于对实时性要求较高的应用需求。专用于图像采集处理的嵌入式系统具有较强的实时性,通过通信总线或I/0将图像处理结果传递给运动控制器,但是仅能使用内置的机器视觉算法,功能拓展性不足。因此运动控制系统亟需一种开放式实时机器视觉系统,本文利用软运动控制器在实时域的开放性,对视觉集成的运动控制平台的设计方法进行研究,将机器视觉与运动控制运行在同一个实时域内,从而可有效提高机器视觉的实时性。本文基于Windows+Kithara Real-time Suite（KRTS）为开放式软运动控制器设计了一个基础实时运行环境,经过测试在Symmetric Multi-Processing（SMP）硬件架构下,系统对网卡的系统响应时间的最大值不超过13μs。在此此环境下本文为自主研发的实时以太网Ethernet for Manufacture Automation Control（EtherMAC）设计了主站协议栈,使其最小通信周期达到100μs。参照PLCopen的Motion Control部分的功能规范,给出了开放式软运动控制器的可编程接口的实现方法并通过设计的控制资源层以降低实时以太网与软运动控制器之间的耦合性。给出了运行在实时域内的机器视觉功能的设计方法,以开放式图像传输协议GigE Vision作为图像采集接口,并可重用Windows上丰富的图像处理软件资源。最后,通过依据以上方法设计的视觉引导的机器人控制系统验证了本文设计的集成视觉的运动控制平台的功能可行性。实时以太网是运动控制系统的数据纽带,也是软件功能表达的直接接口,以实时以太网传输数据为基础,给出了一种基于数据逆向分析的运动控制系统软件功能测试方法。为避免对实时以太网正常通信的影响,基于Field Programmable Gate Array （FPGA）设计了一种无延时的数据监听方法。以EtherMAC实时以太网为例,给出了数据链路层和应用层解析方法,从而可提取出有效的运动控制数据,并以基于EtherMAC的数控系统作为测试对象进行了测试功能验证。该测试方法无需连接机械系统或修改电气线路,即可评测运动控制系统的软件功能。本文的研究成果为实时机器视觉应用提供了一种开放且成本低廉的实现方案,并为运动控制系统的功能测试提供了一种简单高校的测试方法,测试成本低。

 

山东大学山东省211工程院校985工程院校教育部直属院校

 

页数：125

 

【学位级别】：博士

 

文章目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

    1.1 课题提出的背景及意义

    1.2 运动控制系统的发展现状

        1.2.1 基于硬件运动控制器的控制系统

        1.2.2 软件化的运动控制系统

    1.3 实时以太网技术发展现状

    1.4 实时机器视觉系统的研究现状

    1.5 视觉集成与系统测试的主要问题

    1.6 主要研究内容

第2章 体系结构及时序逻辑分析

    2.1 体系结构分析

        2.1.1 运动控制系统的体系结构分析

        2.1.2 机器视觉系统的体系结构分析

    2.2 时序逻辑分析

        2.2.1 基本概念与相关定义

        2.2.2 运动控制系统的时序分析

        2.2.3 机器视觉系统的时序分析

    2.3 控制平台的设计及测试方法研究

        2.3.1 视觉与运动的实时同步控制方法研究

        2.3.2 基于数据逆向分析的测试方法研究

    2.4 本章小结

第3章 开放式软运动控制器的设计

    3.1 基础实时运行环境的设计

        3.1.1 PC的中断体系结构介绍

        3.1.2 Windows的实时改造方法

        3.1.3 实时拓展KRTS的原理分析

        3.1.4 系统响应时间测试

    3.2 基于KRTS的EtherMAC主站设计

        3.2.1 EtherMAC的拓扑结构

        3.2.2 EtherMAC的报文结构

        3.2.3 EtherMAC的通信过程

        3.2.4 EtherMAC的性能分析

        3.2.5 EtherMAC的应用层协议

        3.2.6 主站协议栈设计

        3.2.7 基于EtherMAC的RTEX网关设计

    3.3 总线式软运动控制器的设计

        3.3.1 总体结构设计

        3.3.2 跨平台程序调用机制的实现方法研究

        3.3.3 运动控制功能的可编程接口设计

        3.3.4 原型机验证

    3.4 本章小结

第4章 开放式实时机器视觉的实现方法研究

    4.1 关键问题与解决方法

        4.1.1 实时图像采集

        4.1.2 实时图像处理

        4.1.3 机器视觉与运动控制之间的实时同步

    4.2 实时机器视觉与运动控制的集成

    4.3 实时机器视觉性能测试

        4.3.1 测试方法设计

        4.3.2 图像处理算法

        4.3.3 测试结果分析

    4.4 本章小结

第5章 总线式运动控制系统的测试方法研究

    5.1 测试方法设计

    5.2 测试装置结构设计

    5.3 数据侦听器设计

        5.3.1 硬件结构设计

        5.3.2 数据侦听机制

    5.4 测试软件设计

        5.4.1 实时数据采集平台搭建

        5.4.2 软件整体结构设计

    5.5 本章小结

第6章 数控系统功能测试

    6.1 数控系统的误差分析和建模

        6.1.1 插补误差的数学模型

        6.1.2 轮廓误差的数学模型

        6.1.3 轨迹优化产生的误差

    6.2 数控系统的误差测试

        6.2.1 待测数控系统介绍

        6.2.2 数据解析过程

        6.2.3 测试过程与结果

    6.3 本章小结

第7章 开发实例：视觉引导的机器人控制系统

    7.1 控制系统功能分析

    7.2 系统总体结构设计

    7.3 系统软件功能设计

        7.3.1 机器视觉功能设计

        7.3.2 机器人控制功能设计

        7.3.3 结果分析

    7.4 本章小结

第8章 总结与展望

    8.1 全文总结

    8.2 创新点

    8.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间论文及科研情况

    学术论文

    发明专利

    科研项目

致谢

学位论文评阅及答辩情况表

 

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]从“数控一代”到“智慧一代”[J]. 张存吉,姚锡凡,张翼翔,周际锋,易安斌.  计算机集成制造系统. 2015(07)

[2]基于DSP与ARM的大豆籽粒视觉分级系统[J]. 房俊龙,杨森森,赵朝阳,李明,王润涛.  农业机械学报. 2015(08)

[3]机器人视觉伺服研究进展:视觉系统与控制策略[J]. 贾丙西,刘山,张凯祥,陈剑.  自动化学报. 2015(05)

[4]基于误差模型的三轴联动加工轨迹预补偿方法[J]. 李学伟,赵万华,卢秉恒.  中国机械工程. 2014(21)

[5]基于APIC的高精度定时器设计[J]. 杨皓,江南,杜承烈.  计算机工程. 2014(09)

[6]基于PLCopen标准的运动控制系统设计[J]. 王翰,宋宝,唐小琦.  华中科技大学学报(自然科学版). 2014(01)

[7]Improving the real-time performance of Ethernet for plant automation（EPA） based industrial networks[J]. Li LU,Dong-qin FENG,Jian CHU.  Journal of Zhejiang University-Science C（Computers & Electronics）. 2013(06)

[8]基于形状内容分析的机器人物料分拣系统[J]. 邹腾跃,唐小琦,宋宝,陈吉红.  组合机床与自动化加工技术. 2013(05)

[9]我国机床数控化的现状和未来对策[J]. 景富军,谭胜龙,刘玲,范华献.  制造技术与机床. 2013(04)

[10]基于RTX脉冲插入式热误差补偿信号研究[J]. 王永青,陈松.  大连理工大学学报. 2012(06)

 

博士论文

 

[1]高精度实时视觉定位的关键技术研究[D]. 卢维.浙江大学 2015

[2]开放式智能数控系统及其在线控制相关技术研究[D]. 李茂月.哈尔滨工业大学 2012

[3]基于工业以太网的运动控制系统关键技术研究[D]. 杨林.山东大学 2011

[4]基于模型集成的嵌入式数控系统设计关键技术研究[D]. 李方.华南理工大学 2010

[5]基于实时视觉的乒乓球机器人标定和轨迹跟踪技术研究[D]. 张远辉.浙江大学 2009

 

硕士论文

 

[1]EPA-FRT及其在运动控制中的应用研究[D]. 赵飞翔.浙江大学 2011

[2]基于windows的计算机数字控制系统实时性的研究[D]. 李彬.哈尔滨工业大学 2008

[3]Windows系列操作系统下的底层驱动技术在实时控制系统中的应用[D]. 孙磊.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2007