基于機(jī)器視覺的自動(dòng)包裝破損檢測(cè)系統(tǒng)
來源：2019年04月01日
摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)食品人工包裝生產(chǎn)線的弊端，提出了一種基于機(jī)器視覺與單片機(jī)控制的低成本、高效率的智能包裝系統(tǒng)。由工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，用MATLAB軟件進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別定位，以實(shí)現(xiàn)拾取機(jī)械手快速分揀與自動(dòng)包裝。該平臺(tái)具有清潔安全、控制簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、可靠性高等特點(diǎn)，在食品自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域有一定的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；單片機(jī)；自動(dòng)包裝；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0 引言
現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)大多數(shù)食品生產(chǎn)廠家由人工對(duì)食品進(jìn)行分揀，這種作業(yè)方式極易影響食品質(zhì)量，無法保證食品安全性；同時(shí)難以避免工人高強(qiáng)度作業(yè)造成的錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象，生產(chǎn)率低，成本高。為此，本文利用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型食品包裝平臺(tái)，通過MATLAB圖像處理技術(shù)對(duì)食品進(jìn)行識(shí)別定位，使機(jī)械手對(duì)無規(guī)則放置的食品快速分揀以剔除缺陷產(chǎn)品，以便進(jìn)行自動(dòng)包裝。利用該平臺(tái)可保證作業(yè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在很大程度上提升生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效率。
1、食品自動(dòng)包裝平臺(tái)的工作原理及硬件組成
基于機(jī)器視覺的食品包裝平臺(tái)最重要的功能是通過圖像處理方式對(duì)食品進(jìn)行識(shí)別，圖1為基于機(jī)器視覺的食品包裝平臺(tái)的工作流程圖。
圖1 基于機(jī)器視覺的食品包裝平臺(tái)的工作流程
無規(guī)則排列的待包裝食品在上料傳送帶上通過拍攝區(qū)域時(shí)，工業(yè)相機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝，拍攝結(jié)果經(jīng)PC機(jī)進(jìn)行圖形運(yùn)算處理抽取目標(biāo)特征。對(duì)于檢測(cè)完好的食品，單片機(jī)控制拾放機(jī)械手對(duì)目標(biāo)快速拾取，并依次排列于枕式包裝機(jī)的送料裝置內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)包裝。檢測(cè)到有破損的目標(biāo)由傳送帶送入廢品回收站，予以剔除。
該包裝平臺(tái)整體機(jī)械構(gòu)架如圖2所示，包括控制系統(tǒng)、圖像拍攝處理系統(tǒng)和通信接口等?？刂葡到y(tǒng)由單片機(jī)及其控制下的拾放機(jī)械手、上料傳送帶和枕式包裝機(jī)組成。圖像拍攝裝置由CCD工業(yè)相機(jī)、照明光源組成。圖像處理任務(wù)由PC機(jī)完成，由MATLAB GUI編寫的控制系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)通信。
1-待包裝食品；2-工業(yè)相機(jī)；3-拾取機(jī)械手；4-廢品收集箱；
5-已包裝成品收集箱；6-枕式包裝機(jī)；7-上料傳送帶
圖2 包裝平臺(tái)整體機(jī)械構(gòu)架
2、控制系統(tǒng)
PC機(jī)作為該系統(tǒng)的上位機(jī)，選用STC89C52RC作為下位機(jī)，其內(nèi)部集成的雙全工性異步通信串口可用作UART(通用異步收發(fā)器)。采用RS-232總線進(jìn)行上、下位機(jī)間的串口通信，按照通信協(xié)議設(shè)置波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無奇偶校驗(yàn)位。
本文采用MATLAB中斷方法操作串口實(shí)現(xiàn)通信。限于篇幅文中未給出詳細(xì)參數(shù)配置與回調(diào)函數(shù)編程源代碼。利用MATLAB GUI工具搭建了可視化的人機(jī)交互界面，如圖3所示，包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)編輯區(qū)和圖像拍攝區(qū)。工作人員可對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)、生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行人為參數(shù)調(diào)整。
PC機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入下位機(jī)的SBUF緩存器。坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)主控芯片換算成機(jī)械手在X、Y、Z方向的脈沖分量，控制機(jī)械手到達(dá)準(zhǔn)確位置拾取食品。每完成一次拾放，枕式包裝機(jī)執(zhí)行一次步進(jìn)式包裝?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。
3、圖像處理系統(tǒng)
近年來MATLAB在圖像處理領(lǐng)域獲得普遍青睞，緣由便在于其簡(jiǎn)便的語法結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的可視化處理功能。本文基于MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像處理的復(fù)雜算法(以某品牌蛋類芯餅為例)。
3.1 圖像處理流程
圖像處理流程圖如圖5所示。
圖3 人機(jī)交互界面 圖4 控制系統(tǒng)框圖 圖5 圖像處理流程
3.2 形態(tài)學(xué)運(yùn)算
圖6為圖像處理前、后對(duì)比。圖6(a)為實(shí)際采樣圖，由于拍攝環(huán)境因素的干擾，實(shí)際采樣圖中存在目標(biāo)邊界模糊、對(duì)比度低等問題，故需進(jìn)行圖像預(yù)處理以提高后續(xù)特征抽取的可靠性。圖6(b)為灰度化圖像，此處使用MATLAB軟件在圖像灰度化處理的基礎(chǔ)上，建立像素點(diǎn)灰度分布直方圖，并根據(jù)像素點(diǎn)灰度分布直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取恰當(dāng)分割值對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化處理(im2bw)，顯著改善了目標(biāo)邊界的對(duì)比度，如圖6(c)所示。針對(duì)二值化圖像，本文在MATLAB中利用中值濾波(medfilt2)、膨脹(imdilate)腐蝕(imerode)、孔洞填充(imfill)等函數(shù)運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行處理，經(jīng)處理后噪點(diǎn)、光斑被完全過濾且目標(biāo)邊界清晰，處理效果如圖6(d)所示。
圖6 處理效果對(duì)比
3.3 目標(biāo)及坐標(biāo)位置提取
為達(dá)到剔除破損樣品的目的，要解決的關(guān)鍵問題是如何準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的位置。對(duì)于二值化圖像，MATLAB提供了計(jì)算圖形質(zhì)心坐標(biāo)與前景面積的函數(shù)(regionprops)。此算法首先標(biāo)記圖像矩陣的各連通區(qū)域，再求取各區(qū)域的前景面積與質(zhì)心坐標(biāo)；逐一比較各連通區(qū)域前景面積后，排除破損目標(biāo)(偏離理想面積6%以上)后，對(duì)合格目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)予以提取。檢測(cè)結(jié)果通過串行口發(fā)送給單片機(jī)控制拾取機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)分揀。
4、結(jié)論
本文基于MATLAB的圖像圖形處理技術(shù)設(shè)計(jì)了食品智能包裝平臺(tái)，與傳統(tǒng)的包裝方式相比，節(jié)約了大量人力和時(shí)間，設(shè)備具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠代替國(guó)內(nèi)部分食品生產(chǎn)廠家的人工生產(chǎn)線，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)。但設(shè)計(jì)中仍存有不足，如對(duì)不同形狀、規(guī)格的樣品如何設(shè)計(jì)更合理的合格品篩選算法，以提高設(shè)備的柔性和剔除精度。
