基于PAL-CCD的数控机床控制对接系统设计.pdf

基于P A L C C D的数控机床控制对接系统设计 UAV con t r ol r e f uel i ng docki ng s y st em de si gn bas ed on PAL- CCD 史克彬 ，赵凤芹 SHl K e ． b i n ’。 ．ZHA0 F e n g ． q i n l 1 ． 沈阳农业大学，沈阳 1 1 0 8 6 6 2 ． 辽宁职业学院 机械工程学院，沈阳 1 1 0 8 6 6 搞 薹；数控机床对接过程是一个十分复杂的过程。传统系统在数控机床对接控制的过程中，很少考 虑外界复杂条件对机床控制对接过程的影响，使对接的效率和准确度大大降低。设计并实现 了基于逐行倒相一图像控制器 P h a s e Al t e r a t i o n L l n e - Oh a r 8 e c o u p le d D e v i c ePL A C O D 的数控机床控制对接系统。详细阐述了数控机床对接系统的构成及工作原理。详细设计 了控制系统中各个功能模块，运用P A L 格式的C O D 图像采集模块对控制过程进行视觉采集， 并对对接过程机床的基准点测量和对接控制过程进行了详细的模块设计 ， 保证对接过程的准 确。测试实验结果表明，利用基于视觉校验的对接系统进行数控机床对接控制，能够有效提 高对接过程的效率和准确性，效果令人满意。 关键诃 。 图像解码；数控机床；逐行倒相 中田分类号；T P 3 9 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 5 0 8 下 -O l 5 2 -0 5 C o l l 1 O ． 3 9 6 c I／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 8 下 ． 4 1 0 引言 随着数控技术的快速发展，它 已经被广泛应用到医 疗设备、军事装备、制造行业等诸多领域，并发挥着越 来越重要的作用[ 1 ] 。数控技术在使用过程中，由于 自身 技术水平 、质量、精度 、性能等方面的影响，及时补充 技术水平，才能保证数控技术 的发展速度口 l 。由于数控 机床控制对接 的过程是一个十分复杂的过程，因此，数 控机床控制对接软件设计方法，成为工业领域需要研究 的核心 问题 ，受到很多专家的重点关注口 。当前阶段 ， 主要的数控机床控制对接软件设计方法主要包括基于运 动轨迹跟踪算法的数控机床控制对接软件设计方法 、 基于特征点重叠算法的数控机床控制对接软件设计方法 和基于三维立 体技术 的数控机床控制对接软件设计方 法[5 ．6 】 。由于数控机床控制对接软件设计方法在工业领域 应用范围十分广泛，因此，拥有广阔的发展前景 ，成为 很多科研单位研究的重点课题。 1 系统总体架构 数控机 床控制对 接系统 的总体结构 如图 1 所示 。 硬件部 分主要有C C D视频 采集器 、S E E D． V P M6 4 图 像处 理DS P 、MC9 S 1 2 DG1 2 8 微 处理 器 、蓄 电池 、 L E D显示器 、S A T A硬盘等够成 。图像采集 系统基于 T MS 3 2 0 D M6 4 2 内核 的S E E D． VP M6 4 图像处理D S P 构 成，为 了提 高图像 的处理性能，采用MC 9 S 1 2 D G1 2 8 微 处理器实现对 数控机床控制对接状态参数 的采集和警 示。L E D液晶显示器的分辨率是 1 9 2 0 X 1 2 8 0 ，存储介质 采用2 5 0 } 的硬盘。 } 信号 对接信号H 整理 一l 电路 ] 一 姿态信号 _ J 电源模块L 一 一 ----------------------------- i 一 C C D 图像 I 采集模块l l 工I 图像解码l I 模块l M C 9 S 1 2 D G 1 2 8 H声光报警 i 一一 l I I串口通信 『 i 一 ．．，，．．． ．．，．．．． ．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． I ． ． ． ． ．． 一 转换电 路 H串口 通信 二]二 S E E D - V P M 6 4 2 L L E D 显示器 图1 系统总体框架 图 C C D图像采集器 的作用是采集数控 机床控 制对接 过程 的图像信息 ， ． 是系统的核心部分 。它包括P AL 和 N T S C 两种图像格式 ，N T S C 格式的图像色彩稳定性较 差，容易阐述相位失真 ，而P A L 格式的图像则能避免上 述缺陷，因此采用P A L 格式的C C D图像采集器 。由于数 控机床控制对接的过程是个十分精密的过程 ，因此 ， C C D图像采集器采用高保真T l 叮彩色C C D图像采集器， 其型号为O T A M 。 2 系统关键模块的硬件设计 2 ． 1 S E E D - V P M 6 4 2 图像处理模块的硬件设计 S E E D． VP M6 4 2 图像 处理DS P 的核心 是S E E D一 收藕日l2 0 1 5 -0 4 -1 5 作者冀介史克彬 1 9 8 1一 ，男，硕士研究生，主要从事数控教学工作。 [ 1 5 2 ] 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 - 0 8 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 上图中 ，T、U分 别为数控机床 、UAV的质心 ； P j 表示特征点；B 为对接点，它在数控机床坐标系下位 置是固定的；R 为UA V的口位置 ；C 为系统摄像机 的位 置。所有坐标系都采用 了I S O 体系。 基 于上述 数控机床控制对接过程 的特殊性 ，系统 设计控制软件的主要功能包括 与测量设备和对接装置 的接 口控制 、对接装置与机床初始位置定位、采集定位 基准点坐标 、机床与对接装置的姿态计算、产生并传输 对接装置控制信号、对接过程控制、对接状态监控、对 接过程视觉校验 、对接图像显示等 。根据上述功能的需 要，系统控制软件主要分为对接接 口管理、对接基准点 计算、对接之前的机床调整、对接运动控制、视觉校验 和参数处理等模块 。 3 ． 2 软件的整体设计 以Vi s u a l C 6 ． 0 为基础 ，结合Op e n CAS C ADE的几 何形状数据库和视觉校验交互数据库进行数控机床控制 对接的软件的设计 。图7 能够描述软件控制数控机床控 制对接过程中的控制软件设计流程。 N 图7 控制软件设计流程 【 1 5 4 】 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 0 8 下 系统控制软件需要利用T C P 仃 P 通信协议才能实现与 控制器进行连接通信，是间接与脉冲跟踪仪进行连接， 同时利用脉冲跟踪仪 自带的编程接 口，进行对脉冲跟踪 仪的控制。如图8 所示。对接基准点的测量过程为1 连接控制器；2 对脉冲跟踪仪进行处理化操作 ；3 下 达测量指令，获取油管锥套 的控制位置信息并发送到控 制系统；4 结束测量过程，并断开连接。 图8 对接基 准点测量 系统 3 ． 3 机床控制对接过程的计算 设置机床与锥套都是刚体，器空间机床姿态能够用 欧拉角 ， 0 ， 和坐标值P 。 ， o ， 进行描述 。设置对 接基准 点的实际坐标是P ， ， ，则测量 点在机 床坐标系 中的坐标 是P ， p c ， ，则p 。 与P 的关系 能够用下述公式进行描述 P A p P 。 1 其中，A 是机床姿态位置矩阵 l c O c v s q s O o ／ ／ c s v c A c I f， l I c O c g s O c v c s w c c 6 c l 2 l s O s O ,c O c O,c O j l l 在上述矩阵中，s 为s i n ，c 为C O S 。 将上述机床姿态算法集成到系统控制软件中，根据 机床上 的4 个基准点即可计算出当前的对接姿态 。将当 前姿态与设定的姿态进行对 比能够获取姿态的差值 ，将 姿态差值转化为运动控制器在X ， Y ， z 方 向上的位移量 ，然 后调整控制器的运动，从而消除姿态差值 ，实现了对接 过程中的机床姿态调整。 3 ． 4 对接过程的视觉校验的实现 数控机床控制对接过程的视 觉校验过程需 要利用 O P E N C A S C D E 的几何形状 数据库和可视化交互数据 库。在软件编写的过程 中需要将对应的动态连接引入到 系统。视觉校验的基本步骤是 1 采集对接 图像 ，创 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 机床受力情况数据表 传统软件控制下受力 本文软件控 制下受力 试验次数 k N 1 7 ． 1 2 ． 2 2 6 ． 8 3 。3 3 7 ． 5 2 ． 1 4 7 ． 5 2 ． 6 5 8 ． 2 2 ． 5 6 7 ． O 3 ． 1 7 8 ． 0 2 ． 2 8 8 ． 1 2 ． 6 9 7 ． 7 2 ． 5 1 0 7 ． 7 2 - 4 根据上表实验结果能够得知 ，利用本文系统进行数 控机床控制对接 ，能够有效保证对接过程中的安全 ，充 分体现 出本文软件的优越性 。 5 结束语 针对传统的控制软件 进行数控机床控制对接 的过 程中，没有考虑外界复杂条件对对接过程的影响，从而 降低了对接 的效率。为此 ，提 出一种基于视觉校验的数 控机床控制对接软件设计方法。首先对数控机床控制对 接系统的构成及工作原理进行了阐述 。在此基础上利用 Vi s u a l C 6 ． 0 结合Op e n C AS AD E对控制软件进行了设 计。仿真实验结果表 明，利用P AL ． C C D的对接软件进 行数控机床控制对接，能够有效提高对接过程的效率， 效果令人满意。 参考文献 [ 1 】 陈迎春， 宋文滨， 刘洪 民． 用飞机总体设计 第一版 ． 上海 上海 交通大学出版社。2 0 1 0 2 3 7 ． 4 5 ． [ 2 】 许维进， 刘志敏 ． 重心位置对 飞机阻力及 其飞行性 能的影响【 J 】 ． 飞行力学， 1 9 9 9 ， 1 7 1 5 4 ． 5 8 ． 【 3 】 Z h a n g Ch o n g j u n ， La i Yi n a n ， Z h a n g Gu a n g y u ． Ze r o g r a v i t y s i mu l a t i o n t e c h n i q u e o f f i v e f r e e d o m d o c k i n g t e s t e d [ A] ． P r o c e e d i n g s o f t h e Ae r o s p a c e Co n f e r e n c e [ C ] ． 2 0 0 4 ，I E E E ． V6 ． 2 0 0 4 ． 4 0 4 8 4 0 4． [ 4 】周前祥， 连顺 国． 空间交会对接技术及其发展趋势【 J ] ． 中国航 天． 1 9 9 8 ． 1 2 5 2 8 ． 【 5 】 Z h e n g Y F ， He n a mi H． Ma the ma ti c al mo d e l i n g o f a r o b o t c o l l i s i o n wi t h i t s e n v i r o n me n t【 J 】 ．J o u r n al o f R o b o ti c S y s t e ms ， 1 9 8 5 ， 2 3 2 8 9 - 3 07 ． [ 6 】 刘洋， 马丽娜， 刘磊． 无人机 地面站 飞行监 控系统软件 设计 【 J 】 ． 计 算机测量与控制， 2 0 1 4 ， 2 2 0 1 2 9 4 ． 2 9 6 ． ●‘ 童‘ 童● ●● ●童● ●如‘ 蠡I 蠡‘ ●童● ●囊● ●童● 童● 生‘ j矗I 矗‘ 童● 矗‘ 鑫‘ 蠡‘ 蠡● 矗● 蠡‘ 叠‘ 囊● 【 上接第1 4 6 页】 6 结束语 本文主要研 究六旋翼无人机 的偏航算法和控制系 统设计方法 。六旋翼无人机的偏航信息主要由磁罗盘提 供 ，然而磁罗盘 的解算精度受周围铁磁物质和 电机产生 的磁场影响大大降低 ，因此对磁罗盘进行静态和动态校 准 ，从而显著地提高了偏航角的结算精度。同时考虑到 系统受各种因素干扰 ，设计 了MR S MC 控制器提高系统 的控制性能。最终很好地实现对六旋翼无人机偏航飞行 的控制。 参考文献 [ 1 J X i a n g H， T i a n L ． De v e l o p me n t of a l o w c o s t a g ri c u l t u r a l r e mo t e s e n s i n g s ys t e m b a s e d on a n a ut o n o mo u s u nma n n e d a e ria l v e h i c l e UAV [ J 】 ． B 1 1 ， 1 0 8 2 1 7 4 1 9 0 【 2 】 A r a g u a s G， P a z C ， Ga y d o u D。 e t a1． O r i e n t a ti o n e s ti ma ti o n f u s i n g a d o wn wa r d l o ok i n g c a me r a a n d i n e r t i a l s e n s o r s f or a h o v e r i n g UAV[ J ] ．Ad v a n c e d Ro b o t i c s I C AR ， 2 0 1 3 1 6 t h I n t e r n a t i o n a l C伽【 唧 lc e o n．2 01 3 1 - 6 ． [ 1 5 6 1 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 0 8 下 f 3 】 Ha s h e mi A， C a o Y， C a s b e e r D， e t a 1 ． UAV Ci r c u mn a v i g ．a ti o n o f a n Un k no wn Ta r g e t W i t h o u t Lo c a ti o n I n f o r ma t i on Us i n g No i s y R a n g e b a s e d Me a s u r e me n t s [ J ] ． Ame r i c a n Co n t r o l Co n f e r e n c e A CC ， 2 0 1 4 ， 2 0 1 3 4 5 8 7 4 5 9 2 ． 【 4 】 刘程， 周本 清， 宋军， 等． 无人机 中磁航 向 自修正应用【 J 】 ． 压 电与声 光， 2 0 1 4 ， 3 3 8 9 3 9 2 ． 【 5 】戴磊， 齐俊桐， 吴冲， 等． 旋翼飞行机器人磁罗盘误差分析及校准 [ J ] ． 机器人，2 0 1 2 ，3 4 4 ．DOI 1 0 ． 3 7 2 4 ／ S P ． J ． 1 2 1 8 ． 2 01 2 ．0 0 4 1 8 ， 【 6 】鲍宏平， 朱小东， 朱建 良， 等． 基于椭圆旋转 的磁传感器误差 补 偿算法 [ J 】 ． 计算机 工程 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 3 0 1 3 0 4 ． DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j , i s s n ． 1 0 0 0 3 4 2 8 ． 2 0 1 4 ．0 4 ． 0 5 9 ． 【 7 】 马 向南， 李航 ， 刘 丽丽 ， 等 ． 最 小二 乘改 进算法 及其 在椭 圆拟 合 中的应用【 J 】 _ 河南科技大学学报 自然科学版， 2 0 1 4 ， 3 1 8 ． 2 1 ． D0 I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 6 7 2 ． 6 8 7 1 ． 2 0 1 4 ．0 3 ．0 0 6 ． [ 8 】 Wa n g W， Ma H， Xi a M， e t a1． At t i t u d e a n d a l t i t u d e c o n t r o l l e r d e s i g n for q u a d r o t o r t y p e MAV s [ J ] ．Ma t h e ma t i c a l P r o b l e ms i n En g i n e e rin g ， 2 0 1 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m