在焊縫別算法中應(yīng)用多核技術(shù)
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摘要：介紹了一種以多核處理器為主控制器的智能化焊接的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過對多核處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，改進(jìn)了傳統(tǒng)自動焊機(jī)中使用的多處理器系統(tǒng)，消除了數(shù)據(jù)在PCB板上傳輸時所帶來的延遲，加快了運(yùn)算速度，對多核處理器和與之相應(yīng)的軟件技術(shù)進(jìn)行了深入分析。
關(guān)鍵詞：多核處理器；延遲；多維圖像；焊縫識別；智能自動焊
概述
機(jī)器視覺技術(shù)是智能自動化焊接的核心技術(shù)之一。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和智能自動化技術(shù)在焊接行業(yè)中的大量應(yīng)用，機(jī)器視覺系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展和應(yīng)用。在企業(yè)的生產(chǎn)一線得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。對整個控制系統(tǒng)而言，視覺系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、響應(yīng)時間短的要求，因而，從設(shè)計(jì)的角度講，不論是對圖像處理的軟件算法，還是硬件器件和線路的組成都有著苛刻的要求。傳統(tǒng)的電路構(gòu)成是以多處理器系統(tǒng)為核心來獲得較強(qiáng)的運(yùn)算能力，且軟件算法與這一硬件結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。多核處理器的出現(xiàn)，對多處理器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出挑戰(zhàn)，是其完美的升級替代方案，如再對軟件算法設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，則可使系統(tǒng)性能得到質(zhì)的提高，以下將對這一系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、原理、和算法設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。
1系統(tǒng)構(gòu)成
1．1多處理器系統(tǒng)
在焊接生產(chǎn)中，有幾種場合要用到圖像識別技術(shù)，如工件位置識別（零件結(jié)構(gòu)組裝中的位置識別和定位焊焊縫的起始焊接位置識別），焊縫識別（包括焊縫在工件上的空間位置和自身的三維形狀識別），焊接溫度場的識別（焊接工件上的焊縫和熱影響區(qū)的溫度場的測量及計(jì)算，多采用紅外非接觸測量）。在這些應(yīng)用中，圖像干擾因素多，成像質(zhì)量差。如弧光干擾，強(qiáng)電場（引弧脈沖中和維弧脈沖產(chǎn)生）干擾，強(qiáng)磁場（焊接電流形成）干擾等。為了獲得好的“視覺測量”效果，通常對干擾嚴(yán)重的圖像丟棄不用，并選用高分辨率的攝像機(jī)和高的圖像采樣率，將多種探測方式（可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、激光測量成像儀等）得到的圖像分別運(yùn)算后再綜合。在多處理器系統(tǒng)中，為了減輕主處理器的負(fù)擔(dān)，往往將單一圖像矢量化后再送至主控制器中進(jìn)行綜合，這樣傳輸數(shù)據(jù)有一定滯后性，如將多種位圖數(shù)據(jù)直接送主控制器，則主控制器無法在極短的響應(yīng)時間內(nèi)完成運(yùn)算。改進(jìn)后多處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的改進(jìn)方法是將多個傳感器獲得的圖像直接存入系統(tǒng)公用的RAM區(qū)中，形成多維圖像數(shù)組。例如，圖像的第一分量可能為亮度陣列，第二分量可能為紅色光陣列，第三分量可能為藍(lán)色光陣列，第四分量可能為紅外光陣列（紅外攝像機(jī)對溫度場測量獲得的），第五分量可能為激光測量圖像（X，Y，Z），等等。這樣，在多核CPU內(nèi)可以對RAM中的多維圖像做一次性處理，從而減小了上下級處理器的傳輸所帶來的延遲（這種延遲是PCB板上線路帶來的延遲，而不是芯片內(nèi)部的延遲），加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在A系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過多級處理器分別處理，在時間上存在著較大的延遲。B系統(tǒng)中雖共享數(shù)據(jù)區(qū)，但多個處理器之間的協(xié)作耗時巨大，在某種程度上減小了多處理器所帶來的優(yōu)勢。處理器協(xié)作的耗時與處理器的個數(shù)N的2次方成正比，這種耗時隨處理器的個數(shù)N急劇直線上升，因而在實(shí)際應(yīng)用中較少應(yīng)用。在上述2種系統(tǒng)中，處理器之間的總線都是在PCB電路板上的銅箔實(shí)現(xiàn)的。都存在著較大的板級延遲時間，當(dāng)前的處理器的運(yùn)算速度（也就是處理器的內(nèi)頻）都可達(dá)幾百兆赫茲到幾個吉赫茲之間，運(yùn)算速度很快。但處理器的外部頻率不能過高（這是由電路板的銅箔的長度決定的），PCB電路板上的數(shù)據(jù)總線之間是以處理器的外頻工作的。大多數(shù)的工業(yè)處理器的外頻只有幾十兆赫而已，因而，PCB板上的總線的傳輸?shù)乃俣瘸蔀檎麄€系統(tǒng)的瓶頸。
1．2多核處理器
可以看到，在結(jié)構(gòu)上，多核處理器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多處理器系統(tǒng)的改進(jìn)后的方案相似。但根本區(qū)別在于：（1）多核處理器的總線是在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，是以處理器的內(nèi)頻工作的，速度可達(dá)幾百兆到幾個吉；（2）多核處理器內(nèi)部的各個處理器之間的協(xié)作是由硬件完成的，在各個核工作的同時由專用的控制電路完成，因而，軟件在協(xié)作方面的耗時極少。傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)是由軟件完成協(xié)作關(guān)系，這樣，多核處理器就能更有效地利用內(nèi)部的各處理器去完成圖像分析的相關(guān)運(yùn)算，宏觀上表現(xiàn)為處理器的運(yùn)算速度更快。從算法角度講，多核處理器能避免重復(fù)運(yùn)算。多維圖像可以優(yōu)先處理在同一方向分量矩陣，這樣，數(shù)據(jù)有較多的相關(guān)性，運(yùn)算容易簡化，參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)的絕對值較小。處理器計(jì)算小數(shù)值的數(shù)據(jù)所用的時鐘周期數(shù)少、用時短、易獲得較快的運(yùn)算速度。在同樣的集成電路工藝下，多核處理器較多處理器系統(tǒng)有較明顯的運(yùn)算速度的優(yōu)勢。多核處理器的優(yōu)勢還體現(xiàn)在對焊接過程中所得到的原始多維圖像的處理的適應(yīng)性上。多維圖像以多維數(shù)組的形式存在共用的RAM中，各個內(nèi)核都能以平等的方式訪問數(shù)組中的各個數(shù)據(jù)，這樣，在數(shù)據(jù)的訪問上更為靈活。由于多個內(nèi)核都處于平等的位置上，所以，可以集中運(yùn)算分散控制。多核處理器具有出色的多任務(wù)處理能力，因此，在焊接視覺系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、圖形運(yùn)算、反饋控制能達(dá)到一種較好的均衡狀態(tài)。這樣對于關(guān)鍵運(yùn)算工作圖2改進(jìn)后的多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3RAM中多維數(shù)組量的分派就會更為的靈活。例如，可以選擇其中2個核完成一個算法，其他的每一個核完成一個算法，使各個內(nèi)核的運(yùn)算能力得到充分的發(fā)揮。從以上對焊接圖像處理算法的特點(diǎn)分析可以看出，多核處理器，較多處理器系統(tǒng)更能適應(yīng)焊接過程中圖像識別的要求。
2結(jié)語
焊接技術(shù)在不斷地發(fā)展，從最初的簡單光電焊縫識別發(fā)展到后來的焊件組配圖像視覺，從平面圖像的簡單識別到三維圖像的建模，再到焊縫多維圖像的應(yīng)用。智能自動化焊接技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用將會更深入地發(fā)展下去。處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步以及與硬件結(jié)合相適應(yīng)的新的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型和控制機(jī)理的建立，為這一發(fā)展提供了持續(xù)的動力。本文綜述了多核處理器和多維圖像型在智能焊機(jī)視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用與改進(jìn)過程。在工廠車間的實(shí)際運(yùn)行中，獲得了良好的效果，焊機(jī)的抗干擾能力、對各種環(huán)境的適應(yīng)能力以及焊機(jī)的檢測速度和生產(chǎn)速度得到了顯著提高，達(dá)到了預(yù)期的改進(jìn)效果。
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作者：劉飛 黃燕梅 張秀珍 單位：張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宣化鋼鐵機(jī)械制造有限責(zé)任公司