多視覺(jué)傳感器CAN總線(xiàn)檢測系統的設計

引 言

隨著(zhù)計算機技術(shù)、人工智能、光電檢測、圖像處理以及模式識別等各學(xué)科的不斷完善和互相滲透，視覺(jué)檢測技術(shù)作為一種多領(lǐng)域、各學(xué)科交叉的技術(shù)已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它是以機器視覺(jué)為基礎的新型測試技術(shù)，具有測量時(shí)非接觸、速度快、信息量大、應用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。視覺(jué)檢測技術(shù)廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量在線(xiàn)監測，自動(dòng)巡視商店、銀行或其他重要場(chǎng)所的安防監視，產(chǎn)品的標簽文字標識檢查，紡織印染業(yè)中的自動(dòng)分色、配色，大型物體三維結構尺寸的測量，各種復雜三維表面形狀的檢測、恢復重構以及逆向工程等很多領(lǐng)域。視覺(jué)檢測系統通常是由計算機、視覺(jué)傳感器與控制系統三大模塊組成。對于多視覺(jué)傳感器大型實(shí)時(shí)測量系統，為了讓視覺(jué)檢測系統快速、精確地獲得理想的圖像信息，視覺(jué)傳感器的控制系統的作用尤為重要。視覺(jué)傳感器的控制系統根據其使用的串行控制總線(xiàn)標準不同，其控制與通訊的性能將不同。這里采用CAN (Controller Area Network) 總線(xiàn)作為系統的串行控制總線(xiàn)。

由于CAN 總線(xiàn)具有通訊速率高、實(shí)時(shí)性好、帶負載能力強、可靠性及抗干擾能力好、總線(xiàn)利用率高及硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適于大型測試系統控制網(wǎng)絡(luò )的通訊。因此，本文將基于CAN 總線(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)，介紹多視覺(jué)傳感器的實(shí)時(shí)控制方法與控制系統的設計。

視覺(jué)傳感器的檢測原理與系統組成

視覺(jué)檢測一般基于三角法，由攝像機、光源跟被測物體構成測量三角，CCD 相機把光源投射到被測物體表面的經(jīng)過(guò)調制后的三維深度信息轉換成二維圖像傳給計算機再經(jīng)由圖像處理、特征提取等恢復解調出被測物體的三維形貌信息。如圖1 所示，簡(jiǎn)單的結構光視覺(jué)傳感器可由一個(gè)平面結構光投射器L 與一個(gè)CCD 攝像機A 組成，但當被測物體表面曲率變化較大時(shí)，有時(shí)會(huì )出現死區現象，即光平面與物體表面的交線(xiàn)被旁邊的曲面遮擋，使攝像機無(wú)法看到該交線(xiàn)，以致測量信號消失。為避免由測量復雜表面物體時(shí)產(chǎn)生的死區現象，可用兩個(gè)相機A 和B 對稱(chēng)分布于光平面兩側，接收光條的漫反射光。本例使用波長(cháng)為650nm 的紅色激光器作為光源，因其與環(huán)境光反差大，干擾小，較易進(jìn)行圖像特征點(diǎn)的提取，雙目視覺(jué)傳感器組成的多視覺(jué)傳感器測量系統為研究對象，研究其CAN 總線(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)。

圖2 給出了多視覺(jué)傳感器CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制檢測系統的基本組成原理。本系統采用主從式結構，上位機為PC 機，下位機為8051 單片機控制單元(MCU) ，上、下位機之間用CAN 總線(xiàn)進(jìn)行通訊，由于PC 機中并不帶CAN 總線(xiàn)接口，因此需要一個(gè)CAN 接口卡，這里選用USBCAN 智能接口卡來(lái)通信，因其具有體積小、外置且即插即用等特點(diǎn)。這樣，PC 可通過(guò)USB 總線(xiàn)方便地連接至CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，控制各個(gè)CAN 節點(diǎn)，進(jìn)行數據采集和處理。

視覺(jué)傳感器的控制電路(MCU) 主要包括視頻切換、電源供給和CAN 通訊接口三個(gè)模塊。電源供給電路模塊提供CCD 攝像機、激光投射器與MCU的電源，并且由MCU 控制單元控制著(zhù)它們的開(kāi)啟與關(guān)閉。為了避免激光投射器使用時(shí)間過(guò)長(cháng)導致激光器( 或普通照明光源) 發(fā)熱引起光能分布不穩或視覺(jué)傳感器受熱變形從而影響測量精度，以及延長(cháng)投射器的使用壽命，我們采用如下的控制方式： 當傳感器開(kāi)始測量時(shí)，先上電初始化，再打開(kāi)激光器，測量完畢后即關(guān)閉光源電源。由于每個(gè)傳感器里面含有一到兩個(gè)CCD 相機，而任一時(shí)刻傳感器只能輸出一路視頻信號，因此需要視頻切換開(kāi)關(guān)對二路視頻信號進(jìn)行自動(dòng)分時(shí)切換。

為了滿(mǎn)足大尺寸物體的視覺(jué)檢測需要，充分利用CAN 總線(xiàn)的特點(diǎn)，使整個(gè)控制系統具有積木式的可擴充能力，本控制系統按最少能帶64 個(gè)傳感器的負載能力進(jìn)行了設計。如果設每個(gè)視覺(jué)傳感器里面都有兩個(gè)攝像機，即最多共有128 路視頻輸入，而任一時(shí)刻系統只選取其中一路視頻圖像傳給計算機圖像采集卡進(jìn)行圖像采集處理，因此在圖2 每個(gè)視覺(jué)傳感器的單路視頻輸出處，需再加上一個(gè)多路視頻切換器，如圖3 所示，每8 個(gè)視頻輸入1 路視頻輸出作為一個(gè)視頻信號切換單元，實(shí)現8 選1 方式的視頻切換。那么按圖3 中的積木式連接方式，9 個(gè)單元就可驅動(dòng)64 路傳感器。每個(gè)視頻切換單元都有自己的CAN 總線(xiàn)接口，連接到整個(gè)控制系統的分布式網(wǎng)路上，與單個(gè)傳感器控制系統一起協(xié)同工作。我們采用8 選1 視頻切換為一個(gè)單元，采用積木式結構進(jìn)行擴充，主要是考慮到在實(shí)際的多視覺(jué)傳感器測量系統中，對于具體不同的測量對象，使用的傳感器的數目可能不同。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據使用的傳感器的多少進(jìn)行自由組合。