首页 >  硕士论文 > 计算机硕士毕业论文 >   正文

计算机硕士毕业论文:视觉FBD形式化描述方法研究

添加时间:2018-01-10 17:09:24   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
专业论文资料, 搜索论文发表论文代写论文网为你解忧愁!详情请咨询我们客服。
获取免费的论文资料? 欢迎您,提交你的论文要求,获取免费的帮助

第一章 绪论

 
1.1 课题背景
机器视觉技术是利用智能相机替代人眼对采集到的图像进行分析识别,从而控制机器完成智能测量、智能识别、智能检测以及智能互联等工作,具有较高的使用意义和应用前景。机器视觉系统是通过智能相机将目标转换为图像,然后对图像进行分析,得到目标物体的特征信息,控制器根据目标物体的特征信息控制现场设备进行工业生产。工业生产高速发展的今天,人力劳动已经满足不了现代化生产的需求,为降低人力成本,提高生产效率以及完成人力无法完成的工作,人们可以使用机器视觉技术来提高嵌入式设备的自动化和智能化以及提高生产的柔性。近年来机器视觉市场规模越来越大,2015 年全世界机器视觉产业规模达到了 42 亿美元。我国机器视觉产业虽然起步较晚,但是发展迅猛,市场规模约为 3.5 亿美元,同比增长 22%,增速位居全球第一[1]。目前机器视觉技术已经广泛应用到工业生产、医疗、家居、航空事业等领域[2,3],并且一直是学者们研究的热门学科。1969 年第一台可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)在美国诞生,1974 年我国拥有了第一台自主研发的 PLC 设备,并于 1977 年应用到工业生产中[4]。PLC 具有高可靠性、抗干扰能力强、编程简单等特点[5],已经广泛应用到生活生产的各个领域。机器视觉技术的飞速发展也推动了 PLC 技术的发展[6],越来越多的PLC 设备将机器视觉与逻辑控制结合在一起应用到生产中,这是当今设备智能化的标志。视觉技术和 PLC 技术的结合将是未来 PLC 发展的热门方向,目前视觉技术与 PLC技术相结合的编程领域还处于起步阶段[7],而使用 PLC 的编程语言进行复杂的视觉处理在 PLC 领域还处于空白阶段。功能块图编程语言(Functional Block Diagram,FBD)是图形化编程语言,具有简单易学、操作方便、可读性好、易维护等特点,广泛应用于过程工业的控制系统中,是 PLC 常用的编程语言之一。研究和开发基于 IEC61131-3 标准的、能够进行视觉处理的 FBD 编程平台将能够解决目前面临的难题。而视觉 FBD 的形式化描述是开发和设计视觉 FBD 编程平台的基础和关键,所以本文的研究重点是对视觉 FBD 进行形式化描述。
..........
 
1.2 国内外研究现状
随着机器视觉和人工智能的发展,视觉技术已经广泛应用到社会生产生活的各个领域,其主要应用的方向为智能测量、智能识别、智能检测,本文将从这三个方向对机器视觉的应用现状进行研究。(1)智能测量:测量是现代化工业生产的基础,所有生产出的产品都具有一定规格,只有经过测量之后才能确定一款产品是否合格。测量一般都需要较高的精度和准确度,人工测量已经达不到现代化工业发展的要求,此时智能测量技术就应运而生。智能测量就是以机器视觉技术为前提,通过图像处理对工业生产中零部件的尺寸、大小进行测量。李小涛等人[8]为实现对钢管直线度非接触实时高精度测量,开发设计了基于视觉的钢管直线度测量系统,实验表明该方案精度高,速度快;Ajdadi, FatemehRahimi 等人[9]为了提高耕种质量,使用 3 个摄像头覆盖到土壤的 9 种不同高度,通过机器视觉算法对土壤进行分类,实时对耕种效果进行测量。实验表明,犁的深度平均在 35 毫米具有最佳耕种效果;由于热锻件的温度较高,工作人员无法直接对热锻件的尺寸进行测量,Liu, Yang 等人[10]通过视觉传感器对热锻件进行图像采集,然后建立基于信噪比的感兴趣区域,对热锻件的热辐射进行分析,得到清晰的图像数据,以此来完成热锻件的尺寸测量。实验表明,通过该方法测量结果的误差绝对值在 0.32 毫米以内,证明视觉技术在现代测量中的高效性和准确性。(2)智能检测:智能检测是在智能测量的基础上进行,根据智能测量的结果对目标进行匹配来判定物体是否合格。Cha, Young-Jin[11]基于视觉方法设计了检测螺栓是否松动,通过智能相机获取螺栓图像,使用霍夫变换和支持向量机的方法对螺栓进行检测;为了能够彻底切除癌细胞,Turkcan, Silvan 等人[12]设计了癌细胞切除辅助系统,通过成像设备对肿瘤组织进行检测,精确定位肿瘤组织的轮廓,然后辅助医生将癌细胞完整切除;黄花梨的果径尺寸和黄花梨表面的完整性是黄花梨品质等级划分的重要指标,应义斌等人[13]提出了基于视觉的黄花梨品质检测系统,通过黄花梨图像 R、G、B 分量的特点,利用梯度算法求得黄花梨表面的缺陷点,实验表明,该检测方法是一种多功能、高效且准确率高的检测方法。
.........
 
第二章 视觉 FBD 形式化描述相关标准与技术
 
形式化描述视觉 FBD 必须遵循 IEC 61131-3 标准和 PLCOpen 国际规范,此外还要符合视觉处理的特点。本章将对视觉 FBD 形式化描述所需的标准和技术进行相关介绍。
 
2.1 IEC 61131-3 标准
PLC 技术发展早期,由于没有统一的标准规范,各厂商使用的编程语言和规范各不相同,为了扩展 PLC 的功能,各大 PLC 厂商还允许使用高级语言(如 C 语言)进行混合编程。不同公司的模块编写缺乏统一的规范,导致模块复用性差,于是国际电工委员会制定了 IEC 61131-3 标准,对 PLC 的五种编程语言的编程规范进行了详细规定。IEC 61131-3 标准规定了五种 PLC 编程语言,分别为功能块图编程语言(FunctionalBlock Diagram,FBD)、梯形图编程语言(Ladder Diagram,LD)、指令表编程语言(Instruction List,IL)、结构化文本编程语言(Structured Text,ST)、顺序功能块语言(Sequential Function Chart,SFC)。IEC 61131-3 标准制定了文本化编程语言和图形化编程语言两大类编程语言规范,文本化编程语言包括 IL 和 ST,图形化编程语言包括 LD 和 FBD[48]。SFC 既不属于文本化编程语言也不属于图形化编程语言,标准将它作为公共元素进行了规范,SFC 可以在文本化语言中使用,也可以在图形化语言中使用[49]。
........
 
2.2 FBD 编程标准
FBD 编程语言源于信号处理领域,通过使用图形逻辑符号来表示控制逻辑,将各种功能块连接在一起实现所需控制功能,是图形化编程语言。具有简单易学、操作方便、可读性好、易维护等特点,广泛应用于过程工业的控制系统中。IEC61131-3 标准定义一个 FBD 功能块由输入变量、输出变量、类型标识名、以及隐含在内部算法组成。FBD 编程是以变量管理为基础的,输入输出变量是系统提供的全局变量。当同一个 FBD 功能块类型由多个实例说明时,在 PLC 设备内存中,为每一个实例建立“功能块数据复制”的存储区,存储区中主要存储局部变量和输入、输出变量,但不包括 VAR_IN_OUT 变量[50]。FBD 的图形对象由连接、用于执行控制的图形元素、功能和功能块图形元素以及连接符组成,没有类似 LD 线圈、触点的其他图像元素。FBD 编程中有水平和垂直两种连接线,可以将一条连接线分叉为多个连接,但是连接线两端的变量类型必须一致,不允许将多个输出与一个或多个输入进行连接,但是允许多个输入与一个输出进行连接。FBD 有跳转、返回两类执行控制元素,每种执行控制元素又有条件和无条件之分,具体如表 2.1 所示,其中 X 为定义网络中提供一个 bool 输出部分。
\
...........
 
第三章 视觉 FBD 模型形式化描述..........14
3.1 视觉功能块分类.........14
3.2 视觉功能块模型.........16
3.3 视觉功能块关系模型.............19
3.4 视觉功能块网络模型.............20
3.5 视觉 FBD 数据模型....21
3.6 本章小结..........24
第四章 视觉 FBD 语义模型形式化描述.............25
4.1 视觉 FBD 编程格式规范......25
4.2 视觉 FBD 文法...........26
4.3 视觉 FBD 文法的验证..........30
4.4 本章小结..........32
第五章 视觉 FBD 形式化描述验证..........33
5.1 视觉 FBD 软件平台总体设计.........33
5.2 视觉功能块设计实现.............33
5.3 视觉 FBD 语法分析器实现..............38
5.4 应用实例..........42
5.5 本章小结..........45
 
第五章 视觉 FBD 形式化描述验证
 
第三章和第四章分别对视觉 FBD 模型和视觉 FBD 语义模型进行了形式化描述,构建了视觉功能块模型、视觉 FBD 程序模型、视觉 FBD 数据模型以及视觉 FBD 语义模型,为视觉 FBD 软件平台的设计实现夯实了基础。本章将根据视觉 FBD 的形式化描述对视觉 FBD 软件平台进行设计与实现,并根据实现的具体效果对视觉 FBD 形式化描述的可行性进行验证。
 
5.1 视觉 FBD 软件平台总体设计
视觉 FBD 软件平台主要包含两个主要模块:软件用户界面设计与软件功能模块设计,视觉 FBD 软件平台结构图如图 5.1 所示。控件库中包含所有的视觉功能块和非视觉功能块,控件库中的所有功能块都是根据视觉功能块模型设计的;语法分析器是根据视觉 FBD 语义模型设计的。设计一个功能块不仅要考虑功能块的功能、接口、基本属性等基本需求的实现,而且还要考虑功能块的复用需求。对于一类功能块开发完成后,属于该类型的功能块可以在其基础上进行修改,完成该类功能块的设计。功能块复用不仅可以提高开发效率,而且可以降低软件冗余。面向对象组件技术[55]可以是解决该类问题最为有效的方法,本文基于组件技术通过 C#语言完成对视觉功能块设计。根据定义 3-1 构建的视觉功能块模型可以得到设计一个视觉功能块的基本需求,根据这些基本需求和组件设计方法开发了视觉功能块控件。所有的视觉功能块控件都是继承UserControl设计的,UserControl中已经定义了视觉功能块控件的位置Location、文本颜色 TextColor、背景颜色 BackColor、大小 Size 等属性信息,而视觉功能块特有属性(如视觉功能块类型、视觉功能块端口等)需要单独进行设计。本文首先设计了基于 UserControl 的视觉功能块基类 GraphicsControlBase,GraphicsControlBase 类完成了视觉功能块需要的所有特有功能属性和事件方法,具体的视觉功能块控件都是继承GraphicsControlBase 类,具体的视觉功能块控件根据实现功能的不同,在派生类构造函数中对基类的成员变量初始化为不同的值,如派生类可以设置自己的功能块名称、功能块端口数量、功能块类别等。
.........
 
总结
 
为了能够在 PLC 编程平台中进行视觉应用的开发,本文对视觉 FBD 的形式化描述方法进行了研究,为视觉 FBD 软件平台的开发奠定了基础。(1)在充分研究 IEC 61131-3 标准和 PLCOpen 国际规范的基础上,结合视觉算法的特点,形式化的定义了视觉功能块模型,对视觉功能块端口、类型、组成等进行了规范化设计。(2)分析了功能块在执行时的特点,提出了视觉功能块的关系模型,进而设计了视觉FBD编程模型。本文设计了视觉FBD数据模型用于描述视觉FBD程序的执行过程,并提出了视觉 FBD 网络向 AOV 网的转换规则。(3)为避免用户进行视觉 FBD 编程时出现语义错误,在研究图文法的基础上,设计了适合视觉 FBD 编程图文法,对视觉 FBD 文法进行了基本定义,证明了其相关性质,并提出了规约算法来判定用户程序的合法性。(4)基于视觉 FBD 的形式化描述,参与设计了视觉 FBD 软件平台,并通过工件识别实例验证了本文设计的视觉 FBD 模型和语义模型的可行性。
..........
参考文献(略)

提供海量毕业论文,论文格式,论文格式范文,留学生论文,商务报告相关资料检索服务。
本论文由代写论文网整理提供 http://www.dxlwwang.com/
需要专业的学术论文资料,请联系我们客服
本文地址:http://www.dxlwwang.com/jsj/6512.html
论文关键字:计算机硕士毕业论文 形式化描述 视觉 FBD 模型 图文法