摘"要：給進(jìn)器是穿串機(jī)的關(guān)鍵硬件。針對控制難度較大的問題，研究一種基于機(jī)器視覺的小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制技術(shù)。分析穿串機(jī)給進(jìn)器結(jié)構(gòu)，構(gòu)建機(jī)器視覺（攝像機(jī)）內(nèi)、外參數(shù)模型，標(biāo)定攝像機(jī)空間位置；采集給進(jìn)器視覺圖像，應(yīng)用Roberts算子細(xì)化處理給進(jìn)器視覺圖像；基于PID原理設(shè)計(jì)模糊控制器，計(jì)算得到給進(jìn)器同步控制模糊輸出結(jié)果，完成肉塊的自動穿串同步控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在不同實(shí)驗(yàn)工況下，應(yīng)用提出技術(shù)獲得的給進(jìn)器同步控制時(shí)延最小值為2 s，穿串成功率最大值為96%。給進(jìn)器同步控制時(shí)延較短，穿串成功率較高，控制效果更佳，進(jìn)一步提升工作效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；同步控制；小型自動穿串機(jī)；給進(jìn)器；模糊控制器；控制時(shí)延

中圖分類號：TS972.21""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0247-05

Synchronous Control Technology of Small Automatic Threading Machine Feeder Based on Machine Vision

LYU Xiaodong，DANG Yudong

（ Nanyang City Product Quality Inspection and Testing Center，Nanyang 473004，China）

Abstract：Feeder， the key hardware of threading machine， is difficult to control. To overcome the difficulty， a machine vision based synchronization control technology for small automatic threading machine feeder is studied. The feed structure of threading machine is analyzed， the internal and external parameter models of machine vision （camera） are built， and the spatial position of the camera is calibrated. The visual image of the feeder is aquired and Roberts operator is applied to refine the visual image of the feeder. Based on PID principle， a fuzzy controller is designed， and the fuzzy output of feeder synchronization control is calculated to complete the automatic threading synchronization control of meat. The experimental data show that under different experimental conditions， the minimum value of feeder synchronization control delay obtained by the proposed technology is 2 s， and the maximum value of threading success rate is 96%. The synchronous control delay of the feeder is short， the threading success rate is high， and the control effect is better， which further improves work efficiency.

Keywords：machine vision；synchronous control；small automatic threading machine；feeder；fuzzy controller system；control delay

0"引言

燒烤風(fēng)味獨(dú)特，是中國夏季盛行美食之一，是多人聚會休閑的主要方式，受到了人們的青睞［1］。近幾年，經(jīng)營方式的增加與改變，使得燒烤行業(yè)得到了大力的發(fā)展，肉串需求量暴增，供不應(yīng)求現(xiàn)象頻發(fā)。傳統(tǒng)穿串技術(shù)需要大量的人工與時(shí)間，很難實(shí)現(xiàn)肉串的大批量生產(chǎn)，無法滿足夏季燒烤行業(yè)的需求，加深了肉串供給與需求的矛盾。另外，傳統(tǒng)肉串加工方式還存在著食品衛(wèi)生安全性難保障、工作人員工作強(qiáng)度大等缺陷，需要對其進(jìn)行改革與升級。為了克服上述缺陷，小型自動穿串機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其主要由氣缸（肉與插簽）、置簽箱、計(jì)數(shù)光控裝置、穿簽連架桿、插簽推板、轉(zhuǎn)簽皮帶、傳感器、給進(jìn)器等構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)肉串的自動定位、停止、穿串、補(bǔ)簽等功能，具備操作方便、全自動化、高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢，不但能夠提升肉串的生產(chǎn)效率，還能夠解放勞動力，對燒烤行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用［2］。

給進(jìn)器是小型自動穿串機(jī)的關(guān)鍵器件，其是否能夠穩(wěn)定作業(yè)直接關(guān)系著小型自動穿串機(jī)的整體性能。如果給進(jìn)器控制失誤，就有可能造成肉串無簽、多簽等現(xiàn)象的發(fā)生，使得生產(chǎn)的肉串無法直接使用，降低肉串生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響肉串的供給能力。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，對基于機(jī)器視覺的小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制技術(shù)進(jìn)行研究，期望通過機(jī)器視覺的應(yīng)用，提升小型自動穿串給進(jìn)器的控制效果，為燒烤行業(yè)的發(fā)展提供有力的保障。

1"小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制技術(shù)研究

1.1"小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器結(jié)構(gòu)分析

為了更好地同步控制給進(jìn)器，首要任務(wù)就是依據(jù)小型自動穿串機(jī)的整體特點(diǎn)，深入地分析小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器結(jié)構(gòu)，為后續(xù)機(jī)器視覺標(biāo)定奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［3］。

小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。給進(jìn)器主要由減速電機(jī)、絲桿、頂針、滑塊等構(gòu)成，內(nèi)部還有滑軌、螺紋法蘭等部件，共同實(shí)現(xiàn)肉塊、簽子的給進(jìn)操作。

減速電機(jī)采用直流電機(jī)，電源電壓為12V，通過絲桿傳動，從而帶動螺紋法蘭進(jìn)行肉塊給進(jìn)運(yùn)動。滑塊與光軸利用焊接方式進(jìn)行連接，共同形成竹簽給進(jìn)部件——頂針［4］。

1.2"機(jī)器視覺標(biāo)定

機(jī)器視覺是指利用機(jī)器代替人眼對目標(biāo)進(jìn)行測量與判斷。此研究引入機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取給進(jìn)器圖像，單純靠圖像無法獲取給進(jìn)器的實(shí)際坐標(biāo)信息，故需要對機(jī)器視覺進(jìn)行標(biāo)定，依據(jù)給進(jìn)器圖像坐標(biāo)系與攝影機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定給進(jìn)器目標(biāo)物體的實(shí)際坐標(biāo)信息，為給進(jìn)器同步控制的實(shí)現(xiàn)做好充足的準(zhǔn)備［5］。

機(jī)器視覺標(biāo)定實(shí)質(zhì)上就是攝像機(jī)設(shè)備標(biāo)定，其主要依據(jù)為內(nèi)參數(shù)模型與外參數(shù)模型。在攝像機(jī)參數(shù)模型構(gòu)建之前，建立攝像機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系與虛成像坐標(biāo)系之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

除此之外，機(jī)器視覺圖像的像素坐標(biāo)系u、v軸與物理坐標(biāo)系x、y軸保持相互平行的關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為

u=xdx+u0

v=ydy+v0（1）

式中（u0，v0）表示圖像物理坐標(biāo)系原點(diǎn)對應(yīng)的像素坐標(biāo)信息［6］。

將式（1）轉(zhuǎn)換為矩陣形式，即可獲得攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)模型，表達(dá)式為

αuv1=fxβu000fyv000010（2）

式中：α表示設(shè)定的比例因子；fx與fy分別表示u、v方向有效焦距的尺度因子；β表示圖像坐標(biāo)軸的扭曲系數(shù)。

攝像機(jī)外參數(shù)模型主要是通過視覺圖像像素坐標(biāo)系與內(nèi)參數(shù)模型之間的關(guān)聯(lián)獲得，表達(dá)式為

Sm=ARW→CTM（3）

式中：Sm表示攝像機(jī)外參數(shù)模型；A表示輔助參量矩陣；RW→C表示世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系兩者的旋轉(zhuǎn)矩陣；T表示平移向量；M表示標(biāo)定板參量矩陣。

依據(jù)上述確定的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)模型，結(jié)合小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制需求，將畸變系數(shù)考慮在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的最終標(biāo)定［7］。設(shè)定給進(jìn)器目標(biāo)物體無畸變圖像坐標(biāo)系為（u∧，v∧），其在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)信息表示為

x=∑0≤i+j≤3ciju∧iv∧j1－∑0≤i+j≤3eiju∧iv∧jy=∑0≤i+j≤3diju∧iv∧j1－∑0≤i+j≤3eiju∧iv∧j（4）

式中：（x，y）表示給進(jìn)器目標(biāo)物體在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)信息；i與j表示圖像坐標(biāo)像素編碼；cij與dij分別表示橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子；eij表示坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換的誤差因子。

上述過程完成了機(jī)器視覺系統(tǒng)（攝像機(jī)）的標(biāo)定，為后續(xù)給進(jìn)器視覺圖像的獲取與處理提供幫助。

1.3"給進(jìn)器視覺圖像獲取與處理

以上述標(biāo)定后的機(jī)器視覺系統(tǒng)（攝像機(jī)）為基礎(chǔ)，采集給進(jìn)器視覺圖像，并對其進(jìn)行一定的預(yù)處理，確定給進(jìn)器目標(biāo)物體位置信息，為后續(xù)給進(jìn)器同步控制的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)［8］。

攝像機(jī)在同一時(shí)刻能夠獲取一張給進(jìn)器視覺圖像，視覺圖像的質(zhì)量會受到光照背景、空間位置、攝影機(jī)自身參數(shù)等多種因素的影響，從而導(dǎo)致給進(jìn)器視覺圖像存在著噪點(diǎn)，為給進(jìn)器目標(biāo)物體位置信息的確定帶來阻礙與困難［9］。

給進(jìn)器視覺圖像獲取過程如表1所示。

如表1所示，機(jī)器視覺系統(tǒng)在圖像獲取過程中，首先獲得目標(biāo)物體位置連續(xù)的模擬圖像，經(jīng)過離散操作獲得單一的視覺圖像，通過采樣量化將其轉(zhuǎn)化為二維矩陣形式（數(shù)字圖像）進(jìn)行存儲，即可完成給進(jìn)器視覺圖像的獲取［10］。

此研究選取Roberts算子對給進(jìn)器視覺圖像進(jìn)行處理，在不影響圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，細(xì)化視覺圖像的細(xì)節(jié)，方便后續(xù)給進(jìn)器目標(biāo)物體位置信息的確定［11］。Roberts算子卷積模板如圖3所示。

Roberts算子細(xì)化處理視覺圖像的計(jì)算公式為

gI（i，j）={［fI（i，j）-fI（i+1，j+1）］2+

［fI（i+1，j）-（fI（i，j+1））］2}1/2（5）

式中g(shù)I（i，j）表示經(jīng)過Roberts算子處理后的給進(jìn)器視覺圖像。

上述過程完成了給進(jìn)器視覺圖像的獲取與處理，為最終給進(jìn)器的同步控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.4"給進(jìn)器同步控制實(shí)現(xiàn)

以上述處理后的給進(jìn)器視覺圖像為依據(jù)，基于PID原理設(shè)計(jì)模糊控制器，應(yīng)用模糊控制器即可實(shí)現(xiàn)給進(jìn)器的同步控制［12］。

設(shè)定給進(jìn)器目標(biāo)物體位置偏差變化范圍為［－xe，xe］，其對應(yīng)的模糊集合論域?yàn)镋={－n，－n+1，…，0，…，n－1，n}。給進(jìn)器目標(biāo)物體位置偏差變化率的模糊集合論域?yàn)镋C={－m，－m+1，…，0，…，m－1，m}，同步控制量的模糊集合論域?yàn)镵={－l，－l+1，…，0，…，l－1，l}［13］。

為了方便研究的進(jìn)行，對給進(jìn)器目標(biāo)物體位置偏差及其變化率進(jìn)行量化處理，獲取相應(yīng)的量化因子，計(jì)算公式為

χE=nxe

χEC=mxe（6）

式中χE與χEC分別表示給進(jìn)器目標(biāo)物體位置偏差及其變化率的量化因子［14］。

在模糊PID控制過程中，同步控制參數(shù)為δp、δI與δd，模糊同步控制推理規(guī)則如表2所示。

如表2所示，NB代表負(fù)大、NS代表負(fù)小、ZO代表0、PS代表正小，PB代表正大。上述模糊同步控制語言是根據(jù)量化因子實(shí)際情況進(jìn)行制定的［15］。

為了獲得精確的給進(jìn)器同步控制量，選取適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)，應(yīng)用重心法計(jì)算模糊輸出結(jié)果，計(jì)算公式為

Δδ=∑z1∈ZA（z1）z1∑z1∈ZA（z1）（7）

式中：Δδ表示模糊輸出結(jié)果；z1表示輸出集合的元素；Z表示模糊集合對應(yīng)論域；A表示輸出模糊集合。

將式（7）計(jì)算結(jié)果輸入到設(shè)計(jì)的模糊控制器中，控制器會編成相應(yīng)的控制指令，使得小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器進(jìn)行準(zhǔn)確地作業(yè)，完成肉塊的自動穿串功能，即實(shí)現(xiàn)了小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器的同步控制，為小型自動穿串機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展提供有力的幫助［16］。

2"實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1"實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

為了驗(yàn)證提出技術(shù)的應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制實(shí)驗(yàn)。選取某型號小型自動穿串機(jī)的給進(jìn)器作為實(shí)驗(yàn)對象，其實(shí)物如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)對象性能參數(shù)也是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素，故需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對性能參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)嘏渲?，具體參數(shù)如表3所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取也是實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取給進(jìn)器視覺圖像，因此在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，選取適當(dāng)?shù)臋C(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)備。

數(shù)據(jù)來源為該小型自動穿串機(jī)的3個(gè)月歷史數(shù)據(jù)，將其分為10種工況，進(jìn)行編號為：

1）肉串長短不可調(diào)整；

2）掉肉塊；

3）竹簽規(guī)格不一致；

4）單一氣動傳動；

5）單一電動傳動；

6）氣動傳動與電動傳動結(jié)合；

7）感應(yīng)式穿簽10cm以下；

8）感應(yīng)式穿簽10cm～35cm；

9）推力大小不均；

10）機(jī)器搖晃。

除了工況不同之外，其余變量均保持一致，以此進(jìn)行給進(jìn)器同步控制時(shí)延與穿串成功率分析。

2.2"實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容，進(jìn)行小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制實(shí)驗(yàn)。為了直觀顯示提出技術(shù)的應(yīng)用性能，選取給進(jìn)器同步控制時(shí)延與穿串成功率作為評價(jià)指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如下。

1）給進(jìn)器同步控制時(shí)延分析

給進(jìn)器同步控制時(shí)延反映著同步控制技術(shù)的操作效率。常規(guī)情況下，給進(jìn)器同步控制時(shí)延越短，表明同步控制技術(shù)操作效率越高；反之，則表明效率低。

通過實(shí)驗(yàn)獲得給進(jìn)器同步控制時(shí)延數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可知，在不同實(shí)驗(yàn)工況下，應(yīng)用提出技術(shù)獲得的給進(jìn)器同步控制時(shí)延均低于給定的最大限值，最小值達(dá)到了2s。這是因?yàn)樵摲椒ǚ磸?fù)設(shè)定了比例因子，動態(tài)匹配實(shí)際坐標(biāo)信息，可以及時(shí)確定給進(jìn)器目標(biāo)物體的實(shí)際坐標(biāo)信息，保證頂針控制的同步性，增加了控制效率。

2）穿串成功率分析

穿串成功率反映著同步控制技術(shù)的控制精度。常規(guī)情況下，穿串成功率越高，表明同步控制技術(shù)的控制精度越好；反之，則表明控制精度差。

通過實(shí)驗(yàn)獲得穿串成功率數(shù)據(jù)如圖6所示。

如圖6數(shù)據(jù)所示，在不同實(shí)驗(yàn)工況下，應(yīng)用提出技術(shù)獲得的穿串成功率均高于給定的最小限值，最大值達(dá)到了96%，穿串成功率較高。這是因?yàn)槠淇紤]了畸變系數(shù)，及時(shí)更正坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換的誤差因子，在無畸變圖像坐標(biāo)系的作用下，給進(jìn)器可以智能定位目標(biāo)位置，保證了控制效果。

3"結(jié)語

小型自動穿串機(jī)是現(xiàn)今燒烤行業(yè)應(yīng)用極為廣泛的設(shè)備，能夠有效促進(jìn)燒烤行業(yè)的發(fā)展。但是，給進(jìn)器控制難度較大，使得穿串成功率無法滿足燒烤行業(yè)需求。因此，引入機(jī)器視覺并提出了新的小型自動穿串機(jī)給進(jìn)器同步控制技術(shù)，縮短了給進(jìn)器同步控制時(shí)延，提升了穿串成功率，為小型自動穿串機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用提供助力，也為給進(jìn)器控制相關(guān)研究提供參考。

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收稿日期：20221020