基于機(jī)器視覺的智能上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何榮譽(yù)，周 力

(湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410126)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)融入白酒釀造具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)由于白酒釀造工藝比較復(fù)雜，因此在具體操作中存在出酒率不高以及出酒品質(zhì)差等問(wèn)題。剖析原因很多是由于上甄操作不規(guī)范導(dǎo)致的。據(jù)調(diào)查，在釀酒過(guò)程中需要操作人員將釀酒原料均勻、疏松地鋪設(shè)到甄桶內(nèi)，以此保障釀酒原料在蒸餾過(guò)程中不會(huì)發(fā)生跑氣等現(xiàn)象。目前，在釀酒過(guò)程中仍然采取人工上甄，此種模式之所以被沿襲，主要是人工上甄可以有效提升酒的品質(zhì)，且機(jī)械上甄難以控制上甄的細(xì)節(jié)操作。但傳統(tǒng)的人工上甄強(qiáng)度較大且高端技工人才短缺，因此構(gòu)建基于機(jī)器視覺的智能上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)顯得格外重要。

1 基于機(jī)器視覺智能上甄控制系統(tǒng)概述

上甄環(huán)節(jié)直接影響釀酒的品質(zhì)與效率。據(jù)調(diào)查在釀酒蒸餾時(shí)，甄內(nèi)蒸汽具有縱向擴(kuò)散作用，甄蒸餾過(guò)程中存在邊界效應(yīng)，因此造成蒸餾中的蒸汽會(huì)趨向于甄邊上升。針對(duì)蒸餾特點(diǎn)，筆者認(rèn)為在上甄操作時(shí)要做到以下幾點(diǎn)：一是裝入甄中的酒醅要保持疏松，同時(shí)需要控制固態(tài)顆粒，保障其足夠的小，這樣才能形成盡量大的蒸餾面積，讓蒸汽可以完全接觸到醅料。二是酒醅層的微小固態(tài)顆粒要形成均勻的微孔機(jī)構(gòu)，這樣能夠讓甄底的蒸汽得以上升，避免出現(xiàn)蒸汽走邊造成熱交換不均衡現(xiàn)象?？傊鶕?jù)調(diào)查在上甄過(guò)程中需要記住“輕、松、勻、準(zhǔn)、薄、平”特點(diǎn)。

基于上甄操作的具體要求，傳統(tǒng)的人工操作模式容易出現(xiàn)各種問(wèn)題而影響釀酒的品質(zhì)，因此文章提出利用機(jī)器視覺技術(shù)構(gòu)建智能上甄操作系統(tǒng)和散料區(qū)域的高效檢測(cè)算法，以此提升上甄補(bǔ)料的精準(zhǔn)化控制。

2 基于機(jī)器視覺上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建基于機(jī)器視覺的上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)是提升釀酒制造的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)實(shí)際調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，酒廠上甑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，存在多種不確定因素和干擾，如：來(lái)料的溫度不一致、同一種料內(nèi)外溫度不一致、不同季節(jié)和天氣來(lái)料溫度不一致、不同材料的來(lái)料溫度差異、蒸酒的金屬器具在蒸酒不同階段溫度不一致等。這些不確定因素使得整個(gè)系統(tǒng)控制難度增加，因此需要依托相應(yīng)技術(shù)構(gòu)建完善的系統(tǒng)體系，如表1所示。

表1 上甄機(jī)器人總體設(shè)計(jì)要求

2.1 機(jī)器視覺智能上甄補(bǔ)料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

按照基于機(jī)器視覺的智能控制要求，本次設(shè)計(jì)的上甄補(bǔ)料自動(dòng)控制系統(tǒng)采取FLIR A310相機(jī)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供圖像。智能上甄檢測(cè)系統(tǒng)主要是由特定的機(jī)器人操作完成。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)上甄機(jī)器人合理設(shè)定機(jī)器人的工作范圍，即機(jī)器人平移距離保持在1 200 mm，前臂尺寸控制在1 800 mm，后臂控制在1 500 mm。本系統(tǒng)采取電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，該方式在相應(yīng)時(shí)間段具有連續(xù)和穩(wěn)定的控制特性[1]。

2.2 基于視覺的上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.2.1 智能補(bǔ)料流程

上甄補(bǔ)料是上甄操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)調(diào)查在釀酒過(guò)程中所使用的甄桶主要是上口徑為200 mm，高度為1 200 mm的不銹鋼甄桶。甄桶的底部會(huì)安裝多孔的篩子，這樣可隔離料層與加熱器。另外，在甄桶的底部還會(huì)安裝可以移動(dòng)的桶蓋，與冷卻器相連。按照常規(guī)的人工上甄操作要求，一般在甄桶料層達(dá)到90 cm時(shí)進(jìn)行上甄效果會(huì)比較好，如果高度低于70 cm會(huì)導(dǎo)致釀造出來(lái)的酒質(zhì)比較惡劣，影響其質(zhì)量。當(dāng)酒料高度超過(guò)90 cm后，雖然能夠達(dá)到釀酒要求，但其釀造的出酒率會(huì)下降。因此按照要求通常在補(bǔ)料進(jìn)行到40層后，需要控制料層3 cm，達(dá)到優(yōu)質(zhì)的釀造效果。

根據(jù)上甄操作的要求，在上甄補(bǔ)料時(shí)，需利用機(jī)器人將散料器移動(dòng)到甄桶的上方，按照預(yù)定的參數(shù)進(jìn)行逐層散料。因此機(jī)器人在裝甄補(bǔ)料時(shí)，需要在甄桶的底部撒少許谷殼，再均勻的鋪設(shè)2層酒醅，開始邊加溫邊撒料。機(jī)器視覺控制系統(tǒng)利用紅外成像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)撒料區(qū)域的表面溫度，將拍攝的圖片反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的反饋結(jié)果顯示需要補(bǔ)料的區(qū)域，并且在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)完成補(bǔ)料操作[2]。

2.2.2 機(jī)器視覺補(bǔ)料系統(tǒng)

由于在上甄補(bǔ)料過(guò)程中容易受水蒸氣等因素的限制，導(dǎo)致人工補(bǔ)料受到影響。構(gòu)建基于機(jī)器視覺控制補(bǔ)料系統(tǒng)的關(guān)鍵就是要設(shè)計(jì)完善的視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上甄機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮到水蒸氣等元素對(duì)影像設(shè)備的影響。本次設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)主要是控制上位機(jī)。上位機(jī)包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、視覺控制、傳送系統(tǒng)控制以及其他附屬設(shè)備控制等。其中，高速攝像機(jī)與圖像采集處理模塊是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵[3]。高速攝像機(jī)主要是捕捉上甄補(bǔ)料場(chǎng)景信息，將采集的相關(guān)信息通過(guò)脈沖通信系統(tǒng)傳遞給集成控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)在收到系統(tǒng)反饋的信息后會(huì)及時(shí)做出判斷，將相關(guān)指令傳遞給機(jī)器人，由機(jī)器人按照系統(tǒng)預(yù)定的程度進(jìn)行操作。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)上甄作業(yè)中出現(xiàn)的突發(fā)情況，機(jī)器視覺系統(tǒng)還設(shè)置了應(yīng)急照明開關(guān)、急停開關(guān)，以此提升視覺感應(yīng)的反映效率，如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺補(bǔ)料系統(tǒng)

2.2.3 撒料區(qū)域的實(shí)時(shí)檢測(cè)

上甄補(bǔ)料的關(guān)鍵是要做好撒料工作，防止酒糟厚度不均勻。由于在上甄過(guò)程中受水蒸氣等影響，導(dǎo)致人工撒料容易出現(xiàn)各種問(wèn)題。因此需要在上甄的時(shí)重點(diǎn)關(guān)注撒料區(qū)的監(jiān)測(cè)。基于機(jī)器視覺控制系統(tǒng)主要是構(gòu)建“探汽裝甑”控制模塊。利用對(duì)該區(qū)域?qū)崟r(shí)獲取的紅外圖像監(jiān)測(cè)出撒料區(qū)域的位置以及撒料大小等數(shù)據(jù)，以此達(dá)到“輕撒勻鋪”和“邊高中低”。具體檢測(cè)流程：紅外檢測(cè)系統(tǒng)先對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行紅外拍攝，對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取后，再分析其是否有熱點(diǎn)，如果預(yù)處理的圖像有熱點(diǎn)則要分割出熱點(diǎn)區(qū)域，計(jì)算出熱點(diǎn)區(qū)域的中心坐標(biāo)，并根據(jù)控制系統(tǒng)程度估計(jì)熱點(diǎn)區(qū)域的撒料量，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行操作。當(dāng)然，如果系統(tǒng)沒有檢測(cè)到熱點(diǎn)圖像，則直接將相關(guān)信息發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)束[4]，如圖2所示。

圖2 算法設(shè)計(jì)流程

2.2.4 紅外圖像的讀取及預(yù)處理

對(duì)監(jiān)測(cè)到的紅外圖像信息讀取方式是利用紅外相機(jī)制造企業(yè)所提供的API實(shí)現(xiàn)。在上甄作業(yè)中隨著上甄補(bǔ)料數(shù)量的不斷增多，甄桶內(nèi)撒料區(qū)邊緣會(huì)不斷擴(kuò)大，這需要紅外照相系統(tǒng)要不斷擴(kuò)大拍攝范圍。先在當(dāng)前撒料區(qū)域范圍截取相關(guān)的圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。二值化處理是一種基于全局的二值化算法，主要是將圖片分為前景和背景。如果前景和背景出現(xiàn)較大的方差，則說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩個(gè)部分存在較大的差異。所以在具體的設(shè)計(jì)時(shí)需要將撒料區(qū)視為前景，而非撒料區(qū)看做背景。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)基于機(jī)器視覺上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)的工作性能，采取人工上甄補(bǔ)料和自動(dòng)上甄補(bǔ)料控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(實(shí)驗(yàn)所使用的材料、溫度等基本條件完全一致)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)得出以下結(jié)論。

3.1 算法效率的分析

當(dāng)撒料區(qū)域數(shù)量由少增多時(shí)，撒料區(qū)域面積也隨之增大，算法整體運(yùn)行所消耗時(shí)間，從預(yù)處理到得出可供裝甑撒料機(jī)構(gòu)執(zhí)行撒料操作的數(shù)據(jù)階段。

3.2 釀酒品質(zhì)的對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得出，采取機(jī)器視覺上甄補(bǔ)料自動(dòng)系統(tǒng)后酒質(zhì)較好的1段和2段產(chǎn)量有所增加，而3段的產(chǎn)量相對(duì)較低，酒質(zhì)得到有效改善，如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示可以清晰地看到，使用視覺機(jī)器人控制系統(tǒng)后，不僅上甄效率提升明顯，而且釀酒的品質(zhì)也有了很大的提升。例如，視覺機(jī)器人控制系統(tǒng)上甄后，自動(dòng)補(bǔ)料的1段酒達(dá)到66.31 kg，而人工補(bǔ)料的釀酒為62.21 kg，提高了將近8%。而且在2段方面也出現(xiàn)顯著的提升，此種提升是人工補(bǔ)料所無(wú)法達(dá)到的，這樣必然會(huì)大大提升釀酒企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 自動(dòng)補(bǔ)料釀酒與人工補(bǔ)料釀酒的比較

4 結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)建基于機(jī)器視覺的智能上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)對(duì)提升釀酒工作效率，提升釀酒品質(zhì)具有重要意義。因此，要發(fā)揮機(jī)器人及機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)對(duì)上甄操作的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，促進(jìn)釀造工藝高質(zhì)量發(fā)展。