基于機(jī)器視覺(jué)的智能圖書分揀裝置研究設(shè)計(jì)

段學(xué)濤 胡平輝 王振飛 唐盼 南文超

摘要：隨著物質(zhì)文化的需求提高以及科技實(shí)力的提升，自動(dòng)化與智能化，已經(jīng)成為現(xiàn)階段工業(yè)化和批量化生產(chǎn)的必然要求。在圖書館方面也是如此，圖書的自動(dòng)化與智能化分揀已經(jīng)成為一項(xiàng)待解決且急需解決的問(wèn)題。20世紀(jì)50年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)開始逐步走進(jìn)工業(yè)市場(chǎng)，成為了許多工廠上批量化生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。以機(jī)器視覺(jué)作為圖書分揀裝置的傳感部分，可以通過(guò)識(shí)別圖書的外形特征，如圖書的周長(zhǎng)、直徑、面積等，也可以通過(guò)覆蓋區(qū)域形狀識(shí)別，如粘貼在圖書上的四叉樹、矩描述子，去精準(zhǔn)識(shí)別需要夾取的書。本研究希望設(shè)計(jì)出一個(gè)可以通過(guò)在APP上設(shè)定裝置工作的時(shí)間以及工作量，并通過(guò)去識(shí)別書架上的二維碼，將不同的書分還到不用的書柜中，達(dá)到智能分揀的效果，以減少同學(xué)還書時(shí)的不便。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)識(shí)別;分揀;算法;計(jì)算機(jī)視覺(jué);形狀識(shí)別

0 引言

近年來(lái)中國(guó)重視智能一體化裝置建設(shè)，從智能無(wú)人售賣機(jī)到智能無(wú)人超市再到智能圖書館，智能化建設(shè)逐步發(fā)展，但中國(guó)現(xiàn)有的智能圖書館建設(shè)還存在許多待解決的問(wèn)題，與國(guó)外智能圖書館的建設(shè)相比較還存在有一定的差距。我國(guó)目前市場(chǎng)上圖書分揀系統(tǒng)存在著諸多問(wèn)題：1.現(xiàn)有得圖書分揀裝置，容易出現(xiàn)分揀過(guò)程中取不出書現(xiàn)象。2.圖書館分揀人員在進(jìn)行圖書分揀系統(tǒng)工作時(shí)，如若不注意，可能會(huì)造成圖書損壞的現(xiàn)象，對(duì)圖書造成極大的影響，影響讀者二次閱讀。3.國(guó)內(nèi)目前的圖書分揀領(lǐng)域自動(dòng)化程度低，技術(shù)發(fā)展尚不夠全面，需要進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺(jué)的智能圖書分揀裝置，可在讀者歸還圖書時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行夾取圖書，并且可以通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)裝置，將夾取得到的圖書歸還到原本書架位置，進(jìn)而提高圖書分揀的分揀效率，減少工作人員的工作量。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本裝置將探索基于機(jī)器視覺(jué)的圖書分揀技術(shù)。裝置以樹莓派4B為主控芯片，利用攝像頭進(jìn)行圖像處理裝置和二維碼識(shí)別裝置，通過(guò)攝像頭OPENMC把識(shí)別到的圖書信息和二維碼信息返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)存的數(shù)據(jù)對(duì)比，以次確認(rèn)圖書的類別。確認(rèn)圖書的位置信息和類別信息后通過(guò)樹莓派4b控制機(jī)械臂追蹤抓取圖書，將其放入對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存區(qū)域

本裝置可以大大的提高圖書分揀效率與準(zhǔn)確性，減少還書時(shí)隨意而造成分揀員不必要的工作量，從而能夠更好地提高全國(guó)各地，各學(xué)校的圖書分揀效率，節(jié)省人工成本。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1導(dǎo)軌式移動(dòng)平臺(tái)

該導(dǎo)軌平臺(tái)包括：底座、第一導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)裝置、輸入接口、主控制模塊和用于放書的工作臺(tái)。第一導(dǎo)軌相對(duì)安裝于所述底座上，工作臺(tái)置于第一導(dǎo)軌上，驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)第一導(dǎo)軌左右滑動(dòng)。輸入接口與樹莓派模塊耦合，樹莓派控制模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置耦合，樹莓派控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置均置工作臺(tái)內(nèi)，輸入接口設(shè)置在導(dǎo)軌平臺(tái)上。該導(dǎo)軌平臺(tái)能實(shí)時(shí)與外界設(shè)備進(jìn)行通信，能實(shí)時(shí)對(duì)控制程序進(jìn)行更新，從而精確控制平臺(tái)在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)速度、位置等。

2.2.2機(jī)械臂設(shè)計(jì)

裝置的底座舵機(jī)是一個(gè)扭矩力達(dá)到25kg的總線舵機(jī)，使得機(jī)械臂抓取圖書的重量達(dá)到500g以上。底座舵機(jī)上方是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)360度的轉(zhuǎn)盤，通過(guò)底座舵機(jī)和轉(zhuǎn)盤，裝置上的夾持器可抓取攝像頭范圍內(nèi)的所有物體。2、3、4號(hào)舵機(jī)組成的連桿1和連桿2，連桿構(gòu)成機(jī)械臂的支持部件也是增加夾取器活動(dòng)范圍的有效部位。5號(hào)和6號(hào)舵機(jī)互相垂直，5號(hào)電機(jī)負(fù)責(zé)控制夾取器的閉合，二而6號(hào)舵機(jī)時(shí)決定夾取器的旋轉(zhuǎn)方向。具體設(shè)計(jì)如圖所示：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1目標(biāo)位置檢測(cè)算法

想要得到目標(biāo)物體的位置，首先需要進(jìn)行攝像頭的標(biāo)定，將物體不斷移動(dòng)到到攝像頭視覺(jué)的中心。在圖像中，會(huì)得到一個(gè)如下圖所示的圖像坐標(biāo)系，圖像中，始終會(huì)有一個(gè)中心原點(diǎn)，物體在圖像中的坐標(biāo)，則是以這個(gè)中心原點(diǎn)為參考點(diǎn)。因與物體的Z軸方向平行，故物體的X軸與Y軸坐標(biāo)則以在攝像頭檢測(cè)區(qū)域的一半內(nèi)的長(zhǎng)和寬為標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)縮短目標(biāo)物體與中心原點(diǎn)的間距，可以將目標(biāo)物體，不斷移動(dòng)到圖像中心，從而準(zhǔn)備進(jìn)行下一階段機(jī)械臂的精準(zhǔn)夾取。

3.2圖書書脊識(shí)別算法

書脊視覺(jué)識(shí)別的難點(diǎn)在于書脊圖像本身較為復(fù)雜，因每本書的輪廓和攝像頭采集得到的圖像細(xì)節(jié)部分都不易區(qū)分。當(dāng)算法運(yùn)行時(shí)，針對(duì)書脊圖像視覺(jué)識(shí)別的特點(diǎn)，將小波分析、Hoough變換等多種算法結(jié)合，通過(guò)圖像處理算法精確每本書的厚度，利用攝像頭對(duì)書脊的定位，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂，完成抓取圖書操作。并利用視覺(jué)系統(tǒng)定位需要放書的書架位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)裝置再次通過(guò)機(jī)械臂將書放回原位。

3.3 APP的設(shè)計(jì)

APP的主要功能是控制裝置的運(yùn)行，可以顯示裝置當(dāng)日的圖書分揀數(shù)量和設(shè)備狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)WiFi連接遠(yuǎn)程控制裝置的開啟，并且可以設(shè)定裝置工作的時(shí)間長(zhǎng)短。

4 解決的關(guān)鍵問(wèn)題

整個(gè)分揀系統(tǒng)中目標(biāo)圖書和攝像頭的相對(duì)位置的檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性時(shí)決定抓取裝置能否捕捉到目標(biāo)圖書的前提。而對(duì)圖書書脊的圖像處理綜合和多種算法的有點(diǎn)，其處理結(jié)果的效果是保證分揀效率最為關(guān)鍵的一環(huán)。

爭(zhēng)對(duì)上述問(wèn)題，我們利用圖書書脊上的二維碼標(biāo)簽，在solvePnP算法上結(jié)合攝像頭的內(nèi)置參數(shù)和Opencv的相關(guān)的二維碼識(shí)別算法。在檢測(cè)程序運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)圖書就可以得到目標(biāo)圖書在圖像中的坐標(biāo)，之后通過(guò)solvePnP函數(shù)即可得到需要機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的平移向量和旋轉(zhuǎn)向量，此時(shí)攝像頭中得到的坐標(biāo)是以攝像頭中心為原點(diǎn)的，需要得到機(jī)械臂正確的轉(zhuǎn)角就需要對(duì)這個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行平移，裝置進(jìn)行移動(dòng)，讓機(jī)械臂瞄準(zhǔn)待分揀圖書的書脊進(jìn)行夾取，并將夾取得到得圖書進(jìn)行歸類處理，歸還至原處。

5 參考文獻(xiàn)

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