CN106732177A - 一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法，针对现有技术缺少对圆盘造球机内造球过程中出现球团尺寸超出规定范围情况的智能监控问题，采用高精度图像处理设备实现对造球过程的检测并通过机械装置取出不合格的超大球，提高了成球生产质量和产量，同时节约了劳动成本；监控设备还能够与圆盘造球机主体结构有机结合在一起，不妨碍圆盘造球机的正常运行。

Description

一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种监控技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法。

背景技术

造球是细磨物料的成球过程，也是球团生产中的重要工序之一。造球物料由给料机给入圆盘造球机，物料加入后，随着洒水管不断加水和圆盘使物料产生滚动，造球物料即逐步变成各种粒度的生球。由于粒级本身的差异，在旋转圆盘的作用下，它们将按不同的轨迹进行运动。大颗粒位于表面和圆盘的边缘。因此当总给料量大于圆盘的填充量时，符合尺寸的合格生球即由盘内排出。由于圆盘造球机具有自行分级的特点，所以它的产品粒度比较均匀，但有时大颗粒生球未被排出导致颗粒越来越大超出规定尺寸，降低了造球效率。现有的监控方法是采用人工的形式定期进行巡检，劳动强度高，同时这种方法点检监控周期长，影响成球生产质量和产量。

因此需要一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控方法来提高成球生产质量和产量并节约劳动成本。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题提出一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法，监测出圆盘造球机内的超出规定尺寸的大球并将其取出，从而提高成球生产质量和产量并节约劳动成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统，其特征在于：包括摄像设备、嵌入式图像处理器、球团抓取控制系统、球团抓取设备，所述的嵌入式图像处理器中包括灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元，所述的摄像设备与嵌入式图像处理器连接，嵌入式图像处理器与球团抓取控制系统连接，所述的球团抓取控制系统控制所述的球团抓取设备动作；

所述的摄像设备采集圆盘造球机内造球过程中的RGB图像，并将图像传递给所述的嵌入式图像处理器；

所述的嵌入式图像处理器将采集到的图像通过灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元来进行图像处理和图像检测，识别出造球过程中是否有超大球出现，当出现超大球时，识别出超大球的尺寸和位置，分析出超大球的运动轨迹并预测超大球落入所述的球团抓取设备抓取位的时间，等待该时间后向所述的球团抓取控制系统发送抓取信号；

所述的球团抓取设备包括支架，机械大臂、机械小臂和筛铲，所述的机械大臂与支架连接，机械大臂由电机驱动其在水平方向运动；机械大臂与机械小臂垂直连接，机械小臂由电机驱动其在垂直方向运动；机械小臂最下端设有筛铲，筛铲由电机驱动其收起与下放；当机械大臂运动到位后，机械小臂进行运动；在机械大臂和机械小臂上分别安置四个位置传感器：机械大臂设置左限位、右限位、抓取位A和卸料位A；机械小臂设置上限位、下限位、抓取位B和卸料位B；

所述的摄像设备设置在球团抓取设备的支架上；

所述的筛铲内部由多根铁条相间排列，是为了挖起超大球团时，将超大球团留在筛铲内，标准尺寸球团落回圆盘造球机而设计。一般标准球团尺寸范围为9～16mm，为减少筛铲的承载力，将各铁条间隔距离设为32mm或根据生产对超大球尺寸定义要求设计。

一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控方法，其特征在于包括如下步骤：

1)图像采集

通过摄像设备采集圆盘造球机内实时造球彩色图像，图像格式为RGB；

2)图像处理

将采集的RGB格式的图像传递给嵌入式图像处理器，通过其灰度处理单元将接收到的彩色图像进行灰度化处理变成灰度图像，像素的灰度值如式(1)所示：

Gray＝(R×299+G×587+B×114+500)/1000 (1)

其中R、G、B代表彩色图像的红、绿、蓝三个通道的颜色；将灰度图像传递给滤波单元，滤波单元将接收的灰度图像进行中值滤波去除噪声干扰，式(2)为中值滤波计算公式：

g(x,y)＝med{Gray(x-k,y-l),(k,l∈{-1,0,1})} (2)

其中Gray(x,y)为原始图像上(x,y)坐标点的灰度值，g(x,y)为处理后图像上(x,y)坐标点的灰度值，med是中值函数，该函数功能是将集合中的所有坐标点的灰度值按从大到小的顺序排列起来，形成一个数列，处于该数列中间位置的灰度值为函数返回值。

由于光源的变化会对阈值处理单元的处理效果产生影响，所以设备运行前根据专家经验建立光源参照值与二值化阈值对应的专家知识库，设备运行时选取监控画面中的光源参考区域:左上角坐标为a(x1,y1)，右下角坐标为b(x2,y2)的矩形区域，计算此区域像素的灰度均值，将此灰度均值设为当前光源参照值，根据专家知识库自动寻找最接近的光源参照值所对应的二值化阈值来进行灰度图像的二值化处理，确保得到最好的二值化处理效果。

3)生球检测

通过嵌入式图像处理器的圆检测单元将接收到的二值化图像进行所有圆形物体和似圆物体检测，当找到超出规定半径的超大球时系统产生抓取信号，圆检测单元的圆检测方法包括以下步骤：

3.1)在二值图像中，1代表目标点，0代表背景；这样一张M×N的图像可以表示为一个二维数组A[M][N]，满足式(3)的像素点定义为内部点：

A_i,j＝1且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (3)

定义S₁为内部点集合，如式(4)所示：

S₁＝{(x,y)|A_i,j＝1,且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (4)

满足式(5)的像素点定义为边界点：

A_i,j＝1且1<A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1<4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (5)

定义S₂为边界点集合，如式(6)所示：

S₂＝{(k,l)|A_i,j＝1,且1<A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1<4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (6)

定义数组D为内部点集S₁所有像素点相对边界点集S₂所有像素点的最短距离集合，如式(7)所示，其中S₁中任一像素点与S₂中任一像素点的欧式距离如式(8)所示；

D[x][y]＝min{disf[(x,y),(k,l)],(x,y)∈S1,(k,l)∈S2} (7)

3.2)定义D_row为行最大值数组，将数组D的每行最大值依次放入行最大值数组D_row，将行最大值数组转化为折线图，找出折线图中所有的波峰，则波峰值为圆的半径，该波峰值在D中对应的像素坐标为圆心坐标，其中圆心数量定义为n_row；定义D_col为列最大值数组，将数组D的每列最大值依次放入列最大值数组D_col，同理找出圆心和半径，圆心数量定义为n_col；通常情况求得的n_row＝n_col，当出现两球水平粘连和垂直粘连情况时所求得的n_row≠n_col，此时以圆心数量最多的一组为最终结果；

4)超尺寸大球取出

嵌入式图像处理器将抓取信号传递给球团抓取控制系统，球团抓取设备的筛铲运行至收起状态将超尺寸大球挖入筛铲中，带入的小球通过筛铲的缝隙落回圆盘造球机后，机械小臂从抓取位B运行至卸料位B，机械大臂从抓取位A运行至卸料位A，运行到位后筛铲运行至“下放状态”位，将超尺寸大球放入下道工序；机械大臂从卸料位A运行至抓取位A，机械小臂从卸料位B运行至抓取位B，其中卸料位A和卸料位B的位置根据下道工序的具体位置和机械尺寸设定。

采用本发明的基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统及方法，针对现有技术缺少对圆盘造球机内造球过程中出现球团尺寸超出规定范围情况的智能监控问题，采用高精度图像处理设备实现对造球过程的检测并通过机械装置取出不合格的超大球，提高了成球生产质量和产量，同时节约了劳动成本；监控设备还能够与圆盘造球机主体结构有机结合在一起，不妨碍圆盘造球机的正常运行。

附图说明

图1为基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统示意图；

图2为筛铲结构图；

图3为圆检测单元的圆检测示意图；

图4为两球水平粘连和垂直粘连情况下二值图像像素数组的示意图；

图5为基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控方法流程框图；

其中，1-摄像设备、2-嵌入式处理器、3-支架、4-机械大臂、5-机械小臂、6-筛铲。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细的说明。

如图1所示，一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统，包括：摄像设备1、嵌入式处理器2、球团抓取控制系统、球团抓取设备的支架3、机械大臂4、机械小臂5、筛铲6。

圆盘造球机结构，其结构组成为转动心轴结构，造球机圆盘支承在主轴承上，主轴靠前端两支点铰接于设备底座的支承轴上，主轴箱的末端通过倾角调整器于底座相连。

所述摄像设备1设置在平行于圆盘造球机主轴承方向且面向圆盘面的位置，用于采集圆盘造球机内实时造球图像，可以根据实际安装位置作适当调整。

所述的嵌入式处理器2中包括灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元，所述的摄像设备1与嵌入式处理器2连接，嵌入式处理器2与球团抓取控制系统连接，球团抓取控制系统控制球团抓取设备。

所述的嵌入式处理器为FPGA，可选用Xilinx FPGA XC7Z010芯片。

所述的球团抓取设备包括包括支架3、与支架3连接的机械大臂4、与机械大臂4垂直连接的机械小臂5、机械小臂5下端的筛铲6。机械大臂4由直流调速电机驱动，球团抓取控制系统通过调制脉冲宽度控制机械大臂4在水平方向上的运动速度和方向；机械大臂4与机械小臂5垂直连接，当机械大臂4运动到位后，机械小臂5进行运动。机械小臂5由直流调速电机驱动，球团抓取控制系统通过调制脉冲宽度控制机械小臂5在垂直方向上的运动速度和方向；机械小臂5最下端设有筛铲6，筛铲6由直流调速电机驱动，球团抓取控制系统通过调制脉冲宽度控制筛铲6的收起与下放；在机械大臂4和机械小臂5上分别安置四个红外位置传感器，在筛铲6上安置两个红外位置传感器：为防止机械大臂4超出位移范围损坏设备，设置左限位和右限位两个安全极限位置，抓取位A是球团抓取时机械大臂4水平方向的抓取位置，卸料位A是球团卸放时机械大臂4水平方向的卸料位置；上限位和下限位是机械小臂5上下移动的安全极限位置，抓取位B是球团抓取时机械小臂5垂直方向的抓取位置，卸料位B是球团卸放时机械小臂5垂直方向的卸料位置；抓取位C是筛铲6在抓取时由下放状态向上旋转至收取状态的最终位置，卸料位C是筛铲6在卸料时由收取状态向下旋转至下放状态的最终位置；

如图5所示的一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控方法，它包括如下步骤：

1)图像采集

通过所述的1-摄像设备采集圆盘造球机内实时造球RGB彩色图像；

2)图像处理

将采集的RGB格式的图像传递给所述的嵌入式图像处理器2，通过其灰度处理单元将接收到的彩色图像进行灰度化处理变成灰度图像；将灰度图像传递给滤波单元，滤波单元将接收的灰度图像进行中值滤波去除噪声干扰；由于光源的变化会对阈值处理单元的处理效果产生影响，所以设备运行前根据专家经验建立光源参照值与二值化阈值对应的专家知识库，设备运行时选取监控画面中的光源参考区域，计算此区域像素的灰度均值，将此灰度均值设为当前光源参照值，根据专家知识库自动寻找最接近的光源参照值所对应的二值化阈值来进行灰度图像的二值化处理，确保得到最好的二值化处理效果。

3)生球检测

所述的嵌入式处理器2中的圆检测单元接收到阈值处理单元的二值化图像，并检测出二值化图像中的所有单独存在或覆盖粘连的圆形物体和似圆物体，首先将二值图像的像素点分为内部点集和边界点集，通过欧氏距离变换计算出内部点集在边界点集中像素坐标的最短距离集合，将最短距离集合的每一行最大值放入行最大值数组，找出数组中的峰值和峰值所对应的像素坐标，此峰值即为圆的半径，对应的像素坐标为圆心坐标。同理，将最短距离集合的每一列最大值放入列最大值数组，分析得到圆心及半径，当行最大值数组和列最大值数组分析得到的圆的数量不一致时，取数量最多的一组为最终结果。

4)超尺寸大球取出

所述的嵌入式图像处理器2将抓取信号传递给所述的球团抓取控制系统，所述的球团抓取设备的筛铲运行至收起状态将超尺寸大球挖入筛铲中，带入的小球通过筛铲的缝隙落回圆盘造球机后，机械小臂从抓取位B运行至卸料位B，械大臂从抓取位A运行至卸料位A，运行到位后筛铲运行至“下放状态”位，将超尺寸大球放入下道工序。机械大臂从卸料位A运行至抓取位A，机械小臂从卸料位B运行至抓取位B，其中卸料位A和卸料位B的位置根据下道工序的具体位置和机械尺寸设定。

Claims (2)

1.一种基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统，其特征在于：包括摄像设备、嵌入式图像处理器、球团抓取控制系统、球团抓取设备，所述的嵌入式图像处理器中包括灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元，所述的摄像设备与嵌入式图像处理器连接，嵌入式图像处理器与球团抓取控制系统连接，所述的球团抓取控制系统控制所述的球团抓取设备动作；

所述的摄像设备采集圆盘造球机内造球过程中的RGB图像，并将图像传递给所述的嵌入式图像处理器；

所述的嵌入式图像处理器将采集到的图像通过灰度处理单元、滤波单元、阈值处理单元和圆检测单元来进行图像处理和图像检测，识别出造球过程中是否有超大球出现，当出现超大球时，向所述的球团抓取控制系统发送抓取信号；

所述的球团抓取设备包括支架，机械大臂、机械小臂和筛铲，所述的机械大臂与支架连接，机械大臂由电机驱动其在水平方向运动；机械大臂与机械小臂垂直连接，机械小臂由电机驱动其在垂直方向运动；机械小臂最下端设有筛铲，筛铲由电机驱动其收起与下放；当机械大臂运动到位后，机械小臂进行运动；在机械大臂和机械小臂上分别安置四个位置传感器：机械大臂设置左限位、右限位、抓取位A和卸料位A；机械小臂设置上限位、下限位、抓取位B和卸料位B；

所述的摄像设备设置在球团抓取设备的支架上；

所述的筛铲内部由多根铁条相间排列。

2.一种根据权利要求1所述的基于图像处理的圆盘造球机生球尺寸监控系统的监控方法，其特征在于包括如下步骤：

1)图像采集

通过摄像设备采集圆盘造球机内实时造球彩色图像，图像格式为RGB；

2)图像处理

将采集的RGB格式的图像传递给嵌入式图像处理器，通过其灰度处理单元将接收到的彩色图像进行灰度化处理变成灰度图像，像素的灰度值如式(1)所示：

Gray＝(R×299+G×587+B×114+500)/1000 (1)

其中R、G、B代表彩色图像的红、绿、蓝三个通道的颜色；将灰度图像传递给滤波单元，滤波单元将接收的灰度图像进行中值滤波去除噪声干扰，式(2)为中值滤波计算公式：

g(x,y)＝med{Gray(x-k,y-l),(k,l∈{-1,0,1})} (2)

其中Gray(x,y)为原始图像上(x,y)坐标点的灰度值，g(x,y)为处理后图像上(x,y)坐标点的灰度值，med是中值函数，该函数功能是将集合中的所有坐标点的灰度值按从大到小的顺序排列起来，形成一个数列，处于该数列中间位置的灰度值为函数返回值；

3)生球检测

通过嵌入式图像处理器的圆检测单元将接收到的二值化图像进行所有圆形物体和似圆物体检测，当找到超出规定半径的超大球时系统产生抓取信号，圆检测单元的圆检测方法包括以下步骤：

3.1)在二值图像中，1代表目标点，0代表背景；这样一张M×N的图像可以表示为一个二维数组A[M][N]，满足式(3)的像素点定义为内部点：

A_i,j＝1且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (3)

定义S₁为内部点集合，如式(4)所示：

S₁＝{(x,y)|A_i,j＝1,且A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1＝4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (4)

满足式(5)的像素点定义为边界点：

A_i,j＝1且1<A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1<4(i∈[1,M],j∈[1,N]) (5)

定义S₂为边界点集合，如式(6)所示：

S₂＝{(k,l)|A_i,j＝1,且1<A_i-1,j+A_i,j-1+A_i+1,j+A_i,j+1<4,(i∈[1,M],j∈[1,N])} (6)

定义数组D为内部点集S₁所有像素点相对边界点集S₂所有像素点的最短距离集合，如式(7)所示，其中S₁中任一像素点与S₂中任一像素点的欧式距离如式(8)所示；

D[x][y]＝min{disf[(x,y),(k,l)],(x,y)∈S1,(k,l)∈S2} (7)

$disf\&lsqb;(x,y),(k,l)\&rsqb;=\sqrt{{(x-k)}^2+{(y-l)}^2}---\left(8\right)$

3.2)定义D_row为行最大值数组，将数组D的每行最大值依次放入行最大值数组D_row，将行最大值数组转化为折线图，找出折线图中所有的波峰，则波峰值为圆的半径，该波峰值在D中对应的像素坐标为圆心坐标，其中圆心数量定义为n_row；定义D_col为列最大值数组，将数组D的每列最大值依次放入列最大值数组D_col，同理找出圆心和半径，圆心数量定义为n_col；通常情况求得的n_row＝n_col，当出现两球水平粘连和垂直粘连情况时所求得的n_row≠n_col，此时以圆心数量最多的一组为最终结果；

4)超尺寸大球取出

嵌入式图像处理器将抓取信号传递给球团抓取控制系统，球团抓取设备的筛铲运行至收起状态将超尺寸大球挖入筛铲中，带入的小球通过筛铲的缝隙落回圆盘造球机后，机械小臂从抓取位B运行至卸料位B，机械大臂从抓取位A运行至卸料位A，运行到位后筛铲运行至“下放状态”位，将超尺寸大球放入下道工序；机械大臂从卸料位A运行至抓取位A，机械小臂从卸料位B运行至抓取位B，其中卸料位A和卸料位B的位置根据下道工序的具体位置和机械尺寸设定。