基于測(cè)量型光柵的汽車車型識(shí)別研究

何書興 孫曉杰 潘立威

（上汽通用東岳汽車有限公司 山東省煙臺(tái)市 264006）

1 前言

在汽車制造廠油漆車間機(jī)器人自動(dòng)噴涂站前為了防止機(jī)器人站內(nèi)發(fā)生車輛與機(jī)器人碰撞事故，機(jī)器人站前需要對(duì)車輛的車型信息進(jìn)行Double Check（二次防錯(cuò)檢測(cè)），即雪橇Tag 讀取信息與傳感器識(shí)別車型進(jìn)行對(duì)比。如果雪橇Tag 信息與傳感器識(shí)別車型相同，車輛允許進(jìn)入機(jī)器人站內(nèi)，車型信息傳送給機(jī)器人；如果雪橇Tag信息與傳感器識(shí)別車型不同，車輛不允許進(jìn)入機(jī)器人站內(nèi)，且車型檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。

目前常用的傳感器識(shí)別車型方法是對(duì)射光柵檢測(cè)法和視覺檢測(cè)法。對(duì)射光柵檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是新車型調(diào)試時(shí)工作量大、精度低、出錯(cuò)率高。視覺檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是新車型調(diào)試時(shí)工作量小和精度高，缺點(diǎn)是成本高和對(duì)操作人員專業(yè)技能要求高。為了能在不增加成本的基礎(chǔ)上減少調(diào)試工作量和提高檢測(cè)精度，我們積極探索新技術(shù)，引進(jìn)了測(cè)量型光柵，極大地降低了新車型調(diào)試時(shí)的工作量和出錯(cuò)率。

2 對(duì)射光柵檢測(cè)法

對(duì)射光柵檢測(cè)法是目前最常用的檢測(cè)方法。對(duì)射光柵包含相互分離的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，對(duì)射光柵就產(chǎn)生可開關(guān)量信號(hào)[1]。

對(duì)射光柵檢測(cè)方法使用至少6 組對(duì)射光柵，當(dāng)被檢測(cè)車輛行進(jìn)至某個(gè)特定位置時(shí)，6 組對(duì)射光柵同時(shí)對(duì)車輛的6 個(gè)固定位置進(jìn)行通斷識(shí)別，并得到用6 組開關(guān)量數(shù)據(jù)，PLC 根據(jù)6 組開關(guān)量數(shù)據(jù)區(qū)分不同的車型。如圖1和表1所示，對(duì)射光柵的位置是不變的，檢測(cè)不同車型時(shí)對(duì)射光柵的通斷狀態(tài)不同，PLC 得到的6 組開關(guān)量數(shù)據(jù)也不相同。當(dāng)PLC 得到的6 組開關(guān)量數(shù)據(jù)是“0，1，1，1，1，0”時(shí)，PLC 判別該車輛的車型為1#車型；當(dāng)PLC 得到的6 組開關(guān)量數(shù)據(jù)是“0，1，1，0，1，0”時(shí)，PLC 判別該車輛的車型為2#車型。

為了使PLC 能準(zhǔn)確區(qū)分出所有的車型，任意兩種車型間就至少要有一組對(duì)射光柵的開關(guān)量數(shù)據(jù)不同。因此每次新車型上線調(diào)試時(shí)，都需要調(diào)整對(duì)射光柵的位置；且每次調(diào)整光柵位置后，需要將所有已有車型全部配置一遍，工作量大。

對(duì)射光柵識(shí)別精度低，區(qū)分車身尺寸相近的兩種車型時(shí)難度大，誤報(bào)警比較多。通過(guò)對(duì)比上圖的1#車型和2#車型發(fā)現(xiàn)，兩種車型僅在后車窗的右下角存在明顯差異，對(duì)射光柵識(shí)別難度大。新增車型調(diào)試上線后平均誤報(bào)警超過(guò)10 次，需要約20 小時(shí)跟蹤和不斷優(yōu)化光柵位置才能消除誤報(bào)警。

3 視覺檢測(cè)法

圖1：車型對(duì)比

圖2：兩種不同車型的左前輪區(qū)域內(nèi)不同的孔洞

圖3：測(cè)量型光柵

視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要由相機(jī)、工控機(jī)和圖像處理軟件組成。相機(jī)對(duì)車輛的固定位置進(jìn)行拍照，圖像處理軟件對(duì)采集到的車輛圖像進(jìn)行圖像處理，如圖像灰度變化、圖像二值化、圖像邊緣檢測(cè)等手段，然后應(yīng)用特征提取和選擇方法提取各種車型的分類特征，最后將提取的分類特征用于車型識(shí)別[2]，并將車型信息傳送給PLC。圖2為一個(gè)相機(jī)對(duì)兩種不同車型的左前輪區(qū)域拍的照片，將分類特征設(shè)置為紅框區(qū)域內(nèi)孔洞的數(shù)量和位置，就可以識(shí)別出這兩種車型。

目前，用于圖像處理的算法比較先進(jìn)，視覺檢測(cè)技術(shù)已比較完善，采購(gòu)成套的視覺檢測(cè)系統(tǒng)后，在調(diào)試階段只需要按照供應(yīng)商的設(shè)定流程進(jìn)行設(shè)置即可，工作量大幅下降。視覺檢測(cè)技術(shù)的精度一般在mm 數(shù)量級(jí)，精度高，出錯(cuò)率低。

但視覺檢測(cè)技術(shù)成本比較高，一套成熟視覺檢測(cè)系統(tǒng)的成本高達(dá)在7 萬(wàn)至10 萬(wàn)，比傳統(tǒng)對(duì)射光柵檢測(cè)法的成本高10 倍左右。而且視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)操作人員專業(yè)技能要求比較高，只有經(jīng)過(guò)供應(yīng)商的專業(yè)培訓(xùn)后才能完成。

表1：開關(guān)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表2：車身外輪廓數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4：車輛依次通過(guò)1#、2#和3#光柵

4 測(cè)量型光柵介紹

如圖3所示，測(cè)量型光柵是一種特殊的光電傳感器，主要用于檢測(cè)和測(cè)量產(chǎn)品是否符合規(guī)定要求。與普通的對(duì)射光柵一樣，包含相互分離且相對(duì)放置的發(fā)射器和受光器兩部分，但其外形尺寸比較大，為長(zhǎng)管狀。測(cè)量型光柵發(fā)射器產(chǎn)生的檢測(cè)光線并非普通對(duì)射光柵只有一束，而是沿長(zhǎng)度方向定間距生成光線陣列，形成一個(gè)“光幕”，以一種掃描的方式，配合控制器及其軟件，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和測(cè)量物體外形尺寸的功能。

本文介紹的測(cè)量型光柵選是Sick 品牌的MLG1-1040P811 型號(hào)光柵[3]。該型號(hào)測(cè)量型光柵與PLC之間采用Profibus DP的通訊方式，測(cè)量總長(zhǎng)度為1040mm，光束間距為10mm，發(fā)射器與接收器之間最大間距為5m。

5 測(cè)量型光柵在車型識(shí)別上的應(yīng)用

在機(jī)器人站前車輛行進(jìn)過(guò)程中的滾床上安裝6 個(gè)接近開關(guān)，在滾床兩側(cè)安裝MLG1-1040P811 測(cè)量型光柵。當(dāng)載車雪橇在行進(jìn)過(guò)程中依次感應(yīng)接近開關(guān)時(shí)，測(cè)量型光柵依次測(cè)量車輛外輪廓的6 個(gè)高度值，并通過(guò)Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)反饋給PLC。

如圖4所示，車輛依次經(jīng)過(guò)6 個(gè)接近開關(guān)后，PLC 得到6 組車身外輪廓高度數(shù)據(jù)。不同車型的6 組數(shù)據(jù)不相同，PLC 根據(jù)6 組測(cè)量數(shù)據(jù)區(qū)分不同的車型。如表2所示。

6 測(cè)量型光柵檢測(cè)法優(yōu)勢(shì)分析

6.1 降低故障率

測(cè)量型光柵精度為10mm，PLC 采集6 組數(shù)據(jù)，可精確識(shí)別不同車型。即使車身尺寸相近的兩種車型，其車型外輪廓高度差異也會(huì)大于10mm，因此可避免誤報(bào)警，減少車型識(shí)別系統(tǒng)故障率。與對(duì)射光柵檢測(cè)法相比，新車型調(diào)試時(shí)測(cè)量光柵檢測(cè)法可減少車型識(shí)別故障時(shí)間約60 分鐘。

6.2 減少調(diào)試工作量

新車型調(diào)試時(shí)不需要再調(diào)整光柵的位置，只需生產(chǎn)期間對(duì)新車型進(jìn)行在線參數(shù)配置，無(wú)需更改已有車型的參數(shù)配置。與對(duì)射光柵檢測(cè)法相比，新車型調(diào)試時(shí)測(cè)量光柵檢測(cè)法可減少調(diào)試工作量10小時(shí)。

6.3 成本低

一套測(cè)量型光柵的成本約為1 萬(wàn)元，與傳統(tǒng)對(duì)射光柵檢測(cè)法的成本相同，遠(yuǎn)低于視覺檢測(cè)法的成本。

7 總結(jié)

在全球汽車行業(yè)激烈警長(zhǎng)的大環(huán)境下，降本增效是每個(gè)車企能夠活下去的關(guān)鍵。測(cè)量型光柵用于車型識(shí)別具有調(diào)試速度快、識(shí)別率高和成本低的特點(diǎn)，能夠提高汽車生產(chǎn)的柔性化，降低車企的固定資產(chǎn)投入，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。上汽通用東岳汽車有限公司北廠油漆車間已將2 處機(jī)器人站前車型檢測(cè)方法由對(duì)射光柵檢測(cè)法改為測(cè)量型光柵檢測(cè)法，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。