一種基於圖像分割的檳榔切割控制方法與流程
2023-04-27 01:35:46
本發明涉及圖像分割對檳榔加工控制技術領域，更具體地涉及一種基於圖像分割的檳榔切割控制方法。
背景技術：
隨著檳榔產業的迅猛發展，提高檳榔生產加工效率，降低檳榔生產加工的成本，實現檳榔的全自動智能化加工已成為檳榔生產行業的迫切需求。在檳榔的生產加工中，目前主要由手工完成，因此，對檳榔切割的控制主要採用粗略地手動調整。採用這種方法控制檳榔的切割，安全性不是很高，且也難以保證衛生條件，且工作效率也較低。為了提高工作效率以及保證在檳榔切割過程中的安全性和衛生條件，也可採用非智能化的控制方法來控制檳榔的切割：通過篩狀篩選工具將大小不一的檳榔篩選出來，讓其通過相應大小的垂直管道，當檳榔在垂直管道下落於所預定的模具中進行切割。但是採用非智能化控制的方法來控制檳榔的切割存在以下缺點：(1)檳榔是非規則目標，因此無法對檳榔的形狀進行判斷，使得對檳榔進行切割所選擇的切割面不一定是最佳切割面；(2)雖然檳榔的切割效率得到了極大的提高，但是切割的廢品率高，約為20％-30％；(3)切割完成後無法保證檳榔的規則擺放，不利於對檳榔進行下一步自動化加工。
為了解決上述問題，經過長期研究，研製了一種全自動智能化的檳榔加工製作設備，為此本發明公開了一種基於圖像分割的檳榔切割控制方法。
技術實現要素：
為解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種全自動檳榔加工設備及其加工方法，實現對檳榔的全自動智能化加工，操作簡單，且大大提高了工作的效率。
根據本申請的一個方面，提供一種全自動檳榔加工設備，該設備包括：
相連的第一機架和第二機架，第一機架上設有進料機構、取料機構、第一傳輸機構和第一夾取機構，其中取料機構與進料機構相連，第一傳輸機構位於取料機構的下遊位置，第一夾取機構設置在第一傳輸機構上，第二機架上設有第二傳輸機構、第二夾取機構、第三夾取機構、切割平臺、圖像採集機構和切割機構，其中第二夾取機構、第三夾取機構及切割平臺均設置在第二傳輸機構上，第二夾取機構設置在切割平臺的一側(例如左側)，第三夾取機構設置在切割平臺的另一側(例如右側)，圖像採集機構與切割機構分別設置在切割平臺的上方。
在本發明中，取料機構包括第一主動鏈輪、第一從動鏈輪及第一鏈條，第一傳輸機構包括第二主動鏈輪、第二從動鏈輪及第二鏈條，第二傳輸機構包括第三主動鏈輪、第三從動鏈輪及第三鏈條，所述各鏈條繞覆於主、從動鏈輪上，並通過機架上的齒輪與機架相連接。
優選的是，在第一鏈條、第二鏈條及第三鏈條上根據機架上齒輪的大小將鏈條用隔片分隔成若干部分。
作為優選，隔片的中間部分開有一個小口，利於夾取檳榔。
在本發明中，上述設備還包括：連接取料機構的第一鏈條與第一傳輸機構的第二鏈條的擋板。
在本發明中，上述設備還包括：設置在取料機構的第一鏈條上的第一檢測機構。
在本發明中，上述設備還包括：設置在第一傳輸機構的第二鏈條上的第二檢測機構。
優選的是，上述設備還包括：設置在第二機架上，位於切割機構下遊的去核機構。
作為優選，去核機構包括去核爪、控制去核爪升降的氣缸及控制去核爪抓取、釋放檳榔核的氣缸。
優選的是，上述設備還包括：設置在第二機架上，位於去核機構下遊的點料機構。
作為優選，點料機構包括點料器、控制擠壓料的氣缸及驅動點料機構升降的氣缸。
在本發明中，進料機構為鬥狀，在進料機構的底部開有一個與第一鏈條相近大小的口。
在本發明中，上述設備還包括：設置在第二機架上的第一步進電機，第一步進電機與第二夾取機構連接並控制第二夾取機構的旋轉。
在本發明中，上述設備還包括：設置在第二機架上的第二步進電機與第三步進電機，第二步進電機與第三步進電機均與切割平臺連接，第二步進電機調節切割平臺水平方向左右移動，第三步進電機調節切割平臺水平方向旋轉角度。
優選的是，第二步進電機通過滑臺與切割平臺連接，第三步進電機通過齒輪與切割平臺連接。
在本發明中，第一夾取機構、第二夾取機構及第三夾取機構均包括夾具和控制夾具進退、升降、夾放的氣缸。
在本發明中，切割機構包括刀片和控制刀片進行切割的氣缸。
在本發明中，在進料機構的底部開有一個與取料機構的鏈條相近大小的口，是為保證取料機構自由穿過的同時又可以避免檳榔掉出。
在本發明中，所述「在第一鏈條、第二鏈條及第三鏈條上方根據機架上齒輪的大小將鏈條用隔片分隔成若干部分」，是指在鏈條的上方根據齒輪大小將鏈條用隔片分隔成若干小格。通過電磁閥控制使氣缸運動來控制齒輪的運動，氣缸運動一次，齒輪轉動一格，相應鏈條運動一格，因此每夾取一個檳榔氣缸運動一次，鏈條前進一格。在鏈條的運動過程中，從進料機構中帶出的檳榔剛好位於兩隔片之間，並且隔片的中間部分開有一個小口有利於夾取檳榔。
根據本申請的另一個方面，提供了一種使用上述全自動檳榔加工設備的基於圖像分割的檳榔切割控制方法，包括以下步驟：
1)系統啟動初始化；
2)夾取檳榔：將檳榔夾起送至切割平臺上；
3)控制夾住檳榔的夾取機構旋轉，圖像採集機構分別獲取檳榔旋轉不同角度所拍攝的檳榔圖像；
4)對3)中採集到的圖像通過Ostu自動閾值法進行二值閾值化處理，得到前景和背景分別為黑色和白色像素的二值圖像，計算獲取每一角度的檳榔輪廓彎曲度，彎曲度大於閾值時，則將檳榔輪廓彎曲度最大的圖像所對應檳榔的凹面定為切割面；否則，計算檳榔輪廓內部的像素數量，以黑色像素數量最多的圖像即目標面積最大的檳榔圖像對應角度的檳榔面作為切割面；
5)再次對檳榔進行圖像採集；
6)對5)中採集到的檳榔圖像，應用GrabCut圖像分割算法進行分割，提取檳榔輪廓，計算所提取的檳榔輪廓需要旋轉的角度及偏移量；
7)根據6)中計算出的旋轉角度及偏移量，調整檳榔的水平位置偏移量，調整檳榔的角度偏移量；
8)當調整好檳榔的角度及位置後，切割機構對檳榔進行切割。
在本發明中，上述步驟3)所述的檳榔旋轉不同角度，其中旋轉角度任意(0°～360°之間，不包括0°與360°)，旋轉次數≥3次。
優選的是，旋轉3次，每次旋轉2π/3弧度，得到3個不同角度的檳榔圖像。
在本發明中，步驟4)中所述的Ostu自動閾值法為Ostu最大類間方差法。
在本發明中，步驟6)中所述的GrabCut圖像分割算法是一種能量最小化迭代優化算法，構建能量函數為：
E(α,k,θ,z)＝U(α,k,θ,z)+V(α,z)
α為不透明度，α∈[0,1]，0為背景，1為目標前景；k為向量k＝{k1,...,kn,...,kN}作為每個像素的獨立高斯模型參數，θ為圖像前景與背景的灰度直方函數，θ＝{h(z,α),a＝0,1}；Z為灰度值數組，z＝(z1,…,zn,…,zN)。
在本發明中，所述高斯概率密度模型為：
通過高斯概率密度模型得到該像素分別屬於目標和背景的概率，從而區分目標和背景。
在本發明中，步驟6)中計算檳榔的旋轉角度和偏移量的方法為：提取得到的檳榔輪廓圖像的R、G、B顏色分量值，利用如下公式計算灰度值gray,其中R、G、B分別為紅綠藍三基色分量值：
gray＝R*0.3+G*0.59+B*0.11
通過上面公式將彩色圖像變為灰度圖像，在該圖像中，前景為灰度圖像，背景為純黑色部分，通過對豎直y方向遍歷圖像像素點，即遇到像素點值不為0時，該像素點即為檳榔蒂的端點坐標，從而得出檳榔蒂的兩個端點坐標，計算檳榔的旋轉角度和偏移量。
在本發明中，檳榔旋轉角度的計算過程具體為：
①在灰度圖像上建立平面直角坐標系，原點為圖像的左上角O點，水平為X軸，豎直為Y軸；
②如果兩個端點分別坐標為(x1,y1)與(x2,y2)，則旋轉角度為θ＝arctan[(y1-y2)/(x1-x2)]，θ>0時逆時針旋轉，θ0時逆時針旋轉，θ0時逆時針旋轉，θ<0順時針旋轉。
如圖9，檳榔偏移量的計算過程具體為：
偏移量為l＝(yimg-ym)*k，其中yimg為圖像中點基線，ym為兩個檳榔蒂連線中點縱坐標，k為常量，其中k代表檳榔圖像中單位像素所代表實際物體中的長度，即：
7)根據6)中計算出的旋轉角度及偏移量，調整檳榔的水平位置偏移量，調整檳榔的角度偏移量；
8)當調整好檳榔的角度及位置後，切割機構10對檳榔進行切割。
實施例6
重複實施例5，只是如圖10和圖11，整個控制過程採用雙線程同步控制方法，實現並行控制，即在第一機架A1上檢測第一鏈條203與第二鏈條303的格子中有無檳榔採用線程a，針對第二機架A2上切割平臺8的操作採用線程b。線程a和線程b採用事件對象進行同步，具體為：
線程a中的事件對象設置為：當第一夾取機構4從第二鏈條303上夾取到檳榔時，將事件對象g_EventThreadOne設置為無信號狀態，事件對象g_EventThreadTwo設置為有信號狀態，同時等待事件對象g_EventThreadOne的請求；
線程b中的事件對象設置為：線程b的開始為等待事件對象g_EventThreadTwo的請求，當檳榔切割完成時，將事件對象g_EventThreadOne設置為有信號狀態，事件對象g_EventThreadTwo設置為無信號狀態。
實施例7
重複實施例5，只是閾值為0.7。