一种基于机器视觉的车辆清洗机仿形控制装置的制作方法

本实用新型公开了一种基于机器视觉的车辆清洗仿形机控制装置，属于车辆清洗技术领域。

背景技术：

目前，国内外车辆清洗、仿形技术主要有如下两种：

1.摆臂式仿形洗刷系统

该种洗刷系统主要由横刷机构、摆臂、配重、PLC、电磁阀等组成。PLC控制横刷升降气缸电磁阀转换，使横刷处于自由状态，贴于车身，横刷将随着车身曲线做相应的升降仿形运动。主要优点是控制简单。主要缺点是横刷动作缓慢，清洗效果差。

2.触压检流式仿形洗刷系统

该种洗刷系统主要由横刷及其刷架、横刷转动电机、横刷升降机构、PLC等组成。通过检测洗车机横刷转动负载电流，PLC控制横刷保持在设定区间，从而达到仿形目的。主要优点是控制简单,主要缺点是负载电流设定值及检测值受多种因素的影响，不易调整，维护性差，准确性低；横刷接触车体后采样电流值，可靠性低，无智能清洁度判断功能。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于机器视觉的车辆清洗仿形机控制装置，具有高准确性、快速性、高可靠性、智能清洁度判断，便于维护的特点。

本实用新型所述的一种基于机器视觉的车辆清洗、仿形控制方法，包括以下步骤：

1.端面仿形及其刷洗控制

车辆形状数据通过CCD摄像头采集，经数字信号处理器DSP计算获得仿形数据，DSP通过RS485通信口将这个仿形数据发给PLC；PLC根据车型数据计算端面形状斜率。

第1步：计算车形拐弯点的方法

（1）连续计算相邻2点车高梯度

定义某点的车高梯度为 △h_k=h_k-h_k-1,k=1,2,3………n。

（2）判断车形拐弯点

当某点车高梯度为△h_k>0时，记下该点车高数据地址，送给拐弯点地址寄存器（在计算机内部），连续判断其后各点车高梯度的正负，并只要车高梯度连续为正的的点数为20点，则判定该点就是拐弯点（L_G，H_G）。但若其后车高梯度连续为正的的点数小于20点，则认为该点不是拐弯点，以此方法，继续判断下一点是否为拐弯点。

第2步：确定斜率阀值方法

(1)计算车形拐弯点H_G之前的斜率

△H₁=H_G1-H₀,

△L₁=L_G1-L₀,

K₁=△ H₁/△L₁

（2）计算车形拐弯点H_G之后的斜率

△H₂=H_G2-H_G1,

△L₂=L_G2-L_G1,

K₂=△H₂/△L₂

（3）确定斜率阀值

根据车形统计数据，车面倾斜角Φ<30度时，定义为车高曲线变化缓慢，而Φ>30度时, 定义为车高曲线变化陡急。故取车面倾斜角Φ=30度的斜率为阀值，即K=tan30=0.58。

第3步：端面仿形及其刷洗控制

将被洗车辆端面分为两部分：斜率较小的下端部即斜率K₁<K部分,和斜率较大的风挡部即斜率K₂>K部分。然后分两种情况进行仿形及其刷洗控制:

（1）在斜率K₁<K段，即横刷处于比较平缓的下端部时，PLC采集反映横刷实际位置的编码器数据，以判断此时横刷位置是否达到目标位置，如尚未达到目标位置，PLC根据横刷实际位置和目标位置的差计算出横刷升降电机的动作频率和动作方向，然后通过PLC的COM3口将这个控制信息送给变频器，变频器控制升降电机动作，同时，PLC不断采集编码器数据，当横刷位置接近目标位置时，PLC立即将新的控制信息送给变频器，使变频器以较小的频率运行，防止超调；当横刷达到目标位置时，PLC将停止信息送给变频器，电动机停止动作。以后各点，PLC实时采集横刷位置编码器数据，并判断横刷位置是否为目标位置，实时调解。

（2）在斜率K₂>K段，即当横刷处于斜率较大的风挡部时，PLC根据这个斜率,结合龙门架水平运动速度，计算横刷垂直运动速度分量；根据这个速度分量，计算变频器的动作频率（是一个恒定值）。由于设计洗车系统水平运动速度为15mm/S,PLC将数字信号处理器DSP传送过来的车形数据按车长每15mm取一个,则在斜率K2>K段，数据总数也就是洗车系统水平运动时间为TG1-G2=△L2/15 秒。

则横刷垂直运动速度V=△H2/ TG1-G2 。横刷恒速垂直运动所需要的变频器频率为F=P*V，其中P为速度-频率变换系数。

PLC控制变频器使横刷升降电机恒速运转，使横刷装置做升降运动，水平运动由PLC控制交流电机通过龙门架装置运动完成，两部份的合成就是风挡部位端面曲线的形状。

当洗车系统运动到拐弯点LG2时，斜率K2>K段结束，系统再次进入斜率K1<K段，因此按K1<K段调节规律调节。

同时，PLC通过输出端Y1、Y4、Y5分别控制横刷转、喷水、喷泡沫按程序动作；当横竖处于上下极限位置时，横刷上位传感器、横刷下位传感器动作，PLC的输入端子X4、X5接通，PLC立即控制变频器停止动作。

2.智能补洗控制方法

通过图像采集处理系统采集、处理车体图像，计算车体表面清洁度C，当C<C_阀时（C_阀为车体清洁度阀值，根据现场试验求得），判断为清洁度不合格，没有达到清洁要求，智能补洗控制程序将被激活，控制系统进行补洗操作（清水刷洗），反之，当C>C_阀时, 判断为清洁度合格，不进行补洗。

3.智能洗刷强度控制方法

上述计算的车体表面清洁度C，也将作为洗刷强度控制的依据。当车体某处C<C_阀时,控制刷更加贴近车体刷洗、同时，清洗剂喷量、喷水压力都将相应加大，清洗强度增大。反之，将减小清洗强度。

实现上述智能补洗控制和智能洗刷强度控制的关键技术是图像识别算法的设计，包括预处理技术和边缘检测技术。

预处理技术：首先需要对图像进行降噪处理，拟选取数学形态学方法进行滤波降噪。数学形态学滤波器的滤波效果取决于结构元素的形状、尺寸和方向，故本项目选取的参考标准是目标的大小、形状和方向。

边缘检测技术：在小波分析中,信号的孤立奇异指数可由小波变换在该点随尺度参数变小时的衰减速度来定。由于小波变换的上述特征，采用小波变换对图像进行边缘检测尤为有效。因此，使用小波多尺度分析方法对图像进行边缘检测。

本实用新型所述的一种基于机器视觉的车辆清洗仿形机控制装置，其特征在于：主要由图像处理系统、过载及位置传感器单元、编码器、PLC控制系统、变频器、横刷动作装置、喷水(沫)装置、洗车机行走装置组成；

其中，图像采集处理系统与PLC串行通信口COM2相连，为PLC提供车辆仿形数据；过载及位置传感器单元与PLC输入端口相连，为PLC提供过载及各机构位置信息，以便于对洗车装置进行位置及安全控制；编码器一方面连接到横刷动作装置，负责采集横刷位置信息（脉冲数），另一方面连接到PLC的输入端，为PLC提供横刷当前位置信息；变频器与PLC串行通信口COM3相连，接受PLC输出的车辆仿形控制数据，同时，变频器与横刷动作装置相连，输出控制信号控制横刷动作装置中的升降装置动作；PLC的输出端口分别与横刷动作装置、喷水(沫)装置、洗车机行走装置相连，PLC根据计算得到的控制数据分别控制横刷动作装置、喷水(沫)装置、洗车机行走装置配合动作，以完成端面仿形及其刷洗控制、智能补洗控制，智能洗刷强度控制。

所述的图像采集处理系统主要包括：CCD摄像头、视频解码器、DSP、SDRAM、Flash；其中，CCD摄像头与视频解码器相连，负责图像的采集及模数变换；视频解码器与DSP 的视频输入口相连，负责把完成模数变换的数字视频信息传送给DSP处理，同时DSP的I2C接口连接到视频解码器的I2C总线接口，I2C总线接口负责视频解码器的内部寄存器参数的配置和状态的读出；SDRAM并联连接到DSP的EMIFA接口，负责存放原始图像数据； Flash连接到DSP的EMIFA接口，用于固化程序和一些掉电后仍需保存的用户数据。

该部分采集端面仿形数据、车体清洁度数据并进行处理，为端面仿形控制、智能补洗控制、智能洗刷强度提供控制依据。

本实用新型采用智能补洗控制功能，利用图像处理系统采集、处理车体图像，以判断是否洗净，若没有达到清洁要求，智能补洗控制程序将被激活，控制系统进行补洗操作（清水刷洗）。该控制方式使得清洗质量提高，其他产品没有此项功能。智能洗刷强度控制功能，由CCD摄像头采集车辆清洁度数据，该数据将作为洗刷强度控制的依据。车体脏的地方，控制刷更加贴近车体刷洗、同时，清洗剂喷量、喷水压力都将相应加大，清洗强度增大，反之，将减小清洗强度。该控制方式使得清洗质量提高，清洗剂高效使用，绿色环保，其他产品没有此项功能。

本实用新型的积极效果在于：

（1）控制具有高可靠性：通过图像处理先计算得到车型数据，然后才控制端面刷（横刷）仿形动作。这个优点避免了“触压检流式仿形洗刷系统”的横刷先接触车体然后才得到仿形数据，才控制动作的冒险控制方法，使控制变得更加安全可靠。

（2）控制具有高精确度，高稳定性，便于维护：该系统对横刷与车体间距离的控制，采用变频器控制升降电机，编码器反馈横刷位置的控制方式，不仅对横刷位置进行控制，也对横刷升降速度进行控制，因此，比起“触压检流式仿形洗刷系统”根据负载电流值控制的方法（负载电流值受多种因素影响变化范围不稳定），本实用新型的控制精度要更高，同时，由于本实用新型在控制上不依赖横刷电机负载电流值，不会因为负载电流阀值的不稳而使横刷动作的稳定性变差，所以该实用新型的控制具有高稳定性，也能使系统维护更加简便。

（3）横刷调节动作的快速性：相对于“摆臂式仿形洗刷系统”，本实用新型的横刷升降动作采用电机控制，控制动作具有更高的快速性。

（4）高清洗质量：由于系统设置了智能补洗控制和智能洗刷强度控制功能，比起“触压检流式仿形洗刷系统” 和“摆臂式仿形洗刷系统”，清洗效果更加完美。

附图说明

图1为本实用新型控制系统结构原理框图；

图2车辆清洗机仿形控制方法原理图；

图3为本实用新型控制系统的图像采集处理系统结构；

图4为本实用新型控制系统电路原理图。

具体实施方式

实施例1

根据图1、图3、图4所示，本实用新型主要由图像处理系统、过载及位置传感器单元、编码器、PLC控制系统、变频器、横刷动作装置、喷水(沫)装置、洗车机行走装置组成；

所述的图像采集处理系统（如图3所示）包括：CCD摄像头（FCB-EX1000P）、视频解码器SAA（7115H）、数字信号处理器 DSP（TMS320DM642）、存储器SDRAM（HY57V283220T）及Flash（AM29LV640MT）；PLC控制系统（如图4所示）主要包括：PLC（DVP60ES2）、接触器、热继电器、水(泡沫)泵、横刷转电机、行走电机、变频器、横刷升降电机、编码器；其中:

（1）横刷升降电机的控制

横刷升降电机连接到变频器的输出端U（T1）、V（T2）、W（T3），电源接触器触点连接变频器输入端R(L1)、S（L2）、T（L3），该接触器的动作线圈由PLC的Y0控制；

（2）横刷位置反馈编码器

横刷位置反馈编码器采用LPD3806型号，用于检测横刷实时位置，其输出端A、B分别接至PLC的输入端X0、X1，同时，PLC内部使用计数器C251，A、B经X0、X1为计数器C251提供计数输入。

（3）横刷转动电机的控制

横刷转动电机连接到其热继电器的输出端，该热继电器的输入端接至横刷转动接触器的输出，该接触器的动作线圈由PLC的Y1控制。横刷转动过载信号接至PLC的输入X6端。

（4）行走电机的控制

左右行走电机分别连接到各自热继电器的输出端，这两个热继电器的输入端并联后分别接至行走电机前进接触器、后退接触器的输出，该两个接触器的动作线圈分别由PLC的Y2、Y3控制。行走电机过载信号接至PLC的输入X7端。

（5）喷水泵的控制

喷水泵电机接至水泵电源接触器，其动作线圈由PLC的Y4控制。

（6）泡沫泵的控制

泡沫泵电机连接到泡沫泵接触器的输出端，其动作线圈由PLC的Y5控制。

（7）控制面板各开关的连接

启动、停止开关分别接至PLC的输入X2、X3上，用于控制系统的启动、停止。

（8）传感器模块的连接

横刷上位传感器、横刷下位传感器为接近快关，负责检测横刷上极限位置、下极限位置，其输出接PLC的输入X4、X5上。

（9）电源模块的连接

控制变压器输出220V交流电，一方面为PLC供电，另一方面去开关电源产生24V直流电。三相动力电源通过接触器触点供电。

（10）通信接口（RS485）的应用

图像采集系统DSP计算得到的车辆仿形数据通过RS485模块通信传递给PLC的COM2，DSP(RS485)的SG-信号接PLC的COM2口的D-信号端，数字信号处理器DSP的RS485通信口的SG+信号接PLC的COM2口的D+信号端；

变频器的控制由PLC通过COM3（RS485）完成，变频器的SG-信号接PLC的D-信号端，变频器的SG+信号接PLC的D+信号端。

本实用新型的工作过程如下：

将被洗车辆端面分为两部分：斜率较小的下端部即斜率K₁<K部分,和斜率较大的风挡部即斜率K₂>K部分。然后分两种情况进行仿形及其刷洗控制:

（1）在斜率K₁<K段，即横刷处于比较平缓的下端部时，PLC采集反映横刷实际位置的编码器数据，以判断此时横刷位置是否达到目标位置，如尚未达到目标位置，PLC根据横刷实际位置和目标位置的差计算出横刷升降电机的动作频率和动作方向，然后通过PLC的COM3口将这个控制信息送给变频器，变频器控制升降电机动作，同时，PLC不断采集编码器数据，当横刷位置接近目标位置时，PLC立即将新的控制信息送给变频器，使变频器以较小的频率运行，防止超调；当横刷达到目标位置时，PLC将停止信息送给变频器，电动机停止动作。以后各点，PLC实时采集横刷位置编码器数据，并判断横刷位置是否为目标位置，实时调解。

（2）在斜率K₂>K段，即当横刷处于斜率较大的风挡部时，PLC根据这个斜率,结合龙门架水平运动速度，计算横刷垂直运动速度分量；根据这个速度分量，计算变频器的动作频率（是一个恒定值）。由于设计洗车系统水平运动速度为15mm/S,PLC将数字信号处理器DSP传送过来的车形数据按车长每15mm取一个,则在斜率K₂>K段，数据总数也就是洗车系统水平运动时间为T_G1-G2=△L₂/15 秒。

则横刷垂直运动速度V=△H₂/ T_G1-G2 。横刷恒速垂直运动所需要的变频器频率为F=P*V，其中P为变换系数。

PLC控制变频器使横刷升降电机恒速运转，使横刷装置做升降运动，水平运动由PLC控制交流电机通过龙门架装置运动完成，两部份的合成就是风挡部位端面曲线的形状。

当洗车系统运动到拐弯点(LG₂, HG₂) 时，斜率K₂>K段结束，系统再次进入斜率K₁<K段，因此按K₁<K段调节规律调节。

同时，PLC通过输出端Y1、Y4、Y5分别控制横刷转、喷水、喷泡沫按程序动作；当横竖处于上下极限位置时，横刷上位传感器、横刷下位传感器动作，PLC的输入端子X4、X5接通，PLC立即控制变频器停止动作。

（3）智能补洗控制方法

通过图像处理系统采集、处理车体图像，计算车体表面清洁度C，当C<C_阀时（C_阀为车体清洁度阀值，根据现场试验求得），判断为清洁度不合格，没有达到清洁要求，智能补洗控制程序将被激活，控制系统进行补洗操作（清水刷洗），反之，当C>C_阀时, 判断为清洁度合格，不进行补洗。

（4）智能洗刷强度控制方法

上述计算的车体表面清洁度C，也将作为洗刷强度控制的依据。当车体某处C<C_阀时,控制刷更加贴近车体刷洗、同时，清洗剂喷量、喷水压力都将相应加大，清洗强度增大。反之，将减小清洗强度。