多通道次品蝦自動剔除系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵控制參數(shù)優(yōu)化

曾凌霄 劉子豪 嚴(yán)志鵬 趙 堃 劉 浩

(嘉興學(xué)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(jīng)濟價值[1]。

對蝦是一種季節(jié)性和區(qū)域性的水產(chǎn)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(zhì)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(tǒng)的相關(guān)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(gòu)方面設(shè)計了3個噴氣閥，依次負(fù)責(zé)剔除異色蝦、不完整蝦以及其他雜質(zhì)；洪寒梅[3]研發(fā)了一種針對黑變熟蝦的在線剔除系統(tǒng)，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(zhì)的熟蝦進行分級剔除；劉子豪[4]在文獻[2-3]的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進一步完善，提出將不同對蝦外觀特征進行整合，實現(xiàn)兩個噴氣閥門的精確分級剔除；Zhang等[5]精確構(gòu)造了對蝦外觀特征的提取方法，并且設(shè)計了用于識別畸變熟蝦的分類算法，通過將圖像處理結(jié)果發(fā)給下單片機，實現(xiàn)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(yīng)數(shù)據(jù)的相關(guān)程度判定：如果計算結(jié)果與正常蝦的相關(guān)度程度較高，輸出正；反之，則輸出負(fù)，該算法對正品蝦和次品蝦的檢測準(zhǔn)確率分別為91.2%和90.6%。現(xiàn)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(gòu)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(fù)雜度的制約下，設(shè)計復(fù)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(tǒng)對蝦在線檢測剔除系統(tǒng)中存在的檢測效率低下的問題，綜合運用生物學(xué)、微機原理、統(tǒng)計學(xué)、模式識別、幾何代數(shù)學(xué)等學(xué)科手段對傳統(tǒng)對蝦檢測系統(tǒng)進行改進，構(gòu)建一種多通道次品蝦自動剔除系統(tǒng)，并對其關(guān)鍵控制參數(shù)進行優(yōu)化，以期實現(xiàn)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(tǒng)構(gòu)建

1.1 整機結(jié)構(gòu)

1.1.1 系統(tǒng)整體流程 將對蝦置于水平輸送系統(tǒng)中，上位機接收相機拍攝對蝦的圖像信息，將圖像導(dǎo)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(xiàn)無損剔除次品蝦的目的。系統(tǒng)整體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(tǒng)是對傳統(tǒng)的單通道系統(tǒng)的改進。對原有的單列化系統(tǒng)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(jù)對蝦占據(jù)的視場與物距的關(guān)系計算得出相機的改進參數(shù)，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(tǒng)的搭建中，相機位于傳送帶的正上方，在架設(shè)相機的機構(gòu)中設(shè)計為可調(diào)整的滑動軌道結(jié)構(gòu)，通過試驗獲取相機最佳的位置坐標(biāo)，使得當(dāng)對蝦到達相機正下方時，判別目標(biāo)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(tǒng)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(zhì)無損檢測系統(tǒng)

1.2.1 對蝦識別系統(tǒng) 由于在實際生產(chǎn)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(jù)形態(tài)學(xué)特征進行對蝦特征提取，依賴正常蝦與次品蝦在外觀呈現(xiàn)的形態(tài)特征進行分類識別。依據(jù)特征差異構(gòu)建分類器，實現(xiàn)蝦的識別。研究基于MFC搭建對蝦識別系統(tǒng)的用戶終端界面，如圖3所示。該界面能夠?qū)崟r呈現(xiàn)對蝦通過光照箱的動態(tài)圖像。

前期試驗發(fā)現(xiàn)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(shù)值在[0,0.5)范圍之內(nèi)，說明對蝦完整，品質(zhì)合格，屬于正品蝦；若圓度計算數(shù)值在[0.5,1]范圍之內(nèi)，說明對蝦不完整，品質(zhì)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(jié)果、右通道視頻中篩選的結(jié)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(xiàn)上位機和下位機的通信[8-9]。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，每當(dāng)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(xié)議傳輸數(shù)據(jù)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(xiàn)錯位現(xiàn)象，則數(shù)據(jù)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(shè)置每個電磁閥的延遲時間，使得整個剔除系統(tǒng)能夠更加靈活，在應(yīng)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(tǒng) 在最初試驗中發(fā)現(xiàn)，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(zhì)的保鮮膜和貼食品級PP材質(zhì)的膠帶3種方式來減小傳送帶上的摩擦力，經(jīng)過反復(fù)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(zhì)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(tǒng)后隨水平輸送帶傳送，當(dāng)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(jié)果傳遞給下位機，控制電磁閥打開或關(guān)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(shù)量對對蝦移動距離的影響。結(jié)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(tǒng)也可以稱之為末端執(zhí)行器，主要包含有傳送帶系統(tǒng)、噴氣系統(tǒng)、分選系統(tǒng)以及下料接收系統(tǒng)，不同系統(tǒng)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(tǒng)包括食品級傳送帶、步進電機、測速傳感器、調(diào)速器、不同型號鋁型材以及相關(guān)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(shù)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(gòu)組成的傳送模塊可實現(xiàn)傳送帶的正常運轉(zhuǎn)。為了防止傳送帶在運轉(zhuǎn)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(tǒng)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(gòu)以及相關(guān)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(yīng)氣管中，隨時準(zhǔn)備噴射；單片機和末端執(zhí)行模塊組成的剔除系統(tǒng)可迅速噴出氣體剔除次品蝦，并實現(xiàn)末端執(zhí)行器的精準(zhǔn)控制。對蝦通過多通道并于光照箱中獲取圖像，當(dāng)被運送至噴氣閥處時，單片機會根據(jù)圖像處理的結(jié)果控制氣閥開啟或關(guān)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(tǒng)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(xiàn)象；而管徑過大會造成氣管內(nèi)氣體滯流，會增加空氣消耗和填充時間。經(jīng)過測試不同的直徑氣管之后，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)具有兩個正品蝦通道(左、右兩側(cè)通道)和一個次品蝦通道。當(dāng)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(cè)為正品接收槽。分選系統(tǒng)與噴氣系統(tǒng)有部分部件共享，包括噴氣嘴和各種末端固定機構(gòu)。

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(jù)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(jù)單片機連接來精準(zhǔn)噴射。為了實現(xiàn)噴氣嘴的精準(zhǔn)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(guān)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(zhì)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(shè)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(tǒng)關(guān)鍵變量的標(biāo)識Figure 5 Core variable denotes of system

2 對蝦剔除試驗參數(shù)優(yōu)化設(shè)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(tǒng)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(tǒng)中進行3組參數(shù)的試驗設(shè)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(diào)節(jié)第3個參數(shù)尋優(yōu)到最佳檢測狀態(tài)，試驗分別重復(fù)進行5次，依據(jù)無損檢測系統(tǒng)中的末端執(zhí)行器的執(zhí)行結(jié)果對試驗結(jié)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(jié)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(dāng)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)系進行試驗，結(jié)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(guān)系

通過表2的數(shù)據(jù)可知，對蝦運動時間與噴氣氣壓之間存在非線性關(guān)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(dāng)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(guān)系。

表3 對蝦被射后運動距離與時間之間的關(guān)系

從表3可以看出，移動距離與運動時間存在如式(7)呈現(xiàn)的非線性關(guān)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(shù)形式增加，表明要對目標(biāo)的運動時間加以限制，否則后期無法控制其運動軌跡，導(dǎo)致撞擊運動系統(tǒng)中的其他機械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(jié)合表2和表3得到的結(jié)論，進一步探究了噴氣氣壓與對蝦被射距離之間的關(guān)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(xiàn)，距離的變化敏感度相比0.3 s時較低，但由于數(shù)據(jù)較為集中，不利于通過氣壓的控制而穩(wěn)定實現(xiàn)噴射距離的最優(yōu)化。表4展示了當(dāng)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(guān)系。

表4 氣壓與被射對蝦移動距離之間的關(guān)系

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

綜合對比表1～表4，發(fā)現(xiàn)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(guān)關(guān)系，即某一變量的數(shù)值越大，其對應(yīng)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(nèi)，進行了大量的對比試驗，當(dāng)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(shù)，不會影響到后續(xù)對蝦體的檢測和處理。當(dāng)噴氣氣壓<980 kPa，噴射速度較慢，可能會出現(xiàn)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(tǒng)末端噴氣嘴是將兩側(cè)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(nèi)開展了大量的對比試驗，當(dāng)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(shù)(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(shù)也要隨之改變。通過試驗，確定了當(dāng)傳送帶速度調(diào)整為7檔時，得到的各項數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定，結(jié)合試驗現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)整體的正確識別率也在不斷增加，當(dāng)試驗批次進行到第4次時，系統(tǒng)整體的識別率可到95%以上，究其原因發(fā)現(xiàn)，隨著對蝦在線無損檢測系統(tǒng)上傳送帶輸入的樣本數(shù)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(tǒng)整體識別率與錯誤率Figure 6 System recognition rate and error rate

3 結(jié)論

研究構(gòu)建了一種基于多通道的次品蝦自動剔除系統(tǒng)。針對無損檢測系統(tǒng)，對末端執(zhí)行參數(shù)方法進行了優(yōu)化，并設(shè)計了一種由側(cè)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(jié)構(gòu)搭建了末端執(zhí)行系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，當(dāng)試驗批次進行到第4次時，系統(tǒng)整體的剔除率可到95%以上，具有較高的系統(tǒng)效率和廣闊的市場應(yīng)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(fù)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(jié)果。