基于FPGA的微型零件尺寸检测系统研究

作     者：李前坤 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖强

授予年度：2014年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：微型零件 尺寸检测 机器视觉 FPGA 图像处理 

摘      要：随着现代科学技术的发展，微型器械装置越来越智能化、微型化、精密化，并运用到了越来越广泛的领域，微型零件的需求也随之增加。微型零件的质量必然会影响到微型机械装置的相关功能，微型零件的质量的检测就显得尤为重要。微型零件的尺寸检测是其中一项重要的检测项目。由机器视觉技术构建的检测系统分为基于计算机的机器视觉检测系统和基于嵌入式的机器视觉检测系统两类系统，本文在分析了基于计算机的机器视觉检测系统的不足之处后，提出了一种基于单片FPGA的嵌入式机器视觉检测系统。 本文首先构建了FPGA的机器视觉微型零件尺寸检测系统的总体结构，机器视觉系统根据相应功能划分为了机械部分、光学部分以及基于FPGA的图像采集和处理部分。对于系统的机械部分主要完成了机械部分的选型设计，包括三维伺服运动机构和系统测量平台的选型设计;然后对硬件部分的光学部分进行了设计，包括相机和镜头的的选择、光源的选择与照明方式的设计。 对于基于FPGA部分的图像采集和处理系统完成了硬件总体结构设计和相关软件设计。硬件部分包括主要芯片的选型和电路设计，包括控制和处理FPGA核心芯片的选型、存储器选型和电路设计、视频解码和视频编码的选型以及图像显示设备的选择。系统的软件设计分析了相关设计软件，包括QuartusⅡ、MATLAB/Simulink和DSP Builder的设计流程，并分析了SOPC系统如何构建相应模块。最后构建起了基于单片FPGA嵌入式机器视觉检测系统。 本文在构建了微型零件的尺寸检测系统后，展开了微型零件的尺寸检测。在机器视觉零件尺寸检测系统中对微型零件尺寸的检测就是对微型零件的图像信息进行处理分析，图像处理过程一般由图像采集、图像灰度化、图像平滑滤波、图象二值化、图像的边缘检测、图像的边缘拟合、尺寸计算组成。在被测零件的尺寸由像素尺寸到实际尺寸的转化过程中，需要完成系统的标定，通过系统标定可以确定像素尺寸和实际尺寸的关系，从而求得被测零件的实际尺寸。最后选取微型齿轮作为被测对象，通过将图像灰度化、平滑滤波、二值化等预处理，接着进行边缘检测，再利用最小二乘法完成了微型齿轮的边缘拟合，系统标定后测得了微型零件的尺寸。