基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝箱碼垛校正系統(tǒng)設(shè)計

王靜嫻,戴宇輝

(河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠,河北 保定 071000)

常用的碼垛機器人雖然解決了原有生產(chǎn)線重復(fù)工作及勞動強度大、難度大的問題,但由于煙草包裝要求與品種的不同,以及現(xiàn)有碼垛機器人智能化水平較低,無法滿足不規(guī)則煙箱的碼垛工作,依舊需要人力對不規(guī)則煙箱進行整理碼放,再由拖車運輸至指定裝車點,沒有完全實現(xiàn)產(chǎn)線的智能化。因此,需要設(shè)計不規(guī)則煙草包裝校正系統(tǒng)。

針對不規(guī)則包裝的校正問題,很多專家學(xué)者進行了研究。文獻[1]通過處理采集到的煙箱圖像,應(yīng)用支持向量機算法識別圖像特征;文獻[2]針對煙箱標簽匹配進行了設(shè)計,首先利用中值濾波法對煙箱標簽?zāi)０搴痛ヅ涞臒熛鋱D像進行去噪處理,根據(jù)余弦相似度匹配特征點,去除錯誤的匹配結(jié)果。在傳統(tǒng)包裝校正系統(tǒng)中,煙箱不規(guī)則程度識別與定位校正的過程匹配程度不高,導(dǎo)致系統(tǒng)校正性能差。為此,本文設(shè)計了一種基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝校正系統(tǒng)。

1 基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝箱碼垛校正系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

1)設(shè)計靈活穩(wěn)定的托盤升降裝置。將空托盤傳送至升降裝置處固定,根據(jù)已碼垛的煙箱層高度調(diào)整托盤高度,將碼放完成的托盤運至裝車點,卸下煙箱,再將空托盤運送到指定初始位置,完成前段傳送。

2)合理匹配煙箱。引入一個翻轉(zhuǎn)設(shè)備,配置限位板、豎直氣缸、控位導(dǎo)條、光電傳感器、滾輪和傳送帶等,通過控位導(dǎo)條,煙箱被傳送帶傳送至指定抓取點,光電傳感器計算煙箱數(shù)量后發(fā)送數(shù)據(jù),豎直氣缸調(diào)整煙箱方向后,將上層姿態(tài)不合理的煙箱進行二次翻轉(zhuǎn),在限位板處校正煙箱姿態(tài),快速、穩(wěn)定、準確地翻轉(zhuǎn)煙箱。

3)引入煙箱組合碼垛控制系統(tǒng)。除了常規(guī)的翻轉(zhuǎn)設(shè)備,還添加了空氣傳感器、緩沖升降裝置等。

碼垛機器人作為整個組合碼垛控制系統(tǒng)硬件的重要組成部分,通過參數(shù)校正,對煙箱進行位置修正,而抓取動作的定位位置校正是其重要一環(huán),為此引入機器視覺技術(shù)。進行不規(guī)則煙箱動態(tài)監(jiān)測,需要進行圖像采集所需的相機和其配套鏡頭的選型、分析,以完成硬件設(shè)計[3-4]。相機所使用光傳感器的不同,其生成圖像的特質(zhì)也不同。CCD相機的圖像質(zhì)量相比CMOS相機的圖像質(zhì)量更好,但費用較CMOS相機高[5-6]。CCD相機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CCD相機結(jié)構(gòu)

圖1中,CCD相機的感光器件在光照后產(chǎn)生強電流生成模擬信號,模擬信號再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字信號。相機光學(xué)鏡頭選型時必須考慮以下幾方面:1)鏡頭的尺寸;2)焦距與視野成正比;3)工業(yè)鏡頭的接口需與相機保持一致。

1.2 匹配與校正軟件設(shè)計

在煙箱碼放過程中,碼垛基本要求為每層5條煙箱,5層煙箱為一個碼放組合體。在同一個生產(chǎn)線上,異形煙和標準煙箱尺寸差異較大,不同規(guī)格的煙箱必須進行統(tǒng)一規(guī)范組合,以減少煙箱之間的差距,形成5×5完整的煙箱組合。傳統(tǒng)碼垛機器人智能化水平較低,只能針對規(guī)則煙箱進行碼垛處理,為提高碼垛機器人的智能化水平,本文設(shè)計了煙箱姿態(tài)匹配與校正算法。

1.2.1匹配煙箱姿態(tài)

在校正不規(guī)則煙草包裝前,必須建立一套煙箱姿態(tài)匹配流程。煙箱放置于緩沖區(qū)再取回將耗費大量的時間,易導(dǎo)致傳送帶煙箱堆積,因此應(yīng)采用不多于兩次的匹配方案。另外,為了減少緩沖區(qū)等待匹配的煙箱數(shù)量,當緩沖區(qū)煙箱多于某個數(shù)量時,會采用3層或多層組合方式碼放,以快速減少緩沖區(qū)的煙箱數(shù)量,使系統(tǒng)正確輸送煙箱。

如圖2所示,運用相機采集目標圖像,并提取圖像的灰度值、顏色、邊緣平滑度等多種特征,基于這些特征使用均值濾波算法,去除圖像中因環(huán)境或相機本身所產(chǎn)生的噪聲。

圖2 視覺處理流程圖

均值濾波操作具有高頻特性。設(shè)圖像f(x,y)有M×N個像素,用非加權(quán)均值濾波后得到的圖像為g(x,y),表示為:

(1)

式中:S為(x,y)的去心鄰域。通常情況下,像素值越大,圖像鄰域像素值的權(quán)重也就越大,則平滑效果越理想。

人眼對綠色的敏感度最高,對藍色敏感度最低,根據(jù)這種情況,對R、G、B三分量進行加權(quán)平均,能得到較合理的灰度圖像,歸一化處理后,匹配不同拍攝角度下的煙箱位置Gray,即:

(2)

式中:R、G、B表示圖像中的顏色分量;WR、WG、WB分別為R、G、B的權(quán)重。

1.2.2校正煙箱姿態(tài)

校正算法是指應(yīng)用一次翻轉(zhuǎn)動作,將合適的煙箱匹配成符合要求的5×5型。校正算法應(yīng)滿足以下要求:首先,防止緩沖區(qū)煙箱堆積嚴重,保證后續(xù)工序正常進行;其次,保證碼放和運輸過程中煙箱不會受到外力擠壓而損壞,或因擺放不平整而傾倒。碼垛過程可分為以下幾種情況:1)若煙箱為5×5的標準碼放,則將其直接放入托盤;2)碼放過程中若沒有匹配到合適型號的煙箱,則將煙箱置于緩沖區(qū)等待,待匹配到合適型號的煙箱碼放完畢后放置于托盤;3)查驗到有合適的煙箱,將放置于緩沖區(qū)等待碼放的煙箱取回,二次碼放,完成碼放后放置于托盤。

檢驗兩組煙箱是否可以成功匹配的算法如下:

25-a-b=B

(3)

式中:B為兩組待匹配煙箱空缺數(shù)量;a為本次匹配的煙箱數(shù)量;b為緩沖區(qū)已經(jīng)查驗過的等待匹配煙箱的數(shù)量。b由0至4依次遞增,空缺數(shù)量越少,托盤利用率越高。

獲取需要校正的煙箱,必須滿足以下3個條件:

1)第一次匹配后的最上層煙箱數(shù)大于3個,則等待碼放的煙箱數(shù)目hj為:

hj=5(a+b)×100%

(4)

若本次匹配的煙箱數(shù)目等于等待匹配的煙箱數(shù)量,則需要校正的煙箱數(shù)目所有取值都為5～25。

2)第二個緩沖區(qū)已經(jīng)被查驗的待匹配煙箱的數(shù)量必須滿足最上一層煙箱的數(shù)量大于或等于3個的要求,即:

5c×100%≥3

(5)

式中:c為第二個緩沖區(qū)已查驗過的待匹配煙箱數(shù)量。

3)3個緩沖區(qū)煙箱經(jīng)匹配后的碼垛層數(shù)為5,即:

c/5+1+(a+b)/5+1=5

(6)

按照實際匹配要求,使用耗時匹配算法時,所有緩沖區(qū)煙箱數(shù)量都需被查驗是否滿足式(3),如果滿足則進行下一次的查驗,直到3個緩沖區(qū)煙箱的匹配情況滿足式(5)。當3個區(qū)域煙箱數(shù)量同時滿足式(3)、(4)、(5),則視為匹配成功,否則為不成功,直接啟動翻轉(zhuǎn)設(shè)備[7],并對煙箱碼垛工序進行控制,完成煙箱姿態(tài)校正。

通過數(shù)量最優(yōu)匹配算法和煙箱姿態(tài)校正算法,完成不規(guī)則煙草包裝校正,具體流程如圖3所示。

圖3 匹配與校正算法流程

圖3中,當緩沖區(qū)堆積的煙箱數(shù)量超過一定數(shù)值時,自動進行參數(shù)匹配,保證經(jīng)過參數(shù)匹配后的校正算法既可以減少緩沖區(qū)的煙箱數(shù)量,也可以提高碼垛效率。

2 系統(tǒng)測試

2.1 搭建系統(tǒng)測試環(huán)境

為驗證基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝校正系統(tǒng)的有效性,搭建測試環(huán)境對系統(tǒng)進行測試。選擇Lambert & butler品牌的香煙煙箱作為測試樣本。系統(tǒng)測試環(huán)境配置見表1。

表1 系統(tǒng)測試環(huán)境配置

對采集的不規(guī)則煙箱進行圖像預(yù)處理,提高圖像質(zhì)量,分別使用本文設(shè)計的系統(tǒng)與文獻[2]系統(tǒng)進行匹配與校正,并對結(jié)果進行對比分析。

2.2 實驗結(jié)果統(tǒng)計與分析

本文設(shè)計系統(tǒng)的煙箱匹配結(jié)果如圖4所示。

圖4 本文系統(tǒng)的煙箱匹配結(jié)果

在相同的實驗環(huán)境下,對文獻[2]校正系統(tǒng)進行測試,并匯總出兩系統(tǒng)在實驗過程中的具體數(shù)據(jù),詳情見表2。

表2 系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)

由表2可知,基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝校正系統(tǒng)在測試中表現(xiàn)良好,雖然在提取特征點耗時方面略遜于文獻[2]系統(tǒng),但在總體匹配與校正耗時方面優(yōu)于文獻[2]系統(tǒng),匹配與校正正確率也較高,說明該系統(tǒng)具有較好的校正能力,滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文通過硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及完善的系統(tǒng)測試,根據(jù)不規(guī)則煙草包裝組合碼垛的功能特點和流程要求,設(shè)計與驗證了基于機器視覺的不規(guī)則煙草包裝校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一定的可靠性,可保證有序進行煙草裝運,降低煙箱碼垛堆積的危險性。