CN101256399A - 双dsp嵌入式焊接过程视觉反馈控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于焊接自动化中焊缝跟踪和焊接质量控制的双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***。该***包括DSP图像处理模块、DSP反馈控制模块、电源及复位模块、视频接口模块、模拟视频编码模块、USB控制模块。DSP图像处理模块对由视频接口模块传入的焊接区域图像进行特征值提取，并传输给DSP反馈控制模块，DSP反馈控制模块根据图像特征值输出相应的控制信号完成焊缝跟踪闭环控制及焊接质量闭环控制。采用本发明能够脱离上位机独立进行焊缝跟踪和焊缝成形控制。
Description
技术领域
本发明专利属于焊接设备领域，具体涉及一种用于实现焊接过程自动化的焊接过程监控、焊缝跟踪和焊缝成形实时控制的双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***。
背景技术
基于工业CCD摄像机的视觉传感器因其具有信息量大、测量精度高、与工件无接触等特点，广泛应用于焊接过程的图像监控、焊缝跟踪与焊缝成形闭环控制。视觉传感器在使用中不易受到磁偏吹或焊丝弯曲的影响，但需要克服焊接过程中弧光、烟尘、飞溅等干扰。此外，坡口、电弧、熔池等特征的模式识别及其实时性要求，对图像处理的方法、精度和速度都提出了较高的要求。这就要求基于视觉传感器的焊接过程反馈控制***具有以下特点：
1、体系结构简单、空间结构小、***可达性好；
2、运算速度快、控制性能好，能够快速准确地对焊接电弧这一非线性、时变负载的进行反馈控制；
3、能够进行焊接过程监控、焊缝跟踪或焊缝成形反馈控制。
现有的焊接过程视觉反馈控制***大多采用台式工业控制计算机作为图像处理机，用硬盘作为数据存储介质，采用基于PCI总线的图像采集卡将模拟视频图像数字化，通过DA转换卡将电脑输出的数字控制信号转成模拟控制量或直接采用数字输出给驱动器，并由此构成反馈控制***。例如黄军芬在《管道焊接视觉跟踪控制***研究》中介绍的焊缝跟踪控制***，采用Meteor-II/Standard图像采集卡及CCD摄像头实现焊缝区域图像的采集，在计算机上利用焊缝图像模式识别算法实时检测焊枪头与焊缝中心线的偏差，将此偏差量传送给PLC***实施跟踪控制。刘嵩的《一种基于计算机视觉的螺旋管焊缝自动跟踪***》和闵庆凯，日野泰成《焊接机器人智能过程与控制》也都采用台式工业控制计算机作为图像处理机，来构建焊接过程反馈控制***。这种反馈控制***离不开庞大的台式工业控制计算机，体系结构复杂，控制***的可达性差，无法进行离线焊接控制。
随着DSP技术的发展，也出现了一些基于DSP的焊接视觉反馈控制***。从已公开发表的文献资料来看，它们都采用一片DSP同时完成图像处理和反馈控制两项运算任务，例如左小波在《基于DSP的焊缝自动跟踪***》一文中介绍了一种基于DSP视觉传感器的，用于无弧光干扰的埋弧焊的，焊缝自动跟踪***，其采用一片TMS320C6711型号DSP和一片前置型号为EPM71285的CPLD构成图像采集处理及显示模块，其中DSP既用于图像处理也用于控制信号输出，难以使图像处理和反馈控制全时并行工作，限制了***的动态响应速度。
另外，现有的焊接视觉反馈控制***由于受到空间、资源和接口的限制，未能将DSP图像处理模块、DSP反馈控制模块、电源及复位模块、视频接口模块、模拟视频编码模块、USB控制模块等集成为一体，未能同时实现模拟式和数字式视频图像信号的输入、输出，以及在单一反馈控制***中同时实现焊接过程监控、焊缝跟踪和焊缝成形控制等多种功能。
综上所述，现有焊接过程视觉传感***存在以下不足：(1)一般采用台式工业控制计算机进行图像采集与处理，体系结构复杂、可达性差：(2)采用单DSP运算体系结构，运算速度慢，在精度和速度上无法满足高质量焊接过程反馈控制要求；(3)集成度小，功能单一，未能实现焊接过程监控、焊缝跟踪和焊缝成形实时控制等多种功能的集成。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足，采用双DSP的嵌入式叠层积木式设计，不仅在***结构上脱离计算机进行工作，而且将DSP图像处理、焊接过程DSP实时反馈控制、视频接口、模拟视频编码、USB接口控制等众多功能模块集成在较小空间内，提供了一种结构紧凑、集成多种功能模块于一体的、基于双DSP嵌入式焊接图像处理的视觉反馈控制***，在***可达性、控制实时性和功能适用性等方面优于现有技术，可以广泛应用于CO2、MIG、TIG等多种焊接工艺方法中的焊接过程监控、焊缝跟踪和焊缝成形实时控制。
本发明设计的一种双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***，包括DSP模块、电源及复位模块、视频接口模块、模拟视频编码模块和USB控制模块，其特征在于，所述DSP模块为两个，其中一个为DSP图像处理模块，另一个为DSP反馈控制模块，所述的视频接口模块，用于将工业CCD相机获取的焊接区域图像传送给DSP图像处理模块，所述的DSP图像处理模块对该图像进行处理，提取用于焊缝跟踪或焊缝成形实时控制的特征参量，并将所述特征参量传送到DSP实时反馈控制模块，所述的DSP实时反馈控制模块根据所获得的特征参量实时调整焊枪位姿或调整焊接电源参数，所述的DSP图像处理模块将处理后的数字图像信号分为两路输出，一路经过所述的模拟视频编码模块输出给工业监视器进行焊接过程监控，另一路经过所述的USB控制模块输出到计算机上进行存储和显示，所述的DSP实时反馈控制模块、视频接口模块、模拟视频编码模块、DSP图像处理模块相连，USB控制模块、电源及复位模块6个模块分3层集成在一起。
所述的DSP图像处理模块位于中间位置，所述的DSP实时反馈控制模块、视频接口模块、模拟视频编码模块采用相同的端口排布与DSP图像处理模块相连，USB控制模块、电源及复位模块采用相同的端口排布与DSP图像处理模块相连。
所述的DSP图像处理模块提取并输的特征参量包括焊枪与焊缝的位置偏差或用于焊缝成形实时控制的熔深、熔宽，所述的DSP图像处理模块采用TMS320DM642为核心处理器，外扩两片48LC4M32B随机存储器和1片AM29LV033C掉电可保持存储器，其中，两片随机存储器用于缓存传入的焊接区域图像以及处理过程的中间变量，掉电可保持存储器用于保存算法程序，在***上电或复位时能够脱离上位机自举载入运行。
所述DSP实时反馈控制模块采用TMS320LF2812，根据DSP图像处理模块给出的焊缝跟踪或焊缝成形实时控制特征参量，输出3组控制信号，其中两组分别按每组一路速度给定PWM信号、一路运动方向DIRECTION信号，一路使能ENABLE信号输出，分别控制两路直流或步进电机用于焊枪水平和垂直位姿调整，另外一组输出3路PWM信号给焊接电源，分别用于焊接电压、电流和送丝速度的实时控制。
本发明具有以下优点及效果：
(1)、采用嵌入式叠层积木式结构设计，实现了焊接过程反馈控制***脱离工业计算机独立进行工作，减小了***体积和***体系结构复杂度，提高了反馈控制***的可达性；
(2)、采用了双DSP结构，分别用于焊接区域图像特征参量提取和焊缝跟踪及焊缝成形控制，有效提高了***的数据处理速度和动态响应性能；
(3)、集成了视频图像信号的模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出等多个模块，使***具有更强的功能适用性；
(4)、采用CPLD技术，实现了对不同视频信号输入源的支持；
(5)、能够针对不同的焊接工艺方法预置相应的工艺规范参数，实现焊接过程监控、焊缝跟踪和焊缝成形实时控制。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明专利做进一步说明，但本发明专利不限于附图所示。
图1双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***结构图；
图2双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***三维***图；
图3双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***三维结构图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明专利包括DSP图像处理模块、DSP反馈控制模块、模拟视频编码模块、USB控制模块以及视频接口模块等几部分。其中DSP图像处理模块采用TI公司高性能图像处理芯片TMS320DM642，在其EMIF总线空间的CE0上外扩了两块16M的RAM，用于暂存从视频口获取的海量图像数字信号。同时，在其EMIF的CE1空间上外扩了一块4M的FLASH存储器。FLASH存储器用于掉电后保存图像处理程序算法，实现DSP上电后程序自装载，从而脱离上位机实现跟踪。DSP图像处理模块引出了TMS320DM642的全部视频接口(共三个)，并采用相同接口排布进行布置。
DSP反馈控制模块采用TI的TMS320LF2812作为逻辑控制单元，由于其已具有内置FLASH存储器，无需外扩FLASH存储器，为了获得更多程序运行内存空间，保证复杂的控制算法正常工作，模块外扩了512K的RAM。DSP反馈控制模块引出三组电机控制线，每组控制线包括3个控制信号，能够适应多控制变量的反馈跟踪需求。DSP反馈控制模块通过多通道缓存串行口(McBSP)与DSP图像处理模块传输图像特征数据。
电源及复位模块采用两块高功率开关电源芯片，以5V电源作为输入，分别转换为1.4V和3.3V电源，给DSP图像处理模块的内核和外设提供了稳定的工作电源。由于DSP的复位需要特殊的上电时序，电源及复位模块集成了TPS3307复位芯片，控制图像处理模块和反馈控制模块中的DSP进行有效复位操作。
视频接口模块由模拟视频解码模块和数字视频接口模块组成，可根据实际的工业CCD相机输出信号的不同而区别选用。
模拟视频解码模块采用SAA7115芯片，将模拟相机输出的奇偶场模拟视频信号采样得到数字视频信号输出，并通过视频接口传入DSP图像处理模块。由于模拟视频解码模块涉及模拟和数字信号，为了防止模拟信号和数字信号之间的干扰，此模块不使用***电源及复位模块输出的3.3V电源，而采用模块内部TPS76833开关电源芯片将输入的5V电源分别转换为3.3V模拟电源和3.3V数字电源分别供给本模块的数字和模拟部分电路。为了防止模拟和数字电源之间的干扰，模拟和数字电源之间加入磁珠隔离并加入大量电容续流和滤波。
数字视频接口模块使用4片DS90LV048A转换15路LVDS信号，为了适应不同的数字视频格式，15路数字视频信号没有直接接入DSP图像处理模块的视频口，而是经过一片EPM240T100的CPLD。通过对CPLD编程能够对输入的信号格式进行转换或对输入的数字信号进行初步的处理并送到对应的视频图像口。
模拟视频编码模块采用SAA7121将DSP图像处理模块通过视频端口输出的数字视频信号转换为CVBS模拟信号输出到N制或者PAL制监视器上进行显示。与模拟视频解码模块相同，由于该模块涉及模拟和数字接口，因此采用了独立电源供电，并采用了模拟和数字电源隔离。
USB控制模块采用CY7C68013芯片。其扩展了一块24WC256的I2C电可擦写存储器，用于存储USB固件程序，实现上电自举配置成USB外设接口，完成与计算机的USB通讯。CY7C68013通过DSP图像处理模块的高速外设接口(HPI)，在不耗费图像处理模块DSP的计算开销下，通过DMA通道读取内存中的数字图像信号，从而实现上位机对数字视频信号的采集功能。
所述的DSP反馈控制模块、模拟视频解码模块、数字视频接口模块、模拟视频编码模块采用相同的接口形式，可在所述的DSP图像处理模块扩展的三个视频端口上实现方便的互换拆装。其中模拟视频解码模块、数字视频接口模块和模拟视频编码模块为可选模块。这些模块不是***正常工作的必须模块，在实际使用时，可根据不同的应用情况选择安装这些模块实现特定的视频采集及输出。
图2为***三维***图，DSP反馈控制模块(102)、模拟视频解码接口模块(104)、模拟视频编码模块(105)采用相同的端口排布与DSP图像处理模块(101)相接，USB控制模块(106)、电源及复位模块(103)采用相同的端口排布与DSP图像处理模块(101)相接。
图3为***三维组装图，这种三层叠装结构使本***具有较小整体空间体积(170mm×57mm×40mm)。
本发明专利的工作原理及工作过程：
根据不同输出模式的相机，安装不同的视频接口/解码模块，即数字相机安装数字视频接口模块，模拟相机安装模拟视频解码模块。焊接现场图像被数字/模拟相机采集后经过视频接口/解码模块转换为特定格式的视频数据，通过视频口传入DSP图像处理模块。DSP图像处理模块通过DMA通道无运算损耗地将图像信息传入扩展的RAM中缓存，同时处理器同步进行缓存图像的特征提取运算，并通过多通道缓存串行口(McBSP)传输给DSP反馈控制模块。DSP反馈控制模块根据图像特征值输出相应的控制信号完成焊缝跟踪闭环控制及焊接质量闭环控制。
该装置基于嵌入式双DSP结构，在较小体积内集成多功能模块，实现了脱离上位机独立进行焊缝跟踪和熔宽、熔深控制。由于该装置结构紧凑、集成度高、可扩展及适应性强、体积小，提高了焊接控制***的可达性和适应性。
Claims (4)
1. 一种双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈***，包括DSP模块、电源及复位模块、视频接口模块、模拟视频编码模块和USB控制模块，其特征在于，所述DSP模块为两个，其中一个为DSP图像处理模块，另一个为DSP反馈控制模块。所述的视频接口模块，用于将工业CCD相机获取的焊接区域图像传送给DSP图像处理模块，所述的DSP图像处理模块对该图像进行处理，提取用于焊缝跟踪或焊缝成形实时控制的特征参量，并将所述特征参量传送到DSP实时反馈控制模块，所述的DSP实时反馈控制模块根据所获得的特征参量实时调整焊枪位姿或调整焊接电源参数，所述的DSP图像处理模块将处理后的数字图像信号分为两路输出，一路经过所述的模拟视频编码模块输出给工业监视器进行焊接过程监控，另一路经过所述的USB控制模块输出到计算机上进行存储和显示，所述的DSP实时反馈控制模块、视频接口模块、模拟视频编码模块、DSP图像处理模块相连，USB控制模块、电源及复位模块6个模块分3层集成在一起。
2. 根据权利要求1所述的双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***，其特征在于，所述的DSP图像处理模块位于中间位置，所述的DSP实时反馈控制模块、视频接口模块、模拟视频编码模块采用相同的端口排布与DSP图像处理模块相连，USB控制模块、电源及复位模块采用相同的端口排布与DSP图像处理模块相连。
3. 根据权利要求1或2所述的双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***，其特征在于，所述的DSP图像处理模块提取并输的特征参量包括焊枪与焊缝的位置偏差或用于焊缝成形实时控制的熔深、熔宽，所述的DSP图像处理模块采用TMS320DM642为核心处理器，外扩两片48LC4M32B随机存储器和1片AM29LV033C掉电可保持存储器，其中，两片随机存储器用于缓存传入的焊接区域图像以及处理过程的中间变量，掉电可保持存储器用于保存算法程序，在***上电或复位时能够脱离上位机自举载入运行。
4. 根据权利要求3所述的双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制***，其特征在于，所述DSP实时反馈控制模块采用TMS320LF2812，根据DSP图像处理模块给出的焊缝跟踪或焊缝成形实时控制特征参量，输出3组控制信号，其中两组分别按每组一路速度给定PWM信号、一路运动方向DIRECTION信号，一路使能ENABLE信号输出，分别控制两路直流或步进电机用于焊枪水平和垂直位姿调整，另外一组输出3路PWM信号给焊接电源，分别用于焊接电压、电流和送丝速度的实时控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |