道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)研發(fā)

崔建平

摘要：道岔墊板編碼主要由字母和數(shù)字組成，受限于墊板的尺寸和編碼加工方式，編碼尺寸小、深度淺。墊板表面分為機加后表面和自然表面，而且由于灰塵、油污、生銹等原因差異性大，給識別帶來了很大困難。針對以上問題，該文以工業(yè)機器人為基礎，研發(fā)了一套道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)，系統(tǒng)集成自動補光、圖像采集與分析、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、可視化等功能，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的編碼自動識別，為進一步提升道岔墊板生產(chǎn)自動化水平打下了堅實的基礎，具有廣闊的推廣應用前景。

關鍵詞：道岔墊板?編碼識別?圖像采集?圖像分析與處理

中圖分類號：TP391.41??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

Research?and?Development?of?Automatic?Code?Recognition?System?for?Turnout?Base?Plate

CUI?Jianping

（?China?Railway?Construction?Heavy?Industry?Corporation?Ltd.，?Changsha，?Hunan?Province，?410100?China）

Abstract：?The?code?of?turnout?base?plate?is?mainly?composed?of?letters?and?numbers.?Limited?by?the?size?and?code?processing?mode?of?base?plate，?the?code?size?is?small?and?the?depth is?shallow.?The?surface?of?base?plate?is?divided?into?machined?surface?and?natural?surface，?and?it?is?very?difficult?to?identify?due?to?the?great?difference?of?dust，?oil?stain，?rust?and?other?reasons.?In?view?of?the?above?problems，?based?on?the?industrial?robot，?this?paper?develops?a?set?of?automatic?code?recognition?system?for?turnout?base?plate.?The?system?integrates?the?functions?of?automatic?light?filling，?image?acquisition?and?analysis，?data?flow?and?visualization?to?realize?stable?and?reliable?automatic?identification?of?code.?It?has?laid?a?solid?foundation?for?further?improving?the?production?automation?level?of?turnout?base?plate，?and?has?a?broad?prospect?of?popularization?and?application.

Key?Words：?Turnout?base?plate;?Code?recognition;?Image?acquisition;?Image?analysis?and?processing

道岔墊板是鐵路道岔配件中的重要組成部分，包含底板、臺板、鐵座等。不同的墊板安裝位置不同，為了便于安裝，防止用錯墊板，需要對不同種類的墊板進行編碼。

目前，道岔墊板標記的方式主要有：采用沖印或針式打碼的方式在底板表面標記一組編碼，用來區(qū)分不同類型的道岔墊板。字符包含“0～9”這10個數(shù)字，“A～Z”共26個英文字母，以及“/”“（）”等幾個特殊字符。這兩種方式打印出來的字符，字高約8?mm，字寬約5?mm，字頭壓痕寬度0.5～0.8?mm，字跡壓痕深度0.5～1?mm。

在工業(yè)生產(chǎn)中，編碼信息的提取有人工識別，手動輸入的方式，該種方式費時費力，效率低下，目前多采用圖像識別技術。隨著人工智能技術的發(fā)展，圖像識別技術越來越成熟，應用越來越廣泛，但是對于金屬表面的編碼識別研究較少。在道岔墊板自動化焊接工作站中，編碼識別是基礎，因此開發(fā)道岔墊板的編碼識別系統(tǒng)具有重要意義。目前道岔墊板編碼識別主要存在以下難點：（1）金屬表面存在反光現(xiàn)象，采集的圖像質(zhì)量普遍不高，增加了識別的難度。（2）打印出來的字符小，深度較淺，現(xiàn)階段編碼識別正確率不高，特別是相似的字符之間很容易誤識別，如“3”“6”“8”。（3）自然場景下，光線強度易變化，對圖像識別算法的適應性要求很高。

1?系統(tǒng)構成

為解決以上問題，設計和研發(fā)了道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)，系統(tǒng)采用工業(yè)控制技術、視覺識別與分析技術，現(xiàn)代通信技術，具備一鍵操作、自動補光、圖像采集與分析、可視化等功能，實現(xiàn)道岔墊板編碼自動識別。

系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)選用西門子S7-1200作為控制核心，建立工業(yè)機器人和工業(yè)相機、工控機之間的通信連接，控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。人機交互選擇西門子的12寸觸摸屏，實現(xiàn)參數(shù)設置、操作、數(shù)據(jù)查詢、結(jié)果顯示等功能。視覺系統(tǒng)包含圖像采集系統(tǒng)和圖像處理與分析系統(tǒng)，主要采集墊板編碼的圖像，經(jīng)過預處理、定位、分割等，最終完成編碼的識別，并輸出給上位機。

2?系統(tǒng)設計

2.1?控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC及擴展模板、觸摸屏、驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)電機等組成?？刂葡到y(tǒng)一方面是工業(yè)機器人、視覺系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的紐帶;另一方面負責整個系統(tǒng)的邏輯控制、運動控制等。

本系統(tǒng)采用西門子PLC作為主控制器，CPU型號為1212C;系統(tǒng)數(shù)字量信號主要包括操作按鈕、機器人數(shù)字量輸入輸出、清槍裝置控制點等，模擬信號包括電流、電壓、坐標位置等;觸摸屏選用西門子KTP1200，作為人機交互載體，進行參數(shù)設置、系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的控制以及過程監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)自動、連續(xù)、穩(wěn)定運行。

2.1.1?通信設計

（1）PLC與工業(yè)機器人通信。

PLC集成Profinet接口，發(fā)那科機器人配備Profinet通訊板卡，作為設備從站與PLC通訊。將機器人的GSD文件導入PLC編程軟件，進行硬件組態(tài)[1]。機器人的IP地址與PLC的IP地址設置為同一網(wǎng)段。在機器人里面配置I/O信號，把Profinet網(wǎng)絡信號按順序分配到DI/DO的端口上。在PLC里設置Profinet板卡的DI/DO起始地址，這樣PLC與機器人通訊地址就一一對應起來。

（2）PLC與工控機通信。

PLC的CPU具有集成的以太網(wǎng)接口，支持面向連接的以太網(wǎng)傳輸層通信協(xié)議。協(xié)議會在數(shù)據(jù)傳輸開始之前建立到通信伙伴的邏輯連接。數(shù)據(jù)傳輸完成后，這些協(xié)議會在必要時終止連接。PLC通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與工控機的數(shù)據(jù)通信。調(diào)用PLC編程軟件里面自帶的通用以太網(wǎng)通訊模塊，連接參數(shù)本地里面選擇連接類型為“TCP”，伙伴里面選擇“未指定的設備”作為連接伙伴[2]。設置雙方的IP地址，須在同一網(wǎng)段。下載組態(tài)，雙方就可以進行數(shù)據(jù)交換了，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率根據(jù)實際情況設定。

2.1.2?觸摸屏界面設計

人機交互界面是用戶作業(yè)的操作平臺，其設計邏輯、簡潔程度直接關系系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)。博途自帶的組態(tài)軟件對于系統(tǒng)操作、監(jiān)控設備的運行狀態(tài)等方面功能強大，整個界面簡潔易懂，操作方便[3]，包含啟動條件、字符識別、生產(chǎn)信息、信息查詢等畫面。

（1）啟動條件。

滿足啟動條件，才能通過外部按鈕啟動機器人，機器人按照流程自動作業(yè)。啟動條件包括機器人處在設置的參考位置、系統(tǒng)沒有報警信息、所有急停開關未按下、示教器開關處在“OFF”位置、機器人控制柜三檔選擇開關處在“AUTO”擋等[4]。啟動條件缺一不可，用戶可以通過界面上相應信號的指示燈查看是否滿足啟動條件，指示燈為綠色表示滿足啟動條件，否則就不滿足啟動條件。

（2）編碼識別。

視覺系統(tǒng)采集墊板編碼，并將識別結(jié)果顯示在界面上。墊板編碼一般分布在三個區(qū)域，對應界面右側(cè)的區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三。區(qū)域一字符、區(qū)域二字符、區(qū)域三字符后面的文本框內(nèi)顯示三個區(qū)域的字符，程序號顯示相應的墊板編碼對應的機器人程序。識別后，若識別結(jié)果與表內(nèi)編碼一致，則會顯示“識別正確”;反之，則會顯示“識別錯誤”。

界面上設置了手動/自動選擇，手動狀態(tài)下，用戶可修改識別結(jié)果，只有點擊“結(jié)果確認”才會往下執(zhí)行剩下的程序;自動狀態(tài)下若“識別正確”，程序自動往下運行，無需人工干預，如圖1所示。

（3）信息查詢。

信息查詢包含I/O信號、報警信息查詢、用戶管理。I/O信號包含PLC輸入、輸出信號查詢。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以用來查找故障發(fā)生的原因。報警信息保存重要參數(shù)的報警信息，供用戶查詢、查看。用戶管理包含用戶的操作日志和用戶的權限管理。不同的用戶賦予不同的權限，用戶只有登錄系統(tǒng)才能進行操作。用戶的登錄名、登錄時間、退出時間、操作記錄形成操作日志，操作日志永久保存。

2.1.3?控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)主程序設計流程如圖2所示。上電后PLC、觸摸屏、驅(qū)動器進入初始化狀態(tài)，檢查判斷PLC、驅(qū)動器是否可以運行。

基于PLC的主控系統(tǒng)接收到外部按鈕的啟動指令，如果滿足自動啟動條件，機器人運動到拍照位。機器人發(fā)送“到位”信號給PLC，PLC接收到此信號后，控制旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)至工作位。PLC發(fā)送“拍照”信號給上位機，啟動相機采集圖像。執(zhí)行編碼識別算法，輸出結(jié)果到PLC，PLC發(fā)送給觸摸屏界面進行顯示[5]。如果識別異常，系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒人工介入處理，點擊“結(jié)果確認”按鈕。識別過程結(jié)束，機器人、光源均回到原點。機器人根據(jù)識別的墊板編碼，調(diào)取相應的墊板焊接程序。

2.2?視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理與分析系統(tǒng)組成。

圖像采集系統(tǒng)采集墊板的圖像，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦た貦C。光源在采集圖像時對墊板表面進行補光，獲取良好的圖像。圖像處理與分析系統(tǒng)對采集到的圖像進行處理分析，提取出墊板編碼，并把編碼發(fā)送給PLC，在觸摸屏中顯示。

2.2.1?圖像采集系統(tǒng)

編碼識別的關鍵是采集到高質(zhì)量的數(shù)字圖像。圖像采集系統(tǒng)包含相機、光源和工控機。為了獲得高質(zhì)量的圖像，選用高分辨率的CMOS相機和定焦鏡頭，可變角度和可變光強地控制光源進行補光。

（1）相機。

三維視覺體積大，成本高，在機器人工作站中安裝位置也難以保證。二維工業(yè)相機體積小，精度高，價格低，可以安裝在機器人六軸末端的焊槍上，結(jié)構緊湊，所以本系統(tǒng)采用二維面陣相機。

工業(yè)相機的選型需要考慮：相機視野范圍能夠覆蓋墊板編碼區(qū)域;相機分辨率滿足識別要求;相機的傳輸接口等。該系統(tǒng)墊板編碼的區(qū)域范圍為200mm×120mm，相機工作距離為300?mm，所以選用國產(chǎn)的20MP像素CMOS相機，分辨率為5472×3468。鏡頭選用MH-X系列定焦工業(yè)鏡頭，可適配此款工業(yè)相機，還具有高清晰度、高對比度、低畸變等特性。

（2）光源。

為了解決反光和自然光易變的問題，設計可變角度和可變光強的補光裝置。補光裝置設計有兩個關鍵點：一是由于墊板的表面差異和自然光變化，光源亮度可遠程調(diào)節(jié)，二是光源的角度可調(diào)節(jié)，以滿足不同的補光角度?；诖瞬捎脳l形LED光源，帶串口通信接口。根據(jù)墊板表面情況和自然光變化，PLC發(fā)送光強控制字，控制光源的光強。經(jīng)測試，為了照亮工件表面的凹陷字符，突出字符特征，采用光源在斜上方的打光方式對工件進行補光效果佳，如圖3所示。此外，為了不影響機器人的正常作業(yè)，將光源安裝在旋轉(zhuǎn)機構上，PLC發(fā)送脈沖控制旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)角度[6]。圖像采集時旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)到工作位;采集完成后，旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)到原位，等待下一個命令。

（3）工控機。

圖像的存儲、處理與分析均在工控機里完成，為了適應系統(tǒng)的性能需求和節(jié)拍要求，工控機的顯卡必須為專業(yè)顯卡，硬盤500G以上，CPU內(nèi)存8G以上等。選用8G專業(yè)顯卡，CPU內(nèi)存16G，2T機械硬盤，集成千兆網(wǎng)卡的工控機作為圖像處理的服務器。

2.2.2?圖像處理與分析系統(tǒng)

圖像處理與分析系統(tǒng)，包含圖像預處理、字符定位、字符分割、分割后識別、結(jié)果輸出等步驟。

（1）?標記。

識別前，采集墊板圖像樣本，盡量包含所有的字符。樣本數(shù)量越多，預測得越精確，但是考慮到墊板編碼的特點，采集100個左右樣本即可。將每一個樣本的字符按區(qū)域標記出來，進行訓練。

（2）圖像預處理。

雖然采集圖像的時候減少了大量的光照不均、反光現(xiàn)象，但是在實際生產(chǎn)中，無法保證每張圖片都是高質(zhì)量。為了降低算法的識別難度，實現(xiàn)字符的準確識別，需要對圖像進行合理的預處理[7]。這個過程包含灰度化，二值化，去除噪聲，傾斜矯正等。處理前后的對比如圖4所示。

（3）字符定位。

對于墊板編碼識別而言，只需要編碼部分的圖像就夠了，沒必要對整張圖片進行分析識別，因此從整個圖像中準確檢測出編碼區(qū)域就十分重要。

將處理后的圖像進行行掃描和列掃描[8]。這樣我們就可以定義出左邊界、右邊界、上邊界、下邊界，然后切割出編碼的邊界。

（4）字符分割與識別。

字符分割不僅要將連續(xù)的字符分割成若干獨立的字符區(qū)域，還需要保證字符邊緣的完整性。除了要識別的字符外，圖像中還有很多干擾因素，為了排除干擾因素，提高識別率，將字符以外的圖像“黑化”處理[9]。

分別在水平和垂直方向?qū)Α昂诨焙蟮膱D像進行投影，會得到一個投影圖，對其中的白色像素點進行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果就可以判斷出每一行的上下邊界以及每一列的左右邊界，從而可以找到切分位置[10]。然后根據(jù)找到的切分位置，把字符切分成一個個單個的字符，分割后的字符按照像素點的坐標位置排列。

分割后識別字符，主要解決的問題是每個字符是什么。

經(jīng)過機器學習或與字符數(shù)據(jù)庫模板進行匹配，最后選取匹配度最高的結(jié)果作為識別結(jié)果。而且，隨著樣板庫的增加，模型不斷完善，識別精度越來越高[11]。編碼識別的結(jié)果如圖5所示。

（5）結(jié)果輸出。

對于本系統(tǒng)來說，墊板編碼分布在三個區(qū)域，標記為區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三。識別以后，將識別結(jié)果分成三部分，和錄入的編碼進行比對，比對正確，將結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)，在觸摸屏字符識別界面上顯示。

3?應用效果評價

道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功，經(jīng)多次調(diào)試后在國內(nèi)道岔墊板機器人焊接工作站進行推廣應用。使用以來，運行狀況良好，解決了道岔墊板編碼識別難、正確率偏低的難題。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

（1）HMI人機界面友好，系統(tǒng)操作簡單、結(jié)構緊湊、投入成本低。

（2）識別率有效提升。投入運行以來，對自動識別的正確率進行了統(tǒng)計。結(jié)果表明，識別正確率達到99%以上。

（3）人工參與少。一鍵啟動，通過編碼的識別，自動調(diào)用相應的焊接程序，減少了編程的工作量，降低了勞動強度。

（4）系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，維護率低。

4?結(jié)語

道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)的研發(fā)，解決了道岔墊板編碼識別的難題，為道岔墊板自動化焊接打下了堅實的基礎。系統(tǒng)基于工業(yè)機器人，以PLC為主控制器，結(jié)合視覺系統(tǒng)，不但實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，自動識別，人為參與少，而且提高了識別正確率。同時，編碼自動識別系統(tǒng)還可與生產(chǎn)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度。此外，觸摸屏的界面設計充分考慮不同人群的差異性，整個作業(yè)只需一鍵完成，操作便捷，易于上手。綜上所述，道岔墊板編碼自動識別系統(tǒng)可以推廣應用。

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