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STM8背景下机器视觉检测平台设计分析

2020-11-26 186 上传者：管理员

摘要：针对工业生产中某些精密零件需要机器视觉检测来检验合格性的要求，介绍了一种基于STM8S单片机的机器视觉检测平台的设计方案，阐述了对伺服电机的控制原理与控制方案，实现了梯形加减速的效果，可准确到达指定位置，并对检测平台进行了整体设计，包括对摄像头、电源、控制器等的设计。该平台可实现对精密零件的缺陷检测、形状识别、位置标定等功能，结构紧凑、性能稳定且电路简单。

关键词：
STM8S
人工智能
控制器
机器视觉
检测平台
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目前，机器视觉是人工智能的核心技术之一，其核心是用机器代替人眼和大脑去观测和判断。综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面，涉及到计算机图像处理、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域，是跨学科的前沿高科技技术。

基于制造业的发展需求，各大高校都开设了机器视觉的课程，但该课程理论性较强，学生不易理解，通过实践操作能让学生更快掌握机器视觉图像处理算法和技巧，为今后实际项目应用打好基础。传统的机器视觉检测系统实验平台设备陈旧、软件集成化且功能单一，使所开设的实验无法达到预期效果。

在该情况下，设计一个基于STM8的机器视觉检测平台，这对于丰富实验平台的功能，实现对精密零件的缺陷检测、形状识别、位置标定等操作都有较大的帮助。同时，对于提高学生的学习兴趣、实现人机交互都具有重要的意义。

1、开发背景

一个合适的实验平台，需要从学生出发，培养学生实验操作和解决实际问题的能力。本项目拟改造实验室现有的机器视觉检测平台，升级其自动化运动控制系统，完成尺寸测量、颜色识别、缺陷检测、字符识别、匹配定位等实验项目，使实验效果更贴近实际应用，提高学生的学习兴趣。

本项目所开发的机器视觉检测平台是对实验室现有设备的升级改造。国内虽然有同类产品，但价格昂贵（10万元左右），而且软件集成化，开设演示实验，无法进行设计类综合型实验。本项目针对机电专业课程设置，研究运动系统的控制程序，所设计检测平台的软件部分采用模块化设置，后台程序可根据需求任意修改，提高了学生们学习的主动性，加深了其对专业知识理解的深度。

2、实验平台简介

2.1实验平台的构成

本实验平台主要包括多功能检测实验平台运动控制部分、机器视觉在线检测系统和图像处理软件部分。利用现有的机器视觉在线检测系统和图像处理软件，通过对运动控制的设计，实现机器视觉检测平台的多样化、简单化。整体装置如图1所示。

图1整体装置示意图

2.2实验平台设计基本原理

构建的多功能实验平台要能模拟各种工业检测环境，运动控制部分选用工业PC+单片机+伺服电机的控制模式。单片机是意法半导体公司生产的STM8S208MB，其中STM8主控板由STM8微控制器模块、2.5V基准电压源、实时时钟模块、传感器接口以及各种接口构成，通过对STM8的开发，可开发出自己的控制系统[1]。运动控制模块分为直线位移台及旋转台的控制。

2.3实验平台开发的意义

本项目从实验开发出发，探索新的实验模式，充分利用学校实验室现有资源，以项目驱动，培养学生实验操作和解决实际问题的能力，加强了学生对专业课知识的理解，提高学习的主动性。机电类专业课内容较抽象且理论性强，学生在课堂上只学习了基本原理，无直观认识。通过参与实验平台的实际操作，加强对基础知识的理解，提高学习主动性，加深对专业知识理解的深度。

3、硬件系统设计

该机器视觉检测平台主要由PC端、相机、光源、试验台、单片机最小系统、伺服电机控制器、伺服电机、传感器检测模块、电源模块等组成。被测物放置在载物台上，通过PC端发送相关脉冲指令到伺服电机控制器，控制伺服电机运动到最佳观测位置后，通过PC端操作，获取多组高质量零件图像，从而对零件质量进行分析。硬件系统控制如图2所示。

图2硬件系统控制

3.1核心控制器

该实验平台选用了意法半导体公司生产的STM8S208MB单片机作为核心控制器[2]，其内部定时器TIME1为一种16位高级控制定时器，这是一个为更加广泛的控制应用而设计的一种高端定时器。而本实验之所以选用该单片机的最重要原因是该定时器中的电平翻转模式，实现对脉冲的精确控制，从而更好地控制伺服电机，实现梯形加减速效果。其次，还有4个独立的捕获/比较通道，可配置成输入捕获、输出比较，还有3个输入捕获/输出比较中断，1个溢出/更新中断，1个break中断，都为控制伺服电机提供了良好条件。

3.2伺服电机

该实验平台选用HM90B滚珠丝杠直线滑台模组，配有1.6N·m的57伺服电机。滑台整体密封性好，并在侧槽中配有对应的螺母，可用于安装传感器检测模块，采用高精度滚珠丝杠，可实现精确定位，滑块拥有良好的精度和韧性，同时该模组震动小，不会对相机成像造成影响，伺服电机力矩大、精度高，为实验平台的精确定位提供了硬件基础。

3.3传感器检测模块

在该实验平台的搭建中，在电机的初始位置和极限位置都设有位置传感器，实时监控检测平台的位置，保证实验安全进行。使用该方法，需在实验开始前，进行人为调节，使实验平台对准镜头，找到最佳位置。该方法对硬件要求少，搭建方便，但无法实现自动控制。

可在检测平台和相机安装架上分别设置红外发生器和红外接收器实现自动控制，实时检测实验平台的位置，该方法需在搭建平台时确定好发生器和接收器的对应位置，在实验进行过程中无需人为操作，但对硬件设施要求高，搭建复杂。

在具体进行实验时，根据实际情况选择不同定位方法。本实验平台因只需实现简单的图像识别、零件数量少，因此，选择第一种方法更加经济合适。

3.4相机以及光源选择

相机选用了MV-VDUSB2.0型高速高清工业相机，该相机采用帧曝光作为传感器，图像质量高、色彩还原性好。以USB2.0作为输出，信号稳定，可以基本满足该实验的检测要求。相机型号如图3所示。

光源选择上，选用高角度环形光源，该光源经济合适，可达到无影光源的效果，实现大视野高均匀照明。在实验平台中，使用环形光源还可避免阴影对实验图像的影响，得到高质量的零件照片，为之后的图像识别提供有力支撑。光源如图4所示。

图3相机型号示意图

图4光源示意图

4、运动控制系统设计

为了保证得到清晰高质量的零件图像，该实验平台对运动控制系统进行了详细认真的设计，在保证运动精度的同时，发挥运动控制系统的最佳性能，实现各个硬件模块的信息传递，同时设计了简单易使用的运动指令，实现简单的梯形加减速控制。基本控制流程如图5所示。

图5运动控制系统思路

4.1脉冲发生器

为了驱动伺服电机，需要单片机产生脉冲方波。常用的控制伺服电机的方法有PLC直接控制，利用PWM波控制等方法。前者电路复杂，功能集成度高，在本实验平台中经济效用不高；而后者控制方法不直观，功能上的改进有难度。因此，本实验利用单片机的电平翻转模式产生脉冲，达到控制电机的目的。

电平翻转模式为单片机定时器中的一种功能，该模式下，单片机会捕获定时器的计数值，与事先确定好的阈值进行比较，两者相等时，电平自动翻转。而在控制电机的过程中，做完比较后，在原有的阈值基础上加一个数值，得到新的阈值，再进行电平翻转，依次往复进行，得到控制电机的脉冲。

4.2梯形加速算法

在实际工作中，电机可以达到较高的运行速度，但由于其本身的工作特质，当开始运行时给予较高频率的脉冲会使电机卡住，无法动作。而梯形加速可解决该问题，相当于给电机以缓冲阶段，从而达到较高的运行速度，提高工作效率。在本实验平台中，结合核心控制器的电平翻转模式，验证了梯形加速算法在该平台开发中的可行性。

梯形加速如图6所示。

图6梯形加速示意图

在具体实现方面，电机速度的控制关键在于脉冲的频率，匀速运动的脉冲频率是固定的，加速时脉冲频率是递增的。将这样的原理反映到电平翻转模式中，匀速运动时阈值按照定值递增，保证脉冲的频率固定；加速运动时，按照对应的比例求出递增值，加到之前的阈值中，使脉冲频率逐渐增高，从而实现加速效果；减速运动的不同点在于使脉冲频率逐渐降低，达到减速效果。电平翻转产生加速脉冲如图7所示，加速脉冲如图8所示。

4.3动作指令

动作指令的发送用到了核心控制器的串口通信模块，从PC端通过串口将相关指令发送给单片机，进而控制电机运动。在指令设计中，采用了（x,y）的绝对坐标模式。上电后先让电机运动，带动载物台回到原点，原点处由位置传感器接收信息，写入存储器，记录原点坐标；之后，根据指令特征，识别不同坐标轴的行程大小、运动方向，并将运动信息进行整合，实时记录载物台位置。同时，为保证实验安全进行，还设置有急停、快进、快退等指令，并根据具体指令运行情况记录载物台位置。

图7电平翻转产生加速脉冲

图8加速脉冲示意图

5、结束语

本文设计了一种以STM8为核心控制器的机器视觉检测实验平台，用于工业中零件的缺陷检测、形状识别以及位置标定等。本平台的运动控制系统有动态响应灵敏、速度调节范围大、震动小等优点，同时在设计过程中考虑到了安全可靠的因素，保证该实验平台工作稳定，满足性能要求，对工业上零件的缺陷检测的控制系统设计和实现都具有指导意义，同时可以在该平台上进行二次开发，达到更加精确的效果。

参考文献：

[1]刘永鑫,洪添胜,徐兴,等.基于STM8滴灌自动控制系统的设计与实验[C]//中国农业工程学会2011年学术年会,2011.

[2]高兵权,肖学福,汤丽,等.基于STM8S单片机的货场铁路道口自动报警装置设计[J].华北科技学院学报,2012,9(4):35-39.

孔晨浩,宋淮桐.基于STM8的机器视觉检测平台设计[J].科技与创新,2020(22):59-61.

基金:天津科技大学大学生实验室创新基金项目(编号:1901A204).