糙米輪廓激光掃描測量系統(tǒng)研究與開發(fā)

郝方濤 湯曉華 孔祥亮 安嘉強 吳婧

摘 要：糙米輪廓形狀描述是糙米品質(zhì)檢測及碾白加工機理分析的基礎(chǔ)。本文主要在前期糙米輪廓激光掃描的基礎(chǔ)上，對其形狀加以進一步分析，即外形輪廓可分為胚芽部位與非胚芽部位兩部分。針對兩部分輪廓特點，對非胚芽部位采用激光環(huán)掃方式；而對胚芽部位采用先旋轉(zhuǎn)軸線后縱切掃描方式。以期獲得完整的糙米掃描數(shù)據(jù)，為建立較為精確的糙米掃描輪廓模型，尤其是能準(zhǔn)確還原胚芽部分的形貌特征提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時開發(fā)實現(xiàn)該掃描運動的機電測控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：糙米輪廓；激光掃描；運動規(guī)劃；機電系統(tǒng)；逆向工程

中圖分類號：P232 文獻標(biāo)志碼：A

稻米是人類的主要糧食作物。衡量稻米品質(zhì)及碾白加工的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是外觀描述品質(zhì)。目前其檢測主要靠人眼感官判定，這種方法主觀性較強，檢測精度和效率較低。近幾年隨著計算機軟硬件水平的提高，依靠計算機視覺技術(shù)對大米外形的檢測應(yīng)用越來越多。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王一鳴等人設(shè)計了一套基于機器視覺的大米外觀品質(zhì)參數(shù)檢測裝置，實現(xiàn)了對堊白度、堊白粒率、黃粒米和粒型參數(shù)的檢測。劉光蓉等人通過掃描儀獲取大米圖像，通過改進的直方圖均衡化算法進行圖像增強，然后利用八鄰域分析法提取大米輪廓。

視覺檢測有檢測速度快等優(yōu)點，但對于單粒糙米的檢測能力較差，尺寸信息的測量精度較低，將影響后續(xù)糙米模型的重建與分析。因此選用一個精度更高的測量方式顯得尤為重要。目前對于建立糙米外形輪廓數(shù)字化模型的研究很少，即使展開過相關(guān)研究，測量的精度也有待提高，尤其是胚芽部分的數(shù)字化模型。

本文擬搭建一個五軸數(shù)控運動平臺，基于激光傳感器技術(shù)對糙米輪廓進行多種路徑規(guī)劃的掃描，以期建立較為精確的糙米模型，尤其是能準(zhǔn)確還原胚芽部分形貌特征。

1 測量原理

根據(jù)是否與被測物表面接觸，可以將物體三維幾何形狀的測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量。

接觸式測量的優(yōu)點是準(zhǔn)確性和可靠性高，對被測樣件的材質(zhì)和反射性無特殊的要求。缺點是測量速度慢，且不適于對軟質(zhì)、易碎、易變形、超薄樣件進行測量，對尺寸小于測頭直徑的微細部分的測量受到限制。

非接觸式測量的優(yōu)點是速度快、自動化程度高、不受樣件材質(zhì)和薄厚的影響。缺點是容易受樣件反射性和環(huán)境光的影響。

考慮到糙米材質(zhì)特點，結(jié)合上述分析本研究選用非接觸式的測量方式。測量設(shè)備選用KEYENCE 公司的LK-G150激光位移傳感器。該激光傳感器采用激光三角法測量原理，如圖1所示。激光器發(fā)出激光，經(jīng)聚光透鏡聚焦后垂直入射被測物表面。當(dāng)被測物移動或表面發(fā)生變化時，入射光沿入射光軸移動，經(jīng)過散射后被成像透鏡所接收，最終的成像信息被CCD感光面所感應(yīng)。根據(jù)激光三角法原理圖可以推出，當(dāng)測量平面與參考平面距離為X時，激光器上的CCD感應(yīng)器便會捕捉到一段X的成像長度。且經(jīng)過數(shù)學(xué)推算，可得出被測平面的位移為：

2 測量運動學(xué)分析

機電系統(tǒng)運動學(xué)分析是實現(xiàn)糙米有效激光掃描檢測理論基礎(chǔ)。運動學(xué)分析建立在對被測物輪廓特征分析的基礎(chǔ)上。

2.1 糙米輪廓特征分析

糙米的外形類似于扁橢球，因此可將其視為回轉(zhuǎn)體。北京工商大學(xué)孔祥亮等人利用激光位移傳感器對糙米輪廓進行了較為精準(zhǔn)的測量，并利用MATLAB軟件將采集到的點云數(shù)據(jù)進行了擬合，基本實現(xiàn)糙米的形貌還原，但在胚芽端激光數(shù)據(jù)掃描采集上還略顯不足。主要原因是對其進行環(huán)掃時，由于受胚芽部分結(jié)構(gòu)及幾何特征制約，難于獲取準(zhǔn)確掃描數(shù)據(jù)。因為胚芽部分掃描時，由于胚芽部位表面凹陷，且在胚芽部位與非胚芽部位邊界處的曲率變化較大。故采取環(huán)掃方式會造成：

①激光無法垂直或近似垂直照射在胚芽輪廓表面，故將違反直射式三角法測量的原理，造成較大的測量誤差；

②由于采用回轉(zhuǎn)法的測量方式，激光也始終射在回轉(zhuǎn)軸線所在橫截面上。

但胚芽部位由于表面凹陷，在回轉(zhuǎn)軸上存在空缺部分，因此將導(dǎo)致激光無法采集到相關(guān)點云信息，若采用環(huán)掃測量方式將造成測量誤差增大、甚至導(dǎo)致胚芽端部分區(qū)域無法獲取測量數(shù)據(jù)。

鑒于此，將糙米檢測分為非胚芽部位和胚芽部位兩部分掃描測量，同時對應(yīng)兩種掃描方式。

2.2 糙米輪廓激光掃描檢測運動分析

圖2為糙米輪廓掃描運動分析原理圖。其中O-XYZ為測量系統(tǒng)參考坐標(biāo)系，與基礎(chǔ)固接；OJ-XJYJZJ為激光位移傳感器坐標(biāo)系，激光沿XJ軸負方向檢測糙米位移參數(shù)；OC-XCYCZC為糙米運動坐標(biāo)系，取糙米長軸方向與YC軸正方向一致。

非胚芽部分環(huán)形掃描：圖2（a）、（b）描述非胚芽部分掃描。采用斷層環(huán)形掃描原理采集糙米界面數(shù)據(jù)。斷層間距ΔSYJC=0.2mm，環(huán)形掃描每1.8度采集一組數(shù)據(jù)，每個截面采集200個點。重復(fù)上述步驟，直至激光掃描至胚芽端位置，即完成糙米非胚芽部位的各截面點云數(shù)據(jù)采集工作。

胚芽部分掃描：如圖2（c）、（d）所示。假定糙米胚芽部分位于OC-XCYCZC糙米運動坐標(biāo)系I-V象限，胚芽部分過ZC軸線在I-V象限剖面與胚芽部分交線即為所需激光掃描采樣點。分度截面采樣循環(huán)次數(shù)n=INT（90/ΔθZC）+1，ΔθZC為每次采樣轉(zhuǎn)角間隔，90°均分為30份，則ΔθZC=90/30=3°。激光器沿ZJ軸上下運動，采集NP=30個糙米截面點。完成胚芽部分數(shù)據(jù)采集后，再采集胚芽背面糙米輪廓數(shù)據(jù)。即掃描OC-XCYCZC糙米運動坐標(biāo)系II-VI象限數(shù)據(jù)。后半部分90°掃描同上步驟。

上述掃描操作即可完成整個糙米輪廓掃描。

3 機械系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機械系統(tǒng)運動學(xué)分析

機械系統(tǒng)需要實現(xiàn)OJ-XJYJZJ與OC-XCYCZC坐標(biāo)系之間沿3個軸方向的相對移動，以及OC-XCYCZC坐標(biāo)系為實現(xiàn)環(huán)形掃描繞YC軸分度回轉(zhuǎn)和胚芽掃描繞ZC軸分度回轉(zhuǎn)。

3.2 三軸直線運動臺設(shè)計

為實現(xiàn)三軸相對移動，以用三軸位移平臺為設(shè)計參考。為保證測量精度，選用以滾珠絲杠螺母為傳動方式的三軸直線運動臺。該直線運動臺各軸的有效行程選用200mm，絲杠螺距為5mm，且3個方向均通過光柵尺進行反饋，所選擇光柵尺的型號為RENISHAW公司的RGH41X30D05A型號光柵尺，分辨率達1.0μm，滿足位移反饋要求。

3.3 轉(zhuǎn)臺設(shè)計

繞YC軸分度回轉(zhuǎn)和繞ZC軸分度回轉(zhuǎn)臺分別采用步進電機驅(qū)動小型轉(zhuǎn)臺，其中YC軸回轉(zhuǎn)臺步進電機末端通過聯(lián)軸器固定，并在前端固定被測糙米，實現(xiàn)被測糙米環(huán)線掃描檢測；繞ZC軸間歇分度旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)胚芽部分剖面掃描。

3.4 系統(tǒng)坐標(biāo)系建立

坐標(biāo)系確定及分析是確定機構(gòu)、傳感器及掃描運動的前提，是數(shù)據(jù)采集并進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)，是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)坐標(biāo)系由右手笛卡爾坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)確定。共建立3個坐標(biāo)系，分別為：世界坐標(biāo)系Cmw（即O-XYZ）、主軸平移坐標(biāo)系Ct（即OJ-XJYJZJ）及主軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Cr（即OC-XCYCZC）。規(guī)定世界坐標(biāo)系Cmw原點為激光射在被測糙米起始端時激光發(fā)射點位置；規(guī)定主軸平移坐標(biāo)系Ct的原點為激光發(fā)射點位置，坐標(biāo)系回零點時，與世界坐標(biāo)系Cmw重合；規(guī)定主軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Cr的原點為糙米未繞ZC軸和YC軸旋轉(zhuǎn)時激光入射點位置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時，有：

Ot=Or+Td

其中，Td=（d，0，0）T。糙米上某一點q在世界坐標(biāo)系Cmw下的坐標(biāo)為：

其中，為三軸直線運動臺平移坐標(biāo)（xmw

t，ymw

t，zmw

t）T，Rz'、Ry'分別為糙米繞ZC軸和YC軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

糙米三維輪廓激光掃描機電系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)為“PC+運動控制器”。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

運動控制器選用Parker公司ACR9000控制器，最多可支持8個軸的運動控制，支持8路高達30MHz的正交編碼器反饋，可同時實現(xiàn)多程序運行，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。三軸位移運動驅(qū)動系統(tǒng)選用安川交流伺服系統(tǒng)（電機型號SGMAH-04AAA41，驅(qū)動器型號SGDM-04ADA）。有速度、扭矩、位置3種驅(qū)動方式。速度、扭矩驅(qū)動時，根據(jù)驅(qū)動器輸入的模擬電壓輸出速度和扭矩。位置驅(qū)動時，根據(jù)驅(qū)動器輸入的脈沖向一個方向轉(zhuǎn)動一定的角度。

ACR9000控制器通過Ethernet網(wǎng)與PC通信，AXIS軸接口與驅(qū)動器的CN1接口連接，為驅(qū)動器提供模擬電壓輸出。伺服驅(qū)動器與電機的連接是將驅(qū)動器上伺服電機連接端子的U、V、W及GND相與電機電源電纜對應(yīng)位置依次連接。伺服電機上裝有編碼器，通過電纜線與驅(qū)動器CN2接口相連。

測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)動流程圖如圖4所示。

為了實現(xiàn)自動糙米輪廓掃描，需要開發(fā)將激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)整合為一體運動控制系統(tǒng)軟件。該控制器有配套的ACR-View軟件，能夠完成參數(shù)設(shè)置、運動控制、狀態(tài)檢測等功能。ACR-View可以設(shè)置控制器為脈沖輸出（Stepper）或者模擬電壓輸出（DAC）。針對非胚芽部位和胚芽部位掃描所編寫的運動控制程序如圖5、圖6所示。

結(jié)論

建立了用于糙米輪廓掃描的機電測控系統(tǒng)。對糙米的形貌進行了特征分析，將其分為胚芽和非胚芽兩部位，規(guī)劃了不同的掃描路徑。開發(fā)控制系統(tǒng)，搭建了硬件平臺，編寫了運動控制程序，利用激光位移傳感器獲取糙米胚芽與非胚芽部位的表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，存儲于上位機中。為糙米模型建立提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

參考文獻

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