本發(fā)明涉及紡織行業(yè)的交流伺服電機的自動控制技術領域，具體涉及一種帶視覺的自動落紗機控制系統(tǒng)。

背景技術：

紡織業(yè)為國家的經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，同時紡織行業(yè)屬于一種勞動極其密集的行業(yè)，中國約1/13的人口從事相關工作。制約我國紡織行業(yè)發(fā)展的主要因素是紡織器械的自動化程度低，紡織用機械設備故障率高，很難達到快速生產(chǎn)的要求。

擁有世界先進技術國家，例如德國、日本、美國等在紡織過程中，紡織器械完全實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，而我們國家在近些年才實現(xiàn)半自動化生產(chǎn)。以使用的智能落紗機為例，新世紀后，中國還有一大部分工廠使用人工實現(xiàn)落紗，而人工最大的弊端就是容易產(chǎn)生勞累，從而產(chǎn)生一些意想不到的事故。還有一部分在使用集體智能落紗機實現(xiàn)落紗過程，集體智能落紗機的使用的確可以減輕勞動力，但是這將大大增加工廠的生產(chǎn)成本，因為集體智能落紗機的使用條件是一對一，即一臺機器對應一臺智能落紗機。極少數(shù)工廠正在使用獨立式智能落紗機，但是國內生產(chǎn)的智能落紗機會不斷出現(xiàn)故障，很難滿足工作需求，所以智能落紗機的在中國的應用也比較局限。

就紡織過程的落紗環(huán)節(jié)而言，國內急需一種可以快速插拔，效率高并且故障率低的全自動化智能落紗機，彌補現(xiàn)有落紗機的不足。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供了一種帶視覺的自動落紗機控制系統(tǒng)在運動的過程中精準抓取紗錠的伺服電機控制方法，使落紗機精準抓取紗錠，實現(xiàn)了落紗過程的高效、低故障、快速，減少了人力成本，提高了企業(yè)效益。

本發(fā)明的實施例提供一種帶視覺的自動落紗機控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、光電傳感器、視覺控制系統(tǒng)、前后伺服驅動器、左右伺服驅動器、上下伺服驅動器、主車伺服驅動器、前后伺服電機、左右伺服電機、上下伺服電機以及主車伺服電機；所述光電傳感器用于在落紗機主車沿紡紗機做勻速直線運動過程中檢測流水線各紗錠的固定距離和紗錠數(shù)目，確定末端執(zhí)行器運動的動作位置；所述視覺控制系統(tǒng)用于識別出末端執(zhí)行器和紗錠，確定末端執(zhí)行器的準確位置和將要抓取的紗錠的準確位置，通過紗錠的準確位置計算出末端執(zhí)行器的期望位置，將末端執(zhí)行器的準確位置和期望位置相比較得到偏差，確定機械臂末端執(zhí)行器抓取紗錠需要移動的方位；主車伺服電機負責落紗機沿紡紗機直線運動；前后伺服電機、左右伺服電機、上下伺服電機負責末端執(zhí)行器相對于落紗機做三維運動，其中前后伺服電機控制末端執(zhí)行器相對于自動落紗機做前后運動；左右伺服電機控制末端執(zhí)行器相對于自動落紗機做左右運動；上下伺服電機控制末端執(zhí)行器相對于自動落紗機做上下運動。

進一步地，所述視覺控制系統(tǒng)通過串口與控制系統(tǒng)相互通信，控制系統(tǒng)通過導線分別與前后伺服驅動器、左右伺服驅動器、上下伺服驅動器、主車伺服驅動器、光電傳感器相連接，前后伺服驅動器通過導線與前后伺服電機相連接、左右伺服驅動器通過導線與左右伺服電機相連接、上下伺服驅動器通過導線與上下伺服電機相連接、主車伺服驅動器通過導線與主車伺服電機相連接。

進一步地，所述光電傳感器在落紗機沿紡紗機做勻速直線運動過程中檢測流水線各紗錠的固定距離和紗錠數(shù)目，當達到抓取數(shù)目時向控制系統(tǒng)發(fā)出運動信號，控制系統(tǒng)根據(jù)流水線各紗錠的固定距離給出末端執(zhí)行器運動到動作位置；控制系統(tǒng)向左右伺服驅動器發(fā)出控制信號，左右伺服電機控制末端執(zhí)行器相對于自動落紗機的行走方向反向運動至滿紗紗管的位置并保持相對靜止，然后控制系統(tǒng)控制前后伺服電機、上下伺服電機帶動末端執(zhí)行器運行到動作位置，從而使末端執(zhí)行器與紗錠保持相對靜止，完成跟蹤控制。

進一步地，視覺控制系統(tǒng)包括攝像頭和視覺信息處理裝置；視覺控制系統(tǒng)采集并處理視覺信息，識別出末端執(zhí)行器和紗錠，將其對應的像素從背景圖像中分割出來，得到末端執(zhí)行器的準確位置和將要抓取的紗錠的準確位置，通過紗錠的準確位置計算出末端執(zhí)行器的期望位置，將末端執(zhí)行器的準確位置和期望位置相比較得到偏差，視覺控制系統(tǒng)根據(jù)偏差給出末端執(zhí)行器需要移動的位置并向控制系統(tǒng)發(fā)出定位數(shù)據(jù)，使末端執(zhí)行器對準紗錠。

進一步地，主車編碼器輸出的主車實際速度作為負反饋與末端執(zhí)行器左右移動速度進行比較后輸入給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)比較值控制左右伺服電機的轉速，補償主車的速度。

進一步地，控制系統(tǒng)根據(jù)笛卡爾空間坐標規(guī)劃機械臂運動位姿，通過逆運動學求解關節(jié)位置給定值控制機械臂在期望的位置基礎上消除位置偏差，控制末端執(zhí)行器對準紗錠。

進一步地，在控制末端執(zhí)行器對準紗錠時，視覺控制系統(tǒng)向控制系統(tǒng)發(fā)出插拔紗錠指令，末端執(zhí)行器執(zhí)行插拔動作。

進一步地，所述控制系統(tǒng)采用plc控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：本發(fā)明的采用機器視覺與光機電一體化的方式實現(xiàn)全自動落紗機行進、拔紗、落紗、插空管的全部過程，通過運用機器視覺的控制方式精準確定紗位，實現(xiàn)了落紗過程的高效、快速、準確，減少了人力成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明落紗機的自動控制系統(tǒng)的結構框圖。

圖2是本發(fā)明視覺控制系統(tǒng)的視覺信息處理流程示意圖。

圖3是本發(fā)明視覺控制系統(tǒng)對末端執(zhí)行器定位流程示意圖。

圖中：1、plc控制系統(tǒng)；2、視覺控制系統(tǒng)；21、視覺信息處理裝置；3、光電傳感器；4、末端執(zhí)行器；5、前后伺服驅動器；6、左右伺服驅動器；7、上下伺服驅動器；8、主車伺服驅動器；9、前后伺服電機；10、左右伺服電機；11、上下伺服電機；12主車伺服電機；13、圖像采集；14、圖像特征提?。?5、笛卡爾空間坐標求??；16、目標位置給定。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地描述。

請參考圖1，本發(fā)明的實施例提供了一種帶視覺的自動落紗機控制系統(tǒng)，包括plc控制系統(tǒng)1、末端執(zhí)行器4、光電傳感器3、視覺控制系統(tǒng)2、前后伺服驅動器5、左右伺服驅動器6、上下伺服驅動器7、主車伺服驅動器8、前后伺服電機9、左右伺服電機10、上下伺服電機11以及主車伺服電機12。

主車伺服電機12負責落紗機沿紡紗機直線運動，前后伺服電機9、左右伺服電機10、上下伺服電機11負責末端執(zhí)行器4相對于落紗機做三維運動，其中前后伺服電機9控制末端執(zhí)行器4相對于自動落紗機做前后運動；左右伺服電機10控制末端執(zhí)行器4相對于自動落紗機做左右運動；上下伺服電機11控制末端執(zhí)行器4相對于自動落紗機做上下運動。

視覺控制系統(tǒng)通過串口與plc控制系統(tǒng)1相互通信，plc控制系統(tǒng)1通過導線分別與前后伺服驅動器5、左右伺服驅動器6、上下伺服驅動器7、主車伺服驅動器8、光電傳感器3相連接，前后伺服驅動器5通過導線與前后伺服電機9相連接、左右伺服驅動器6通過導線與左右伺服電機10相連接、上下伺服驅動器7通過導線與上下伺服電機11相連接、主車伺服驅動器8通過導線與主車伺服電機12相連接。

光電傳感器3在落紗機沿紡紗機做勻速直線運動過程中檢測流水線各紗錠的固定距離和紗錠數(shù)目，當達到抓取數(shù)目時向控制系統(tǒng)發(fā)出運動信號，控制系統(tǒng)根據(jù)流水線各紗錠的固定距離給出末端執(zhí)行器4運動到動作位置；控制系統(tǒng)向左右伺服驅動器6發(fā)出控制信號，左右伺服電機10控制末端執(zhí)行器4相對于自動落紗機的行走方向反向運動至滿紗紗管的位置并保持相對靜止，然后plc控制系統(tǒng)1控制前后伺服電機9、上下伺服電機11帶動末端執(zhí)行器4運行到動作位置，從而使末端執(zhí)行器4與紗錠保持相對靜止，完成跟蹤控制。

視覺控制系統(tǒng)2包括攝像頭和視覺信息處理裝置21；視覺控制系統(tǒng)2采集并處理視覺信息，識別出末端執(zhí)行器4和紗錠，將其對應的像素從背景圖像中分割出來，識別出末端執(zhí)行器4和紗錠，將其對應的像素從背景圖像中分割出來，得到末端執(zhí)行器4位置在攝像機坐標系的位置和將要抓取的紗錠在攝像機坐標系的位置，；視覺信息處理裝置利用位置估計算法對紗錠位置和末端執(zhí)行器4位置在攝像機坐標系的位置進行計算，然后根據(jù)攝像機外部參數(shù)、運動學方程得到末端執(zhí)行器4和紗錠的準確位置。通過紗錠的準確位置計算出末端執(zhí)行器4的期望位置；將末端執(zhí)行器4的準確位置和期望位置相比較得到偏差，視覺控制系統(tǒng)2根據(jù)偏差給出末端執(zhí)行器4需要移動的位置并向plc控制系統(tǒng)1發(fā)出定位數(shù)據(jù)，使末端執(zhí)行器4對準紗錠，同時視覺控制系統(tǒng)2向plc控制系統(tǒng)1發(fā)出插拔紗錠指令，末端執(zhí)行器4執(zhí)行插拔動作。完成一次插拔任務后，末端執(zhí)行器4回到初始位置等待光電傳感器3發(fā)出下一個運動信號，進行下一次插拔紗錠運動。

請參考圖2，本發(fā)明視覺控制系統(tǒng)2的視覺信息處理裝置包括以下幾個功能模塊：

圖像采集13:對攝像機攝取圖像增強器的光學圖像轉換為視頻信號，傳送至圖像采集卡進行數(shù)字化，形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；

圖像特征提取14:對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理，把圖像上的點分為不同的子集；

笛卡爾空間坐標求取15:通過確定圖像平面坐標和像素坐標之間的關系，將數(shù)字圖像與世界坐標系聯(lián)系起來；

目標位置給定16:根據(jù)笛卡爾空間坐標求解目標位置給定值。

請參考圖3，本發(fā)明中視覺控制系統(tǒng)2對末端執(zhí)行器4定位通過以下方法實現(xiàn)：

s301，建立攝像機的線性模型，根據(jù)攝像機型號和落紗環(huán)境對攝像機進行內外參數(shù)標定；

s302，通過閾值分割識別出目標物體，將其對應的像素從背景圖像中分割出來，其方法步驟為：

(1)求出原始圖像的直方圖：

對于數(shù)字圖像，灰度級r為離散值rk(k＝0,1,2,…,l-1,l是灰度級的數(shù)目)；第i個灰度級ri出現(xiàn)的頻數(shù)用ni表示，該灰度級像素對應的概率值p(ri)為:

式中n是一幅圖像的像素總數(shù)，ri滿足歸一化條件

(2)按式

的變換函數(shù)，求出原始圖像中每一個灰度級ri所對應的si；

(3)合并si；

(4)根據(jù)合并后的si修改原圖像各像素的灰度級；

s303，運用攝像機獲取紗錠實際目標位置。紗錠在運動空間的坐標系為世界坐標系，紗錠的位置由該坐標系的坐標表示為(x，y，z)，投影得到的圖像以圖像的邊界作為坐標軸構成圖像坐標系，圖像上點的位置可在此坐標系中表示為(u，v)，假設相機的投影關系為線性關系，又因為末端執(zhí)行器4在平面上運動，投影關系可表示為

式中的矩陣表示攝像機在世界坐標系中的位置和姿態(tài)，通過求解這些參數(shù)完成攝像機的標定；

s304，運用攝像機獲取末端執(zhí)行器4的實際位置。末端執(zhí)行器4的圖像識別通過模板匹配進行，先獲得包含末端執(zhí)行器4的一小幅圖像作為模板，設為g(x，y)，設運動區(qū)域圖像為f(x，y)，則通過比較模板和模板覆蓋的圖像區(qū)域的相似性來識別末端執(zhí)行器4，兩者的相似性表示為

d＝∑|f(x+x0.y+y0.)-g(x，y)|

d越小則相似性越大，取最小的d所對應的點作為末端執(zhí)行器4的圖像坐標，通過已經(jīng)求解的攝像機參數(shù)求解世界坐標；

s305，視覺控制系統(tǒng)2不停更新末端執(zhí)行器4需到達的期望位姿以反映物體位置的變化。

本發(fā)明一種帶視覺的自動落紗機控制系統(tǒng)工作過程如下：plc控制系統(tǒng)1運用速度補償方式對末端執(zhí)行器4的進行軌跡和速度規(guī)劃并控制末端執(zhí)行器4精準抓取紗錠。plc控制系統(tǒng)1輸出信號驅動落紗機沿紡紗機做勻速直線運動，在落紗機沿紡紗機做勻速直線運動過程中，光電傳感器3檢測流水線各紗錠的固定距離和紗錠數(shù)目，當達到抓取數(shù)目時向控制系統(tǒng)發(fā)出運動信號，控制系統(tǒng)根據(jù)流水線各紗錠的固定距離給出末端執(zhí)行器4運動到動作位置；末端執(zhí)行器4根據(jù)動作位置加速運動到動作位置，同時末端執(zhí)行器4維持左右絲桿運動方向上與主車速度大小相同方向相反，使末端執(zhí)行器4與紗錠保持相對靜止，完成跟蹤控制。同時，視覺控制系統(tǒng)2通過落紗機工作環(huán)境的視覺信息，識別出末端執(zhí)行器4和紗錠，將其對應的像素從背景圖像中分割出來，得到末端執(zhí)行器4位置在攝像機坐標系的位置和將要抓取的紗錠在攝像機坐標系的位置。視覺信息處理裝置利用位置估計算法對紗錠位置和末端執(zhí)行器4位置在攝像機坐標系的位置進行計算，然后根據(jù)攝像機外部參數(shù)、運動學方程得到末端執(zhí)行器4和紗錠的準確位置。通過紗錠的準確位置計算出末端執(zhí)行器4的期望位置，將準確位置和期望位置相比較得到偏差，視覺控制系統(tǒng)2根據(jù)偏差給出末端執(zhí)行器4需要移動的位置并向plc控制系統(tǒng)1發(fā)出定位數(shù)據(jù)，plc控制系統(tǒng)1根據(jù)笛卡爾空間坐標規(guī)劃機械臂運動位姿，通過逆運動學求解關節(jié)位置給定值控制機械臂在期望的位置基礎上消除位置偏差，使末端執(zhí)行器4對準紗錠，同時視覺控制系統(tǒng)2向plc控制系統(tǒng)1發(fā)出插拔紗錠指令，末端執(zhí)行器4執(zhí)行插拔動作。完成一次插拔任務后，末端執(zhí)行器4回到初始位置等待光電傳感器3發(fā)出下一個運動信號，進行下一次插拔紗錠運動。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特征可以相互結合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。