专利名称：双dsp嵌入式焊接过程视觉反馈控制系统的制作方法
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 控制系统。
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系统具有以下特点1、 体系结构简单、空间结构小、系统可达性好；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系统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系统。例如黄军芬在《管道焊接视 觉跟踪控制系统研究》中介绍的焊缝跟踪控制系统，采用Meteor-Il/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系统 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系统》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系统。这种反馈控制系统离不开庞大的 台式工业控制计算机，体系结构复杂，控制系统的可达性差，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系统。 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的焊缝自动跟踪系统》 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 系统，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，限制了系统的动态响应速度。另外，现有的焊接视觉反馈控制系统由于受到空间、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系统中同时实现焊接过 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系统存在以下不足(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己有技术的不足，采用双DSP的嵌入式叠层积木 式设计，不仅在系统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系统，在系统可达性、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C02、 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系统，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，在系 统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系统脱离 工业计算机独立进行工作，减小了系统体积和系统体系结构复杂度，提高了反馈 控制系统的可达性；(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，有效提高了系统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，使系统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。
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系统结构图； 图2双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制系统三维爆炸图；图3双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈控制系统三维结构图。
具体实施方式
下面结合
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CEO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6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，此模块不使用系统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。这些模块不是系统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为系统三维爆炸图，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为系统三维组装图，这种三层叠装结构使本系统具有较小整体空间体 积(170醒X 57mm X 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，提高了焊接控制系统的可达性和适应性。
权利要求
1. 一种双DSP嵌入式焊接过程视觉反馈系统，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系统，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、模拟视频编码模块釆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系统， 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，在系 统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系统，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。
全文摘要
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系统。该系统包括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。
文档编号G05B19/418GK101256399SQ20071030431
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者刘鹏飞, 孙振国, 徐绪炯, 强 陈, 操 黄 申请人:清华大学;昆山市华恒焊接设备技术有限责任公司