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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李國誠
研究生(外文):Kuo-Cheng Lee
論文名稱:設計基於FPGA的視覺伺服系統控制XXY精密對位平台
論文名稱(外文):Design of an FPGA Based Visual Servoing System to Control the XXY Precision Alignment Stage
指導教授:張凱雄
指導教授(外文):Kai-Hsiung Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:絕對誤差和模板匹配步進馬達轉速梯形速度曲線
外文關鍵詞:SADtemplate matchingstepper motor velocitytrapezoidal profile
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目前市場上自動化設備的主流設計架構還是以個人電腦(Personal Computer, PC)為控制主體,雖然近年來CPU的效能有大幅度的提升,不過PC通常都會搭載完整的作業系統,且因應控制周邊的種類,必須加入相應的介面控制卡,所以系統的可靠度與即時性,會令人產生疑慮。因此,考慮系統單純化、模組化、即時性與穩定性等因素,本文以FPGA開發平台作為設計主軸,在其中建立一顆可程式的32位元微處理器,利用此處理器負責軟韌體運算或資料處理,結合架設於平台上方的CCD攝影機來觀測工作平台上的標記,由影像同軸分配器將擷取到的影像分別送至PC與FPGA開發板(DE2-115)。藉由人機操控介面框選模板(Template)樣式,並且將模板資訊經計算後送至FPGA開發板,進行絕對誤差和標記對位演算法(Sum of absolute differences, SAD)的運算,再搭配周邊硬體電路,取代傳統對位平台系統的軸控卡,實現對位平台三軸運動控制,精確的將機台移動到預期的位置,完成一套完整的視覺伺服控制系統。
本文最後經由馬達編碼器進行速度曲線驗證,證明確實可行,不僅發揮FPGA的特性可同時驅動多軸,且藉由嵌入式系統低成本、高穩定性、高即時性等優勢,改善PC-based的缺點,未來非常適合應用於產業之自動化對位系統。


The mainstream design architecture of automation equipment on the market at present still takes PC as the main control unit; although the CPU efficiency has been drastically improved in recent years, the PC is usually equipped with a complete operating system, furthermore, in order to control peripheral types, corresponding interface control cards must be additionally applied, which makes the reliability and real-time property of the system be doubtful. Therefore, in consideration of the factors, such as simplification, modularization, real-time property and stability, of the system, this paper takes an FPGA development platform as a design spindle, in which a programmable 32-bit microprocessor is built for performing software/firmware computation or data processing. In combination with a CCD camera installed above the platform, marks on a working platform are observed and the captured images are respectively sent to the PC and an FPGA development board (DE2-115) through a coaxial image distributor. Based on the template mode on a human-machine operation and control interface, and the template information is sent to the FPGA development board after computation to conduct the operation of SAD (Sum of absolute differences) and mark alignment algorithms; with support of peripheral hardware circuits, it can replace the motion control card of the traditional alignment platform to realize the three-axis motion control of the alignment platform, precisely moving the machine to the expectant position, so that a set of complete visual servoing control system is completed.
Finally, this paper performs velocity curve verification through a motor encoder, and proves that this manner is truly feasible. It not only can exert the FPGA characteristics for driving multiple axes at the same time, but also solve the PC-based defects by means of the advantages of low cost, high stability and high real-time property of an embedded system, which makes it very suitably be applied to an automatic alignment system for industries in the future.


摘要.....................................................i
Abstract.....................................................ii
誌謝.....................................................iii
目錄.....................................................iv
表目錄.....................................................vi
圖目錄.....................................................vii
符號說明.....................................................xii
第一章 緒論..................................1
1.1 研究動機與目的.....................................................1
1.2 文獻回顧.....................................................4
1.3 研究方法.....................................................6
1.4 論文架構.....................................................7
第二章 XXY精密對位平台視覺伺服系統原理...................8
2.1 XXY精密對位平台視覺伺服系統簡介..................8
2.2 XXY精密對位平台像伺服系系統運動控制..............11
2.3 XXY精密對位平台視覺伺服系統影像處理...............14
第三章 系統設計與實現............................18
3.1 數位控制設計與實現..............................18
3.2 系統架構設計與實現................................20
3.3 運動控制設計與實現................................26
3.4 影像處理設計與實現...............................40
3.5 人機介面設計與實現.................................50
3.6 RS-232通訊協定...................................55
3.7 對位平台與視覺裝置校正方法........................60
3.8 原點復歸..................................62
3.9 外部快速連接板(DB25 Plugs)........................64
第四章 實驗結果與討論...................................68
4.1 步進馬達梯形速度曲線驗證...........................68
4.2 步進馬達梯形速度曲線規劃花費時間..................74
4.3 影像座標軸定義............................75
4.4 對位平台與視覺裝置校正........................75
4.5 標記對位驗證......................................76
4.6 標記對位花費時間...............................79
第五章 結論與未來展望..................................82
5.1 結論................................82
5.2 本文貢獻....................................82
5.3 未來展望......................................82
5.4 系統應用領域...................................83
參考文獻...............................84
Extended Abstract.........................................87
簡歷(CV)............................90


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