基于3D 傳感器的帶束層糾偏算法

蘇 銘 ，范文強(qiáng) ，肖 東

（1.煙臺(tái)大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000；2.國(guó)瓏智能科技（威海）有限公司，山東 威海 264200）

0 引言

帶束層是指在汽車輪胎組成中起支撐和緩沖的部分，又被稱為支撐層和穩(wěn)定層[1]。偏移是指塑料、布匹、橡膠等材料在流水線上進(jìn)行噴涂、切割、印刷的過(guò)程中，由于機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致材料偏離原來(lái)的位置。即材料側(cè)面沒(méi)有整齊劃一地對(duì)齊，此時(shí)帶束層將發(fā)生偏移，帶束層偏移在一定程度上會(huì)影響后續(xù)的工序操作，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成極大的干擾，甚至?xí)斐蓹C(jī)器損壞或者停工檢修等問(wèn)題。因此在產(chǎn)品加工過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)生偏移的物料進(jìn)行實(shí)時(shí)的糾正，這個(gè)過(guò)程稱為糾偏[2]。2006 年閆小偉針對(duì)物料張力不適當(dāng)或者張力波動(dòng)較大等原因，提出狀態(tài)反饋控制理論，明顯提高了糾偏系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度[3]；2008 年康靖提出了光電控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性地對(duì)偏移量采用了三段式的控制策略，提高了控制器的處理精度[4]；2011 年朱章針對(duì)物料自身張力變化造成的影響提出了一種糾偏檢測(cè)與控制裝置，結(jié)果表明提高了糾偏系統(tǒng)檢測(cè)精度[5]；2014 年王薇通過(guò)研究速度和張力的關(guān)系，提出了收卷控制系統(tǒng)張力恒定的張力控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)糾偏效果好，控制精度高[6]；2015年魏璐提出了基于CCD 傳感器的鐳射膜糾偏系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)預(yù)處理后的圖像采用Canny 算法檢測(cè)邊緣檢測(cè)和Hough 算法變換提取特征直線等，提高了糾偏系統(tǒng)采集精度[7]；2016 年侯磊為了克服一般PID 控制的處理非線性時(shí)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種具有參數(shù)自整定的模糊PID 控制器，提高了系統(tǒng)精度[8]；2017 年柯洋提出了一種雙環(huán)PID 控制算法，提高了糾偏系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，較好地抑制了干擾噪聲[9]；2018 年惠先剛提出了先對(duì)檢測(cè)跑偏數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律分析，然后用小波去噪處理跑偏量檢測(cè)信號(hào)，提高了檢測(cè)精度[10]。通過(guò)對(duì)糾偏系統(tǒng)的研究，本文提出一種糾偏算法。在帶束層物料加工的過(guò)程中要利用糾偏系統(tǒng)對(duì)物料的偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，使得物料偏移量控制在質(zhì)量允許的范圍內(nèi)。

1 糾偏系統(tǒng)概況

糾偏系統(tǒng)糾偏過(guò)程：3D 傳感器連續(xù)獲取帶束層在傳送帶的位置信息，然后傳感器將接收的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器，控制器根據(jù)處理后得到的實(shí)際距離和帶束層寬度信息判斷是否進(jìn)行糾偏。如果進(jìn)行糾偏，將偏移距離轉(zhuǎn)化得到的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給電機(jī)；如果不進(jìn)行糾偏，繼續(xù)獲取帶束層位置信息，直到通過(guò)多次糾偏將偏轉(zhuǎn)的帶束層糾正到誤差允許的位置范圍[11]。

糾偏系統(tǒng)主要由視覺(jué)系統(tǒng)、控制器和執(zhí)行元件三部分組成[12]。糾偏系統(tǒng)的組成部分如圖1 所示。

圖1 糾偏系統(tǒng)

2 糾偏過(guò)程

2.1 帶束層數(shù)據(jù)采集

在本文中，帶束層數(shù)據(jù)用3D 線激光傳感器進(jìn)行采集，其型號(hào)為L(zhǎng)V_100，X 軸分辨率可以達(dá)到0.03～0.05 mm，在實(shí)際的糾偏過(guò)程中，其糾偏精度足夠達(dá)到實(shí)際項(xiàng)目需求。在實(shí)際糾偏過(guò)程中，帶束層糾偏區(qū)域劃分如圖2 所示。

圖2 帶束層

帶束層從上到下可以分為5 個(gè)區(qū)域，在實(shí)際糾偏過(guò)程中，區(qū)域1 和5 不進(jìn)行糾偏，區(qū)域2 和4 進(jìn)行定邊糾偏，區(qū)域3 進(jìn)行定中糾偏。

通過(guò)糾偏系統(tǒng)的視覺(jué)部分對(duì)帶束層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用MATLAB 進(jìn)行3D 顯示，從圖3 中可以清楚地看到一個(gè)平行四邊形輪廓的帶束層和傳感器所掃描的范圍。

圖3 采集的帶束層在MATLAB 中的模擬圖像

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于傳感器本身的物理缺陷以及受到光線和噪聲等的影響，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)糾偏精度有一定的影響。由于在糾偏過(guò)程中是通過(guò)尋找每條數(shù)據(jù)的上升沿和下降沿來(lái)判斷帶速層的寬度，因此上升沿和下降沿的準(zhǔn)確性直接影響糾偏精度，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)在上升沿和下降沿附近存在零點(diǎn)和異常點(diǎn)之類的毛刺，如圖4 所示。

圖4 噪聲干擾

為了避免噪聲在糾偏過(guò)程中對(duì)精度的影響，本文采用中值濾波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，由于中值濾波是對(duì)像素進(jìn)行求平均值，對(duì)于出現(xiàn)的這種零點(diǎn)和異常點(diǎn)能夠很好地消除[13]。隨機(jī)選取一行數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波前后的效果圖如圖5 所示。

圖5 濾波后效果對(duì)比

通過(guò)濾波前后對(duì)比，可以明顯發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中值濾波后噪聲消失明顯，在上升沿和下降沿附近毛刺基本消失。上升沿和下降沿之間的變化趨向穩(wěn)定，便于進(jìn)行邊緣檢測(cè)和特征提取。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

在糾偏過(guò)程中，由于糾偏電機(jī)只能通過(guò)接收模擬電壓來(lái)改變其行程，因此在糾偏過(guò)程中，需要根據(jù)計(jì)算帶束層的寬度來(lái)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓。在實(shí)際的糾偏過(guò)程中，一條線激光的長(zhǎng)度為500 mm，以最左邊的起始點(diǎn)為0 mm，其對(duì)應(yīng)電壓為0 V；最右邊的距離為500 mm，其電壓對(duì)應(yīng)為10 V，此時(shí)電壓分辨率為f=0.02 V/mm。

對(duì)帶束層的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)糾偏算法。糾偏流程如圖6 所示，設(shè)定一個(gè)判斷閾值W，當(dāng)帶束層的寬度大于W時(shí)，開(kāi)始采集帶束層的寬度信息，此時(shí)傳感器連續(xù)獲得3 條帶束層的寬度W1、W2和W3，判斷三者的關(guān)系[14]。

圖6 糾偏流程圖

判斷邏輯如下：

（1）當(dāng)W1＜W2＜W3時(shí)，此時(shí)帶束層處于區(qū)域2。在此區(qū)域進(jìn)行單邊糾偏，以帶束層長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)的距離為參考距離，計(jì)算此時(shí)長(zhǎng)邊的實(shí)際距離H，根據(jù)電壓與距離的分辨率關(guān)系，得到此區(qū)域長(zhǎng)邊的參考電壓，與標(biāo)準(zhǔn)的電壓V1進(jìn)行比較，其電壓差值對(duì)應(yīng)于實(shí)際的糾偏距離。

（2）當(dāng)W1=W2=W3時(shí)，此時(shí)帶束層處于區(qū)域3。在此區(qū)域開(kāi)始進(jìn)行雙邊糾偏，以帶束層中間對(duì)應(yīng)的距離為參考距離，在得到帶束層兩邊的實(shí)際距離后，通過(guò)取平均值求出帶束層的實(shí)際距離H，根據(jù)電壓與距離的分辨率關(guān)系，得到此區(qū)域中間的參考電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓V2進(jìn)行比較，其電壓差值對(duì)應(yīng)于實(shí)際的糾偏距離。

（3）當(dāng)W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3時(shí)，此時(shí)帶束層處于區(qū)域4。在此區(qū)域進(jìn)行單邊糾偏，以帶束層長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)的距離為參考距離，計(jì)算此時(shí)長(zhǎng)邊的實(shí)際距離H，根據(jù)電壓與距離的分辨率關(guān)系，得到此區(qū)域長(zhǎng)邊的參考電壓與標(biāo)準(zhǔn)距離對(duì)應(yīng)的電壓V3進(jìn)行比較，其電壓差值對(duì)應(yīng)于實(shí)際的糾偏距離。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將3D 傳感器采集的整個(gè)帶束層的數(shù)據(jù)在MATLAB上進(jìn)行仿真，模擬在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)3D 傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)和控制器需要處理的數(shù)據(jù)。將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)糾偏算法進(jìn)行處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到了帶束層的寬度變化圖和帶束層每行所對(duì)應(yīng)的電壓。3D 傳感器是將采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為列和行的CSV 文件，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果是用列數(shù)和行數(shù)來(lái)表示的。

最后，通過(guò)對(duì)采集到的帶束層數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，帶束層的寬度變化如圖7 所示。從圖中可以看出，帶束層的寬度從0～110 mm，到中間保持恒定，最后逐漸減小到0。

圖7 帶束層寬度變化圖

在得到帶束層的實(shí)際寬度后，根據(jù)前面設(shè)定的閾值W，當(dāng)帶束層的寬度超過(guò)W時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算每條邊的糾偏寬度以及對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系，帶束層的實(shí)際電壓分布如圖8 中實(shí)線線條所示。

圖8 帶束層對(duì)應(yīng)的電壓

圖8中，實(shí)線線條表示帶束層糾偏時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓V，虛線線條表示帶速層實(shí)際得到的電壓V′，其差值△V對(duì)應(yīng)于實(shí)際的糾偏寬度。在圖8 中隨機(jī)選取3 個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，如表1～表3 所示。

表1 區(qū)域2 定邊糾偏部分?jǐn)?shù)據(jù)

表2 區(qū)域3 定邊糾偏部分?jǐn)?shù)據(jù)

表3 區(qū)域4 定邊糾偏部分?jǐn)?shù)據(jù)

采集到的9 組數(shù)據(jù)分別是3 個(gè)區(qū)域不同位置對(duì)應(yīng)的距離和電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文糾偏算法能夠獲得較準(zhǔn)確的實(shí)際距離和電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的糾偏功能。

通過(guò)對(duì)表1 進(jìn)行觀察可以得出，在區(qū)域2中，當(dāng)帶束層的實(shí)際距離為297.48 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為5.950 V，與標(biāo)準(zhǔn)電壓6 V 相差0.050 V，說(shuō)明帶束層發(fā)生了偏差。

對(duì)表2 進(jìn)行分析，在區(qū)域3中，當(dāng)帶束層的實(shí)際距離為249.68 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為4.993 V，與標(biāo)準(zhǔn)電壓5 V 相差0.007 V，說(shuō)明帶束層已經(jīng)被糾正了一部分。

對(duì)表3 進(jìn)行分析，在區(qū)域4中，當(dāng)帶束層的實(shí)際距離為196.40 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為3.928 V，與標(biāo)準(zhǔn)電壓4 V 相差0.072 V，說(shuō)明帶束層已被糾正到可控范圍內(nèi)，糾偏成功。

通過(guò)對(duì)9 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)本文的糾偏算法在糾偏精度上有較好的實(shí)現(xiàn)效果，與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的差值越來(lái)越小，最終達(dá)到一個(gè)可控范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文糾偏算法能夠獲得較準(zhǔn)確的實(shí)際距離和電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的糾偏功能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的是一種基于3D 傳感器的糾偏算法。在實(shí)際應(yīng)用中，糾偏系統(tǒng)能夠通過(guò)糾偏算法精確地處理圖像，及時(shí)地傳遞數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地得出對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離、寬度和電壓，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)處理數(shù)據(jù)。運(yùn)用此糾偏算法的糾偏系統(tǒng)，比針對(duì)一條邊進(jìn)行糾偏的算法更精確，能夠滿足生產(chǎn)需求。