基于CCD傳感器的香菇動態(tài)去根系統(tǒng)

高漢斌， 呂浩杰， 韓現(xiàn)偉， 張 鐳

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引 言

當(dāng)前，香菇去根設(shè)備大都采用固定剪切的方式去除菇柄，保留菇蓋，而處于菇柄下端的菇根，由于生長位置不同、長度各異，較難實現(xiàn)自動分離，造成資源浪費[1]。針對當(dāng)前香菇剪腳機(jī)的局限性，本文設(shè)計了一種基于圖像處理和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC )控制的香菇自動去根系統(tǒng)。通過圖像處理技術(shù)檢測流水線上香菇的根部形態(tài)，由PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀片到達(dá)準(zhǔn)確位置，從移動的香菇上剪除菇根。

以數(shù)字圖像處理為核心的機(jī)器視覺檢測方法因其檢測效率高、精度高、信息豐富等優(yōu)點已經(jīng)在工農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2～4]。本系統(tǒng)通過圖像識別方法提取香菇菇根輪廓特征，經(jīng)計算獲得菇根剪切位置。

PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、維護(hù)方便、功能完善、適于惡劣環(huán)境等特點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[5～7]。本系統(tǒng)使用PLC作為下位機(jī)，實現(xiàn)對多臺步進(jìn)電機(jī)的實時控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

香菇自動去根系統(tǒng)包括電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)傳感器和光電開關(guān)組成的檢測單元、工控機(jī)和PLC組成的控制單元、步進(jìn)電機(jī)和去根旋轉(zhuǎn)刀片組成的執(zhí)行單元。

1.1 系統(tǒng)硬件組成和設(shè)計

香菇自動去根系統(tǒng)組成，如圖1所示。由于自動化線后端設(shè)有自動去柄機(jī)構(gòu)，因此，前端去根系統(tǒng)采用以工控機(jī)和PLC組成的控制單元為核心的開環(huán)控制，上位機(jī)為研華公司ACP—4000/IPC—610—H系列工控機(jī)，下位機(jī)為三菱FX2N—32MT系列PLC。該PLC擁有2個高速脈沖輸出端口，編程口可以直接用作通信口，傳輸協(xié)議為串口通信協(xié)議，傳輸速率為9 600 bit/s，采用偶校驗[8～12]。CCD傳感器選用深圳京航科技JHSM120bf—E系列攝像頭,總像素120萬，分辨率為1 280×960，最高幀率29.4 幀/s，最短曝光時間34 μs，由光電開關(guān)觸發(fā)攝像頭拍照。步進(jìn)電機(jī)滑臺模組驅(qū)動裝有2個圓形旋轉(zhuǎn)剪切刀片的去根工作平臺上下移動。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開機(jī)，進(jìn)行初始化，工作平臺回到預(yù)設(shè)原點位置。當(dāng)有香菇經(jīng)過光電開關(guān)時，PLC觸發(fā)CCD攝像頭拍照，實時將圖片信息送入工控機(jī)，經(jīng)圖像處理和比較分析后，獲取菇根剪切位置信息，并轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)方向和脈沖數(shù)，當(dāng)?shù)谝粋€香菇觸發(fā)光電開關(guān)，上位機(jī)將步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)方向和脈沖數(shù)直接經(jīng)RS—232C端口送入PLC，PLC以此控制去根工作平臺提前到達(dá)剪切位置，當(dāng)香菇經(jīng)過工作平臺，自動去除菇根；之后的香菇觸發(fā)光電開關(guān)時，則計算與上次香菇觸發(fā)時間間隔，系統(tǒng)以此計算上位機(jī)向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)的延時，以便自動化線上排列的香菇能夠順序剪切。一個工作流程完成后，系統(tǒng)等待下一個觸發(fā)信號，并重復(fù)以上過程直到系統(tǒng)關(guān)閉。具體工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2 圖像處理與數(shù)據(jù)計算

2.1 圖像處理

圖像處理采用邊緣檢測算法，經(jīng)圖像處理后的香菇菇根如圖3(a)所示。使用OpenCV中的findContours(immorph,contours,CV_RETR_EXTERNAL,CV_CHAIN_APPROX_NONE)函數(shù)提取圖形輪廓，rectangle(dst,dstRect,CV_RGB(0,255,0),2)函數(shù)根據(jù)圖形輪廓畫出矩形框，line(dst,Point(0,ROIsy)，Point(dst.cols-1,ROIsy)和CV_RGB(255,0,0),2)函數(shù)獲取菇根剪切位置。圖像處理過程中，以圖片左上角為坐標(biāo)原點(0,0)，得到2個數(shù)據(jù)：m-deltaH為菇根長度對應(yīng)的像素值，CutPosY為菇根剪切位置在圖片中對應(yīng)的像素值，如圖3(b)所示。

圖3 圖像處理

2.2 數(shù)據(jù)計算

圖像處理獲得香菇根部信息為像素值，下位機(jī)通過脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，因此，需要將像素值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)。脈沖數(shù)與像素值之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(1)

式中pusle_n為脈沖數(shù)；Distance為去根平臺位移，與菇根切除位置像素值有關(guān)，mm；n為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)；θs為步進(jìn)電機(jī)步距角，文中取1.8°；b為滑臺行程，mm/r；Y為圖像高度像素值，系統(tǒng)所用CCD傳感器像素值為960；c為圖像高度，mm。

由于自動化線上CCD傳感器與去根平臺相隔一段距離，因此，串口數(shù)據(jù)需要延時傳輸，延時時間可表示為

Time_Delay=(d-m_Distance)/Speed

(2)

式中d為CCD傳感器與切根平臺距離；Speed為自動化線線速度，由光電編碼器測得；m_Distance為兩相鄰香菇間距

m_Distance=(T[i]-T[i-1])×Speed×

1 000/m_nFre.QuadPart

(3)

式中T[i]和T[i-1]分別為當(dāng)前和前一個香菇觸發(fā)光電開關(guān)時間，觸發(fā)時間由高精度時控函數(shù)QueryPerformanceCounter(&m_nBeginTime)獲得；m_nFreq.QuadPart為時鐘頻率，由函數(shù)QueryPerformanceCounter(&m_nFreq)獲得。

3 PLC程序設(shè)計

由于自動化線上兩相鄰間距較近，且菇根位置不同，因此，需要去根平臺的步進(jìn)電機(jī)在不失步[13～17]的情況下以較快的速度啟動和停止。去根平臺電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)，在保證電機(jī)不失步的情況下選用2種啟動方式：用于行程較短情況的不帶加速過程的低速運行模式；用于行程較長情況的帶加速過程的高速運行模式。步進(jìn)電機(jī)PLC控制程序如圖4所示，當(dāng)去根平臺移動所需脈沖數(shù)大于200時，繼電器M50閉合，執(zhí)行PLSR指令，高速脈沖端口輸出最高頻率達(dá)3 300 Hz的脈沖信號，加速時間為50 ms；當(dāng)所需脈沖數(shù)小于200時，繼電器M51閉合，執(zhí)行PLSY指令，PLC高速脈沖端口輸出固定頻率為1 500 Hz的脈沖信號。實現(xiàn)去根平臺電機(jī)在不失步的前提下切刀快速上下移動。

圖4 步進(jìn)電機(jī)的速度選擇

4 系統(tǒng)測試

為了全面檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，隨機(jī)選取300個香菇進(jìn)行測試，實驗選用香菇長度隨機(jī)分布在47.64～84.67 mm之間。實驗結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為切除菇根長度與實際菇根長度的差值，縱坐標(biāo)為處于同一誤差范圍內(nèi)的香菇數(shù)。

圖5 誤差分析

由圖5可以看出，菇根剪切誤差分布在-0.6～0.6 mm之間，其中，誤差值在-0.17 mm和-0.11 mm之間的香菇數(shù)為27個，達(dá)到最大，整體誤差分布曲線基本符合正態(tài)分布。由統(tǒng)計學(xué)知識計算可得，加工誤差期望為0.025，方差為0.079，加工過程中誤差主要集中在-0.3～0.25 mm之間，能夠滿足香菇加工要求。本系統(tǒng)誤差主要來自于2方面：脈沖數(shù)值UNIT1計算時由浮點型轉(zhuǎn)換為整型，誤差最大為0.06 mm；流水線運行震動引起的隨機(jī)誤差。

5 結(jié)束語

設(shè)計系統(tǒng)為基于圖像處理和PLC控制技術(shù)的香菇去根自動化線，能夠快速、準(zhǔn)確完成自動化線上香菇根部的動態(tài)去除。實際應(yīng)用中，由于脈沖計算誤差和設(shè)備震動沖擊影響，香菇根部理論去除長度和實際去除長度存在一定誤差，平均誤差為2.5 %，實際生產(chǎn)中，能夠完全去除菇根，不影響去除效果。基于圖像處理和PLC的香菇自動去根系統(tǒng)解決了菇根分離加工的實際難題，提高了香菇加工質(zhì)量和加工精度，符合現(xiàn)代農(nóng)副產(chǎn)品加工需求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。