汽車輪轂分類管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)①

張志芬 孫繼磊

(濱州學(xué)院信息工程學(xué)院 山東濱州 256603)

在汽車輪轂生產(chǎn)過程中，各種輪轂混合生產(chǎn)，不同型號的輪轂經(jīng)過某些相同的工序，混合出現(xiàn)在傳送帶上。此時，需要對這些輪轂按照型號進行分類，再分揀到不同的地方?，F(xiàn)有的輪轂生產(chǎn)廠家，對于輪轂分揀大部分還停留在人工操作階段，由人眼識別輪轂型號，并人力推動或者搬運到不同的類別堆。目前的分揀方式，純?nèi)斯し謷绞饺肆Τ杀竞芨?，增加了企業(yè)生產(chǎn)成本，降低了利潤。

針對上述情況，本文提出一種低成本全自動輪轂分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機視覺進行識別和分類，利用推動桿和傳送帶進行輪轂分揀，全程不需要人工參與。該輪轂自動分類系統(tǒng)能夠提高生產(chǎn)效率，很好地滿足輪轂生產(chǎn)企業(yè)實際需求。

1 系統(tǒng)需求

為了滿足工廠實際需求，通過對汽車輪轂企業(yè)進行需求調(diào)研，確定本系統(tǒng)除了識別和分類的核心功能外，還需要配套一些輔助功能。整個輪轂分揀系統(tǒng)包括以下功能：

（1）模板管理：添加、刪除、修改、瀏覽、查找輪轂?zāi)０?，輪轂?zāi)０逯兄饕ㄝ嗇灥男吞?、名稱、圖片、說明信息。

（2）圖像抓拍：輪轂到達生產(chǎn)線傳送帶指定位置時自動啟動攝像頭對當前位置的輪轂進行拍照。

（3）啟動識別：啟動系統(tǒng)識別程序根據(jù)拍攝到的當前位置輪轂照片，與模板進行比對識別出當前圖片所對應(yīng)的輪轂型號，實現(xiàn)輪轂的類型自動識別。

圖1 物理結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軟件架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)主界面

圖4 輪轂識別界面

圖5 模板管理界面

（4）分揀功能：對于識別分類后的輪轂，啟用相應(yīng)的推動桿，分別推送到不同的分支傳送帶上，實現(xiàn)輪轂的自動分揀。

（5）數(shù)據(jù)保存：將經(jīng)過識別的所有輪轂的數(shù)量、型號、時間等信息保存到數(shù)據(jù)庫。

（6）生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：能夠根據(jù)日期、型號等信息統(tǒng)計輪轂產(chǎn)量信息。

（7）用戶管理：查看、添加、刪除、修改用戶。

（8）用戶登錄：用戶需登錄才能使用該系統(tǒng)，然后進行操作。

圖6 產(chǎn)量統(tǒng)計界面

（9）修改密碼：用戶可以修改登錄密碼，修改時先輸入舊密碼，再輸入兩次新密碼。密碼要符合一定強度要求，至少要包含大小寫字母數(shù)字和標點符號。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

汽車輪轂分揀系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。輪轂從生產(chǎn)線上傳送過來（圖中從左往右）到達攝像頭下方時，觸發(fā)傳感器，傳感器將信號發(fā)送給計算機，調(diào)用攝像頭進行拍照，然后對所拍攝的照片進行識別[1]，再根據(jù)識別的類型，啟動相應(yīng)類型的推動桿，將輪轂根據(jù)類型分別推送到不同的傳送帶上[2]，從而實現(xiàn)輪轂的自動分揀。

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

汽車輪轂分揀系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為表示層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層三個層次。表示層主要負責與用戶進行交互，接收用戶輸入、顯示數(shù)據(jù)和圖像；服務(wù)層主要進行數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和圖像識別服務(wù)；數(shù)據(jù)庫層主要用于數(shù)據(jù)的存儲。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

3 開發(fā)環(huán)境和語言

（1）編程語言及框架：系統(tǒng)中用戶界面部分要界面簡單美觀、用戶交互效果好，使用C#語言和WPF框架。圖像處理和識別部分要性能好、圖像處理功能要強大，使用C++，調(diào)用OpenCV。通過將C++封裝成dll，通過C#調(diào)用，可以實現(xiàn)用戶界面與圖像處理識別功能的接口。數(shù)據(jù)訪問結(jié)構(gòu)使用LINQ + Entity Framework。

（2）開發(fā)環(huán)境：Visual Studio 2017。

（3）數(shù)據(jù)庫：MS SQL Server 2014。

（4）系統(tǒng)運行環(huán)境：Windows7以上，.NET Framework 4.6以上。

4 主要功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)主要包括輪轂識別分類、模板維護、參數(shù)設(shè)計、統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)備份、用戶管理、修改密碼等功能。系統(tǒng)主界面如圖3所示?，F(xiàn)就部分功能進行介紹。

4.1 輪轂識別

在取得待識別的輪轂圖片后，首先對其進行預(yù)處理，然后逐個與模塊進行比對，確定輪轂類別。具體來說包括以下3個步驟[3]。

（1）圖像預(yù)處理。

為了提高輪轂圖像識別性能，需要先對攝像頭所拍攝的原始圖像進行預(yù)處理。主要進行灰度化、去噪、邊緣提取這3個預(yù)處理操作[4]。

（2）特征提取。

為了識別輪轂，需要提取其主要特征，本系統(tǒng)中主要提取輪轂外圓半徑、輪轂輻數(shù)及輪輻形狀這3個典型特征[3]，實現(xiàn)方法如下。

①外圓半徑：系統(tǒng)中通過Canny算法得到圖像的邊緣信息后，采用霍夫梯度算法檢測出輪轂圖像的外輪廓圓，進而得到圓心坐標和外圓半徑長度[4]。

②輪轂輻數(shù)：系統(tǒng)利用濾波法在輪轂的圖像中遍歷圓周得到的黑白像素點跳變次數(shù)來判斷輻軸個數(shù)。濾波后，沿圓周方向依次檢測像素亮暗，連續(xù)亮暗跳變處即為輪輻[5]。

③輪輻形狀：通過以s為步長，以r為半徑（r值介于0.2到0.9倍輪轂半徑）沿圓周進行掃描，根據(jù)連續(xù)區(qū)域的寬度來得到輪輻形狀[6]。

（3）模板匹配。

系統(tǒng)對待識別圖像進行預(yù)處理后，提取出其特征，然后將提取出的特征與各個輪轂?zāi)０鍒D像特征進行比對，得出圖片相似度，判定輪轂所屬類別[7]。若滿足以下兩個條件之一，則認為該輪轂屬于相應(yīng)的模板型號。

（1）待識別圖像與模板的匹配相似度超過一個較高的閾值，該值一般可以取0.9左右。

（2）待識別圖像與某一模板的匹配相似度在所有模板中最高，且超過某一閾值，該值一般可以取0.75左右。

輪轂識別分類的運行界面如圖4所示。

4.2 模板管理

輪轂?zāi)０寮礊檩嗇炐吞?，生產(chǎn)線上所拍攝得到的輪轂圖片通過與模板進行對比，從而確定輪轂型號[8]。為了滿足不同的企業(yè)實際生產(chǎn)需要，為了能夠靈活的添加、刪除、修改模板，為此設(shè)計實現(xiàn)了模板管理功能模塊。每個模板包括輪轂的代碼、名稱、圖片、備注等信息。模板管理模塊運行界面如圖5所示。

4.3 生產(chǎn)統(tǒng)計

在生產(chǎn)統(tǒng)計模塊，用于查詢指定日期范圍各生產(chǎn)線生產(chǎn)的各種輪轂的數(shù)量，常量統(tǒng)計界面圖6所示。在該功能中選擇要查詢的日期范圍，然后單擊“查詢”按鈕即可查詢出該日期范圍內(nèi)各生產(chǎn)線的輪轂數(shù)據(jù)，單擊“打印”按鈕可以打印該統(tǒng)計信息[9]。

5 結(jié)語

針對汽車輪轂生產(chǎn)企業(yè)的輪轂分類問題，以計算機視覺為核心技術(shù)，綜合運用W PF、OpenCV、EntityFramework等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了輪轂分類管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)全自動運行，無需人工參與，具有較好的實際應(yīng)用價值。