基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

許 林，孟 娜，袁 靜，吳 丹

(中國人民解放軍第960醫(yī)院，濟(jì)南 250000)

0 引言

在當(dāng)今社會中，科技不斷發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)逐漸成為科技中一股強(qiáng)大的力量，與此同時，超聲波診斷機(jī)器人作為一種典型的爬壁機(jī)器人而存在，具備較為完整的檢測系統(tǒng)，能夠較好地進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測與控制，因此，為獲取更佳的檢測數(shù)據(jù)，需對其控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析[1]。

傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計雖能在一定程度上集中對數(shù)據(jù)的管理與操控，并通過無線科技強(qiáng)化系統(tǒng)控制研究，增加研究的可行度，以傳導(dǎo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提升數(shù)據(jù)分析的有效程度，根據(jù)數(shù)據(jù)處理規(guī)則，不斷提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率，進(jìn)而獲得較好的控制效果，但無法滿足當(dāng)今實(shí)驗對機(jī)器人控制精準(zhǔn)度的需要，對于機(jī)器人控制系統(tǒng)自身與收集數(shù)據(jù)之間關(guān)系的處理效果不佳，且系統(tǒng)設(shè)計操作投入成本較高，消耗時間較長，不符合可持續(xù)發(fā)展原理[2]。為此，基于上述問題，本文提出一種基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計對以上問題進(jìn)行分析與優(yōu)化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成，其中硬件部分主要分為通信模塊、傳感模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊與控制模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

通信模塊主要是通過無線通信模塊采集初始化數(shù)據(jù)，同時控制系統(tǒng)與通信接口的距離。傳感模塊主要利用傳感器濾波過濾接收數(shù)據(jù)，并采用角度儀器測量方位角，查找出傳感器濾波的最佳過濾位置，同時采用角位移傳感器強(qiáng)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要采用陀螺儀和加速度計完成系統(tǒng)控制測量與數(shù)據(jù)傳輸。控制模塊主要選取控制器綜合調(diào)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。硬件部分實(shí)現(xiàn)了圖像的分割性邊緣檢測，提高了整體控制系統(tǒng)的圖像分辨率。軟件部分通過傳感模式初步傳輸數(shù)據(jù)，控制傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，連接數(shù)據(jù)與電路接口，二次過濾數(shù)據(jù)，處理調(diào)制信號，完成數(shù)據(jù)控制。

2 基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為進(jìn)一步掌控超聲波診斷機(jī)器人的控制系統(tǒng)性能，對其進(jìn)行系統(tǒng)硬件的設(shè)計，并將其分為以下4個模塊：通信模塊、傳感模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊與控制模塊，以此推進(jìn)對系統(tǒng)元件的理論性研究[3]。

2.1 通信模塊

本文為更好地連接控制系統(tǒng)與超聲波機(jī)器人中心系統(tǒng)，選擇RFM63系列無線通信模塊對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行通信采集，該模塊是一種低功耗、高帶寬無線數(shù)字通信模塊，其生產(chǎn)成本較低，體積較小，便于操作與機(jī)器人系統(tǒng)攜帶，最高空間速率可達(dá)200 Kbps，能夠無限制進(jìn)行系統(tǒng)研究，此無線通信模塊根據(jù)是否帶MCU、是否加功率放大、數(shù)據(jù)接口和封裝方式等劃分為多種型號，可供不同控制系統(tǒng)組件需求選擇，同系列內(nèi)的各種型號模塊可以互相通信，便于組件間的系統(tǒng)交流與數(shù)據(jù)溝通。

調(diào)制方式為FSK/OOK，支持發(fā)射功率為10 dBm，具備-113 dBm的接收靈敏度，能夠滿足特殊信息的及時接受需求，傳輸速率高達(dá)200 Kbps，并不斷向中心系統(tǒng)提供主要傳送能源，保證數(shù)據(jù)在通信過程中的完整度，數(shù)據(jù)接口選用SPI接口，同時控制系統(tǒng)與通信接口的距離在200 m之內(nèi)，方便系統(tǒng)控制器操作，提升控制器控制力度，縮減控制器通信所需時間，強(qiáng)化控制器性能，其供電方式為DC 2.1～3.6 V，確保系統(tǒng)工作時通過的電流為安全狀態(tài)，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)系統(tǒng)電流錯亂現(xiàn)象，天線阻抗為50 Ω，最適宜的工作溫度控制在-40～85 ℃之間，模塊通信狀況良好，在為控制數(shù)據(jù)研究提供更多的元件技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上完成整體通信模塊設(shè)計[4]。

2.2 傳感模塊

在傳感模塊中，本文對控制器內(nèi)部傳感器進(jìn)行強(qiáng)化研究，根據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)具體狀況調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置與傳感模式，選擇適應(yīng)性能較強(qiáng)的傳感器濾波對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾與性能提升操作[5]。

以超聲波診斷機(jī)器人自身傾斜角為主要傳感依據(jù)，將傾斜角度設(shè)定為α，利用能夠提供瞬息方位角的角度儀器對方位角進(jìn)行測量，其角度測量儀器如圖2所示。

圖2 角度測量儀器圖

并在此過程中查找傳感器濾波的最佳過濾位置，及時對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行控制器傳感，強(qiáng)化角度查詢與設(shè)置掌控力度，按照數(shù)據(jù)傳感過程中的方向變化與自身溫度傳輸原則對傳感器濾波進(jìn)行二次加工，減少因系統(tǒng)工作時間較長帶來的漂移誤差[6]。以驅(qū)動接口為系統(tǒng)主要傳感接口，同時輔助角位移傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)化研究，其角度傳感器如圖3所示。

圖3 角度傳感器圖 圖4 陀螺儀圖

將對角度測量轉(zhuǎn)換成其他物理的測量，減少系統(tǒng)操作的不必要浪費(fèi)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，強(qiáng)化操作形態(tài)，采用非接觸式專利設(shè)計，與周步分析器和電位計等其它傳統(tǒng)的角位移測量儀相比，有效的提高了長期可靠性，其具備特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈，模擬線性可變差動傳感器(LVDT)的線性位移，有較高的可靠性和性能，其轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生線性輸出信號，圍繞出預(yù)置零位移動±60°(總共120°)，絕對測量精度可達(dá)到零點(diǎn)幾度，較好地符合了控制器系統(tǒng)傳感模塊的設(shè)計[7]。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在數(shù)據(jù)傳感的基礎(chǔ)上，對超聲波診斷機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸管理，提升系統(tǒng)管理性操作能力，不斷增強(qiáng)元件組件性能，選取與系統(tǒng)控制空間相匹配的ADXRS642BBGZ陀螺儀與加速度計進(jìn)行系統(tǒng)控制測量與數(shù)據(jù)傳輸[8]。

本文陀螺儀的輸出類型為模擬電壓輸出，在工作過程中能夠較好地控制數(shù)據(jù)的流向，根據(jù)電流與電壓的實(shí)際變化不斷更換系統(tǒng)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度，其靈敏度可達(dá)57，能夠更好地對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)角度測量，電源電壓控制在1.8～3.6 V之間，避免電壓過大對系統(tǒng)工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，工作溫度為-40～85 ℃，具備16-LQFN裸露焊盤與CSP外形，可以較好的對中心系統(tǒng)進(jìn)行計算操作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾c安全，并擁有可調(diào)節(jié)寬度性能，能夠根據(jù)系統(tǒng)所需對陀螺儀進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。設(shè)置陀螺儀如圖4所示。

在對陀螺儀進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時強(qiáng)化對加速度計的調(diào)整與改造。選擇匹配加速度計，保證加速度計的軸數(shù)目為3，利用模擬技術(shù)，運(yùn)用I2C,SPI類型接口進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，其工作電源電壓保持在2.16～3.6 V之間，靈敏度為0.732 mg/LSB，能夠獲取結(jié)果較為準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)，其引腳數(shù)目為16，具備較佳的數(shù)據(jù)引導(dǎo)能力，不斷提升數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸性能，以此完成數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計[10]。設(shè)置加速度計如圖5所示。

圖5 加速度計圖

2.4 控制模塊

在系統(tǒng)控制模塊本文選擇32位ARMSTM32F429IGT6微控制器，以ARM Cortex M4為核心，綜合調(diào)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，最大時鐘頻率為180 MHz，能夠在工作強(qiáng)度較高的系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)作，并不斷對數(shù)據(jù)性能進(jìn)行檢測，測量數(shù)據(jù)是否符合系統(tǒng)要求，掌控關(guān)鍵原則參數(shù)，其中心程序存儲器大小為1 024 kB，儲存空間較大，可以在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整體存儲操作，較快地分析出數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行機(jī)器人控制，調(diào)整機(jī)器人操作系統(tǒng)角度與中心控制部分空間大小，數(shù)據(jù) RAM大小為260 kB，對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中研究強(qiáng)度較高，能夠在一定程度上滿足數(shù)據(jù)控制的強(qiáng)化性要求[11]。設(shè)計控制器如圖6所示。

圖6 微型控制器圖

ADC分辨率為12 bit在為控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的同時，能夠較快地對圖像進(jìn)行分割性邊緣檢測，提升整體控制系統(tǒng)的圖像分辨率，獲取效果更佳的控制信息。工作電源電壓控制在1.7～3.6 V之間，保證系統(tǒng)工作電壓處于正常狀態(tài)，程序存儲器類型為Flash，可以進(jìn)行高強(qiáng)度的控制系統(tǒng)工作，具備多種形式的接口類型，如：CAN,I2C,SAI,SPI,UART/USART,USB，便于數(shù)據(jù)進(jìn)行理論連接。以數(shù)據(jù)填充為基礎(chǔ)，采取一定的相應(yīng)操作，設(shè)置ADC通道數(shù)量為24 Channel，擴(kuò)展數(shù)據(jù)通道范圍，簡化數(shù)據(jù)通過步驟，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)控制，達(dá)到對控制模塊的設(shè)計目的[12]。

3 基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

在實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的硬件設(shè)計后，以處理后的元件為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計，其軟件設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

并進(jìn)行以下步驟的操作：

1)由于機(jī)器人所需完成的動作較多，步驟較為復(fù)雜，利用傳感模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步傳送，并控制傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的位置與具體動作，將機(jī)器人的操作狀態(tài)與傳輸狀態(tài)進(jìn)行記錄，并將記錄數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，保存系統(tǒng)文件，同時設(shè)置相應(yīng)的管理代碼與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化數(shù)據(jù)管理性能，在系統(tǒng)完成實(shí)時操作后，進(jìn)入應(yīng)用程序執(zhí)行界面中[13]。

2)在應(yīng)用界面中選擇控制系統(tǒng)與流水線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，加強(qiáng)系統(tǒng)解析與操作，集中指令指導(dǎo)與命令傳達(dá)操作，利用無線接口導(dǎo)入信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與電路接口進(jìn)行連接，劃分連接接口，增加數(shù)據(jù)通道數(shù)量，促使數(shù)據(jù)流動處于良好狀態(tài)。結(jié)合數(shù)據(jù)收集頻道與發(fā)送頻道，選用性能傳輸機(jī)，在軟件程序中填充傳輸部件，減少外圍窗口數(shù)量，連接單片機(jī)串口模塊，轉(zhuǎn)變串口通信方式，進(jìn)而進(jìn)行下一步驟的操作，并設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸圖(見圖8)。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸圖

3)選取抗干擾能力較強(qiáng)的工作系統(tǒng)程序，避免干擾信息的影響，與此同時，獲取過濾信息數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次過濾操作，去除不符合系統(tǒng)需求的無關(guān)信息，選用功率較大的操作系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)操作力度，掌控關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，并將其整合至同一存儲空間中，轉(zhuǎn)變光線發(fā)射路線與發(fā)射方向，將發(fā)射光系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為界面操作系統(tǒng)，進(jìn)行軟件程序處理，并實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)置與強(qiáng)化[14]。

4)對調(diào)制信號進(jìn)行處理，選取調(diào)制信號較強(qiáng)的數(shù)據(jù)作為操作參考依據(jù)，追蹤定位目標(biāo)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作模式，建立系統(tǒng)任務(wù)，并將系統(tǒng)指令進(jìn)行精準(zhǔn)下達(dá)，轉(zhuǎn)換指令，傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)至存儲系統(tǒng)中，以此完成對系統(tǒng)軟件的研究設(shè)計[15]。

4 驗證實(shí)驗

4.1 實(shí)驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的控制效果，與傳統(tǒng)超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的控制效果進(jìn)行對比，并分析實(shí)驗結(jié)果。

4.2 實(shí)驗參數(shù)設(shè)計

針對邊緣檢測與圖像分割的數(shù)據(jù)采集困難程度，對機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致研究，挖掘傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的實(shí)驗不足，并集中分析，為此，需進(jìn)行設(shè)計實(shí)驗參數(shù)的設(shè)定，如表1所示。

表1 實(shí)驗參數(shù)表

4.3 實(shí)驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)驗參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗對比，將本文基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的控制效果與傳統(tǒng)超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的控制效果進(jìn)行比較，獲取實(shí)驗如圖9和圖10所示。

圖9 本文診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)信號接收圖

圖10 傳統(tǒng)診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)信號接收圖

對比圖9和10可知，在相同的實(shí)驗參數(shù)條件下，本文控制系統(tǒng)設(shè)計的信號接收狀況較好，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計的信號接收狀況較差。

造成此種差異的主要原因在于本文硬件系統(tǒng)中對系統(tǒng)進(jìn)行較為細(xì)致的模塊劃分，根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)特有的控制性能，進(jìn)行元件分析與改造，不斷完善系統(tǒng)組件性能，提升元件構(gòu)造能力，轉(zhuǎn)化操控數(shù)據(jù)，選取RFM63系列無線通信模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行通信與管理，強(qiáng)化數(shù)據(jù)操控力度，加大系統(tǒng)管制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性，為系統(tǒng)的控制提供理論基礎(chǔ)。選擇內(nèi)部角度傳感模塊，利用機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部角度對模塊進(jìn)行改良，提高數(shù)據(jù)之間的親密度，添加數(shù)據(jù)掌控信息，提取中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成對控制系統(tǒng)元件的初步處理與操作。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計對此方面的操作力度較小，不具備此種設(shè)計效果，初始信號接收狀況較差。

圖12 傳統(tǒng)系統(tǒng)控制有效率

對比圖11可知，在控制時間為10 d時，本文控制系統(tǒng)的控制有效率為50%，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制有效率為32%，在控制時間為20 d時，本文控制系統(tǒng)的控制有效率為58%，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制有效率為28%。

圖11 本文系統(tǒng)控制有效率

由于本文軟件設(shè)計中注重對數(shù)據(jù)的處理，簡化了控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制流程，方便系統(tǒng)操作，縮減系統(tǒng)操作實(shí)際所需時間，提升系統(tǒng)有效控制率，并為數(shù)據(jù)解析提供分析基礎(chǔ)，強(qiáng)化原理性管理與系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計，掌握核心信息與系統(tǒng)控制狀況，在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下進(jìn)行操作，有效防止系統(tǒng)紊亂狀況的發(fā)生。綜合不同性能的程序?qū)刂破髦行倪M(jìn)行處理，提高系統(tǒng)核心性能，增強(qiáng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，提升控制系統(tǒng)的控制有效率。

經(jīng)過以上對比分析可知，本文基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的信號接收狀況良好，且系統(tǒng)控制有效率優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，在較高程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自控化處理，提升控制操作可靠性與系統(tǒng)安全運(yùn)作性，具備較高的研究價值。

5 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了一種基于邊緣檢測和圖像分割的超聲診斷機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)驗表明，該系統(tǒng)設(shè)計的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計。

本文系統(tǒng)設(shè)計主要分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。根據(jù)系統(tǒng)元件特性進(jìn)行理論匹配，選取RFM63系列無線通信模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行通信控制，完善數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，采用內(nèi)部傳感器傳感，增強(qiáng)數(shù)據(jù)控制能力，選用陀螺儀和加速度計，保證數(shù)據(jù)傳輸過程流暢，最后以STM32F429IGT6微控制器為控制核心，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，不斷優(yōu)化固有應(yīng)用程序，加強(qiáng)數(shù)據(jù)操作，提升機(jī)器人控制系統(tǒng)控制有效率，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體設(shè)計。在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，不斷優(yōu)化故有應(yīng)用程序，加強(qiáng)數(shù)據(jù)操作，提升機(jī)器人系統(tǒng)控制有效率，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體設(shè)計。

相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計，本文系統(tǒng)設(shè)計具備較高的操作優(yōu)勢，能夠較為精準(zhǔn)的對機(jī)器人進(jìn)行理論控制，提升了數(shù)據(jù)操控的有效性，能夠更好的為使用者所使用。