多通道次品蝦自動剔除系統構建及關鍵控制參數優(yōu)化

曾凌霄 劉子豪 嚴志鵬 趙 堃 劉 浩

(嘉興學院，浙江 嘉興 314000)

有著殼薄、肉厚、生長快等特點的南美白對蝦，既可以淡水養(yǎng)殖，也可以海水養(yǎng)殖，是世界上的三大養(yǎng)殖蝦類之一，有很高的營養(yǎng)及經濟價值[1]。

對蝦是一種季節(jié)性和區(qū)域性的水產品，而且在貯藏、運輸過程中極易受微生物和自身酶的作用而發(fā)生品質劣變，其使用價值和安全性下降。目前已有對蝦在線自動檢測系統的相關研究報道，羅艷[2]研發(fā)了一種基于機器視覺的生鮮蝦在線檢測樣機，該樣機在末端執(zhí)行機構方面設計了3個噴氣閥，依次負責剔除異色蝦、不完整蝦以及其他雜質；洪寒梅[3]研發(fā)了一種針對黑變熟蝦的在線剔除系統，采用單通道運送對蝦的方式，由下位機接收上位機發(fā)來的信號從而對不同品質的熟蝦進行分級剔除；劉子豪[4]在文獻[2-3]的基礎上對系統進一步完善，提出將不同對蝦外觀特征進行整合，實現兩個噴氣閥門的精確分級剔除；Zhang等[5]精確構造了對蝦外觀特征的提取方法，并且設計了用于識別畸變熟蝦的分類算法，通過將圖像處理結果發(fā)給下單片機，實現畸變熟蝦的單列化剔除，處理效率可以達到5只/s；Lee等[6]采用TADA(Turn Angle Distribution Analysis)算法提取蝦體的輪廓特征，通過計算蝦體的輪廓信息與樣本集中對應數據的相關程度判定：如果計算結果與正常蝦的相關度程度較高，輸出正；反之，則輸出負，該算法對正品蝦和次品蝦的檢測準確率分別為91.2%和90.6%?，F有研究在對蝦圖像處理方面提出了較為創(chuàng)新的特征提取算法和TADA算法，然而在末端執(zhí)行機構方面均采用了單列化運動方式，無法完成大批量對蝦的動態(tài)識別；而且，在時間與空間復雜度的制約下，設計復雜的圖像處理算法會影響在線檢測效率。

研究擬以南美白對蝦為試驗對象，針對傳統對蝦在線檢測剔除系統中存在的檢測效率低下的問題，綜合運用生物學、微機原理、統計學、模式識別、幾何代數學等學科手段對傳統對蝦檢測系統進行改進，構建一種多通道次品蝦自動剔除系統，并對其關鍵控制參數進行優(yōu)化，以期實現次品蝦快速、高效的自動剔除。

1 多通道次品蝦自動剔除系統構建

1.1 整機結構

1.1.1 系統整體流程 將對蝦置于水平輸送系統中，上位機接收相機拍攝對蝦的圖像信息，將圖像導入OpenCV視覺庫，提取對蝦的顏色、形狀、紋理等特征，然后判斷是否為正品蝦，再以十六位制代碼的電信號形式發(fā)送給下位機，下位機開啟與噴氣閥連接的電磁閥，由噴氣閥噴出氣體實現無損剔除次品蝦的目的。系統整體流程如圖1所示。

圖1 系統整體流程框圖Figure 1 Block diagram of the overall system flow

1.1.2 機械裝置改進 研究提出的多通道對蝦自動檢測系統是對傳統的單通道系統的改進。對原有的單列化系統進行改進，擴寬上料機器中的上料鏈板和物料水平運輸平面的傳送帶，擴寬長度由每次上料對蝦樣本的體量決定，在水平傳送帶擴增的寬度上與相機的視場相匹配，根據對蝦占據的視場與物距的關系計算得出相機的改進參數，確保相機在不發(fā)生畸變的情況下優(yōu)選出最佳的傳送帶擴寬距離。在視覺系統的搭建中，相機位于傳送帶的正上方，在架設相機的機構中設計為可調整的滑動軌道結構，通過試驗獲取相機最佳的位置坐標，使得當對蝦到達相機正下方時，判別目標物是否進入視場正中央，拍攝對蝦圖像。圖2展示了改進后對蝦多通道無損檢測系統圖。

1. 光照箱 2. 傳送帶 3. 末端執(zhí)行器 4. 硬管 5. 軟管 6. 單片機與電磁閥 7. 氣泵 8. 上位機 9. 電機 10. 次品蝦接收槽 11. 正品蝦接收槽

1.2 對蝦品質無損檢測系統

1.2.1 對蝦識別系統 由于在實際生產加工中，次品蝦中形態(tài)有缺損的占95%以上[7]，因此，主要依據形態(tài)學特征進行對蝦特征提取，依賴正常蝦與次品蝦在外觀呈現的形態(tài)特征進行分類識別。依據特征差異構建分類器，實現蝦的識別。研究基于MFC搭建對蝦識別系統的用戶終端界面，如圖3所示。該界面能夠實時呈現對蝦通過光照箱的動態(tài)圖像。

前期試驗發(fā)現不同蝦的圓度特征有較大差異，因此使用圓度形狀特征來判別對蝦是否為正品。圓度計算如式(1)所示。

(1)

式中：

e——圓度；

S——對蝦面積，mm2；

c——周長，mm。

若圓度計算數值在[0,0.5)范圍之內，說明對蝦完整，品質合格，屬于正品蝦；若圓度計算數值在[0.5,1]范圍之內，說明對蝦不完整，品質不合格，屬于次品蝦。

從左到右依次為二值圖像、左通道視頻中篩選的結果、右通道視頻中篩選的結果

1.2.2 通信模塊中信號最優(yōu)延遲時間優(yōu)化 上位機與下位機的通信模塊采用異步通信，通過有線串口來實現上位機和下位機的通信[8-9]。數據以字符為單位組成字符幀傳送，接收端檢測到上位機發(fā)送過來的低電平邏輯“0”(即字符幀起始位)時，確定發(fā)送端已開始發(fā)送數據，每當接收端收到字符幀中的停止位“1”時，一幀字符發(fā)送完畢。異步通信協議傳輸數據對收發(fā)雙方的時鐘同步要求不高，即使收、發(fā)雙方的時鐘頻率存在一定偏差，只要不使接收器在一個字符的起始位之后的采樣出現錯位現象，則數據傳輸仍可正常進行[10]。這大大增強了通訊信息的可靠性。運用異步通信可以設置每個電磁閥的延遲時間，使得整個剔除系統能夠更加靈活，在應對不同情況時，都能滿足剔除的最優(yōu)需求[11]。通過噴氣嘴到對蝦拍照的起始位置的距離和傳送帶的運輸速度，即可求出每個電磁閥最優(yōu)的延遲時間(二者比值)。

1.2.3 多通道剔除系統 在最初試驗中發(fā)現，由于原傳送帶的摩擦力較大，噴氣嘴的氣量只能將對蝦噴走很小一段距離。研究擬通過往傳送帶上灑水、貼PE材質的保鮮膜和貼食品級PP材質的膠帶3種方式來減小傳送帶上的摩擦力，經過反復試驗最終采用了摩擦力最小的方法——在傳送帶表面貼食品級PP材質的膠帶。南美白對蝦進入上料機器后隨運輸帶的傳送，進入多通道對蝦分選系統后隨水平輸送帶傳送，當對蝦被運送至裝配有光電傳感器和CCD相機的光照箱中時相機拍照后傳輸給上位機，圖像處理后將處理結果傳遞給下位機，控制電磁閥打開或關閉噴氣閥，完成對蝦分揀。

為了使噴氣嘴的氣量足夠，研究考察了噴氣嘴形狀(圓形大孔形、圓形小孔形和扁口形)及噴嘴數量對對蝦移動距離的影響。結果表明，采用一個圓形小孔形的噴氣嘴，保證出氣量是最足的，足以使對蝦噴到次品蝦通道。噴氣嘴的形狀如圖4所示。

圖4 噴氣嘴形狀Figure 4 Air nozzle shape

多通道剔除系統也可以稱之為末端執(zhí)行器，主要包含有傳送帶系統、噴氣系統、分選系統以及下料接收系統，不同系統在執(zhí)行次品蝦的末端剔除方面發(fā)揮一定作用。

(1) 傳送系統包括食品級傳送帶、步進電機、測速傳感器、調速器、不同型號鋁型材以及相關連接件，傳感器與步進電機組成的測速模塊可實時測量傳送帶速度，并將傳送帶運動速度數值傳送給下位機顯示；食品級傳送帶、步進電機以及機械架構組成的傳送模塊可實現傳送帶的正常運轉。為了防止傳送帶在運轉過程中不穩(wěn)定，在底部加入多根橫向連接以及縱向連接的多根不同型號的鋁型材。

(2) 噴氣系統包括氣泵、氣管、噴氣嘴、單片機、信號發(fā)送模塊、各種固定機構以及相關配件，氣泵、氣管以及噴氣嘴組成末端執(zhí)行模塊可使得空氣被壓縮到對應氣管中，隨時準備噴射；單片機和末端執(zhí)行模塊組成的剔除系統可迅速噴出氣體剔除次品蝦，并實現末端執(zhí)行器的精準控制。對蝦通過多通道并于光照箱中獲取圖像，當被運送至噴氣閥處時，單片機會根據圖像處理的結果控制氣閥開啟或關閉，如果是次品蝦，噴出氣體將次品蝦噴除至次品接收槽，反之，則系統不噴氣。連接氣閥和氣缸之間的氣管管徑過小會節(jié)流，會限制噴出氣體對蝦體的受力面積，使得剔除次品蝦不完全，造成滯留現象；而管徑過大會造成氣管內氣體滯流，會增加空氣消耗和填充時間。經過測試不同的直徑氣管之后，發(fā)現外徑為6 mm 和8 mm的氣管在連接氣缸與氣閥時可獲得最優(yōu)的噴除效果，考慮到氣閥噴射對次品蝦的最優(yōu)距離及成本，最終選擇管徑為6 mm的氣管。

(3) 分選系統具有兩個正品蝦通道(左、右兩側通道)和一個次品蝦通道。當檢測到次品蝦時，噴氣閥將其噴至中間的次品蝦通道，所有對蝦到末端都進行拋物線運動，中間為次品接收槽，兩側為正品接收槽。分選系統與噴氣系統有部分部件共享，包括噴氣嘴和各種末端固定機構。

1.3 對蝦最優(yōu)移動距離計算

為了防止次品蝦被二次損傷，噴氣嘴的噴氣量不宜過大。根據噴氣嘴與相機的水平距離，以及考慮傳送帶的速度，計算出次品蝦在被檢測到后運動到噴氣嘴的時間，然后根據單片機連接來精準噴射。為了實現噴氣嘴的精準噴除次品蝦，需要計算噴除氣體的最優(yōu)氣量，以及該氣量作用于次品蝦時，其移動的最優(yōu)距離。相關計算過程：

f=μm蝦g，

(2)

式中：

f——對蝦受到的摩擦力，N；

μ——對蝦與傳送帶的動摩擦因素；

m蝦——對蝦的質量，kg；

g——重量加速度，N/kg。

F3=m蝦a1，

(3)

式中：

F3——對蝦受到的噴氣力，N；

a1——對蝦在運動過程中的加速度，m/s2。

(4)

式中：

s——對蝦被噴射至次品蝦通道的距離，m；

t2——對蝦運動到次品蝦通道的時間，s。

綜合式(2)～式(4)，可得：

(5)

由于氣體前進時受到的空氣阻力很小，可以忽略不計，則：

F=p×π×r2，

(6)

式中：

F——氣體前進的動力，N；

r——氣管的截面半徑，m；

p——氣泵出氣時的壓強，Pa。

并假設噴出的氣體剛好能使對蝦位移s，則：

(7)

圖5展示了對蝦被執(zhí)行剔除指令的過程，主要涉及到兩個核心變量：對蝦被噴射至次品蝦通道的距離s以及對蝦運動到次品蝦通道的時間t2。

圖5 系統關鍵變量的標識Figure 5 Core variable denotes of system

2 對蝦剔除試驗參數優(yōu)化設計

2.1 試驗方法

為了驗證研究所建南美白對蝦無損檢測系統的可靠性，采用規(guī)格為10～15 cm、重量為20～40 g的對蝦60尾作為試驗樣本，分別在無損檢測系統中進行3組參數的試驗設計，對蝦被噴射至次品蝦通道的距離選取3個水平：5，10，15 cm，對蝦被噴射至次品蝦通道時間選取5個水平：0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 s，噴氣氣壓選取3個水平39.2，58.8，78.4 kPa，傳送帶速度選擇0.67 m/s，噴氣持續(xù)時間選擇1 s，氣管管徑選擇6 mm。試驗中，采用單因素試驗法進行試驗方案，固定其中兩個變量，調節(jié)第3個參數尋優(yōu)到最佳檢測狀態(tài)，試驗分別重復進行5次，依據無損檢測系統中的末端執(zhí)行器的執(zhí)行結果對試驗結果進行計算，將得到的識別率和識別時間取平均值。

2.2 試驗結果

2.2.1 傳送帶速度、信號延遲時間以及噴氣氣壓三因素試驗 當固定噴氣時間為1 s時，傳送帶速度、信號延遲時間以及噴氣氣壓之間的關系見表1。

表1 傳送帶速度、信號延遲時間以及噴氣氣壓之間關系

2.2.2 對蝦運動時間與噴氣氣壓兩因素試驗 為了研究對蝦被射后運動至次品蝦通道的距離、對蝦被射后運動至次品蝦通道的時間以及噴氣氣壓3個變量之間的關系，固定對蝦移動的最優(yōu)距離為5.2 cm時，對兩者之間的關系進行試驗，結果見表2。

表2 對蝦被射后運動至次品蝦通道的時間與噴氣氣壓之間的關系

通過表2的數據可知，對蝦運動時間與噴氣氣壓之間存在非線性關系，而且隨著噴氣氣壓的逐漸增加，對蝦運動時間不斷減小。

2.2.3 對蝦運動距離與時間兩因素試驗 表3展示了當被射對蝦噴氣氣壓固定為980 kPa時，對蝦被射后運動距離與時間之間的關系。

表3 對蝦被射后運動距離與時間之間的關系

從表3可以看出，移動距離與運動時間存在如式(7)呈現的非線性關系，說明對蝦在被氣閥噴離運動點之后，其做加速運動，隨著對蝦運動時間的增加，移動距離呈指數形式增加，表明要對目標的運動時間加以限制，否則后期無法控制其運動軌跡，導致撞擊運動系統中的其他機械結構，結構的反作用力會對蝦體造成二次損傷。

2.2.4 對蝦運動距離與氣壓兩因素試驗 結合表2和表3得到的結論，進一步探究了噴氣氣壓與對蝦被射距離之間的關系，是否還存在更優(yōu)的搭配。采用固定對蝦被射后運動至次品蝦通道的時間為1.0 s時發(fā)現，距離的變化敏感度相比0.3 s時較低，但由于數據較為集中，不利于通過氣壓的控制而穩(wěn)定實現噴射距離的最優(yōu)化。表4展示了當對蝦被射后運動至次品蝦通道的時間固定為1 s時，探究噴氣氣壓和對蝦移動距離二者之間的關系。

表4 氣壓與被射對蝦移動距離之間的關系

從表4可以看出，噴氣氣壓與移動距離存在線性關系，即噴氣氣壓無法改變對蝦的運動軌跡性質，對蝦的運動軌跡是線性的。

綜合對比表1～表4，發(fā)現對蝦運動時間、噴氣氣壓和對蝦運動距離3個變量之間存在正相關關系，即某一變量的數值越大，其對應另外變量的值也隨之增大。因此為了將對蝦被噴射后的運動時間限定在一定范圍內，進行了大量的對比試驗，當噴氣氣壓為980 kPa左右，此時對蝦移動時間和距離符合要求，所需氣量也較為適中，為最優(yōu)氣壓參數，不會影響到后續(xù)對蝦體的檢測和處理。當噴氣氣壓<980 kPa，噴射速度較慢，可能會出現被射對蝦移動距離較小，使得次品蝦流入正品接收槽中，對正品蝦造成侵染的情況，而且同一個噴氣嘴噴射多個蝦體，會造成傳送帶的擁堵，進而影響整體裝置的運行；如果噴氣氣壓>980 kPa，雖然可以滿足噴射的速率，但由于氣壓過大，不易控制蝦體的噴射距離，不僅會造成蝦體無法被噴射到指定距離，還會對被射蝦體造成二次損傷[10]。由于該系統末端噴氣嘴是將兩側通道的次品蝦噴射至傳送帶中部(如圖5所示)，其噴射距離為傳送帶寬度的1/2，為了將對蝦被射后的運動距離限定在一定范圍內開展了大量的對比試驗，當噴氣氣壓為980 kPa，噴射時間為0.3 s時，可以達到試驗最優(yōu)的噴射距離。

此外，試驗還測試了傳送帶不同速度參數(1檔～9檔)選擇下的最優(yōu)變量組合，隨著信號延遲時間的不同，出氣量參數也要隨之改變。通過試驗，確定了當傳送帶速度調整為7檔時，得到的各項數據都較為穩(wěn)定，結合試驗現象與裝置的特征，確定了最優(yōu)氣量與噴氣時間的選用。信號延遲時間的選用，則是為了確定蝦體從檢測裝置中的CCD相機拍照點開始，到末端執(zhí)行器所需要的時間。通過控制此信號延遲的時間，可以實現噴氣嘴對于蝦體固定部位的噴射，有利于蝦體更穩(wěn)定地被噴射至所需的距離。

由圖6可知，隨著試驗批次的迭代，系統整體的正確識別率也在不斷增加，當試驗批次進行到第4次時，系統整體的識別率可到95%以上，究其原因發(fā)現，隨著對蝦在線無損檢測系統上傳送帶輸入的樣本數量逐漸增加，正品蝦和次品蝦的圓度特征范圍會不斷縮小，使得兩者在分類器上的分界線越來越明顯，最終增加了正品蝦和次品蝦的識別正確率。

圖6 系統整體識別率與錯誤率Figure 6 System recognition rate and error rate

3 結論

研究構建了一種基于多通道的次品蝦自動剔除系統。針對無損檢測系統，對末端執(zhí)行參數方法進行了優(yōu)化，并設計了一種由側面向中間噴射的方式來控制末端執(zhí)行器，且上位機通過串口發(fā)送光電信號給下位機，并基于多通道結構搭建了末端執(zhí)行系統。試驗結果表明，當試驗批次進行到第4次時，系統整體的剔除率可到95%以上，具有較高的系統效率和廣闊的市場應用前景。

研究提出的采用圓度法提取次品蝦特征，在識別率方面能夠滿足需求，但識別時間方面還有待進一步改進或完善，后續(xù)研究聚焦于如何提升算法執(zhí)行效率，從如何減小算法復雜度層面入手研究，融合快速高效的圖像處理算法對研究所提的方法進行改進，以期取得更好的結果。