基于機(jī)器視覺的茶葉分揀系統(tǒng)

林浩岳

【摘 要】傳統(tǒng)茶葉分揀工序需要依靠專業(yè)人員進(jìn)行，人工分揀雖然可行性高，但是容易受到主觀因素如生產(chǎn)環(huán)境、身體等不確定因素的影響，很難實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且專業(yè)人員工資費(fèi)用較高，提高了茶葉的加工成本。為了提高茶葉質(zhì)量識(shí)別的效率，減少人為的干預(yù)，提高茶葉質(zhì)量識(shí)別自動(dòng)化程度，推進(jìn)茶葉大批量生產(chǎn)的進(jìn)程，本文設(shè)計(jì)出一套基于機(jī)器視覺的茶葉分揀系統(tǒng)，解決茶葉篩選請(qǐng)工難請(qǐng)工貴的社會(huì)問題，對(duì)茶葉的批量化，自動(dòng)化生產(chǎn)有一定的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺;茶葉分揀;茶葉識(shí)別

中圖分類號(hào)： TP391.41;S571.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）21-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.005

0 前言

傳統(tǒng)茶葉加工速度比較慢，一直影響著茶行業(yè)生產(chǎn)效率的提升。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)視覺的發(fā)展，全自動(dòng)化機(jī)械加工已經(jīng)開始逐步取代手工加工，使得茶葉加工的速度有所提高。但是，由于機(jī)器加工并沒有達(dá)到完全智能的水平[1-4]。因此，開發(fā)一種能夠識(shí)別出茶梗及茶葉質(zhì)量并將其分揀出來(lái)的機(jī)器變得十分重要，而該機(jī)器在實(shí)際應(yīng)用中既需要在提高機(jī)選速度的同時(shí)又要保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)框架搭建

1.1 概述

硬件系統(tǒng)是茶葉分揀系統(tǒng)的重要組成部分，是軟件系統(tǒng)的載體。軟件算法的編寫要基于底層硬件系統(tǒng)的功能，而程序如何執(zhí)行，各個(gè)部件如何協(xié)調(diào)工作也是硬件搭建必須考慮的問題。

硬件的整體性能會(huì)影響茶葉圖像采集的質(zhì)量和茶葉圖像處理的速度與準(zhǔn)確度，下面針對(duì)硬件的工作原理和功能進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

圖2為茶葉分揀系統(tǒng)框架圖，該系統(tǒng)包括無(wú)影照明光源、網(wǎng)絡(luò)工業(yè)攝像頭、路由器、嵌入式控制器、分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輔助檢測(cè)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)首先利用LED組合的無(wú)影光源為待檢測(cè)目標(biāo)提供比較理想的照明環(huán)境，通過工業(yè)攝像頭捕獲目標(biāo)圖像并無(wú)線傳輸?shù)絇C機(jī)上，再利用圖像處理、識(shí)別技術(shù)對(duì)目標(biāo)茶葉進(jìn)行檢測(cè)，最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果通過計(jì)算機(jī)通信接口傳送給嵌入式控制器，控制器根據(jù)設(shè)備的信息控制分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分類、分揀等功能，這些模塊相互協(xié)調(diào)應(yīng)用構(gòu)成一個(gè)完整的茶葉分揀系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)工業(yè)攝像頭選擇

攝像頭通過采集光的信息，將景物的光信息保留下來(lái)并通過一系列的處理，最后將處理好的數(shù)字圖像信號(hào)通過顯示器顯示出來(lái)。攝像頭的基本架構(gòu)是由鏡頭、圖像傳感器和數(shù)字信號(hào)處理器組成。

網(wǎng)絡(luò)攝像頭是在攝像頭的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的，它能將處理后的數(shù)字圖像信號(hào)通過有線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。它采用了tcp協(xié)議進(jìn)行通訊，所以我們只要能連接到網(wǎng)絡(luò)就可以將網(wǎng)絡(luò)攝像頭傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)通過顯示設(shè)備顯示出來(lái)。采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭連線簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，所有圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送，不需要硬件層驅(qū)動(dòng)，平臺(tái)兼容性好。

3 照明光源選擇

圖像采集系統(tǒng)中照明光源是很重要一部分，光源選擇不好不合理會(huì)影響到圖像采集的質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致采集到的圖像信息出錯(cuò)。茶葉外形多樣化且不規(guī)則，普通光源會(huì)使茶葉圖像產(chǎn)生陰影。茶葉顏色比較單一，次品茶葉顏色跟合格茶葉的顏色區(qū)分度不高，合理地選擇光源可以提高圖片顏色質(zhì)量，提高識(shí)別率。

為滿足茶葉圖片信息的采集，本系統(tǒng)采用功率為30瓦的led平板無(wú)影燈板， 燈板要求帶均光板，無(wú)光斑無(wú)暗區(qū)，發(fā)光角度大于60度，光通量大于200Lm，顯色指數(shù)80Ra，透光率大于98%，色溫在6000-6500K之間，內(nèi)部4014尺寸發(fā)光LED，光源表面光照度大于2000LUX。

對(duì)比圖片發(fā)現(xiàn)，單點(diǎn)光源的圖片茶葉本體顏色偏黑，茶葉顏色細(xì)節(jié)無(wú)法體現(xiàn)，對(duì)于歪曲的茶葉因不跟底部貼合，會(huì)在投影面上產(chǎn)生陰影，影響后期軟件對(duì)茶葉圖片的處理。在計(jì)算茶葉寬度的時(shí)候因陰影顏色跟茶葉顏色接近，處理計(jì)算得到的茶葉寬度會(huì)比實(shí)際寬度要寬，影響處理判斷結(jié)果。判斷雜葉最重要的一個(gè)依據(jù)是茶葉的顏色，該類茶葉顏色偏黃褐色，檢測(cè)到黃色像素比例偏高時(shí)會(huì)被列入雜葉范圍，采用無(wú)影燈板光源的圖片采集質(zhì)量明顯改善，圖片顏色信息會(huì)更豐富，特別是偏黃的雜葉，區(qū)分度明顯提高。

4 嵌入式控制器

在系統(tǒng)框架中加入一個(gè)嵌入式控制器用于獲取計(jì)算機(jī)識(shí)別到結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)輔助信號(hào)來(lái)有效控制分揀結(jié)構(gòu)。該控制器不但需要獲取相關(guān)信號(hào)，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解處理，分配好控制周期，確?？梢詫?duì)計(jì)算機(jī)識(shí)別到的茶葉進(jìn)行有效分類。該控制器采用意法單片機(jī)STM32f103，其內(nèi)核是Cortex-M3，F(xiàn)lash容量128K，工作頻率72Mhz，具有多路定時(shí)器控制器及中斷系統(tǒng)，接口豐富，簡(jiǎn)化了該系統(tǒng)外圍電路需求。在該系統(tǒng)中用單片機(jī)的USB通信接口跟計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，兩路中斷捕獲引腳來(lái)檢測(cè)編碼計(jì)數(shù)器的信號(hào)脈沖，一路串口接口控制分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)，多路內(nèi)部定時(shí)器做任務(wù)協(xié)調(diào)管理。并留有多個(gè)異常信號(hào)輸入端口，用于急停等異常信號(hào)快速處理。

5 輔助機(jī)構(gòu)

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，圖像處理環(huán)節(jié)和茶葉分揀環(huán)節(jié)不能做在同一個(gè)位置。待分揀茶葉經(jīng)過圖像識(shí)別處理后，需要通過傳送機(jī)構(gòu)將其送到下一級(jí)的分揀機(jī)構(gòu)進(jìn)行分揀篩選，這樣就會(huì)存在一個(gè)處理延時(shí)的問題。識(shí)別到的茶葉到達(dá)分揀機(jī)構(gòu)時(shí)間，分揀機(jī)構(gòu)啟動(dòng)和回收的耗時(shí)，這些信息都需要獲取到才能有效地對(duì)識(shí)別到的茶葉進(jìn)行分揀，如果沒有位置反饋裝置，分揀效果就會(huì)有誤差。

為解決以上問題，在系統(tǒng)傳送帶中加入一個(gè)旋轉(zhuǎn)增量式位置編碼計(jì)數(shù)器，其原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。編碼計(jì)數(shù)器自帶傳動(dòng)輪，輪子壓在傳送帶上，用來(lái)記錄傳送帶運(yùn)行的距離。編碼計(jì)數(shù)器每轉(zhuǎn)一圈有400個(gè)輸出脈沖，通過記錄編碼器的數(shù)量，再結(jié)合傳動(dòng)輪子的直徑就可以通過程序計(jì)算出傳送帶運(yùn)動(dòng)的距離。因?yàn)閳D像識(shí)別的位置和分揀機(jī)構(gòu)的位置是固定不變的，同記錄距離即可獲取到茶葉是否已經(jīng)達(dá)到制定的分揀位置，從而實(shí)現(xiàn)較好的分揀效果。

編碼計(jì)數(shù)器采集電路如圖6所示，輸出信號(hào)直接接入系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)，由里面的程序來(lái)完成采集和計(jì)算功能。

6 分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)

分揀是本系統(tǒng)的最終目標(biāo)，常規(guī)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力一般采用氣缸驅(qū)動(dòng)、電磁鐵驅(qū)動(dòng)或伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣缸驅(qū)動(dòng)需要配備空氣壓縮機(jī)及空氣干燥機(jī)，設(shè)備稍顯復(fù)雜。氣缸動(dòng)作快，成本低，壽命高，但是重復(fù)精度差，控制精度低，運(yùn)動(dòng)速度和角度都不好控制，故本方案不采用氣缸作為動(dòng)力來(lái)源。電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，控制方便，執(zhí)行速度快，但是不能精確控制運(yùn)行距離和角度，控制量單一，控制行程短，后期擴(kuò)展性不好，所以不適合本系統(tǒng)。工控級(jí)別的伺服電機(jī)是電氣設(shè)備重要的執(zhí)行動(dòng)力源，行程速度和距離都可以精密控制重復(fù)精度高，但是價(jià)格昂貴，體積較大，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，最后選用精密數(shù)字舵機(jī)。該執(zhí)行部件屬于伺服電機(jī)的一種，自帶DIP反饋控制電路，具有體積小，精度高，價(jià)格低等有點(diǎn)，相對(duì)工業(yè)伺服電機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。為了確?？刂凭群驮O(shè)備壽命，采用的數(shù)字舵機(jī)要求傳動(dòng)齒輪全部為金屬材料，舵機(jī)外殼也采用合金鋁材，有利于散熱，減少傳動(dòng)部件膨脹比例，保證控制精度。

7 小結(jié)

在目前機(jī)械化、智能化的時(shí)代，人工分揀方法因其效率低下將會(huì)逐步被機(jī)器所代替，而像茶葉色選機(jī)這種高效率但精準(zhǔn)不高的方法也將逐步被改進(jìn)。本文設(shè)計(jì)了一套基于圖像視覺的茶葉分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)可以初步分揀雜葉，茶梗，合格茶葉。因?yàn)椴枞~的外形復(fù)雜，在分揀過程中容易纏繞，所以實(shí)際處理過程會(huì)存在誤檢的情況，需要在前期茶葉分離預(yù)處理上繼續(xù)改進(jìn)，確保茶葉的分離性，有助于提高分揀正確率。

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