移动靶车及靶面图像采集控制系统的设计

2016-01-28郭鑫，翟超

机械与电子 2015年7期

关键词：靶面控制箱校正

郭　鑫，翟　超

(中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥 230027)

Design of Moving Target Car and Target Image Acquisition Control System

GUO Xin, ZHAI Chao

(School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

移动靶车及靶面图像采集控制系统的设计

郭鑫，翟超

(中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥 230027)

Design of Moving Target Car and Target Image Acquisition Control System

GUO Xin, ZHAI Chao

(School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

摘要：针对一些射击试验需要，设计了一套移动靶车及靶面图像采集控制系统。移动靶车控制部分是基于西门子S7-200 PLC设计的，通过PLC控制变频器进而控制电机带动靶车移动，同时通过PLC的自由口通信方式实现远程控制。靶面图像采集部分是利用LabVIEW做上位机，采集经模拟微波装置传来的实时图像，再利用Matlab Script进行图像校正。

关键词：移动靶车；S7-200 PLC；自由口通信；LabVIEW；图像校正

中图分类号：TM921.51

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)07-0061-03

收稿日期：2015-03-11

作者简介：郭鑫(1991-)，男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为机械电子工程；翟超(1968-)，男，教授，研究方向为机电一体化设计、测控技术与几何测量新方法等。

Abstract：In order to meet requirements of some firing tests, a moving target car and target image acquisition control system is designed. The control module is based on S7-200 PLC (Siemens AG) and the PLC controls a frequency converter which drives the motor on the target car. Remote control is achieved under Freeport mode of the PLC. Real-time target images are transferred to an upper computer which is written in LabVIEW through an analog microwave system, and then corrected by Matlab Script.

Key words：moving target car; S7-200 PLC; freeport communication; LabVIEW; image correction

0引言

根据国标要求，有些射击试验需要射击活动的目标，出于安全的考虑，靶车在行驶的过程中不能有人在车上，所以必须使用远程控制的方法来实现对靶车行驶的控制和对靶面图像的采集。为此设计了这套移动靶车及靶面图像采集控制系统，该系统安全可靠，实现了对大型靶车的远程和本地双重控制以及对靶面的实时监控与图像校正。

1移动靶车控制部分设计

靶车车身利用旧火车车身改造而成，原有传动方式为柴油机带动传动，实现对柴油机的远程控制难度太大，所以本设计选择在靶车原有构造基础上加装大功率电动机，通过柴油发动机发电供给电动机与变频器，再通过变频器调节频率的方式实现对电动机运行速度和方向的控制。综合试验基地风沙比较大，环境比较恶劣的实际情况，选用抗干扰能力强的西门子S7-200系列PLC来实现对变频器的控制[1]。

1.1　移动靶车控制部分整体设计

移动靶车控制部分主要由变频柜、本地控制箱和远程控制箱组成，通过PLC控制靶车速度、方向、停车制动装置和实现靶道两端的自动停车功能。移动靶车控制部分整体设计如图1所示。

图1　移动靶车控制部分整体结构

变频柜以ABB公司的ACS800变频器为主体，直接与靶车上的电动机相连，接收本地控制箱的控制信号和远程控制箱经本地控制箱发送来的控制信号，通过控制电机运转控制靶车运行。本地控制箱和远程控制箱都是以西门子公司的CPU224 XP为主体，通过各自面板上的控制按钮、操作杆以及终端传感器发来的信号等控制变频器运行，接收从变频器反馈回来的变频器工作状态信号和靶车运行速度信号并实时显示在各自面板上，同时判断当前状态决定是否自动启动刹车电磁阀。

1.2　自由口通信与无线数传电台

S7-200 PLC的自由口通信是基于RS485通信基础的半双工通信，第三方设备大多支持RS485串口通信，西门子S7-200系列PLC可以通过自由口通信模式控制串口通信。自由口通信的核心就是发送(XMT)和接收(RCV)两条指令，以及相应的特殊寄存器控制[2]。S7-200 PLC之间的自由口通信是通过中断程序具体实现的，如图2所示。

图2　自由口通信流程

为了实现移动靶车控制部分的无线通信，需要在本地控制箱和远程控制箱内部各添加一个无线数传电台。本设计选择的数传电台EL7052工作在230 MHz频段上，支持RS485串口通信，提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。在S7-200 PLC的自由口通信模式下通过两个无线数传电台EL7052就实现了2个控制箱之间的无线通信，进而可以将后方远程控制箱的控制信号传给前方的本地控制箱，同时将前方本地控制箱的反馈信号传回后方的远程控制箱。

1.3　实时速度的LED显示设计

变频器ACS800提供一路可编程0～20 mA电流量输出，可反映当前变频器实际转速，通过基于MC13213单片机设计的LED数码显示电路采集该电流量并进行数模转换，最终实现靶车速度在本地控制箱和远程控制箱的实时LED显示。

LED数码显示板包括电源转换与数码管驱动2部分。电源转换部分是通过LM2576开关型电压转换芯片从PLC的24 V电源给单片机系统提供稳定的3.3 V工作电压。数码管驱动部分除数码管之外还包括移位寄存器74HC595，用于单片机锁存要显示的数据，同时由于74HC595的工作电压与数码管驱动电压不同，再选择8路光耦TLP521-4对数码管进行隔离控制。

1.4　移动靶车运行具体设计

移动靶车运行的主要控制模式为远程控制，但是出于本地调试的需要增加了本地控制模式。在本地控制箱上有一个切换远程控制与本地控制模式的按钮，若选择远程控制，则本地控制箱上的操作均不起作用，但是与本地控制箱相连的刹车电磁阀控制、传感器信号等仍然起作用；若选择本地控制方式，远程控制箱的操作均不起作用，但是本地的速度信号以及相应的刹车信号等仍会回传到后方的远程控制箱上显示出来。

靶车在选择好控制模式的前提下，通过相应本地或者远程控制箱上的输入信号来实现起动、变速、换向、临时停车与长期停车等功能，移动靶车响应输入信号正常运行的同时，反馈回来当前工作状态、速度信号等通过信号灯和LED数码显示板显示在2个控制箱面板上。在轨道的两端设计了两级停车装置，当本地控制箱接收到第1个传感器的信号时，速度减为零，刹车电磁阀不起作用，此后靶车靠惯性继续滑行；当本地控制箱接收到第2个传感器的信号时，刹车电磁阀作用，此时靶车平稳停车。若要再次启动，必须切换前进方向才可启动，这样就确保了靶车安全行驶在轨道范围内。

2靶面图像采集部分设计

2.1　靶面图像采集部分整体设计

为实现射击试验需求，必须对当前靶面图像实时远程监控，同时出于安全的考虑，摄像头只能安装在与靶面底部平行的位置且倾斜向上拍摄靶面图像，拍得的图像存在明显的透视效果，所以需要设计相应的靶面图像采集部分，对拍得的图像在实时监控的基础上进行梯形校正。

靶面图像采集部分主要由摄像头、微波传输装置和包含图像采集卡在内的上位机3部分组成。安装在靶面前方的摄像头采集到靶面图像之后，通过微波发射机发送给后方的微波接收装置，微波接收机接收到的图像信号通过图像采集卡采集到上位机，在上位机LabVIEW环境中进行当前靶面图像的实时显示与图像校正。靶面图像采集部分整体设计如图3所示。

图3　靶面图像采集部分整体结构

2.2　模拟微波传输

模拟微波传输是把视频信号直接调制在微波的信道上，通过天线发射出去，接收方通过天线接收微波信号，然后再通过微波接收机解调出原先的视频信号。模拟微波传输过程中没有压缩损耗，几乎不会产生延时，因此可以保证图像质量，适合点对点单路传输。本设计采用海电科技的HD-630模拟微波传输音视频发射机与Microsat 600AM模拟微波接收机等组成的微波图像传输系统。

2.3　虚拟仪器LabVIEW和Matlab Script

上位机部分使用LabVIEW编写。LabVIEW包括丰富的用于数据采集、分析、表达和数据存储的库函数，适合于数据采集和控制、数据分析以及数据表达。图像处理是在LabVIEW里利用Matlab Script节点调用Matlab算法。在Matlab Script节点中，用户可以编辑Matlab程序，也可以直接导入Matlab程序，并在LabVIEW环境下运行[3]。

2.4　图像的梯形校正

现场的靶面大小为6 m×6 m，背面为网状结构，正面为白色幕布，靶面比较容易受外界干扰发生偏移，而且每次使用完毕靶面都要收起，不能使用精确标定的方法对靶面图像进行校正，所以对于靶面图像只对透视效果进行梯形校正，而对于因为短焦距镜头产生的图像畸变不做处理。

对透视效果的梯形校正是在Matlab Script中完成的，为了完成梯形校正，至少需要4个已知原始坐标的控制点进行投影变换[4]。靶面图像本身无法提供可检测的控制点，因此，选择在靶面4个顶点做黑色标记作为控制点，通过阈值分割和连通性检测提取出标记区域，使用灰度质心法计算出其中心坐标作为控制点透视变形后的图像坐标[5]，再通过计算出的坐标值构建投影变换对靶面图像进行校正。梯形校正流程图与投影变换示意如图4所示。

图4　梯形校正流程图与投影变换示意图

3模拟实验结果

3.1　移动靶车控制部分

移动靶车控制部分在实验室条件下进行了长时间运行模拟实验，设计要求中需要实现的靶车控制功能均得到了基本实现，而且实时反馈的当前工作状态、速度信号等均稳定无误。

3.2　靶面图像采集部分

在实验室进行了对实际图像采集过程的模拟，由于实验室条件限制，不能完全模拟6 m×6 m大小的靶面，选取合适场地悬挂了2.5 m×2 m大小的储物柜模拟靶面，在储物柜的四角做了黑色标记，同时为模拟实际现场多次安装导致图像位置不同的情况，在实验过程中对摄像头位置方向进行了多次微调，来进行图像的采集与校正，上位机显示的采集图像稳定连续，且均实现了对图像透视效果的梯形校正。由于储物柜所在图像校正环境比现场复杂很多，所以可认为此图像采集系统校正功能是适用于现场梯形校正实际情况的。储物柜校正前后的图像如图5所示。