卷煙分揀在線圖像識別環(huán)節(jié)的差速輸送線設(shè)計

文 / 孫壯志 鄢烈虎 朱妍彥 要學瑋

為提高條煙分揀和打碼的精準性，煙草商業(yè)物流企業(yè)通常采用圖像識別技術(shù)，事先錄入模板，在線實時獲取條煙包裝圖像并比較，用于識別卷煙品規(guī)，與訂單比對，自動糾錯并打碼。

但條煙在到達識別區(qū)域前，通常需經(jīng)過長距離傳輸和多次合流，導致識別設(shè)備獲取的圖像與模板庫圖像差別大，無法進行特征值的準確查找和對比，嚴重影響識別效果。因此，保證條煙在達到識別區(qū)域時的姿態(tài)與圖像模板姿態(tài)一致且不互相遮擋，是提升圖像識別效果的關(guān)鍵。

為此，本文提出一種具有煙姿調(diào)整功能的差速輸送線設(shè)計方案，給出條煙在圖像識別區(qū)域內(nèi)的約束條件，建立條煙在輸送線過程中的數(shù)學模型。以某煙草物流中心為試點，設(shè)計三因素三水平正交試驗進行現(xiàn)場測試，以期提高識別準確率。

一、條件分析

在識別區(qū)域，讀碼器獲取條煙一維條碼圖案，視覺相機獲取條煙上表面的圖像圖案，通常要求圖像識別的準確率達到99.99%以上。與其它領(lǐng)域圖像識別模式類似，先提取物體特征，再對圖像執(zhí)行基于特征的匹配。

對于一維條碼圖案，雖然能夠改善殘缺、畸形條碼圖案的識別效果，但條煙在到達識別區(qū)域時，其包裝上的一維條碼在讀碼器拍攝范圍內(nèi)體現(xiàn)得越完整，識別效果越好。對于包裝圖案，需事先由人工將所有上線卷煙的上、下兩個表面錄入圖像識別系統(tǒng)，形成模板庫。因此，條煙在到達識別區(qū)域時，在線獲取的圖像與模板庫的圖像一致程度越高，則識別準確性越高。

因此，識別效果與條煙姿態(tài)關(guān)系密切，識別區(qū)域的輸送線應(yīng)具備煙姿整理功能，使條煙在到達識別區(qū)域時符合兩個要求：

（1）長邊與分揀線邊緣垂直；

（2）卷煙須條條分離，間距在50mm左右。

二、輸送線設(shè)計

1.機械結(jié)構(gòu)

差速輸送能夠自動調(diào)整煙姿，先讓條煙緊密排列，再逐條分開，采用先減速、再加速的方式設(shè)計分段輸送線，在輸送過程中自動調(diào)整條煙姿態(tài)。

第一段輸送皮帶的轉(zhuǎn)速（減速）小于分揀線皮帶轉(zhuǎn)速，減速后，前面的煙運行速度變慢，后面的煙運行速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)條煙聚攏。第二段輸送皮帶的轉(zhuǎn)速（加速）大于主輸送皮帶轉(zhuǎn)速，加速后，前面的煙運行速度快，與后面運行速度慢的煙拉開距離。識別段的條煙間距為50mm左右。

2.轉(zhuǎn)速數(shù)學模型

基于經(jīng)典力學理論，分析條煙運動情況，如圖1，為輸送線轉(zhuǎn)速建立數(shù)學模型，求解加速輸送線和減速輸送線的最佳轉(zhuǎn)速。設(shè)減速輸送線的轉(zhuǎn)速為v1，加速輸送線轉(zhuǎn)速為v2，加速度為a，長度為B。當條煙運行到減速段末端時，即加速點，速度均為v1，在加速點到識別點間，先進行加速運動，運行距離為s1，到達勻速點后以速度勻速運行至識別點，運行距離為。設(shè)第一條煙從加速點到識別點耗時為，則：

由此建立兩條煙在識別點處間距的數(shù)學模型為：

帶入公式3，則條煙在識別點處間距的數(shù)學模型為：

圖1 條煙運動示意圖

圖2 條煙加速度示意圖

圖3 四個圖形

3.實例分析

以某煙草物流中心為例，結(jié)合式（5），給出具體計算結(jié)果。

（1）約束條件

①加速輸送線長度為1600mm。

②輸送線上表面采用凹槽的聚氨酯材質(zhì)，屬于橡膠的一種。條煙外包裝為塑料材質(zhì)，經(jīng)檢索，兩者間摩擦系數(shù)可取范圍為[1,4]，此處取1。

③上線卷煙為標準煙和細支煙，長度寬度范圍為[78,111]mm，此處取平均值95mm。

④重力加速度取9.8m/s2。

⑤分揀線主輸送線的轉(zhuǎn)速為72m/min，即1.2m/s。因此 取值范圍為(0,1.2)，且為不影響分揀速度，應(yīng)盡可能選取較大的值。

⑥ 取值范圍與打碼段輸送線轉(zhuǎn)速有關(guān)，且為不影響分揀速度，應(yīng)盡可能選取較大的值。設(shè)打碼段輸送線轉(zhuǎn)速為v3。打碼位置在中點，到達該位置時兩條煙的間距與公式5類似，且滿足打碼機要求時間距應(yīng)在10mm以上，且速度應(yīng)盡可能慢，保證打碼效果清晰。即：

則：

（2） Matlab分析

將約束條件帶入式5、6，則：

使用Matlab生成曲面，繪制等高線，如圖3，返回50mm和10mm條煙間距的坐標值進行分析。

根據(jù)50mm和10mm等高線坐標導出三段輸送線轉(zhuǎn)速邊緣值，如表1。

表1 三段輸送線轉(zhuǎn)速邊緣值

在滿足取值范圍和最小速度的要求下，可取值應(yīng)根據(jù)分揀效率計算。三段輸送線長度總和為3m，以1.2m/s勻速通過時，需2.5s。因加速段和減速段的速度變化為0.01s和0.1s量級，因此，可以看作勻速運動通過計算極端通行時間：

因此， 的取值范圍為[0.67，2.01]，取值越高，由通行速度越快，取值越低，打碼清晰度越好，因此可以優(yōu)先從取值區(qū)域的中間部分選擇。則輸送線可取轉(zhuǎn)速值，如表2。

表2 三段輸送線轉(zhuǎn)速取值范圍

三、試驗驗證

1.試驗設(shè)計

為確定三段輸送皮帶的最佳轉(zhuǎn)速，以上述理論為基礎(chǔ)選擇轉(zhuǎn)速，進行了3因素3水平正交試驗，來考察煙姿合格率。煙姿合格的表現(xiàn)為：任意時刻停機時，加速輸送線上同時有3、4條煙存在，不能超過4條，不能小于3條。設(shè)計正交試驗表，共需進行9次試驗。其中：因素A（第一段輸送皮帶轉(zhuǎn)速）：第一位級1.08m/s，第二位級1.10m/s，第三位級1.12m/s。因素B（第二段輸送皮帶轉(zhuǎn)速）：第一位級2.08m/s，第二位級2.10m/s，第三位級2.12m/s。因素C（第三段輸送皮帶轉(zhuǎn)速）：第一位級1.58m/s，第二位級1.60m/s，第三位級1.62m/s。

2.正交試驗結(jié)果（如表3）

表3 正交試驗結(jié)果

3.結(jié)果分析

（1）直接比較9個試驗結(jié)果可知，A2B1C2的合格率最好，為100%。經(jīng)計算，因素A在位級2時合格率最好，因素B在位級1時合格率最高，因素C在位級2時合格率最好，與直接看的結(jié)果一致。因此，將皮帶轉(zhuǎn)速設(shè)置為1.10m/s、2.08m/s、1.60m/s，即66m/min，125m/min，96m/min。

表4 2018年6月識別率統(tǒng)計

（2）R（B）的極差最大，為重要因素；R（A）的極差最小，為不重要因素。R（B）的極差最大，為最重要因素，因此在現(xiàn)場調(diào)試時調(diào)整加速段輸送線轉(zhuǎn)速是效果最為明顯的。

4.使用情況

將上述結(jié)果應(yīng)用于實際作業(yè)環(huán)境，在2018年6月統(tǒng)計識別率情況，見表4，圖像識別率均高于99.99%，滿足設(shè)計要求。

四、結(jié)束語

本文提出使用差速輸送線的方式實現(xiàn)煙姿的自動調(diào)整，對提高卷煙分揀在線圖像識別準確率具有重要意義，以某煙草物流中心為例進行了結(jié)果驗證和分析，實現(xiàn)識別準確率達99.99%以上的目標。給出的數(shù)學模型、取值方法、試驗方法、因素重要性分析方法等建立在經(jīng)典力學、試驗設(shè)計、測試方法等通用理論基礎(chǔ)上，其研究思想和方法在其它差速輸送線設(shè)計中也具有參考價值。