一种归零控制系统及归零控制方法与流程

本发明属于归零技术领域，具体涉及一种适用于对设备本身发生偏转的检测及归零控制系统。

背景技术：

存在这样一种设备的结构和现场情况：1.外筒与地面固定，保持相对静止；2.内筒由滑环弹性支撑，滑环可在水平任意方向平移及转动（复合运动），水平位移量≤50mm，角位移范围-0.5-2.0°，竖直方向默认无升降无倾斜；3.工作环境：无光，湿度较大，空间狭小，使用温度-5°-35°；4.要求被测量：水平位移量精度为0.2mm；角位移量精度为50″，5.测量性质：在线测量，系统响应时间＜10ms。由以上设计要求可知，内筒的运动为旋转和平移的复合运动，且角度旋转测量精度要求极高，测量可用空间小，该类设备需要归零控制，归零控制单元用于实时测量内筒发生的水平和角度位移，并通过控制归零压机将内筒移动至初始位置。然而市场上现有的角位移测量传感器只适用于固定轴心的旋转测量，不适用于上述设计中的非固定轴心式复合运动的测量。经过长期的咨询、调研和文献检索，目前市场上没有能满足本项目中性能要求的成熟测量归零控制方案。所述发明一种对非固定轴心式复合运动的归零控制系统意义重大。

公布号为cn110259352a的专利公开了一种强制归零式防火窗，包括固定窗框、活动窗扇和连杆铰链，活动窗扇通过连杆铰链与固定窗框活动铰接，固定窗框上装设有正常情况下不参与工作、发生火灾时释放动能以驱动连杆铰链带动活动窗扇自动关闭或直接驱动活动窗扇自动关闭的动能释放组。该防火窗具有结构简单可靠、不影响正常使用感受、可提高防火性能的优点。但是该归零方式只是针对防火窗，并不能用于其他设备上面。

公布号为cn207968684u的专利公开了一种cmos自归零电路，包括一个0.5pf的自归零电容、一个1pf的积分电容和两个降低电荷注入效应的nmos管。当自归零开关s1和s2为高电平时，电路处于复位期间，将放大器失调电压和噪声电压存储在自归零电容上，s1-为控制补偿管开关，减小s1开关的电荷注入效应。放大器采用差分输入的一级折叠共源共栅结构，克服了传统的二级放大器使用的米勒补偿电容在低温77k下容易引起振荡的缺点；该自归零电路在常温和低温77k之间都能正常工作，噪声比传统的电路低，，该归零电路适用于非均匀性较大的中波线列红外hgcdte探测器信号的读出，不能针对机械动作进行归零操作。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种归零控制系统及控制方法。该系统通过图像处理软件计算内筒标识点在内筒偏转前后的坐标差值的方式，得到内筒的位移和角度偏移，单目测距相机体积小，像素高，测量精度高，可以实现要求的水平位移量精度为0.2mm，角位移量精度为50″。

本发明的技术方案是：

一种归零控制系统，适用于对设备本身发生偏转的检测及归零控制，该设备包括给内筒提供动力的压机、内筒及起支撑内筒作用的外筒，所述的外筒固定于地面保持相对静止，所述的内筒位于外筒内并由滑环弹性支撑，所述的滑环可沿外筒在水平方向平移和转动，该归零控制系统包括用于控制压机将内筒移动至初始位置的控制单元、用于实时测量内筒发生的水平和角度位移的视觉识别单元及用于向控制单元发出操控命令的上位机。

所述的控制单元包括控制主机，所述的控制主机包括cpu模块、继电器模块及can通讯模块，所述的cpu模块与视觉识别单元连接，所述的继电器模块通过电磁阀与压机电性连接，所述的can通讯模块与上位机连接，所述的控制主机通过转换器与触摸显示屏连接。

具体的，所述的控制主机为compactrio主机。

具体的，所述的视觉识别单元包括单目相机和标识板，所述的标识板中心设有“十”字标识，所述的标识板固定安装在内筒底部外侧对应内筒筒壁的位置，所述的标识板的宽度大于等于内筒的筒壁厚度，所述的相机镜头与标识板保持垂直状态，所述的单目相机与标识板之间设置有光源，所述的单目相机的前端镜头到标识板距离为180mm--220mm，所述的单目相机后端到标识板距离为280mm--320mm，光源到标识板距离为160mm--200mm，所述的单目相机采集的图像由图像采集卡采集，并发送至安装图像处理软件的工控机中，所述的视觉识别单元还包括图像处理软件，图像采集卡将图像传送到图像处理软件，图像处理软件进行图像分析处理并将处理结果输出。

具体的，该归零控制系统还包括单元箱，所述的触摸显示屏设置在单元箱的一侧壁上，所述的控制单元和视觉识别单元都设置在单元箱内部。

具体的，所述的图像处理软件采用cognexvisonpro视觉处理软件。

具体的，所述的图像处理软件进行图像分析处理包括如下过程：图像预处理、特征提取与选择及图像分析；所述的图像预处理是对采集的图像采用直方图处理方法进行图像增强，并对图像的整体灰度分布进行统计；所述的特征提取与选择是根据上述步骤统计的图像的整体灰度分析出不同的特征点，提取十字标作为特征值；所述的图像分析使用软件的测量功能对提取的特征点及特征线进行分析计算。

使用以上所述的归零控制系统的归零控制方法，包括如下步骤：

s1.首先调试安装归零控制系统，并安装标识板到待测设备的内筒上；

s2.将待测设备调整至零点位置，单目相机对标识板取像，测量出当前中心点位置、角度检测特征线，并设置基准线；

s3.待测设备运动时，相机对标识板取像，图像处理软件测量出运动后当前中心点位置、角度特征线的偏转角度；

s4.图像处理软件测量出上步测量的中心点坐标及角度特征线的偏转角度，计算出中心点坐标值与原始中心点的坐标差值以及角度特征线与原始角度特征线的角度差值，并将结果输出至显示屏及上传至上位机；

s5.上位机给控制主机发送归零命令，当控制主机接受到归零命令后，驱动归零压机归零，归零到位或者归零过程超过2秒，表示归零到位。

本发明的有益效果是：该归零控制系统包括用于控制压机将内筒移动至初始位置的控制单元、用于实时测量内筒发生的水平和角度位移的视觉识别单元及用于向控制单元发出操控命令的上位机。所述的控制单元包括控制主机，所述的控制主机包括cpu模块、继电器模块及can通讯模块，所述的cpu模块与视觉识别单元连接，所述的继电器模块通过电磁阀与压机电性连接，所述的can通讯模块与上位机连接，所述的控制主机通过转换器与触摸显示屏连接。本发明通过can通讯模块对外通信，通信波特率125kbps。can通讯模块使用板载收发器进行高速、灵活数据速率或低速、容错can通信。c系列can通讯模块与ni-xnet或ni-985x驱动程序兼容，结合ni-xnet，创建需要实时高速操作数百个can帧和信号的应用程序。ni-xnet设备驱动的dma引擎使板载处理器能够在接口和用户程序之间移动can帧和信号，而无需cpu中断，从而最大限度地减少消息延迟并释放主机处理器时间，通信信息分为装置监控台下发的指令信息和归零控制单元上传的状态数据信息，识别符分别为4a5h和0a5h。命令指归零单元需要执行的动作，归零单元接收到命令后，执行相应的动作并向装置控制台返回对应的检测值；该归零控制系统有归零命令，推动内筒偏转命令，旋转状态读取，平移状态读取信息，只需要一个字节，值分别为0x71，0x72，0x73或0x74。归零控制系统有两个状态信息，一个是旋转章台读取，三个字节，第一个字节是信息类别字节，值为0x82，第二三字节为传感器状态信息，代表传感器的检测值。平移状态信息是5个字节，第一个字节是信息类别字节，值为0x83，第二三字节为横向平移状态值，第四五字节为纵向平移状态值。信息使用两字节bcd码表示，如果两个字节值是0xff代表没有传感器或没有有效数据。代表旋转角度时，单位是0.01度，最高位bcd码为0代表顺时针度数，为8代表逆时针度数。代表平移距离时，单位是0.1mm。

本发明采用compactrio主机，是一款坚固、可靠的高性能工业级嵌入式控制器，具有行业标准认证。它是需要高速控制或信号处理、硬件算法加速、硬件可靠任务或独特定时和触发的应用的理想选择。c系列i/o模块提供了高精度i/o和针对特定测量的信号调理功能，可连接到任何总线上的任何传感器或设备。该控制器运行nilinuxreal-time，它将实时操作系统的性能与linux的开放性相结合。您可以使用labview系统设计软件为xilinxfpga和arm或intel处理器创建、调试和部署逻辑，并使用超过950个信号处理、分析、控制和数学函数，以加快开发速度。

本发明采用在被测设备上做上标识符，相机连续触发拍摄视野范围内标识符的图片上传至电脑图像处理软件中进行处理，节拍约300ms，图像处理软件对相机拍到的图片进行处理，通过判断特征点的坐标变化和特征线的角度变化决定内筒发生的移动和偏转。

本发明选用compact主机，compact主机安装在单元箱内，触摸显示器嵌入到单元箱的前面板，使本归零控制系统高度集成到一个单元箱中；选用的零件、部件均为常用、通用部件，具有方便更换、易于拆卸、维修维护简单等特点；本方案优先选用标准元器件，提高互换性和通用化程度，尽量采用模块化设计，以简化维修作业，节约备品备件费用，实现部件互换通用和快速更换修理。控制程序结构简化、明晰，产品维护方便，可便捷拆卸、更换零部件；人机交互界面良好，信息显示清晰、操作方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是待测设备内筒与外筒结构关系示意图；

图3是十字标示意图；

图4是内筒移动时标识线示意图；

图5是内筒旋转时标示线示意图；

图6是内筒平移是标示线示意图；

图7是标识板安装位置示意图。

1外筒、2内筒、3滑环、4标识板、5、特征线、6特征点、7特征点i、8特征线i、9特征点ⅱ、10特征线ⅱ，其中x为基准线x，y为基准线y，a为内筒原始状态圆形示意图、b为内筒旋转之后状态圆形示意图、11十字标。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行更详细的描述。

实施例1

如图1所示为一种归零控制系统的结构示意图，该系统适用于对设备本身发生偏转的检测及归零控制，该设备包括给内筒2提供动力的压机、内筒及起支撑内筒作用的外筒1，所述的外筒1固定于地面保持相对静止，所述的内筒2位于外筒1内并由滑环3弹性支撑，所述的滑环3可沿外筒在水平方向平移和转动，如图2所示，该归零控制系统包括用于控制压机将内筒移动至初始位置的控制单元、用于实时测量内筒发生的水平和角度位移的视觉识别单元及用于向控制单元发出操控命令的上位机。

所述的控制单元包括控制主机，所述的控制主机为compactrio主机。所述的控制主机包括cpu模块、继电器模块及can通讯模块，所述的cpu模块与视觉识别单元连接，所述的继电器模块通过电磁阀与压机电性连接，所述的can通讯模块与上位机连接，所述的控制主机通过转换器与触摸显示屏连接。

所述的视觉识别单元包括单目相机和标识板，所述的标识板中心设有十字标11，所述的标识板固定安装在内筒底部外侧对应内筒筒壁的位置，所述的标识板4的宽度大于等于内筒2的筒壁厚度，所述的相机镜头与标识板4保持垂直状态，所述的单目相机与标识板4之间设置有光源，所述的单目相机的前端镜头到标识板4距离为180mm--220mm，所述的单目相机后端到标识板4距离为280mm--320mm，光源到标识板4距离为160mm--200mm，所述的单目相机采集的图像由图像采集卡采集，并发送至安装图像处理软件的工控机中，所述的视觉识别单元还包括图像处理软件，所述的图像处理软件采用cognexvisonpro视觉处理软件。图像采集卡将图像传送到图像处理软件，图像处理软件进行图像分析处理并将处理结果输出。该归零控制系统还包括单元箱，所述的触摸显示屏设置在单元箱的一侧壁上，所述的控制单元和视觉识别单元都设置在单元箱内部。

所述的图像处理软件进行图像分析处理包括如下过程：图像预处理、特征提取与选择及图像分析；所述的图像预处理是对采集的图像采用直方图处理方法进行图像增强，并对图像的整体灰度分布进行统计；所述的特征提取与选择是根据上述步骤统计的图像的整体灰度分析出不同的特征点，提取十字标作为特征值；所述的图像分析使用软件的测量功能对提取的特征点及特征线进行分析计算。将分析结果传送给外部设备，系统通过以太网进行数据传输。

图像处理时采用在被测物体上安装标识板4，并在标识板4上标识十字标11，单目相机连续触发拍摄视野范围内十字标11的图片上传至电脑软件中进行处理，节拍约300ms，设十字标11的中心点为特征点6和过中心点的线为特征线5，如图3所示。图像处理软件对相机拍到的图片进行处理，通过判断特征点的坐标变化和特征线5的角度变化决定内筒2发生的移动和偏转。

内筒2移动情况的示意图如图4所示，圆a为内筒2在零位时的示意图，特征线5过圆心与基准线y轴平行，内筒2发生移动偏转后移动至圆b的位置，内筒2的运动可以看做是内筒2绕圆心的旋转和平移的复合运动，也即圆a经过如图5所示的旋转和图6所示的平移后，可到达圆b所处的状态。

由以上处理过程得出内筒2的旋转角度和特征线的旋转角度相同，假设内筒在a状态时，特征线与基准线y的夹角为α1，旋转后特征线i8与基准线y的夹角为α2，则内筒发生的旋转角度为α=α1-α2，因为设置的基准线y与特征线平行，故内筒2的旋转角度就是特征线ⅱ10与基准线y的夹角，图像处理软件可以直接测出特征线与基准线的夹角角度，所以可以直接测量得到内筒2旋转角度α。图像处理软件也可以直接测出特征点的坐标，因为相机拍摄到的是特征点（x，y）和特征点ⅱ11（x2，y2）的位置状态，而内筒2发生的移动实际上是特征点18到特征点ⅱ11的移动，故x移动=x2-（x+r*sinα），y移动=y2-（y+r-r*cosα），其中r为内筒半径。

需要注意的是，特征线5的偏转角度与内筒壁圆周的偏转角度一致，即只要特征线5过内筒壁圆周上一点，则特征线5的相对旋转角度就是内筒壁圆周的旋转角度。但特征线5必须过内筒的圆心才能保证特征点6的移动与内筒圆心的移动一致，所以在安装时，根据过圆两点连线的中垂线必定过圆心，标识板4制作时十字标11制作在标识板4中心，在安装标识板4的时候，标识板4的两端端点必须接触内筒内壁2-1或者是内筒外壁2-2才能保证特征线5过圆心，如图7所示。因为内筒内壁2-1粗糙，为减少安装误差，已知内筒2内直径为2020mm，制作30°铝制标识板4，安装时将标识板板附在内筒4壁底部，提高安装精确度，同时十字标11的制作选用精度为0.02mm的激光雕刻，以此来提高系统精度。

使用以上所述的归零控制系统的归零控制方法，包括如下步骤：

s1.首先调试安装归零控制系统，并安装标识板4到待测设备的内筒2上；

s2.将待测设备调整至零点位置，单目相机对标识板4取像，测量出当前中心点位置、角度检测特征线，并设置基准线；

s3.待测设备运动时，相机对标识板取像，图像处理软件测量出运动后当前中心点位置、角度特征线的偏转角度；

s4.图像处理软件测量出上步测量的中心点坐标及角度特征线的偏转角度，计算出中心点坐标值与原始中心点的坐标差值以及角度特征线与原始角度特征线的角度差值，并将结果输出至显示屏及上传至上位机；

s5.上位机给控制主机发送归零命令，当控制主机接受到归零命令后，驱动归零压机归零，归零到位或者归零过程超过2秒，表示归零到位。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是通过控制两个归零压机分别为压机1和压机2，实现滑环平推功能，如图1所示，两个归零压机呈180度布置，每个压机可以独立控制，可完成归零压机旋转锁定动作，具体动作为：归零压机在接收命令前的初始状态为锁定状态，上位机发送解锁指令，压机1和压机2解锁，每个压机均有一个进油电磁阀和反向进油电磁阀，用于推动压机向不同方向工作。根据上位机下发指令打开或关闭不同的电磁阀。具体来说，同时打开压机1和2的进油电磁阀，可以完成内筒逆时针转动动作，同时打开压机1和2的反向进油电磁阀，可以完成内筒顺时针转动动作。只打开压机1或2的任一一个电磁阀，则可以对内筒产生不同方向的位移值。

可完成推动内筒偏转动作，具体动作为：归零压机在归零位并处于锁定状态，解锁压机1、压机2归零压机，打开压机2的截止阀，压机2不动作，打开压机1进油电磁阀，推动归零压机绕压机2偏转，同时输出滑环位置信息，控制主机接到停止命令时关闭压机1进油，锁定压机1。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。