一种视觉方位智能传感器的制作方法

本实用新型属于传感器领域，尤其涉及一种利用移动智能终端处理器和机器视觉技术，提取目标位置和方向的视觉方为智能传感器。

背景技术：

在工业自动化领域，常常需要确定产品或工件的位置和方向，以便于产品或工件的拾取、装配或加工。传统方式通常是由人工将产品或工件固定于专用的夹具之上，再连通夹具一起流入下一道工序。这种方式不仅浪费人工，而且针对不同的产品或工件，需要专门定制或调整夹具，柔性较差，难以适应当前制造业的发展。

随着工业机器人的大量应用，可以调整自身末端执行器的位姿，以适应随机摆放的产品或工件，进行抓取、操作或加工。但机器人在调整自身的位姿之前，需要确定被操作对象的位置或姿态。当前，在制造业中多采用工业相机和计算机组成的视觉系统或者采用智能相机对产品或工件进行拍照、图形处理与分析，最后将得到的位置与方向信息提供给机器人系统。但这两种方式不仅成本较高，而且都需要根据不同对象进行较为复杂的定制，适应能力较差，使用门槛较高。

目前，国内外虽然出现了少数具有视觉检测方位功能的装置，但仍然存在适应性较差，使用门槛高和价格贵等问题。在工业自动化领域需要一种操作方便，价格低廉的视觉方位智能传感器。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种视觉方位智能传感器，旨在解决现有技术提供的传感器存在适应性较差，使用门槛高和价格贵的问题。

本实用新型是这样实现的，一种视觉方位智能传感器，包括采集单元、处理单元和通信单元；

所述通信单元，与所述处理单元相连接，用于与外部系统进行信息交互；

所述采集单元，与所述处理单元相连接，用于实时采集预置范围内的图像信息，并将所述图像信息转换为数字图像信号后发送给所述处理单元；

所述处理单元，用于对所述数字图像信号进行图像目标标定，得到目标位置信息，并将所述目标位置信息发送给所述通信单元，以通过所述通信单元将所述目标位置信息发送给所述外部系统；还用于接收所述通信单元发送的控制指令，根据所述控制指令生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述采集单元，以使所述采集单元根据所述控制信号进行响应，所述响应包括开启、关闭、拍照或调整拍摄参数。

进一步地，所述通信单元包括SPI转以太网模块、串口通信模块、USB通信模块和GPIO扩展模块中的一种或多种。

进一步地，所述采集单元包括采集镜头和CMOS传感模块；

所述采集镜头，通过螺纹与所述CMOS传感模块相连接；

所述CMOS传感模块，与所述处理单元相连接，用于通过所述采集镜头采集预置范围内的光信号，将所述光信号转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号进行模数转换后得到数字图像信号，对所述数字图像信号进行优化处理后，将处理后的数字图像信号发送给所述处理单元。

进一步地，所述处理单元包括处理模块、存储模块和电源模块；

所述处理模块，分别与所述采集单元和所述通信单元相连接，用于对所述数字图像信号进行图像目标标定，得到目标位置信息，并将所述目标位置信息发送给所述通信单元，以通过所述通信单元将所述目标位置信息发送给所述外部系统；还用于接收所述通信单元发送的控制指令，根据所述控制指令生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述采集单元；

所述存储模块，与所述处理模块相连接，用于存储所述数字图像信号、所述目标位置信息和所述控制指令；

所述电源模块，分别与所述运算模块和所述存储模块相连接，用于为所述运算模块和所述存储模块供电。

进一步地，所述处理单元还包括与所述处理模块相连接的报警指示灯：

所述处理模块，还用于接收外部系统的报警指令，并将所述报警指令发送给所述报警指示灯，以控制所述报警指示灯进行灯光告警。

进一步地，所述处理单元还包括与所述处理模块相连接的蜂鸣器：

所述处理模块，还用于接收外部系统的报警指令，并将所述报警指令发送给所述蜂鸣器，以控制所述蜂鸣器进行蜂鸣告警。

进一步地，所述处理单元还包括触控显示模块：

所述处理模块，与所述触控显示模块相连接，用于将所述数字图像信号发送给所述触控显示模块，以使所述触控显示模块显示所述数字图像信号；

所述触控显示模块，还用于接收控制指令，将所述控制指令发送给所述处理模块。

进一步地，所述触控显示模块为LCD触控显示模块。

进一步地，所述存储模块包括闪存和同步动态随机存储器。

进一步地，所述处理模块为包含有型号为MT6735的联发科处理芯片的ZHX02核心处理模块。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型提供的传感器，能够实时采集预置范围内的图像信息，并将采集到的图像信息转换后传输给外部系统做参考，还能接收外部系统的控制指令进行相应的响应。本实施例提供的传感器操作方便，价格低廉，能够实时采集图像并上传，同时还能够接收控制指令进行响应，实现自动控制，减轻了工作强度，提高了工作效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种视觉方位智能传感器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种视觉方位智能传感器的详细结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种视觉方位智能传感器的系统关联图；

图4是本实用新型实施例提供的LCD触控显示模块的详细结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的CMOS传感模块的详细结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的USB通信模块的详细结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的串口通信模块的详细结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的电源模块的详细结构示意图；

图9是本实用新型实施例提供的GPIO扩展模块的详细结构示意图；

图10是本实用新型实施例提供的ZHX02核心处理模块的详细结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了本实用新型提供的一种视觉方位智能传感器，包括采集单元101、处理单元102和通信单元103；

通信单元103，与处理单元102相连接，用于与外部系统进行信息交互。具体地，通信单元103包括SPI转以太网模块、串口通信模块、USB通信模块和GPIO扩展模块中的一种或多种。

采集单元101，与处理单元102相连接，用于实时采集预置范围内的图像信息，并将所述图像信息转换为数字图像信号后发送给处理单元102；

处理单元102，用于对所述数字图像信号进行图像目标标定，得到目标位置信息，并将所述目标位置信息发送给通信单元103，以通过通信单元103将所述目标位置信息发送给所述外部系统；还用于接收通信单元103发送的控制指令，根据所述控制指令生成控制信号，并将所述控制信号发送给采集单元101，以使采集单元101根据所述控制信号进行响应，所述响应包括开启、关闭、拍照或调整拍摄参数。

进一步地，采集单元101包括采集镜头和CMOS传感模块；所述采集镜头，通过螺纹与所述CMOS传感模块相连接；所述CMOS传感模块，与所述处理单元相连接，用于通过所述采集镜头采集预置范围内的光信号，将所述光信号转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号进行模数转换后得到数字图像信号，对所述数字图像信号进行优化处理后，将处理后的数字图像信号发送给所述处理单元。在具体应用中，采集镜头的焦距可以是操作人员手动进行调节，也可以是操作人员在后台下发调整拍摄参数指令以达到调节采集镜头焦距的目的，进一步地，采集镜头的焦距及其他拍摄参数的调节还可以通过在CMOS传感模块中预先设置相关参数及程序，当需要调整焦距等拍摄参数时自动进行调整。

进一步地，处理单元102包括处理模块、存储模块和电源模块；所述处理模块，分别与所述采集单元和所述通信单元相连接，用于对所述数字图像信号进行图像目标标定，得到目标位置信息，并将所述目标位置信息发送给所述通信单元，以通过所述通信单元将所述目标位置信息发送给所述外部系统；还用于接收所述通信单元发送的控制指令，根据所述控制指令生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述采集单元；所述存储模块，与所述处理模块相连接，用于存储所述数字图像信号、所述目标位置信息和所述控制指令；所述电源模块，分别与所述运算模块和所述存储模块相连接，用于为所述运算模块和所述存储模块供电。所述处理模块是包含有型号为MT6735的联发科处理芯片的ZHX02核心处理模块，即该ZHX02核心处理模块上搭载有型号为MT6735的联发科处理芯片，本实施例中的其他模块与该ZHX02核心处理模块相连接。在具体应用中，该存储模块以时间对应列表的形式保存该数字图像信号、该目标位置信息和该控制指令，即当处理模块接收到数字图像信号、得到目标位置信息或者接收到控制指令时，将根据当前的时间信息，将连同数字图像信号、目标位置信息或控制指令发送给存储模块，存储模块将根据时间信息和接收到的处理模块发送的信息以时间列表的形式保存，每一时间信息对应一数字图像信号/目标位置信息/控制指令，具体的形式不做限制。存储模块包括闪存(FLASH)和同步动态随机存储器(SDRAM)。在具体使用过程中，本实施例提供的传感器使用外部供电电源作为工作电源，该外部供电电源输入5V的电压，而本实施中使用的ZHX02核心处理模块工作于4.2V，因此电源模块为需要将5V的外部输入电压转换为4.2V的工作电压，更具体地，用户可以根据实际情况进行设置，如使用内置电池作为电源模块，此处不作具体限制。进一步地，处理单元102还包括与处理模块相连接的报警指示灯和蜂鸣器，所述处理模块，还用于接收外部系统的报警指令，并将所述报警指令发送给所述报警指示灯，以控制所述报警指示灯进行灯光告警或所述蜂鸣器进行蜂鸣告警。具体，本实用新型实施例提供的传感器输出的目标位置信息，外部执行机构根据此目标位置信息进行运动时，当实际到达位置与此目标位置信息不一致，外部执行机构将向处理模块发送报警指令，以进行声光报警。当ZHX02核心处理模块通过串口、USB等通信模块与外部通信时，出现图像等数据传输错误，将进行报警提示。

下面结合图2至图10对本实用新型进行进一步地阐述：

图2中，本实用新型实施例提供的视觉方位智能传感器包括ZHX02核心处理模块(1)、CMOS传感模块(2)、SPI转以太网模块(3)、串口通信模块(4)、USB通信模块(5)、LCD触控显示模块(7)、GPIO扩展模块(6)、采集镜头(12)、电源开关(8)、电源指示灯(9)、报警指示灯(10)、蜂鸣器(11)等。其中，ZHX02核心处理模块(1)、CMOS传感模块(2)、SPI转以太网模块(3)、串口通信模块(4)、USB通信模块(5)置于视觉方位智能传感器的本体内部；电源开关(8)、电源指示灯(9)、报警指示灯(10)、蜂鸣器(11)固定于视觉方位智能传感器的本体外侧；采集镜头(12)与视觉方位智能传感器的本体通过螺纹连接。电源开关(8)用于提供开关，当电源模块被打开时，电源指示灯(9)亮起，当电源模块关闭时，电源指示灯(9)熄灭。

本实施例中的网关包括ZHX02核心处理模块、CMOS传感模块、SPI转以太网模块、串口通信模块、USB通信模块、LCD触控显示模块、GPIO扩展模块等。

视觉方位智能传感器中的采集镜头用于调节焦距，保证采集的图像质量，CMOS传感模块用于图像的采集及预处理。光学图像通过采集镜头先投射到CMOS传感模块中的CMOS感光元件上，CMOS感光元件将光信号转换成电信号，电信号再经过A/D转换芯片进行模数转换得到数字图像信号，数字图像信号经过DSP算法的数学运算，对图像的数字图像信号进行优化处理，并将优化后的数字图像信号发送给ZHX02核心处理模块。ZHX02核心处理模块上加载有图像标定及处理程序，从优化后的数字图像信号中提取目标物件的重心坐标和偏转角等位置信息，然后将目标的位置信息发送给通信单元。具体地，在实际应用中，采集单元101为了保证机器人的机械手能够正确抓取目标物件，因此采集单元101实时采集预置范围内的图像信息，该图像信息包括有目标物件进入采集范围的图像，也包括没有目标物件进入采集范围的图像，处理单元102对采集单元101采集的包括目标物件的图像信息进行图像标定和目标物件的信息提取。同时，处理单元102中的处理模块还将处理后的数字图像信号发送到LCD触控显示模块，以使操作人员通过该LCD触控显示模块实时观测到采集范围内的情况。

USB通信模块用于与PC端通信，使操作人员能够用PC端观测图像信息及发出控制指令。串口通信模块主要用于与外部执行机构通信，将图像中的目标位置信息，包括其重心位置x,y坐标值和方向信息phi角度传输到外部执行机构，并接受外部执行机构的控制指令以实现对运动电机进行控制。SPI转以太网模块提供以太网接口，该以太网接口为普通网口，本实施例提供的传感器通过该普通网口经网线可连接到路由器、交换机上，操作人员由此可通过网络对该传感器进行控制。在没有PC端的情况下，操作人员可通过LCD触控显示模块获取图像信息及发出开启/关闭CMOS传感模块、拍照、调整参数等控制指令。GPIO扩展模块用于扩展使用其他更多功能。

如图3所示，本实用新型实施例提供的视觉方位智能传感器内有三条信息流，分别为图像信息、控制指令和目标位置的信息流，其中：

图像信息的信息流：

视觉方位智能传感器中的采集镜头与CMOS传感模块相连接，对采集镜头视野中的图像进行采集。CMOS传感模块将感光得到的光学信号最终转换为数字图像信号，并发送给ZHX02核心处理模块。ZHX02核心处理模块会对获得的数字图像信号进行处理。ZHX02核心处理模块将处理后的数字图像信号通过USB通信模块发送到PC端，使操作人员能够直接用电脑观测图像信息，便于调试及在线检测。同时，ZHX02核心处理模块也可将处理后的数字图像信号发送至LCD触控显示模块，操作员可通过LCD触控显示模块观测采集的图像信息。

控制指令的信息流：

操作人员在PC端应用程序上可通过USB通信模块对采集的图像进行观察，根据采集的图像信息，操作人员可通过USB通信模块向ZHX02的核心处理模块发出拍照、调整参数等控制指令。为了便于操作人员能进行远程网络控制，也可通过SPI转以太网模块向ZHX02核心处理模块发出控制指令，该SPI转以太网模块提供以太网接口，该以太网接口为普通网口，传感器通过该普通网口经网线可连接到路由器、交换机上，操作人员由此可通过网络对传感器进行控制。在没有PC端的情况下，也可以在LCD触控显示模块上通过应用程序向ZHX02核心处理模块发送控制指令，ZHX02核心处理模块向CMOS传感模块发出拍照等指令，ZHX02核心处理模块将对采集图像进行处理，得到目标位置信息。

目标位置信息的信息流：

通过ZHX02核心处理模块加载的标定程序和图像处理程序，可实现对目标的轮廓提取，计算出目标位置信息，该目标位置信息包括目标物件的重心坐标和偏转角。ZHX02核心处理模块可将目标位置信息发送至串口通信模块，串口通信模块再将目标位置信息发送至外部执行机构。在有PC端情况下，ZHX02核心处理模块将目标位置信息通过USB通信模块发送给PC端，在PC端的应用程序上可观测目标位置信息等参数。在没有PC端的情况下，ZHX02核心处理模块将目标位置信息通过LCD触控显示模块，由安卓端调试应用程序获取并显示在LCD触控显示模块上，安卓端调试应用程序已事先烧录到ZHX02核心处理模块中。

图4示出了本实用新型提供的LCD触摸模块，该LCD触摸模块通过上述电路模块提供的接口与ZHX02核心处理模块上与触摸显示有关的通信引脚相连。其中，图中LCD触控模块中的TDP、TDN、TCP、TCN等信号为主要的Lvds(低电压差分信号)数据输出，将系统界面显示在屏幕上。用户在触摸屏幕操作人机界面时，通过CTP(capacitive touch panel)_Connector电容式触摸模块上的SCL1、SDA1将触摸信息反馈给ZHX02核心处理模块。

图5示出了本实用新型实施例提供的CMOS传感模块，该CMOS传感模块中的VCAM_AF_PMU、VCAMA_PMU、VCAM_IO_PMU、GPIO_CAMERA_RESET等通信引脚为ZHX02核心板控制CMOS传感器进行采集图像、复位传感器的引脚。RDN、RDP、RCN、RCP等为主要的Lvds(低电压差分信号数据输出)，将图像数字信号传输给ZHX02核心处理模块。

图6示出了本实用新型实施例提供的USB通信模块，该USB通信模块上的USB_DM、USB_DP为传输图像，目标位置信息等的数据通道，外部通过USB接口与ZHX02核心处理模块相连。USB_ID引脚用于识别不同的电缆端点。当传感器检测到ID引脚若为接地，则默认为传感器作为主机。当检测到ID引脚浮空时，则认为传感器作为外设。

图7示出了本实用新型实施例提供的串口通信模块，其中该串口通信模块包含两组串口。用到ZHX02核心处理模块上的UART2与UART3，UTXD2和URXD2为UART2的两条数据引脚，用于发送与接收信息。UTXD3和URXD3为UART3的两条数据引脚。由于串口电平标准与外设电平不一致，需将ZHX02核心处理模块上的串口电平转换为外设能用的电平，上图中NC7WZ07即为串口电平转换芯片。

图8示出了本实用新型实施例提供的电源模块，该电源模块中的MP1584EN电源管理块将外部开关电源输入的5V降压为4.2V，使之为ZHX02核心处理模块供电。ZHX02核心处理模块工作于4.2V环境下。

图9示出了本实用新型实施例提供的GPIO扩展模块，该GPIO扩展模块中的引脚均为GPIO(通用输入输出)接口，可为用户提供其余扩展功能。P6接口为电源测试接口。

图10示出了本实用新型实施例提供的ZHX02核心处理模块，该ZHX02核心处理模块留出179个引脚，本项目所用引脚均已红色网络标识显示。ZHX02上的网络标识所代表的引脚均会在电气上与上述其他模块对应的网络标识进行连接。以使ZHX02核心处理模块控制上述各模块进行需要的动作。

针对工厂机械臂视觉定位成本高、硬件组成及程序编写较繁琐。本实用新型提供的实施例主要采用了安卓系统的图像处理技术，建立了一种在部分环境下可取代传统工业相机及工控机的视觉方位智能传感器。它通过在安卓系统上运行OpenCV图像处理算法，对机械臂进行视觉定位。采集单元在工作时将目标位置信息传输给机械臂，引导机械臂直接运动到相应位置，而不需要传统工业相机加工控机编程，降低硬件成本，并减轻编程困难。

本实用新型提供的一种利用机器视觉技术检测目标的位置和方向的视觉方位智能传感器，能够实现自动控制，减轻工作强度，提高效率。

本实用新型的具体实现方法如下：

通过采集镜头及CMOS传感模块采集图像，并将图像的数字信号传输给ZHX02的核心处理模块；

通过ZHX02的核心处理模块，完成图像的标定任务，得到目标位置信息。并通过串口通信模块，将目标位置信息输出给外部执行机构，或输出给PC端以作调试。

通过SPI转以太网模块，外部可通过路由器等实现远程控制。

通过USB通信模块，将CMOS传感器采集图像传输至PC端或LCD触控显示模块，便于观测、调试。

通过GPIO扩展模块，用户可根据需要扩展使用其他更多功能。

通过上述实施例，本实用新型的有益效果包括：

本实用新型所涉及的传感器为系列产品，不同规格或型号的传感器适用于不同类型或场合。主要决定于被检测对象的大小、检测精度要求；本实用新型所涉及的传感器，出厂前经过专业人员和标准程序标定；本实用新型所涉及的传感器在使用之前，需要按照要求安装固定；本实用新型所涉及的传感器在安装固定后，需要按照先后次序和要求拍摄三幅图片，实现前期参数自动设定；本实用新型所涉及的传感器具有自动触发模式和指令触发模式。自动触发模式具体表现为：为当检测到有目标进入视野时，自动触发图像采集，输出结果；指令触发模式具体表现为：上位机，如机器人控制器，发出控制指令，传感器接收到控制指令后进行图像采集并输出目标位置信息；本实用新型所涉及的传感器的检测结果通过RS232等工业标准通讯接口输出。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。