颗粒物包装袋智能识别与摆正方法研究.docx

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1、摘要：目前包装流水线无法识别颗粒物包装袋的位置，易导致包装袋出现折叠、破损及泄漏等问题。现采用图像传感器获取流水线上包装袋的图像，对其先进行灰图化、中值滤波、小波降噪处理，再进行图像二值化处理，用Sobel算子提取包装袋边缘信息，得到包装袋图像的四个顶点与中心点坐标，并计算出包装袋偏斜角度及偏移距离，由系统控制机械臂抓取包装袋进行平移、旋转操作，实现颗粒物包装袋的智能识别与摆正。最后，成功研制出实验样机，实验操作证明机器视觉技术可以解决包装袋的智能识别问题，为包装流水线的智能化系统设计奠定了基础。关键词：颗粒物包装袋；识别；摆正；Sobel算子；机械臂0引言机器视觉技术在现代工业自动化生产中被

2、广泛应用于各种事物的检查、测量和识别。比如，针对目前铝塑泡罩药品包装检测系统存在漏检、误检等问题，提出了利用机器视觉技术对铝塑泡罩药品包装是否达标进行检测；采用机器视觉技术代替人眼，对方便面包装内是否有调料进行检测；针对产品标签是否存在误贴、漏贴、贴歪等问题，研发了一款以机器视觉技术为基础的产品标签检测设备；在药品装盒或者装罐生产中，由于药片尺寸较小，严重影响人员的计数准确性，为此，利用图像处理技术来解决药片计数难的问题；研发了一套基于机器视觉技术的瓦楞纸板自动计数设备，从而解决了瓦楞纸板数量难以统计的问题；利用智能相机及配套的视频软件Tn-Sight4.1.0,解决了在线生产的食盐包装袋容易

3、折叠的问题。颗粒物包装袋在流水线生产中，容易出现折叠、歪斜等问题，严重影响包装袋的计数以及包装袋的后续装箱。然而，目前相关研究大多侧重于盒装、灌装等包装的识别与装箱。因此，本文在上述研究背景下，针对颗粒物包装袋的识别与摆正问题，将机器视觉技术与机械臂运动原理相结合，先智能识别包装袋的位姿信息，再利用机械臂进行摆正操作，最后对实验样机进行研制，对颗粒物包装袋进行摆正实验。1 颗粒物包装袋的识别与摆正系统颗粒物包装袋的识别与摆正系统由电源模块、光电检测模块、传送带装置、上位机识别模块、下位机控制器、机械臂摆正模块等组成。其中，电源模块由电源器（24V、5A）、降压模块、稳压模块组成，为系统各个模块

4、提供合适、稳定的电源。模拟的包装袋流水线传送带装置由皮带、轴承、轴、滚筒、电机、电机驱动器等构成。上位机识别模块由CCD图像传感器和上位机组成，而机械臂摆正模块主要由电机、真空管、驱动器、机械臂机械结构等组成。其系统框图如图1所示。图1系统框图该系统通过光电检测模块检测包装袋到达的指定位置信息，并利用该信息来控制上位机识别模块对包装袋图像进行识别，而上位机将识别的结果经串口传送给下位机控制系统。下位机读取识别结果，并将其转换为机械臂、传送带控制指令，以此实现颗粒物包装袋的摆正操作。2 包装袋空间位置变换颗粒物包装袋经过两个光电传感器下方时，下位机将控制机械臂抓取颗粒物包装袋。机械臂对包装袋进行

5、摆正的过程中，由于传送带仍以原定速度进行传输操作，则机械臂通过旋转操作将颗粒物包装袋放至传送带原位置处。由于颗粒物包装袋以任意位置进入到传送带，因此需对包装袋空间位置进行变换。该系统将其空间位置转换为坐标系空间，其处理思路为将原坐标系平移至包装袋所处位置，包装袋在平移后的坐标系下进行旋转，再将坐标系平移回原始坐标系，即将颗粒物包装袋从标准位置变换到初始位置，再变换到标准位置。包装袋平移、旋转如图2所示。图2包装袋平移、旋转该系统当颗粒物包装袋处于摄像头正下方且无偏斜角度时建立坐标系及。匕，当颗粒物包装袋偏移，以任意位置进入摄像头正下方时，以该包装袋的中心建立坐标用。,K1O为了表示颗粒物包装袋

6、空间位置的变换关系，该系统取颗粒物包装袋2点进行表示。设P点在原坐标（及0匕）中的坐标为（,y）,而颗粒物包装袋处于任意位置时，则原2点平移至Pf,则Pf在坐标系XO匕中的坐标为（x,y1）o设P平移至Pf点的距离可用两坐标系原点平移进行表示，则。/相对。点的X轴偏移量为a,Y轴的偏移量为6,则：以矩阵的形式表示:100力11=卜101。ab1因此，空间夕点旋转到夕，可以将其分成3个步骤来完成：（1）将坐标系%。匕变成用。,匕；（2）将点夕顺时针旋转。角（类似于颗粒物包装袋旋转）；（3）将坐标系MO,匕平移回原坐标系x。匕，该变换过程用如下变换矩阵表示。100y1=屋yli0io-a-b1co

7、ssin0-sincos0oooOOlOIJah1(3)式（3）变换后的结果为:yU=k%(4)2CoSeSine0SineCoSe0-acos-bsin-aasin8-bcos6+方13 包装袋图像采集及算法处理3.1 包装袋图像采集常用的图像传感器有COMS摄像头和CCD摄像头。其中，COMS摄像头成像质量较差、分辨率低，易受外界环境干扰；而CCD摄像头能够保持信号在传输过程中不失真，不容易出现坏点现象。因此，该系统选用CCD图像传感器。上位机发送指令，操作CCD图像传感器拍摄包装袋照片，再读取CCD图像传感器所拍摄的图片信息，之后保存颗粒物包装袋图片，最后发送关闭摄像头的指令。3.2 图

8、像处理与信息提取图像采集获得了颗粒物包装袋的全彩图片，将其转换为双精度图像，经过灰图化处理后，再采用小波除噪、中值滤波的方法提高图像质量，获得包装袋图像的数字矩阵表示形式，再进一步用双三次插值及Sobel算子方法对图像进行边缘提取，获取颗粒物包装袋的边缘信息，即图2所示、*、C、四个点的坐标。包装袋在传送带运输中的位置是随机放置的，因此必须获取包装袋偏斜角度及偏移距离。在获得包装袋边缘信息后，提取包装袋图像的四个顶点坐标，然后利用H与外、。与D,的坐标分别求出A,Bt与CDt两条直线的方程，而两条直线的交点为颗粒物包装袋的几何中心，再进一步计算包装袋偏斜角度及偏移距离，其具体算法思路如下:（I

9、）通过搜索找出二值图像BWl数组中值为1的元素，并分别生成元素行、列下的数组row、colo原设定的坐标系的原点坐标为（row2,col2）o（2）利用最大、最小函数，求出包装袋顶点坐标。其中，Xa=min(col),%c=max(col)，yd-min(row),yb=max(row)；利用所求的乂、Xc、jd%的值求/、/、在、Xd，可得,ya=max(find(BWl:,Xa)=1),yc=min(find(BWl(:,XC)=1),Xb=min(find(BW1(yb,:)=1),Xd=min(find(BW1(%,：)=1)O（3）利用包装袋四个顶点的坐标，求解包装袋的几何中心坐标。

10、直线力。的方程为:JfN(a4)，%一%直线他的方程为:y-yb、d一打Xd-Xb(Xf)包装袋几何中心为直线与劭的交点，因此，将两个直线方程联立求解可得包装袋的几何中心坐标，即（篇，）。（4）求颗粒物包装袋偏移的距离。设定原坐标系的原点坐标为（row2,col2）,而在（3）中求得的包装袋几何中心点的坐标为（,八）。因此，颗粒物包装袋偏移设定坐标系中心的距离为Il=-J（xo-rowiy,（yo-col/2）2,然后利用偏移距离对包装袋进行平移操作。（5）求颗粒物包装袋的偏斜角度，在（4）中已将包装袋平移至设定坐标系的原点处，可求出包装袋的偏斜角度.包装袋边AB与AD的长度分别为g=标由B语

11、，D2三当加值大于S）值时，包装袋偏斜角度是一姐与鹿绘回的夹角6arctan业二互，反之则为初与y簸回的夹角值蝮丽坦山xB-XAXD.xA（6）包装袋偏斜方向判断。获取包装袋偏斜角度之后，对二值化图像进行旋转处理，并按旋转处理后的结果重复上述操作进行验证，同时对包装袋的标识点进行提取及判断。4 样机研制与实验验证4.1 样机研制为了检验上述方法应用于颗粒物包装袋识别与摆正的可行性，我们研制了一套用于颗粒物包装袋流水生产线的模拟样机。样机主要由传送带装置、机械臂摆正模块、上位机识别模块、直流电机驱动器、光电检测模块等组成。光电检测模块检测包装袋到达指定位置的信息，控制传送带传输速度及摄像头工作的

12、开启，上位机读取图像传感器拍摄的照片，经过上位机识别处理，将包装袋位姿信息经串口发给下位机控制器，控制器控制机械臂摆正装置对颗粒物包装袋进行摆正操作。模拟样机如图3所示。图3模拟样机图4 .2实验验试验样机制作完成后，需对任意位置的颗粒物包装袋进行识别实验。将颗粒物包装袋放置在偏离设定坐标系原点的地方，开启系统电源，传送带将包装袋运输至光电传感器、图像传感器可检测的范围内。图像传感器将拍摄的包装袋图像传输给上位机，上位机识别的原图如图4（八）所示，原图经灰图化、滤波、边缘提取，得到包装袋的二值化图像。再利用矩阵变换及图像几何变换函数，对颗粒物包装袋图像进行旋转和平移操作，其处理结果如图4(c)和(d)所示。5 结语本文针对包装流水生产线中颗粒物包装袋存在的识别问题展开探讨,提出了利用机器视觉技术对颗粒物包装袋进行识别与摆正的设想。经过模拟样机的实验表明，机器视觉技术能实现对处于任意位置的包装袋进行识别与摆正的操作。本研究可以解决药品包装后续处理中需要包装袋处于一致方向的问题，为颗粒物包装袋类型的识别与摆正研究奠定了理论基础。