基于嵌入式的劍麻繩圖像采集與檢測系統(tǒng)

潘澤鍇,楊浩然

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電與信息工程學(xué)院,廣西 南寧 530226)

0 引言

劍麻繩品質(zhì)中無毛刺(或是少毛刺)、粗細均勻是其2項最重要的指標(biāo)。劍麻繩的粗細決定它的機械強度，劍麻繩毛刺影響零件的精度、整機可靠性和安全性[1]。劍麻繩的局部粗細不均容易造成整捆劍麻繩的機械強度降低，對麻繩粗細均勻程度的檢測有利于區(qū)分不同等級的麻繩強度，對麻繩粗細不均的部分進行工藝改進可以提高劍麻繩可靠性和經(jīng)濟價值[2]。因此，針對劍麻繩的品質(zhì)改進與檢測新型工藝的研究，對提高鋼絲繩質(zhì)量和經(jīng)濟價值具有重要的意義。

圖像識別技術(shù)適用于解決麻繩直徑檢測的問題，采用專用芯片和嵌入式操作系統(tǒng)，把CMOS攝像頭輸出的信號進行圖像壓縮編碼、圖像處理，從而為實現(xiàn)自動控制提供參數(shù)依據(jù)[3]。本文在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上，選用嵌入式處理平臺實現(xiàn)前端圖像采集和控制，設(shè)計友好的界面接收與存儲，采用圖像處理算法獲取控制參數(shù)[4]。使用SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，維護與管理，統(tǒng)計生產(chǎn)過程中劍麻繩毛刺出現(xiàn)時段，劍麻繩直徑實時顯示，進行誤差分析獲取控制參數(shù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

1 硬件設(shè)計

在實際的硬件設(shè)計中，克服生產(chǎn)前期劍麻繩毛刺生成過多，以及生產(chǎn)出的劍麻繩因粗細不均造成的整捆麻繩機械強度降低的問題[6]，以智能控制理論和圖像識別技術(shù)為基礎(chǔ)，采用ARM和DSP 32位嵌入式微處理器，結(jié)合圖像處理和圖像檢測技術(shù)，設(shè)計劍麻繩圖像獲取和粗細程度在線檢測系統(tǒng)。其劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)原理

劍麻繩粗圖像采集與在線檢測系統(tǒng)由無線傳輸模塊、嵌入式處理器、圖像傳感器和控制對象等組成。圖1中的嵌入式處理平臺采用32位RISC嵌入式微處理器，具有高性價比、高主頻等優(yōu)點，適用于圖像、視頻處理；圖像傳感器采用CMOS數(shù)字圖像技術(shù)，具有采集快、高分辨率的優(yōu)點；嵌入式圖像處理平臺與控制對象之間通過無線傳感器相連；無線測控終端是由無線傳感器和控制對象共同組成，控制對象是帶RS232或RS485接口的智能傳感器或執(zhí)行對象[7]。

1.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)主要由圖像采集、存儲和處理3部分組成，其嵌入式系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)中由嵌入式硬件平臺外接帶CAMIF接口的CMOS攝像頭完成圖像采集，本設(shè)計采用CMOS攝像頭作為圖像采集部分，將CMOS攝像頭采集到的圖像信息通過CAMIF接口傳輸?shù)角度胧狡脚_上。由于這個嵌入式平臺可以兼容I2C的標(biāo)準(zhǔn)，而本圖像采集裝置是采用CAMIF接口的標(biāo)準(zhǔn)，所以還要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序使系統(tǒng)能夠識別和接收傳輸?shù)膱D像信息。因為嵌入式平臺有2個RS232接口，同樣可以把GPIO的接口轉(zhuǎn)換成RS232接口實現(xiàn)圖像接收的任務(wù)；系統(tǒng)將通過CMOS攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲在輸入緩沖區(qū),然后對緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)直接進行相關(guān)處理,再保存并打成數(shù)據(jù)包后，系統(tǒng)通過算法進行圖像處理[8]。

圖2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

1.2 無線控制通信設(shè)計

控制命令主要是根據(jù)圖像處理統(tǒng)計后得出的參數(shù)實現(xiàn)對控制對象的調(diào)整。無線傳輸控制原理如圖3所示。其中，無線傳輸模塊對外的通信接口統(tǒng)一采用串口RS232接口交換數(shù)據(jù)，控制命令通過嵌入式處理平臺發(fā)出，下位機的無線傳輸接收模塊收到數(shù)據(jù)后送傳感器控制單元實現(xiàn)對控制對象的控制，為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑐鞲衅骺刂葡到y(tǒng)在接收到控制命令和實現(xiàn)控制后也通過無線傳輸模塊通知嵌入式處理平臺，采用雙握手機制提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谏衔粰C和下位機的工作過程中，可靠的電源供給是信號穩(wěn)定傳輸?shù)谋Ｕ蟍9]。

圖3 無線傳輸控制原理

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括嵌入式Linux內(nèi)核定制、外設(shè)驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)。嵌入式Linux內(nèi)核定制需要加載必要的外設(shè)驅(qū)動，系統(tǒng)加載前期的處理通過BootLoader來完成，它主要實現(xiàn)的功能包括硬件初始化、設(shè)置內(nèi)存空間映射規(guī)則和分配內(nèi)存存儲空間等，為系統(tǒng)驅(qū)動加載調(diào)試提供合適的環(huán)境。設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)采用Linux2.4.18內(nèi)核，開發(fā)模式采用宿主開發(fā)模式，軟件和硬件之間的調(diào)試可以通過USB數(shù)據(jù)線在線完成，通過USB連線傳輸?shù)缴衔粰C上，利用QT編程完成接收應(yīng)用程序，實現(xiàn)在嵌入式平臺圖像存儲和圖像處理功能，測試通過后把程序統(tǒng)一固化到內(nèi)核文件中[10]。

2.1 攝像頭接口驅(qū)動程序設(shè)計

攝像頭接口驅(qū)動程序是抽象硬件和軟件的連接接口，屬于系統(tǒng)內(nèi)核的組成部分。攝像頭驅(qū)動根據(jù)主設(shè)備號來創(chuàng)建1個放置在DEV目錄下的設(shè)備文件，當(dāng)要訪問此攝像頭時，調(diào)用Open、Read和Write等函數(shù)進行操作。接口函數(shù)提供統(tǒng)一的對外數(shù)據(jù)通信接口，系統(tǒng)根據(jù)對應(yīng)的函數(shù)功能完成攝像頭數(shù)據(jù)控制與采集任務(wù)[11]。攝像頭驅(qū)動加載流程如圖4所示。

圖4 攝像頭驅(qū)動加載流程

攝像頭驅(qū)動首先聲明1個可視化設(shè)備結(jié)構(gòu)，獲得設(shè)備的相關(guān)初始化信息，接下來就開始圖像數(shù)據(jù)的幀打包，按照固定的格式把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在嵌入式平臺應(yīng)用程序發(fā)出文件操作的相關(guān)命令時，檢驗圖像數(shù)據(jù)幀是否采集完成。攝像頭驅(qū)動加載主要工作是完成功能函數(shù)的調(diào)用，以參數(shù)的形式傳遞數(shù)據(jù)，這樣就完成驅(qū)動和核心之間的通信，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)幀發(fā)送到嵌入式平臺[12]。

2.2 控制數(shù)據(jù)采集與傳輸

在CC2530處理器進行控制命令的傳輸過程中，采用自動連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，在進行數(shù)據(jù)的接口初始化之后，進入控制命令的監(jiān)控狀態(tài)，實時接收從嵌入式開發(fā)平臺發(fā)出的命令，當(dāng)接收到控制命令之后，將對控制對象進行操作(控制對象通常是電機)，控制對象在接收到命令之后通常也會反饋信息到中央處理平臺，這樣可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹13]。控制數(shù)據(jù)相對容量較小，對傳輸速率要求不高，在實際的處理中使用數(shù)組進行處理即可，數(shù)組數(shù)據(jù)存儲完成交由CC2530處理器統(tǒng)一處理。控制命令傳輸流程如圖5所示。

圖5 控制命令傳輸流程

2.3 劍麻繩圖像處理軟件設(shè)計

針對劍麻繩生產(chǎn)過程中圖像快速變化的特點，采用圖像處理的方法實時獲取劍麻繩直徑的變化情況[14]。劍麻繩圖像處理流程如圖6所示。在圖像采集的過程中，不間斷讀取麻繩的圖像存儲到本地文件夾中，對讀取進入系統(tǒng)的圖像采用顏色空間轉(zhuǎn)換的方法,將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSI顏色空間，利用HSI顏色空間各分量相對獨立性以及麻繩的色調(diào)差異，通過改進遺傳算法和改進Otsu算法相結(jié)合的分割方法對H分量進行分割，可以提高圖像分割的質(zhì)量和分割的速度，同時避免照度不均和背景光線變化帶來的影響[15]；再通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，平滑濾波，去除毛刺噪聲，以及去除與圖像邊界連通的毛刺等方法進行后續(xù)處理，修正圖像邊緣相連不完整的連線；最后對處理后的圖像提取麻繩圖像寬度的平均值并把數(shù)據(jù)實時顯示出來，通過對直徑參數(shù)的變化情況統(tǒng)計獲取控制參數(shù)，給自動控制系統(tǒng)提供參數(shù)支持[16]。

圖6 劍麻繩圖像處理流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 圖像采集驅(qū)動測試

圖像采集驅(qū)動測試主要是完成攝像頭圖像的采集功能，系統(tǒng)驅(qū)動通過內(nèi)核編譯的形式固化在系統(tǒng)內(nèi)核中，隨著系統(tǒng)的啟動加載驅(qū)動程序，驅(qū)動程序調(diào)用對應(yīng)的接口函數(shù)完成硬件的初始化、圖像采集控制同步等功能，同時驅(qū)動程序提供對應(yīng)的接口在系統(tǒng)內(nèi)核中供應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)用，測試通過編寫對應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)圖像的采集、存儲和顯示等功能[17]。首先通過調(diào)用API函數(shù)創(chuàng)建1個用來顯示圖像的窗體，然后創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)線程實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，再根據(jù)回調(diào)函數(shù)中不同的操作向系統(tǒng)發(fā)送不同的消息值，處理圖像的讀取、顯示等。圖像存儲在系統(tǒng)內(nèi)存中，對圖像信息進行處理時，可以保存在本地文件夾中供圖像處理所用。攝像頭圖像采集驅(qū)動測試如圖7所示。

圖7 攝像頭圖像采集驅(qū)動測試

3.2 圖像處理與檢測測試

在實際的劍麻繩生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受到機器纏繞誤差和劍麻繩固有毛刺的影響，造成劍麻繩的大小和粗細不均勻從而影響麻繩機械強度，在實驗現(xiàn)場需要實時檢測出劍麻繩的直徑變化情況，對設(shè)定超出閾值的麻繩發(fā)出預(yù)警。在實際的測試中，現(xiàn)場環(huán)境光線不足，光線受周邊的環(huán)境變化影響較大，故設(shè)計1個密閉的盒子，在盒子的內(nèi)部安置3個不同方向的光源，設(shè)計的光源穩(wěn)定，背景環(huán)境相對統(tǒng)一，降低環(huán)境對采集圖像質(zhì)量的干擾。在嵌入式控制平臺上使用圖像傳感器實時采集麻繩圖像，通過改進遺傳算法和改進Otsu算法的圖像處理方法，實時獲取麻繩的直徑值。麻繩平均直徑實時獲取測試如圖8所示。

圖8 麻繩平均直徑實時獲取測試

根據(jù)麻繩生產(chǎn)工藝的特殊情況，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)和SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)劍麻繩生產(chǎn)過程中直徑參數(shù)的實時監(jiān)測和存儲。在實際的測試中，選擇任意200 s的數(shù)據(jù)作為研究樣本，每10 s采集1次麻繩的直徑，得出麻繩直徑檢測顯示曲線如圖9所示。實時顯示劍麻繩直徑的變化情況，為生產(chǎn)階段的自動控制提供了比較準(zhǔn)確的決策依據(jù)。通過統(tǒng)計麻繩直徑誤差變化趨勢可知，麻繩的直徑變化在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)可控，當(dāng)超過某個臨界值之后發(fā)出預(yù)警并記錄下時間。這個臨界值可以通過參數(shù)設(shè)置的方式改變。麻繩直徑誤差變化趨勢如圖10所示。

圖9 麻繩直徑檢測顯示曲線

圖10 麻繩直徑誤差變化趨勢

4 結(jié)束語

以嵌入式作為設(shè)計平臺，實現(xiàn)劍麻繩的圖像采集與檢測，這是在麻繩生產(chǎn)工業(yè)的自動化控制的全新嘗試，在麻繩生產(chǎn)車間自動化、集成監(jiān)控工藝技術(shù)方面新的應(yīng)用。系統(tǒng)可為自動化控制提供可靠的參數(shù)支持，為實現(xiàn)整個劍麻繩生產(chǎn)工藝的自動化提供可靠的保證，推動劍麻繩制造業(yè)信息化管理建設(shè)發(fā)展，提高劍麻繩品質(zhì)量和產(chǎn)品檔次，節(jié)能節(jié)水，提高效益，增強市場競爭力。