摘要：以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，對食品分揀視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過分析食品分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理，建立食品分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并以面包為對象進(jìn)行食品中心位置檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明：試驗(yàn)誤差范圍在－1％～4％，滿足分揀視覺處理的精度要求，可為其它工業(yè)自動化分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：食品；分揀；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；視覺檢測

　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視覺檢測技術(shù)不斷被引進(jìn)到食品生產(chǎn)行業(yè)中，這些技術(shù)不僅降低了生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng)度，還提高了生產(chǎn)效率、保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)行業(yè)主要依靠人工來完成食品的分揀，效率非常低，而且會造成食品的二次污染。機(jī)器人視覺技術(shù)主要是為機(jī)器人建立視覺檢測系統(tǒng)，動作達(dá)到靈活性和柔性化要求，對所處的環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。在生產(chǎn)線中主要采用Eye－to－Hand的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)抓取。國外已有利用視覺檢測技術(shù)來完成對未知目標(biāo)的檢測。中國起步比較晚，主要集中在科研機(jī)構(gòu)，如天津大學(xué)與哇哈哈集團(tuán)研發(fā)基于Delta機(jī)器人的果奶裝箱機(jī)構(gòu)和沈陽新松研發(fā)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人等。為實(shí)現(xiàn)食品分揀視覺系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，試驗(yàn)擬以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，對食品分揀視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，旨在提高分揀視覺處理的精度，減小誤差范圍。

　　由于市場對高品質(zhì)的產(chǎn)品需要以及人工成本的增加，生產(chǎn)企業(yè)不斷將機(jī)器人生產(chǎn)線投入車間。特別是食品生產(chǎn)行業(yè)，對其安全性能要求極高。食品的分揀系統(tǒng)主要是由一系列的工業(yè)控制機(jī)、工業(yè)相機(jī)以及運(yùn)動控制器等組成。在對其設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)滿足四點(diǎn)要求：① 各運(yùn)行機(jī)構(gòu)性能高效穩(wěn)定；② 執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有高度的靈活性和柔性化，能夠完成不同的產(chǎn)品規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化；③ 在控制系統(tǒng)工作的過程中具有一定的自適應(yīng)性和自動識別的功能；④ 在整個包裝食品分揀過程中，實(shí)現(xiàn)無人接觸，確保食品的安全衛(wèi)生。

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)工作原理見圖１，整個機(jī)器的食品分揀系統(tǒng)主要是工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動器、工業(yè)相機(jī)、交流伺服系統(tǒng)。當(dāng)食品在生產(chǎn)線上運(yùn)動時，工業(yè)相機(jī)會對其進(jìn)行拍照，將得到的圖像通過數(shù)據(jù)總線傳到工業(yè)控制機(jī)中，通過一定的算法對圖像進(jìn)行處理和判斷，得到的食品屬性信息會傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，交流伺服系統(tǒng)根據(jù)發(fā)來的指令完成食品分揀。

　　根據(jù)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與原理，進(jìn)行了分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模（見圖２）。模型由五部分組成，分別為PC機(jī)、工業(yè)相機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。在系統(tǒng)構(gòu)建安裝過程中，應(yīng)該保證各裝置的協(xié)調(diào)性。主要控制的核心是PC機(jī)，對整體布局也是非常重要的。工業(yè)相機(jī)安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前面，并且拍照的寬度要比傳送帶的寬度略大，合理的布置也為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　整個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是以Motoman系列為本體，其為６軸多關(guān)節(jié)型，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。該機(jī)器人系統(tǒng)的控制柜能夠與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

　　在對食品進(jìn)行拍照時，光源的選取非常重要。它能夠檢測物品的突出部分，而且光源的穩(wěn)定性對圖像的質(zhì)量影響非常大。因此，考慮成本的情況下，盡量保證其不受其他光源的干擾。綜合亮度、穩(wěn)定性、壽命等屬性參數(shù)，試驗(yàn)選定LED光源。

　　圖像的采集不僅要考慮速度、方式、分辨率等，而且要考慮精度、視野、成本和壽命等。CCD相機(jī)通過反射的光線，經(jīng)過鏡頭傳播至CCD芯片上，根據(jù)累積的電荷，對其進(jìn)行濾波和放大處理，最后對圖像進(jìn)行輸出，并非采用常規(guī)的采集卡，而是通過網(wǎng)絡(luò)的傳播，直接送到服務(wù)器。經(jīng)過比較，選擇DALSL系列的工業(yè)相機(jī)（基于以太網(wǎng)協(xié)議開發(fā)）。其參數(shù)為：80萬像素、外形尺寸95ｍｍ×50ｍｍ×16ｍｍ，光圈手動，以64幀每秒的速度進(jìn)行掃描，分辨率可以達(dá)到1024×768。

　　在食品分揀系統(tǒng)中，工控機(jī)是控制的大腦，對其選擇直接決定著圖像的處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效率。但是在實(shí)際過程中，還要考慮安裝、防塵等。綜合比較下，選擇研華科技的610L型工控機(jī)。其參數(shù)為：處理器Dual-Core，主頻3GHz，內(nèi)存4G。

　　食品分揀系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為總體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。圖３為網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖，在運(yùn)行的過程中，運(yùn)用工業(yè)相機(jī)對食品的信息進(jìn)行采集，存在主機(jī)中。在對系統(tǒng)進(jìn)行逐級分類時，HMI可以設(shè)置不同的參數(shù)，并對出現(xiàn)的異常情況及時進(jìn)行處理，將結(jié)果反映到主機(jī)中。管理級主要是工控機(jī)和服務(wù)器，現(xiàn)場級可以將處理的信息進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)一定的操作。

　　系統(tǒng)的軟件主要是由人機(jī)交互界面、視覺軟件、運(yùn)動控制組成。通過人機(jī)界面的信息分析處理，由視覺軟件傳遞給控制部分，系統(tǒng)見圖４。在視覺系統(tǒng)選取時，要滿足３個要求：① 魯棒性能要高；② 系統(tǒng)要能保證可靠和準(zhǔn)確性；③ 整個系統(tǒng)的算法要能對實(shí)際情況完成實(shí)時性和通用性。根據(jù)上面選擇的工業(yè)相機(jī)，DALSA系列的相機(jī)采用的視覺軟件是Sherlock。其是基于VC軟件開發(fā)的，視覺采集的過程主要是圖像信息的收集，根據(jù)運(yùn)用的算法，對特征提取。然后基于VC環(huán)境，對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時處理，保證數(shù)據(jù)的正確分析和準(zhǔn)確無誤的傳送，及時達(dá)到控制端，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

　　軟件Sherlock具有強(qiáng)大的不同數(shù)據(jù)通訊接口，不僅擁有高等的編輯功能，而且支持第三方工具開發(fā)以及特殊工具的定制。此視覺系統(tǒng)的開發(fā)就是基于此展開的。在整個設(shè)計(jì)的過程中，首先基于VC的開發(fā)視覺環(huán)境對軟件進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)與Sherlock軟件的連接。然后對比不同食品圖像，實(shí)現(xiàn)算法的結(jié)合。最后對掃描到的特征進(jìn)行配對，并反饋給控制系統(tǒng)。

 

　　經(jīng)過一定的運(yùn)算，編寫圖像采集的程序：

　　Void CmypicprosysDlg::OnBnClickedStarBtn()

　?。鹖f(m-bstate) Setimer(1,m—timer,NULL);//每秒執(zhí)行一次

　　GetDlgItem(IDC-START-BTN)→SetWindowText(“暫停”）；

　　KiliTimer（1）；

　　GetDlgltem(IDC—START—BTN）→SetWindowText(“開始處理”）；

　　m—bstate=！m—bstate；｝

　　在對系統(tǒng)進(jìn)行處理時，速度也是重要的影響因素。影響其快慢的主要是圖像處理時間和VC數(shù)據(jù)的處理，故有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)檢測。

　　選取面包為研究對象，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得圖像見圖5。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)視覺軟件處理得到的結(jié)果與實(shí)際的食品距離存在誤差。根據(jù)中心點(diǎn)來算（圖6），其誤差范圍為－1％～4％，能夠滿足視覺處理的精度要求。但是對于所需的旋轉(zhuǎn)角度來說，不同的軟件算法并不一樣，加上不同的誤差波動是比較大的，其誤差值為－6％～9％，基本滿足設(shè)計(jì)的要求。

　　本試驗(yàn)以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，對食品分揀視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過分析食品分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理，建立了食品分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用80萬像素，進(jìn)行速度掃描為64幀每秒，分辨率為1024×768的DALSL工業(yè)相機(jī)，610L型的工控機(jī)作為系統(tǒng)硬件，Sherlock為系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了食品分揀視覺系統(tǒng)的開發(fā)。以面包為對象進(jìn)行食品中心位置檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)誤差范圍在－1%～4%，滿足分揀視覺處理的精度要求，這為其它工業(yè)自動化分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。