螺旋输送器是一种典型的连续输送机械, 广泛应用于冶金化工, 粮食及食品加工等行业颗粒物料的中、短途输送^[1]。目前对螺旋输送器输送物料的计量方法有3种:1)运用传统的螺旋输送器输送物料量计算公式计算^[2], 一般适用于筒形螺旋输送器; 2)根据进料口、出料口、螺距等已知参数, 在保证进料稳定的条件下, 通过试验确定时间与出料量的比例关系来计算物料流量^[3], 该方法在计量不同密度的物料时, 需要重新试验确定时间与出料量的比例关系; 3)将螺旋输送器的料槽改装为称重托盘, 对通过的物料进行实时称重^[4], 该方法对螺旋输送器改动较大, 影响称重的干扰因素较多, 需要实时寻找动态零点。

结构光三维视觉是近年来发展迅速的光学测量方法, 适合对不规则物体表面进行测量^[5]。本研究根据螺旋输送器物料体积测量的实时、连续、高精度等要求, 应用激光三角法, 在螺旋输送器上建立结构光三维视觉系统, 开发螺旋输送器谷粒流体积测量系统, 实现螺旋输送器谷粒体积流量的在线测量。

1 测量系统的结构及流程设计 1.1 结构设计

测量系统结构如图 1所示。系统选用规格为国标LS140螺旋输送器, 搅龙螺距140 mm, 外径140 mm, 内轴直径38 mm, 螺旋叶片厚3 mm。动力采用三相异步电机YS7144, 减速器传动比为1/20, 电机控制器选用SENLAN-BT40D, 搅龙转速0~70 r · min^-1可调。料仓与料槽连接尺寸150 mm×210 mm。被测对象稻谷品种为‘早籼307’。系统拍摄视场为150 mm×120 mm, 为保证测量系统的精度, 视场内对物体的分辨细节应小于0.5 mm, 相机帧率应大于100 fps。

根据螺旋输送器尺寸及实际安装需求, 选用一字线激光器, 型号为FU650AB100-GD16, 其激光波长为650 nm, 激光器安装于料槽正上方并垂直于搅龙内轴, 照射位置距料仓边缘200 mm处。工业相机物距大于284 mm, 选用大恒MER-131-210U3M黑白相机(分辨率为1 280×1 024, 帧率为210 fps, 图像格式为bmp), 相机与计算机通过USB 3.0接口连接。根据视场范围, 相机镜头选用M0814-MP2, 焦距为8 mm。出料口放置电子秤, 对系统测量结果进行验证。

1.2 流程设计

根据中华人民共和国机械行业标准(JB/T 7679—2008)^[6], 螺旋输送器输送稻谷等颗粒状物体时填充率应在45%以上。系统进行测量时, 电机控制器控制搅龙稳定运行, 转速由电机控制器输出。料仓开启阀门后稳定放料, 谷粒在搅龙的推动下通过线激光扫描区, 工业相机实时采集图像, 上传计算机进行处理, 工作流程如图 2所示。

2 螺旋输送器谷粒体积测量算法 2.1 系统参数标定

采用试验参数标定法, 对系统参数进行标定。标定光路图如图 3所示。

线激光照射在物体表面, 反射光线通过透镜中心O在成像平面上成像, B为成像物距, b为成像像距, θ为入射光线与最低点的反射光线夹角, α为最低点反射光线与成像平面夹角。当物长为h₁, 对应成像平面像素偏移值为d₁; 当物长为h₂, 对应成像平面像素偏移值为d₂, 因为相机安装于螺旋输送器固定位置, 即B、b、θ、α为固定值, 物长与像素偏移值具有一一对应的关系^[7]。为了得到物长与像素偏移值的关系, 在实验台上安装一部辅助激光发射器, 它与测量激光线形成十字激光, 同时在测量激光平面上安装激光测距仪, 如图 4所示。

在测量激光线安装架上选取4个辅助激光器安装位置, 每个安装位置向料槽填充谷粒20次, 如图 4-a所示, 每次填充谷粒后读取激光测距仪的数据及CCD相机拍摄的图像对应点的像素偏移值, 每一测点重复测量10次取均值。利用曲线拟合法对标定数据进行最小二乘法^[8]拟合, 得标定曲线, 如图 5所示。平均相对误差为0.93%。

2.2 结构光图像预处理

为了获取螺旋输送器料槽内谷粒流表面的线激光轮廓, 对相机视场感兴趣区域进行提取, 确定感兴趣区域为1 280×700。空载状态下激光照射位置料槽轮廓如图 6-a所示, 用极值法对图像轮廓坐标进行提取, 由于相机拍摄视场相对于料槽位置不变, 根据料槽结构光轮廓特点, 分3段进行最小二乘法曲线拟合^[9], 得到料槽轮廓的表达式(1), 料槽轮廓拟合曲线如图 6-b所示。

(1)

图像采集过程会受环境光干扰, 采用5×5模板的中值滤波算子进行滤波处理^[10]。对结构光图像采用极值法进行边界检测与提取^[11], 如图 7-a所示。通过阈值判定法提取谷粒结构光轮廓z_c, 将提取的结构光轮廓减空载时料槽的轮廓^[12], 得到判定值Δz, 如式(2)所示。

(2)

通过试验验证选取阈值T_c=5, 当Δz≥T_c时, 判定为谷粒流轮廓上的点; 当z_c < T_c时, 判定为料槽轮廓点, z_c置0处理。提取谷粒流轮廓, 结果如图 7-b所示。

2.3 螺旋叶片处理方法及对应方法中谷料流与料槽交点提取方法

螺旋输送器推送谷粒时, 采集的谷粒流结构光图像中, 叶片会出现2种情况:1)叶片在谷粒流内部, 如图 8-a所示; 2)叶片裸露, 如图 8-b所示。采用图像处理法与几何解析法对叶片情况进行判定, 并对叶片截面积进行处理, 对谷粒流与料槽交点进行提取(图 8)。

2.3.1 图像处理法

对图 8-a、8-b螺旋叶片2种情况分别进行膨胀^[13]处理, 结果如图 8-c、8-d所示。图 8-c中谷粒流轮廓形成1个连通域, 图 8-d中则形成多个连通域。对图像连通域个数进行统计, 若连通域个数为1, 则判定叶片未裸露; 若连通域个数大于1, 筛选像素小于T_c的连通区域(T_c=360由试验得出), 处理结果如图 8-e所示。由于叶片在结构光平面上出现区域固定, 计算符合筛选条件的连通域质心坐标, 如果有质心在叶片运动区域中, 判定叶片裸露, 且对应的连通域为叶片顶点轮廓, 设其质心坐标为(y₂, z₂); 若所有质心均未在运动区域内, 判定叶片未裸露。

搅龙在结构光平面上投影如图 8-g所示。叶片裸露时, 部分叶片会埋没于谷粒流内部, 谷粒流轮廓曲线与叶片截面投影如图 8-h所示。根据乌兰图雅^[14]的研究, 结构光平面上螺距为140 mm的螺旋叶片截面积为S_叶=S_叶1+S_叶2=235.57 mm²。当谷粒经叶片推动时, 叶片截面所在区域的叶片顶点轮廓、物料流与内轴近似为同心圆, 通过式(3)计算谷粒流内部叶片截面积S_叶2。

(3)

式中:r_轴为搅龙内轴半径; r为搅龙半径; θ为叶片截面扇形的圆心角; r₁为叶片顶点质心和轴心连线f₁(y)与谷粒流的交点(y₁, z₁)到搅龙轴心的距离。具体计算:1)由于叶片顶点质心(y₂, z₂)、轴心(y₀, z₀)已知, 可得通过两点的直线f₁(y); 2)对滤除叶片光斑的谷粒流轮廓进行三次方函数曲线拟合^[15], 设其为方程f₂(y); 3)通过式(4)对自变量y进行插值, 找出给定区间内所有满足式(3)的z值, 得交点坐标(y₁, z₁), 如图 8-h所示。

为计算谷粒流截面积, 需要对谷粒流与料槽轮廓的交点进行提取。通过拟合的谷粒流轮廓曲线f₂(y)和料槽轮廓f₃(y), 利用式(4)对自变量y进行插值, 计算得交点坐标如图 8-f所示。

(4)

2.3.2 几何解析法

将图 8-a、8-b 2种情况进行结构光预处理, 如图 9-a、9-b所示, 对提取的结构光轮廓分别按式(5)进行二次曲线拟合, 如图 9-c、9-d。由多次试验可知, 当拟合曲线方程系数a∈(0, -0.000 4)时叶片未裸露; 当a∈(-∞, -0.000 4]∪[0, +∞)时叶片裸露。

(5)

螺距为140 mm的螺旋叶片截面积(S_叶)为235.57 mm², 螺旋输送器搅龙投影面积为13 407.37 mm², 谷粒流内部叶片截面积(S_叶2)相对较小, 为快速测量, 几何解析法不对谷粒流内部叶片截面积进行计算。

几何解析法边界点提取:通过对谷粒流轮廓左右两侧首个非零点进行寻找, 确定边界点坐标, 如图 9-a、9-b所示。

2.4 谷粒流截面积计算

通过标定结果, 将谷粒流轮廓边界坐标转换为对应的谷粒流实际物理高度。设图像处理法与几何解析法提取的谷粒流左右边界点坐标为i_m(y_m, z_m)和i_n(y_n, z_n)。

2.4.1 叶片未裸露

图像处理法与几何解析法截面积模型相同, 如图 10-a所示, 设k为t时刻拍摄获取的谷粒流截面帧数, 因相机在谷粒流截面方向上分辨率大于1 000, 可将相邻两点间连线近似看作线性变化^[16], 第k帧时, 第i个梯形微元面积为:

(6)

式中:Δy为y方向像素格之间的距离。在t时刻谷粒流瞬时截面积为:

(7)

2.4.2 叶片裸露

设断裂的谷粒流轮廓曲线为f_k(y), 料槽轮廓曲线为f_l(y)。

图像处理法在t时刻第k帧, 谷粒流瞬时截面积为:

(8)

几何解析法在t时刻第k帧, 谷粒流瞬时截面积为:

(9)

2.5 谷粒流体积计算

设螺旋输送器以转速n(t)推运谷粒, 则谷粒轴向运动速度为v, 如图 10-b所示, S(1), S(2), …, S(n), 为第1, 2, …, n帧线激光谷粒流轮廓截面积。设t时刻, 谷粒流截面积为S(t), 则螺旋输送器瞬时体积V(t)为:

(10)

式中:f为相机帧率; v(t)为谷粒运动轴向速度, 由运动控制器求出, 其计算公式为:

(11)

式中:P为螺旋输送器螺距。则在t时间内, 谷粒物料体积为:

(12)

式中:m为单位时间内谷粒流截面数。

3 结果与分析

为了检验测量方法的准确性与有效性, 试验对3个不同体积11.6、17.4、23.2 L的谷料, 在6种转速13.2、19.7、26.3、32.8、39.4、46 r · min^-1条件下, 重复测量10次^[17]。结果如表 1所示:图像处理法最小误差为1.73%, 几何解析法最小误差为1.97%, 均出现在转速32.8 r · min^-1, 体积11.6 L; 图像处理法最大误差为5.20%, 几何解析法最大误差为5.90%, 均出现在转速13.2 r · min^-1, 体积23.2 L; 同一体积下, 测量误差随转速增加, 呈现由大到小再变大的趋势, 转速小于26.3 r · min^-1时, 转速越小误差越大, 转速大于32.8 r · min^-1时, 转速越大误差越大。对比2种处理方法, 相同条件下, 图像处理法误差更小。系统在转速为26.3~46.0 r · min^-1, 2种测试方法误差均小于5%, 重复变异系数均小于0.024, 均方根误差均小于0.969, 说明本系统测量精度较高且具有较强的可靠性。

根据分析, 测量结果误差主要来源于以下2个方面:

1) 拍摄误差:根据多次试验结果, 工业相机拍摄过程中会出现丢帧现象, 由此产生误差。

2) 模型误差:在测量体积相同条件下, 转速越大采集的谷粒流轮廓图像越少, 叶片裸露时曲线拟合次数越少。转速在13.2~26.3 r · min^-1时, 速度慢谷粒流轮廓拟合次数变多, 导致截面积计算产生误差累积; 转速在26.3~39.4 r · min^-1时, 系统测量稳定; 转速在39.4~46.0 r · min^-1时, 系统步长增大, 体积计算模型产生误差累积。

4 结论

1) 建立了一种基于结构光三维视觉的螺旋输送器谷粒体积测量系统。该系统采用黑白工业相机与波长为650 nm线激光发射器, 以帧率210 fps实时采集螺旋输送器推运谷粒结构光图像, 工业相机与上位机采用USB 3.0接口连接。

2) 基于激光三角法建立了应用于螺旋输送器的谷粒体积计算方法:在实现谷粒流结构光轮廓提取的基础上, 提出了图像处理法与几何解析法2种对搅龙叶片位置的判定方法, 采用曲线拟合法对断裂谷粒轮廓进行修补, 建立了谷粒流截面积计算模型与体积计算模型。

3) 试验结果表明:螺旋输送器填充率在45%以上, 转速在26.3~46 r · min^-1, 输送3种不同体积谷物时, 谷粒流体积测量平均误差小于5%, 重复变异系数小于0.024, 均方根误差小于0.969;图像处理法最小误差为1.73%, 几何解析法最小误差为1.97%, 均出现在测量体积11.6 L, 转速32.8 r · min^-1条件下。

4) 该测量方法成本低, 安装方便, 可应用于各种不同尺寸的U型螺旋输送器, 有助于实现谷物体积的在线测量, 增加丢帧检查功能, 可进一步减小该系统的测量误差。