基于圖像處理的輪胎膠條寬度控制的應(yīng)用研究

陸姜江，李世令

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西桂林市金山化工有限責(zé)任公司，廣西桂林 541004)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)輪胎的品質(zhì)也提出了更高的要求。輪胎胎面膠條作為輪胎生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)基本組成部分，質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到輪胎成品的總體質(zhì)量。擠出機(jī)作為生產(chǎn)胎面膠條的設(shè)備，目前在實(shí)際生產(chǎn)中主要通過(guò)人為輸入固定的轉(zhuǎn)速數(shù)值來(lái)達(dá)到控制的目的，其主要以開(kāi)環(huán)控制為主。但通常這些數(shù)值都不是最佳參數(shù)，擠出的轉(zhuǎn)速過(guò)快或過(guò)慢均會(huì)影響膠條的生產(chǎn)質(zhì)量。

本文利用數(shù)字圖像處理的技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量擠出膠條的寬度，結(jié)合擠出機(jī)機(jī)頭的壓力進(jìn)行反饋控制，優(yōu)化膠條擠出控制系統(tǒng)，并通過(guò)Matlab 進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真［1］。結(jié)合理論與仿真的結(jié)果表明，數(shù)字圖像處理技術(shù)具有良好的控制性能。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)今主流的橡膠擠出機(jī)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)機(jī)頭的壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量擠出壓力并判斷擠出量。但受限于壓力傳感器的精度和橡膠粘度等因素，僅通過(guò)擠出壓力來(lái)判斷擠出膠條的形狀會(huì)帶來(lái)一定的誤差，壓力的大小并不能真正反映出膠條寬度的大小。此次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)擠出膠條圖像的采集，計(jì)算出實(shí)際膠條的寬度，輔助壓力的反饋控制可對(duì)擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到穩(wěn)定輪胎膠條輸出寬度的目的。圖1為輪胎膠條寬度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖1 輪胎膠條寬度控制系統(tǒng)框圖

輪胎膠條寬度控制系統(tǒng)包含了CCD 高清攝像機(jī)、直流數(shù)字調(diào)速器、熔體壓力自動(dòng)控制器、上位機(jī)監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)。該系統(tǒng)可根據(jù)擠出膠條的寬度和擠出機(jī)的機(jī)頭壓力，通過(guò)Profitbus 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并通過(guò)PLC 主站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。其中圖像采集部分采用了130 萬(wàn)像素的工業(yè)CCD，其具有解析度高噪點(diǎn)低的特點(diǎn)，可通過(guò)上位機(jī)編程觸發(fā)控制圖像的采集與處理。

2 圖像處理

輪胎膠條的圖像通過(guò)CCD 采集后，通過(guò)PC 提取出寬度信息，其處理過(guò)程如圖2 所示?？紤]到在生產(chǎn)過(guò)程中周圍的干擾因素過(guò)大，因此對(duì)濾波環(huán)節(jié)提出了較高的要求。同時(shí)對(duì)邊緣信息提取的準(zhǔn)確性也決定了寬度反饋信息的正確性。這兩者結(jié)果的好壞直接影響了控制效果［2］。在此，主要對(duì)圖像處理環(huán)節(jié)中的圖像濾波和圖像邊緣提取部分進(jìn)行了研究。

圖2 CCD 采集圖像過(guò)程

2.1 圖像濾波

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一種非線性的圖像處理方式，是一種針對(duì)集合處理的過(guò)程。其由一組形態(tài)學(xué)的算子構(gòu)成，最基本的運(yùn)算方法是腐蝕和膨脹。式(1)為腐蝕的定義，式(2)為膨脹的定義

利用B 算子對(duì)E 進(jìn)行腐蝕之后，可使B 中的元素包含于E 中構(gòu)成新的集合。腐蝕可使得圖像灰度結(jié)構(gòu)的亮度增加，像素值較低的部分則會(huì)被細(xì)化。而利用B 算子對(duì)E 進(jìn)行膨脹后，可使B 和E 中交集的非空元素構(gòu)成新的集合。像素值較深的部分會(huì)擴(kuò)大。腐蝕和膨脹之間的組合還可構(gòu)成開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算。

開(kāi)運(yùn)算是先膨脹再腐蝕，其可消除與結(jié)構(gòu)元素相比形狀較小的細(xì)節(jié)，保持整個(gè)圖像的灰度值和高亮度區(qū)域。閉運(yùn)算是先進(jìn)行膨脹再進(jìn)行腐蝕，其可消除比結(jié)構(gòu)元素相比形狀小的暗細(xì)節(jié)，并保持整個(gè)圖像灰度值和較大的暗區(qū)域。由于輪胎膠條的顏色呈均勻的黑色，故在圖像中間灰度值較小。同時(shí)觀察采集圖像，噪點(diǎn)多是灰度值較小的暗色，在此對(duì)圖像采用閉操作［3－4］。輸出圖像如圖3(b)所示。

圖3 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波處理圖

通過(guò)處理圖像可知，輪胎胎面的主體部分保留完整，邊緣信息分明。同時(shí)膠條上方部分和下半部分的噪點(diǎn)均基本被消除，因此具有良好的濾波效果。

2.2 邊緣提取

圖像的邊緣是分析和理解圖像的基礎(chǔ)，提取邊緣的方法一般是基于微分算子的邊緣檢測(cè)算法。典型的算子有一階的Sobel 算子、二階的拉普拉斯算子和Canny 算子。

2.2.1 Sobel 算子

Sobel 算子邊緣檢測(cè)主要是通過(guò)兩個(gè)方向的模版與圖像進(jìn)行領(lǐng)域的卷積所完成的，而兩個(gè)方向分別進(jìn)行垂直方向的檢測(cè)和水平方向的檢測(cè)。其采用像素點(diǎn)上下或左右鄰點(diǎn)的灰度值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，Sobel 算子在檢測(cè)邊緣點(diǎn)的同時(shí)具有抑制噪聲的能力。Sobel 算子的模版為

2.2.2 拉普拉斯算子

拉普拉斯算子是二階導(dǎo)數(shù)的算子，可對(duì)任意方向的圖像進(jìn)行濾波，且對(duì)于目標(biāo)物體的放置無(wú)特定要求。拉普拉斯算子對(duì)圖像的灰度突變較為敏感，能夠有效地檢測(cè)出大多數(shù)目標(biāo)邊緣，但受噪聲的影響較大，抗噪聲的能力較弱。常用的拉普拉斯算子模版為

2.2.3 Canny 算子

Canny 邊緣檢測(cè)算子是John F.Canny 開(kāi)發(fā)的一個(gè)多級(jí)邊緣檢測(cè)算法，其具有識(shí)別精度高，噪聲影響小的特點(diǎn)。對(duì)于圖像f(x，y)，Canny 算子的計(jì)算實(shí)現(xiàn)步驟為:設(shè)圖像中心邊緣點(diǎn)為算子G(x，y)，其二維高斯函數(shù)為

得到x，y 方向的梯度為

將?G/?x 和?G/?y 分別與圖像f(x，y)進(jìn)行卷積，得到

反應(yīng)圖像點(diǎn)(x，y)處的邊緣強(qiáng)度M(x，y)和法向矢量α(x，y)的計(jì)算式為

當(dāng)圖像滿足3 個(gè)條件，便可認(rèn)定為設(shè)定圖像的邊緣點(diǎn)。其分別為:(1)點(diǎn)邊緣的強(qiáng)度大于沿其梯度方向的兩個(gè)邊緣像素點(diǎn)的強(qiáng)度;(2)此點(diǎn)梯度方向上的相鄰兩點(diǎn)的梯度方向差＜45°;(3)此點(diǎn)中心領(lǐng)域中邊緣強(qiáng)度的極大值小于Canny 算法設(shè)定的閾值。

2.3 邊緣提取的結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3 種邊緣提取方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如圖4所示。

圖4 3 種邊緣算子提取的結(jié)果

從圖如可看出，Sobel 算子提取的精度較低，輪胎膠條的上半邊緣消失。拉普拉斯算子雖可提取出輪胎膠條邊緣，但圖像下半部分噪聲嚴(yán)重，且所提取的邊緣不清晰，不利于對(duì)輪胎胎面的寬度進(jìn)行判斷。而Canny 算子可較好的提取出輪胎膠條的輪廓信息，并去除了大部分噪聲。

通過(guò)對(duì)像素信息的提取，可直接測(cè)量得出胎面的寬度像素距離。利用VS2010 的COM 組件可將檢測(cè)得到的寬度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C 上位機(jī)。并通過(guò)PC 將數(shù)據(jù)傳入PLC 達(dá)到實(shí)時(shí)反饋寬度信息的目的。在上位機(jī)中，圖像的標(biāo)定可以通過(guò)測(cè)量校準(zhǔn)件的寬度獲得像素的標(biāo)定值［5］。上位機(jī)設(shè)計(jì)界面如圖5 所示。

3 圖像處理在測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前主流的擠出機(jī)控制系統(tǒng)主要采用壓力反饋控制來(lái)確保輸出的穩(wěn)定，本文在采用擠出壓力－螺桿轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出了一種擠出壓力和圖像測(cè)寬聯(lián)合控制螺桿轉(zhuǎn)速的方法，如圖6 所示。

圖5 上位機(jī)設(shè)計(jì)界面

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)圖

在主回路中采用擠出壓力控制螺桿轉(zhuǎn)速的閉環(huán)反饋控制，給定的輸入為給定壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)μ，壓力傳感器檢測(cè)出輸出的壓力信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大器將微小的輸出信號(hào)放大得到反饋電壓υ，通過(guò)μ 和υ 的差值對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出壓力的穩(wěn)定控制。

在次回路為輪胎膠條寬度信號(hào)與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)反饋控制。根據(jù)檢測(cè)出的寬度值與期望寬度值的差值，通過(guò)PC 將信號(hào)傳入PLC，再通過(guò)PLC 的D/A 模塊將相應(yīng)的電壓量傳入直流調(diào)速器。這樣可保證在擠出壓力穩(wěn)定的情況下，輸出膠條寬度的穩(wěn)定，同時(shí)降低了壓力傳感器的靈敏度對(duì)擠出量的影響。

3.2 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

直流電機(jī)調(diào)速器是系統(tǒng)的動(dòng)力拖動(dòng)部分，其包含了兩個(gè)雙閉環(huán)的環(huán)節(jié)，即電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

電流環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)采用的是PI 控制的方法，其可根據(jù)轉(zhuǎn)速的偏差來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)電樞電流，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，采用PID 控制的方法，可根據(jù)外部反饋的信號(hào)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于要求轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出電壓增加，使得電流環(huán)中的電機(jī)電流增加，讓電機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩。同時(shí)通過(guò)電流環(huán)的調(diào)節(jié)使得電機(jī)電流下降，電機(jī)將會(huì)因電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和值時(shí)，電流環(huán)即可用最大電流限制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速，使得電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間最短，并達(dá)到快速響應(yīng)的目的［6］。

4 系統(tǒng)的仿真

系統(tǒng)的直流電機(jī)參數(shù):Pe=185 kW，Re=1 500 r·min－1，Ue=440 V，Ie=459 A，Rα=0.032 5 Ω;晶閘管變流器的放大系數(shù)Kv=30;電樞回路總電阻RΣ=0.5 Ω;電樞回路總電感L=0.91 mH;電動(dòng)機(jī)軸上總飛輪力矩GD2=10 kg·m2;電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流I=1.5 Ie。電樞回路時(shí)間常數(shù)TL=L/RΣ=0.000 91/0.5=0.002 s;變流裝置滯后時(shí)間常數(shù)TV=0.001 67 s。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造如圖9 所示。

在圖9 中擠出機(jī)反饋壓力為0.1/10 的比例環(huán)節(jié)，圖像測(cè)寬環(huán)節(jié)為0.01/1 的比例環(huán)節(jié)。齒輪箱和擠出機(jī)的環(huán)節(jié)由經(jīng)驗(yàn)公式可分析得出為典型的比例環(huán)節(jié)。實(shí)際情況和理論輸出會(huì)形成一定的誤差，為更好地模擬實(shí)際情況，在擠出機(jī)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上加上了誤差補(bǔ)償。圖8 為該系統(tǒng)的仿真輸出波形，仿真證明了該系統(tǒng)具有良好的控制效果。

圖8 系統(tǒng)仿真輸出波形

圖9 膠條寬度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于圖像處理的輪胎膠條寬度控制方法，分析了圖像濾波和邊緣提取的算法，最終采用數(shù)學(xué)形態(tài)分析法和Canny 算子成功對(duì)輪胎膠條的采集圖片進(jìn)行了邊緣提取。并通過(guò)雙回路的控制方法，保證了系統(tǒng)在壓力穩(wěn)定的前提下，利用圖像寬度對(duì)擠出機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)證明，基于圖像處理的輪胎膠條寬度控制系統(tǒng)可行性高，反應(yīng)時(shí)間短，具有良好的魯棒性。

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［2］ 李杏梅，陳亮，嚴(yán)國(guó)萍.基于自適應(yīng)軟閾值和邊緣增強(qiáng)的圖像去噪［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(7):5－6.

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