一種圖像采集控制裝置和方法

一種圖像采集控制裝置和方法
【專利摘要】本申請提供了一種圖像采集控制裝置和方法，在實際儀表圖像采集中，該裝置通過控制固定支架運動來帶動位于其末端的圖像采集器更改采集位置，以便利用一個圖像采集器對多個儀表的儀表圖像進行依次采集，降低圖像采集成本，其中，本發明通過DSP控制該圖像采集器進行圖像采集，利用RAM處理器實現人機交互，并控制伺服動力機構調整固定支架的運動軌跡，從而調整圖像采集器的采集位置，可見，本發明采用ARM+DSP的控制方式，使得本發明所提供的圖像采集控制裝置同時滿足了代碼密度高、存儲器利用率高且控制能力強等實際要求。
【專利說明】一種圖像采集控制裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發明主要涉及圖像采集控制領域，更具體地說是涉及一種圖像采集控制裝置和 方法。

【背景技術】
[0002] 目前，隨著圖像處理技術的快速發展，其已普遍應用到儀表數據讀取中，解決了人 工讀取儀表數據速度慢且準確度低的技術問題。具體的，通過控制裝置控制圖像采集器獲 取儀表圖像信息后，提取該儀表圖像信息中的特征信息，并利用預存算法對該特征進行處 理，從而得到該儀表顯示數據，無需人工參與，大大提高了儀表數據讀取效率。
[0003] 對于上述控制裝置， 申請人:發現，現有技術中常用有ARM處理器，雖然其指令密度 相對其他RISC機器要大，存儲器的利用率很高，結構也相對簡單、體積和功耗都較小，能夠 很好地支持使用高級語言的開發，但是，其數據信號處理能力和速度有限；而常用的DSP雖 然在圖像及其他數字信號或數據處理方面的能力較強，但是，其代碼密度較低，存儲器占用 較大，控制能力有限。
[0004] 由此可見，無論是現有的ARM處理器，還是DSP都無法同時滿足代碼密度高、存儲 器利用率高且控制能力強的要求。


【發明內容】

[0005] 有鑒于此，本發明提供了一種圖像采集控制裝置和方法，解決了現有的處理器無 法同時滿足代碼密度高、存儲器利用率高且控制能力強的要求的技術問題。
[0006] 為了實現上述目的，本申請提供了以下技術方案：
[0007] 一種圖像采集控制裝置，所述裝置包括：
[0008] 固定支架；
[0009] 安裝在所述固定支架上，用于采集待讀儀表的當前指針圖像的圖像采集器；
[0010] 與所述圖像采集器相連，用于對所述當前指針圖像進行處理，得到所述待讀儀表 的當前儀表數據的數字信號處理器；
[0011] 與所述數字信號處理器相連的ARM處理器；
[0012] 分別與所述固定支架和所述ARM處理器相連，根據所述ARM處理器發送的控制指 令，控制所述固定支架的運行軌跡的伺服動力機構。
[0013] 優選的，所述裝置還包括：
[0014] 通過串行接口分別與所述數字信號處理器相連的顯示器和存儲器。
[0015] 優選的，所述固定支架具體為三自由度機械臂，且所述三自由度機械臂末端設置 有用于固定所述圖像采集器的抓手。
[0016] 優選的，所述伺服動力機構包括：
[0017] 與所述ARM處理器相連的驅動器；
[0018] 分別與所述驅動器和所述固定支架相連，根據接收到的所述驅動器發送的驅動指 令控制所述固定支架運動的伺服電機；
[0019] 分別與所述伺服電機和所述ARM處理器相連，檢測所述伺服電機的當前狀態信 息，并將所述當前狀態信息發送給所述ARM處理器的編碼器。
[0020] 優選的，所述裝置還包括：
[0021] 并行接口，以使所述數字信號處理器通過所述并行接口與所述ARM處理器相連。
[0022] 優選的，所述裝置還包括：
[0023] 模數轉換器，則所述圖像采集器通過所述模數轉換器與所述數字信號處理器相 連。
[0024] 優選的，所述ARM處理器具體為S3C2440A型號的RISC構架的微處理器；
[0025] 所述數字信號處理器具體為MS320C671X型號的浮點數字信號處理器。
[0026] 優選的，所述圖像采集器具體為攝像機或照相機。
[0027] 一種圖像采集控制方法，應用于如上所述的圖像采集控制裝置，所述裝置包括固 定支架、圖像采集器、數字信號處理器、ARM處理器和伺服動力機構，所述方法包括：
[0028] 所述ARM處理器根據預存的表位信息以及所述固定支架的位置矢量信息，確定所 述固定支架的規劃速度；
[0029] 所述ARM處理器基于所確定的規劃速度向所述伺服動力機構發送控制指令，以控 制所述固定支架的運動軌跡；
[0030] 當位于所述固定支架末端的圖像采集器到達指定位置時，所述數字信號處理器控 制所述圖像采集器采集待讀儀表的當前指針圖像；
[0031] 所述數字信號處理器接收所述圖像采集器發送的當前指針圖像，并對所述當前指 針圖像進行處理，得到所述待讀儀表的當前儀表數據。
[0032] 優選的，
[0033] 所述ARM處理器根據預存的表位信息以及所述固定支架的位置矢量信息，確定所 述固定支架的規劃速度包括：
[0034] 在所述固定支架的關節處建立xy直角坐標系，其中，所述xy直角坐標系中的x指 向連桿方向；
[0035] 利用所建立的xy直角坐標系，確定所述位于所述固定支架末端的圖像采集器在 慣性系統中的位置關系以及速度關系；
[0036] 依據預定的計算規則以及所確定的所述圖像采集器在慣性系統中的位置關系和 速度關系，計算所述圖像采集器的規劃速度；
[0037] 利用所述圖像采集器的規劃速度以及所述固定支架各關節的初始變量，計算所述 固定支架的期望關節變量以及關節規劃速度。
[0038] 由此可見，與現有技術相比，本申請提供了一種圖像采集控制裝置和方法，在實際 儀表圖像采集中，該裝置通過控制固定支架運動來帶動位于其末端的圖像采集器更改采集 位置，以便利用一個圖像采集器對多個儀表的儀表圖像進行依次采集，降低圖像采集成本， 其中，本發明通過數字信號處理器（DSP，Digital Signal Processing)控制該圖像采集 器進行圖像數據采集與處理，利用RAM處理器實現人機交互，并控制伺服動力機構調整固 定支架的運動軌跡，從而調整圖像采集器的采集位置，可見，本發明采用ARM+DSP的控制方 式，ARM處理器作為主處理器，控制人機交互、負責任務管理、輸入輸出以及控制外部設備， DSP作為從處理器，負責圖像數據的快速處理，從而使得該圖像采集控制裝置能夠同時滿足 代碼密度高、存儲器利用率高且控制能力強等實際要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0040] 圖1為本發明一種圖像采集控制裝置實施例的結構示意圖；
[0041] 圖2為本發明一種圖像采集控制裝置的固定支架實施例的結構示意圖；
[0042] 圖3為本發明另一種圖像采集控制裝置實施例的結構示意圖；
[0043] 圖4為本發明一種圖像采集控制方法實施例的流程示意圖；
[0044] 圖5為本發明一種圖像采集控制方法實施例中三自由度機械臂運動學建模示意 圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0046] 本申請提供了一種圖像采集控制裝置和方法，在實際儀表圖像采集中，該裝置通 過控制固定支架運動來帶動位于其末端的圖像采集器更改采集位置，以便利用一個圖像采 集器對多個儀表的儀表圖像進行依次采集，降低圖像采集成本，其中，本發明通過數字信號 處理器（DSP，Digital Signal Processing)控制該圖像采集器進行圖像采集與處理，利用 RAM處理器實現人機交互，并控制伺服動力機構調整固定支架的運動軌跡，從而調整圖像采 集器的采集位置，可見，本發明采用ARM+DSP的控制方式，ARM處理器作為主處理器，控制人 機交互、負責任務管理、輸入輸出以及控制外部設備，DSP作為從處理器，負責圖像數據的快 速處理，從而使得該圖像采集控制裝置同時滿足了代碼密度高、存儲器利用率高且控制能 力強等實際要求。
[0047] 參照圖1所示的本發明一種圖像采集控制裝置實施例的結構示意圖，該裝置具體 可以包括：固定支架100 (圖中未畫出）、圖像采集器200、數字信號處理器300、ARM處理器 400和伺服動力機構500,其中：
[0048] 圖像采集器200安裝在固定支架100的末端，用于采集待讀儀表的當前指針圖像。
[0049] 可選的，該圖像采集器200具體可以為攝像機或照相機等，只要能夠采集到儀表 的指針圖像的設備均屬于本發明保護范圍。
[0050] 另外，關于上述固定支架100,具體可以為能夠任意旋轉并改變運動方向的機械 臂，該機械臂可具有多自由度，如圖2所示的三自由度機械臂，可將該圖像采集器200固定 在該三自由度機械臂的末端，在實際應用中，該圖像采集器200可隨著固定支架100運動而 運動，從而將圖像采集裝置調整到該圖像采集控制裝置負責的多個儀表各自合適的采集位 置上，以完成指針圖像的采集。
[0051] 數字信號處理器300與圖像采集器100相連，接收該圖像采集器100發送的指針 圖像，并對該指針圖像進行處理，得到待讀儀表的當前儀表數據。
[0052] 具體的，圖像采集器100可以將其負責的所有儀表的指針圖像采集完后，再統一 發送給數字信號處理器300進行后續處理，也可以每采集一個儀表的指針圖像后就發送給 數字信號處理器300進行后續處理，或者是其他方式，本發明對此不作具體限定。
[0053] 可選的，在本實施例中，該數字信號處理器300可以通過I/0(Input/0utput，輸入 /輸出）口與圖像采集器200相連，且由于圖像采集器200所得指針圖像為模擬信號，需 通過模數轉換器將其轉換成相應的數字信號，數字信號處理器300才能對其進行進一步處 理。其中，該模數轉換器具體可以設置在數字信號處理器內，或圖像采集器內或數字信號處 理器與圖像采集器之間，本發明對此不作具體限定。
[0054] 其中，數字信號處理器即DSP是一種高速專用的微處理器，它專門為實現數字信 號處理的各種算法而設計，具有精度高、速度快、接口與編程方便、可靠性高、可重復性好、 集成方便等優點。
[0055] 而且，在硬件結構上，DSP內部存儲器采用程序總線和數據總線分開的哈佛結構， 因而，其擁有在物理上是兩個獨立的存儲區域即程序存儲器和數據存儲器，從而使得取數 據和取指令操作可同時進行，大大提高處理器的處理能力。
[0056] 可選的，本發明實施例可采用美國德州儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI) 生產的MS320C671X，其是C67X是TI推出的新一代高性能浮點數字信號處理器，與現有技術 常用的C6000其他高性能芯片相比，C67IX性價比高、功耗低，且CPU內部包括程序取指單 元、程序執行機構、芯片測試和仿真端口以及控制邏輯。
[0057] 其中，程序取指單元由程序總線與片內程序存儲器相連。程序執行機構包括2個 對稱數據通道（A和B)，2個對稱的通用寄存器組、2組對稱的功能單元（每組4個）、控制 寄存器組和控制邏輯以及中斷邏輯等，其最高時鐘速率在150MHz?225MHz范圍內，每秒 最快執行18億條指令；片內采用兩級緩存以提高處理速度；采用甚長指令字結構，程序總 線寬度為256bit，每一時鐘周期可同時取8個32比特指令；芯片采用雙電源供電，內核電 源1. 2V，在片外圍則用3. 3V供電，使得芯片功耗很低；在片外圍設備資源豐富，具有多通道 緩沖串口（MCBSP)、多通道音頻串口（MCASP)、外部存儲器接口（EMIF)、擴展的存儲器訪問 (EDMA)及定時器、主機接口、在片仿真口等。
[0058] 基于上述分析得知，本發明所采用的DSP與傳統CPU相比，其具有以下優勢：
[0059] 總線結構：哈佛/改進型哈佛結構，消除總線瓶頸，運行速度更快；
[0060] 指令運行方式：流水線方式，允許程序與數據存儲器同時訪問，在單條指令執行時 間相同的情況下，大大提高運算速度；
[0061] 指針：配置專用運算器，復合指令可以在寄存器、運算單元處理變量的基于 ARM+DSP的機器人控制系統設計。同時，使用指針訪問數據存儲器，采用并行方式，提高處理 數據能力；
[0062] 循環控制：利用硬件循環控制結構，實現無消耗循環控制，較好解決了告訴運行和 精簡程序的矛盾；
[0063] 多處理系統：提供具有很強同步機制的互鎖指令，保證了高速運算中通信和結果 的完整。
[0064] 需要說明的是，關于該型號的數字信號處理器的內部電路組成結構，本領域技術 人員可根據上述描述確定，本發明在此不再詳述。
[0065] ARM處理器400與該數字信號處理器300相連，用于接收用戶輸入的或外接設備發 送的編碼指令，并據此輸出相應的控制指令，以實現對固定支架的運行軌跡的控制。
[0066] 其中，該ARM處理器可采用16/32位RISC微處理器S3C2440A，S3C2440A采用了 ARM920t的內核，0. 13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元，其低功耗、簡單且全靜態設計 特別適合于對成本和功率敏感型的應用，此外，ARM920T實現了 MMU(Memory Management Unit，內存管理單元）、AMBA BUS(Advanced Peripheral Bus，高級外設總線）和Harvard高 速緩沖體系結構，且這一結構具有獨立的16KB指令cache和16KB數據cache，每個都是有 具有8字長的行組成。
[0067] 可見，本實施例采用的RISC構架的ARM處理器具有以下特點：
[0068] 體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位）/ARM(32位）雙指令集，能很 好兼容8位/16位器件；尋址方式靈活簡單，指令長度固定，執行速度快，效率高。
[0069] 在本實施例中，該ARM處理器400具體可通過HPI (Host Port Interface)通訊接 口與數字信號處理器300相連，其中，該HPI通訊接口是一個主機通信的并行接口，主要用 于DSP與其他總線或CPU進行通信。
[0070] 其中，在實際應用中，該ARM處理器400內可預先存儲固定支架運動規劃算法，以 控制該固定支架按照計算所得運動軌跡運動，以滿足實際需要，其中，該固定支架的運動規 劃算法可具體參照下面方法實施例對應部分的描述，本發明在此不再詳述。
[0071] 伺服動力機構500分別于固定支架100和ARM處理器400相連，可根據該ARM處 理器400發送的控制指令，控制固定支架100的運動軌跡。
[0072] 可選的，結合圖3所示的本發明另一種圖像采集控制裝置實施例的結構示意圖， 本實施例的伺服動力機構500具體可以包括驅動器510、伺服電機520和編碼器530,其中： 該驅動器510和編碼器530均與ARM處理器400相連，伺服電機520分別與驅動器510、編 碼器530和固定支架100相連。
[0073] 在實際應用中，ARM處理器400可根據接收到的編碼指令，確定向驅動器510發送 脈沖數量，進而由該驅動器510控制伺服電機520的旋轉速度、角度以及方向等，以便該伺 服電機520據此控制固定支架100的運動軌跡。而編碼器可實時采集驅動電機的旋轉位 置、方向等信息，并將其發送給RAM處理器400,以便調整ARM處理器的編碼指令，進而更改 其發往驅動器的脈沖數量，實現固定支架100運動軌跡的調整。
[0074] 需要說明的是，關于伺服動力結構500中驅動器510、伺服電機520和編碼器530 的具體結構及相互之間的連接控制關系，可參照現有技術，本發明在此不再詳述。
[0075] 可選的，在上述實施例的基礎上，結合圖3所示，該數據采集控制裝置還可以包括 通過串口與數字信號處理器300相連的存儲器。
[0076] 在本實施例實際應用中，當數字信號處理器300得到圖像采集器發送的指針圖像 后，可直接存儲起來以備儀表監控中心調取，而且，在數字信號處理器300對該指針圖像進 行處理，得到各儀表不同時刻的儀表數據后，也可以將各儀表所得的各時刻的儀表數據存 儲起來，作為該儀表的歷史顯示數據以便后續查詢。
[0077] 另外，該數據采集控制裝置還可以包括通過串口與數字信號處理器300相連的顯 示器，用于顯示各儀表的當前儀表數據。當然，該顯示器也可以顯示各儀表的當前指針圖 像，此時，工作人員可直接根據顯示器的顯示內容確定各儀表的當前儀表數據，無需到每個 儀表現場讀取數據，提高了工作效率，降低了勞動量。
[0078] 此外，該數字信號處理器300也可通過HPI通訊接口將接收到的各儀表指針圖像 上傳至儀表監控中心，由該儀表監控中心對該指針圖像進行處理得到各儀表數據，或者，數 字信號處理器300也可以通過HPI通訊接口將得到的各儀表不同時刻的儀表數據直接發送 給儀表監控中心存儲，以便后續查詢。其中，該儀表監控中心可以為人工交互平臺，如中控 室中的監控設備。
[0079] 需要說明的是，關于本發明上述各實施例所提供的圖像采集裝置，除了上述各部 件外還可以包括：與ARM處理器相連的報警器，當確定伺服動力電機控制固定支架到達指 定位置后，輸出提示信息，以告知工作人員固定支架的當前運動狀態，其中，該報警器具體 可以為指示燈、蜂鳴器或語音模塊等等，本發明對此不作具體限定，當然，該裝置還可以包 括用于實現各部件連接的連接器件等等，本發明在此不再一一列舉，只要不是本領域技術 人員付出創造性勞動確定的，均屬于本發明保護范圍。
[0080] 綜上所述，本發明實施通過控制固定支架運動來帶動位于其末端的圖像采集器更 改采集位置，以便利用一個圖像采集器對多個儀表的儀表圖像進行依次采集，降低圖像采 集成本，其中，本發明通過數字信號處理器（DSP，Digital Signal Processing)控制該圖像 采集器進行圖像采集，同時對采集的圖像數據處理，利用RAM處理器實現人機交互，并控制 伺服動力機構調整固定支架的運動軌跡，從而調整圖像采集器的采集位置，可見，本發明采 用ARM+DSP的控制方式，ARM處理器作為主處理器，控制人機交互、負責任務管理、輸入輸出 以及控制外部設備，DSP作為從處理器，負責圖像數據的快速處理，從而使得該圖像采集控 制裝置能夠同時滿足代碼密度高、存儲器利用率高且控制能力強等實際要求。
[0081] 參照圖4所示的本發明一種圖像采集控制方法實施例的流程示意圖，該方法應用 于上述圖像采集控制裝置，該裝置可以包括固定支架、圖像采集器、DSP、ARM處理器和伺服 動力機構，其中，該裝置中這些部件之間的功能及其連接關系可參照上述裝置實施例的描 述，本發明實施例在此不再贅述，則本實施所提供的圖像采集控制方法具體可以包括以下 步驟：
[0082] 步驟S41 :ARM處理器根據預存的表位信息以及所述固定支架的位置矢量信息，確 定固定支架的規劃速度。具體的，以該固定支架為三自由度機械臂為例進行說明，如圖5所 示的三自由度機械臂運動學建模示意圖，根據三自由度機械臂（由3個依次連接的連桿組 成，且相鄰兩個連桿的連接點即關節可自由旋轉）特點進行運動學建模，其中，x0, yO為慣 性坐標系統的兩個坐標軸；R2,表示關節i到連桿i的質心A的位置矢量；biG R2,表 示連桿i質心A到關節i+1的位置矢量；li= a i+biG R2,表示連桿i的矢量，0彥示關節 i的關節變量；ree R2表示三自由度機械臂末端圖像采集器的位置矢量；v e表示三自由度 機械臂末端圖像采集器的線速度，且Ve=S。
[0083] 首先，在三自由度機械臂的關節處建立xy直角坐標系，如圖5所示，其中，該xy直 角坐標系中的x指向連桿方向，則定義操作符號：

【權利要求】
1. 一種圖像采集控制裝置，其特征在于，所述裝置包括： 固定支架； 安裝在所述固定支架上，用于采集待讀儀表的當前指針圖像的圖像采集器； 與所述圖像采集器相連，用于對所述當前指針圖像進行處理，得到所述待讀儀表的當 前儀表數據的數字信號處理器； 與所述數字信號處理器相連的ARM處理器； 分別與所述固定支架和所述ARM處理器相連，根據所述ARM處理器發送的控制指令，控 制所述固定支架的運行軌跡的伺服動力機構。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 通過串行接口分別與所述數字信號處理器相連的顯示器和存儲器。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述固定支架具體為=自由度機械臂，且 所述=自由度機械臂末端設置有用于固定所述圖像采集器的抓手。
4. 根據要求3所述的裝置，其特征在于，所述伺服動力機構包括： 與所述ARM處理器相連的驅動器； 分別與所述驅動器和所述固定支架相連，根據接收到的所述驅動器發送的驅動指令控 制所述固定支架運動的伺服電機； 分別與所述伺服電機和所述ARM處理器相連，檢測所述伺服電機的當前狀態信息，并 將所述當前狀態信息發送給所述ARM處理器的編碼器。
5. 根據權利要求1-4任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 并行接口，W使所述數字信號處理器通過所述并行接口與所述ARM處理器相連。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 模數轉換器，則所述圖像采集器通過所述模數轉換器與所述數字信號處理器相連。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述ARM處理器具體為S3C2440A型號的 RISC構架的微處理器； 所述數字信號處理器具體為MS320C671X型號的浮點數字信號處理器。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述圖像采集器具體為攝像機或照相機。
9. 一種圖像采集控制方法，其特征在于，應用于如權利要求3-8任一項所述的圖像采 集控制裝置，所述裝置包括固定支架、圖像采集器、數字信號處理器、ARM處理器和伺服動力 機構，所述方法包括： 所述ARM處理器根據預存的表位信息化及所述固定支架的位置矢量信息，確定所述固 定支架的規劃速度； 所述ARM處理器基于所確定的規劃速度向所述伺服動力機構發送控制指令，W控制所 述固定支架的運動軌跡； 當位于所述固定支架末端的圖像采集器到達指定位置時，所述數字信號處理器控制所 述圖像采集器采集待讀儀表的當前指針圖像； 所述數字信號處理器接收所述圖像采集器發送的當前指針圖像，并對所述當前指針圖 像進行處理，得到所述待讀儀表的當前儀表數據。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述ARM處理器根據預存的表位信息W 及所述固定支架的位置矢量信息，確定所述固定支架的規劃速度包括： 在所述固定支架的關節處建立xy直角坐標系，其中，所述xy直角坐標系中的X指向連 桿方向； 利用所建立的xy直角坐標系，確定所述位于所述固定支架末端的圖像采集器在慣性 系統中的位置關系W及速度關系； 依據預定的計算規則W及所確定的所述圖像采集器在慣性系統中的位置關系和速度 關系，計算所述圖像采集器的規劃速度； 利用所述圖像采集器的規劃速度W及所述固定支架各關節的初始變量，計算所述固定 支架的期望關節變量W及關節規劃速度。
【文檔編號】G05D3/12GK104469166SQ201410828547
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】宋偉, 吳高林, 周慶, 鄧幫飛, 彭姝迪, 肖前波, 黃江晨, 張海兵, 甘建峰, 張文杰, 張家齊, 王玉平, 王成疆, 梁海鵬 申請人:國網重慶市電力公司電力科學研究院, 國家電網公司, 深圳市先進智能技術研究所