CN107167094A - 基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法 - Google Patents

基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法，采用FPGA的强大并行计算能力和COMS图像传感器快速采集图像的技术，结合分选机特点将喷嘴、主控板和一字线激光器以及工业相机放在同一结构内，皮带传送装置传送物料，位于工业相机的下方，当物料到达工业相机与一字线激光呈45°交汇的部分，由于一字线激光在物体上的扭曲可以快速计算出物料的三维尺寸，在皮带传送装置的出料端由喷嘴完成对物料的筛选。本发明解决了传统分选机无法根据物料三维尺寸进行分选的难题，同时采用高速工业相机和快速图像处理算法，达到了低成本高效率的快速测量物料的三维尺寸目的。

Description

基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法
技术领域
本发明涉及光电视觉分选技术领域，尤其涉及分选机中筛选物料过程中，对于物料三维尺寸测量技术领域，具体是一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法。
背景技术
随着技术进步和市场的拓展,分选机已经成为一项应用广泛的高科技产业，分选机根据筛选原理不同可以分为色选机和形选机：色选机是根据物料的色泽差异高效地选出合格品,目前已经广泛地应用到工农业生产中；在某些应用领域，形选机，可以通过物料外在三维尺寸进行分选，例如可以根据水果的大小和三维尺寸关系进行水果分级，也可以在某些对外在形状要求较高的行业中。
传统分选机在分选物料过程中，大多数只能根据物料的颜色区分，而不能根据物料的外在形状，也就是物料的三维尺寸，虽然有些形选机已经可以对物料二维尺寸进行处理，但这往往借助于昂贵的专业级别相机达到效果，即便如此，在处理如此多数据时候，在算法上也会过于缓慢，导致实际分选物料的效率不高。
传统分选机在在物料的三维尺寸中还没有更好的办法处理，一方面由于三维尺寸的快速测量本身就是个技术难题，另一方面传统色选机涉及的领域局限与农业生产，而在其他行业中应用较少。
发明内容
本发明的目的是为了弥补现有分选机技术的不足，提供一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法，来解决现有传统分选机无法对物料的三维尺寸快速测量的难题；相比于现有技术，可以测量物料二维尺寸的分选机增加物料高度信息，本发明使用低成本的自主开发结合FPGA高速算法和高灵敏度CMOS相机在实际应用中大大降低分选机设计成本，在筛分效率中也有着明显优势，解决了分选机器在处理物料尺寸高成本、低效率的难题。
本发明的技术方案如下：
一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，包括有运输装置、图像处理装置、激光发生装置、物料筛选装置和主控板，其特征在于：所述的运输装置为分选机上的皮带传送装置；所述的图像处理装置为由FPGA和COMS图像传感器组成的工业相机，所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的上方；所述的激光发生装置为一字线激光器，悬置于所述皮带传送装置出料端前侧的上方，投射一字线激光，照射在所述皮带传送装置出料端的表面，且与所述工业相机之间具有夹角；所述的物料筛选装置包括有喷嘴、气阀和气源；
所述的FPGA对所述COMS图像传感器进行驱动控制、进行图像处理和三维尺寸检测，并输出分选信号至所述主控板，所述的CMOS图像传感器对通过所述皮带传送装置出料端的物料进行高帧频的图像采集，并将采集的图像信息输出至所述FPGA；所述的主控板输出指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作。
一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)、对所述测量系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对所述测量系统的各个装置进行精准的安装，同时设置所述工业相机的工作参数；
(2)、当由所述皮带传送装置传送的物料刚接触所述一字线激光器所投射的一字线激光时，所述的工业相机记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号；
(3)、当所述皮带传送装置传送的物料经过所述一字线激光器所投射的一字线激光时，由所述皮带传送装置的运行速度、所述工业相机的帧频和像元尺寸的大小计算出物料的宽度，由物料的三维几何关系，计算出物料的高度；
(4)、由所述皮带传送装置传送的物料逐渐经过所述一字线激光器所投射的一字线激光，按照步骤(3)即可计算出物料的任意一点高度；
(5)、当由所述皮带传送装置传送的物料离开所述一字线激光器所投射的一字线激光时，所述的工业相机记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料离开一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号，结合步骤(2)中记录的物料刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号和像元尺寸的大小计算出物料的长度，从而得到物料的三维尺寸数据，根据物料的三维尺寸数据并通过处理得到要筛选物料的尺寸范围，即分选信号，输送至所述的主控板；
(6)、所述的主控板根据分选信号，输送指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作，在物料随所述皮带传送装置前进的下一步对物料进行分选。
所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的FPGA的型号为EP4CE55F23I7。
所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300。
所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的正上方，正对于一字线激光照射在所述皮带传送装置出料端的表面所在的区域，且与所述一字线激光器之间的夹角为45°。
所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述一字线激光器的型号为HSGD16-650ALX。
上述方案中，物料在所述的皮带传送装置上需要进行离散的非堆叠式排放，物料之间须有一定的间隔。
上述方案中，一字线激光器投射的激光尽量保持色度均匀。
本发明的工作原理和工作过程如下：
皮带传送装置传送物料以一定速度经过一字线激光，工业相机将采集到的数据经过FPGA算法计算出物料具体的三维尺寸数据，在皮带传送装置的出料端由喷嘴进行筛选。
由皮带传送装置的运行速度、工业相机的帧频、像元尺寸的大小计算出物料的宽度，由物料的三维几何关系，计算出物料的高度信息，当整个物料完全经过一字线激光时，记录下来起始和结束坐标之后就可以通过计算得到物料的长度。
本发明的有益效果：
1、本发明的工业相机采用高速相机，在相机视角范围内可以至少达到每秒1000帧的速度，假设皮带以1m/s速度经过相机时，相机对物料捕捉的精度可以达到毫米级，满足了大部分物料选择要求。
2、本发明采用激光单线结构增加选取物料的范围，能够解决需要对于多物料同时检测三维尺寸的问题。
3、本发明是针对传统分选机无法分选物料形状的背景下提出了一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统及方法，很大程度上解决了当前分选机不能计算物料三维难题，同时本发明本着低成本高效率的原则，使得分选机的在实际工程中大规模的运用成为可能。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明结构主视图。
图3为本发明结构俯视图。
图4为本发明测量原理物料三维尺寸示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，包括有运输装置、图像处理装置、激光发生装置、物料筛选装置和主控板6，运输装置为分选机上的皮带传送装置，包括有驱动轮1和传送带2；图像处理装置为由FPGA和COMS图像传感器组成的工业相机4，工业相机4悬置于皮带传送装置出料端的上方；激光发生装置为一字线激光器5，悬置于皮带传送装置出料端前侧的上方，投射一字线激光，照射在皮带传送装置出料端的表面，且与工业相机4之间具有夹角；物料筛选装置包括有喷嘴7、气阀和气源；
FPGA对COMS图像传感器进行驱动控制、进行图像处理和三维尺寸检测，并输出分选信号至主控板6，CMOS图像传感器对通过皮带传送装置出料端的物料进行高帧频的图像采集，并将采集的图像信息输出至FPGA；主控板6输出指令至气阀，控制喷嘴7动作。
一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量方法，具体包括以下步骤：
(1)、对测量系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对测量系统的各个装置进行精准的安装，如图1-3所示，同时设置工业相机4的工作参数；
(2)、当由皮带传送装置传送的物料3刚接触一字线激光器5所投射的一字线激光时，工业相机4记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料3刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号；
(3)、当皮带传送装置传送的物料3经过一字线激光器5所投射的一字线激光时，由皮带传送装置的运行速度、工业相机4的帧频和像元尺寸的大小计算出物料3的宽度(即同一行物料3与背景的两个分界点之间的像素个数与像元尺寸乘积的大小)，由物料3的三维几何关系，计算出物料3的高度，具体过程如下：
当物料3前进到一字线激光时，建立如图4所示的坐标系，其中X轴为物料的移动方向，Y轴为基准线所在位置，Z轴为平行于工业相机4的光轴，弧线BCD即为投射在物料3上产生畸变的激光，AB和DE为投射在传送带2上未发生畸变激光；
过弧线BCD的点C向平面XOY作垂线CH交于H点，则CH⊥HO，由空间几何知识可以证明角α即为一字线激光入射面与平面XOY的夹角，α＝45°，通过工业相机4采集图像，然后经过图像处理获得点H和点O所在像素点的行号，根据公式(1)，计算出坐标系下线段HO的实际长度：
|H O|＝|L0-Lε|×P×M (1)
其中，L0为基准线在图像中所在像素的行号，Lε为照射在物料3上的一字线激光在图像中所在像素的行号，P为像元尺寸的大小，M为镜头的光学放大倍率；
线段CH的长度即为物料3上点C的高度，根据公式(2)计算出，其中α＝45°：
(4)、由皮带传送装置传送的物料3逐渐经过一字线激光器5所投射的一字线激光，按照步骤(3)即可计算出物料3的任意一点高度；
(5)、当由皮带传送装置传送的物料3离开一字线激光器5所投射的一字线激光时，工业相机4记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料3离开一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号，结合步骤(2)中记录的物料3刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号和像元尺寸的大小计算出物料3的长度L，公式如下：
L＝(物料离开一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号–物料刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号)×P(3)
其中，P为像元尺寸的大小P；
根据上述步骤可以得到物料3的三维尺寸数据，根据物料3的三维尺寸数据并通过处理得到要筛选物料的尺寸范围，即分选信号，输送至主控板6；
由于上述步骤的实际处理计算过程中均是在工业相机4的FPGA中完成的，因此能够快速得到物料3的三维尺寸数据；
(6)、主控板6根据分选信号，输送指令至气阀，控制喷嘴7动作，在物料3随皮带传送装置前进的下一步对物料3进行分选。
本发明中，FPGA的型号为EP4CE55F23I7，具有高性能、低功耗的特点。
CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300，具有高敏感度、低功耗、高分辨率的特点。
工业相机4悬置于皮带传送装置出料端的正上方，正对于一字线激光照射在皮带传送装置出料端的表面所在的区域，且与一字线激光器5之间的夹角为45°。
一字线激光器5的型号为HSGD16-650ALX。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，包括有运输装置、图像处理装置、激光发生装置、物料筛选装置和主控板，其特征在于：所述的运输装置为分选机上的皮带传送装置；所述的图像处理装置为由FPGA和COMS图像传感器组成的工业相机，所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的上方；所述的激光发生装置为一字线激光器，悬置于所述皮带传送装置出料端前侧的上方，投射一字线激光，照射在所述皮带传送装置出料端的表面，且与所述工业相机之间具有夹角；所述的物料筛选装置包括有喷嘴、气阀和气源；
所述的FPGA对所述COMS图像传感器进行驱动控制、进行图像处理和三维尺寸检测，并输出分选信号至所述主控板，所述的CMOS图像传感器对通过所述皮带传送装置出料端的物料进行高帧频的图像采集，并将采集的图像信息输出至所述FPGA；所述的主控板输出指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作。
2.一种基于权利要求1所述测量系统的测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）、对所述测量系统进行标定，即依照测量所需的直角坐标系对所述测量系统的各个装置进行精准的安装，同时设置所述工业相机的工作参数；
（2）、当由所述皮带传送装置传送的物料刚接触所述一字线激光器所投射的一字线激光时，所述的工业相机记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号；
（3）、当所述皮带传送装置传送的物料经过所述一字线激光器所投射的一字线激光时，由所述皮带传送装置的运行速度、所述工业相机的帧频和像元尺寸的大小计算出物料的宽度，由物料的三维几何关系，计算出物料的高度；
（4）、由所述皮带传送装置传送的物料逐渐经过所述一字线激光器所投射的一字线激光，按照步骤（3）即可计算出物料的任意一点高度；
（5）、当由所述皮带传送装置传送的物料离开所述一字线激光器所投射的一字线激光时，所述的工业相机记录下当前所采集到的图像的像素点的位置，即为物料离开一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号，结合步骤（2）中记录的物料刚接触一字线激光时所采集图像中所在像素点的行号和像元尺寸的大小计算出物料的长度，从而得到物料的三维尺寸数据，根据物料的三维尺寸数据并通过处理得到要筛选物料的尺寸范围，即分选信号，输送至所述的主控板；
（6）、所述的主控板根据分选信号，输送指令至所述气阀，控制所述喷嘴动作，在物料随所述皮带传送装置前进的下一步对物料进行分选。
3.根据权利要求1所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的FPGA的型号为EP4CE55F23I7。
4.根据权利要求1所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的CMOS图像传感器的芯片的型号PYTHON300。
5.根据权利要求1所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述的工业相机悬置于所述皮带传送装置出料端的正上方，正对于一字线激光照射在所述皮带传送装置出料端的表面所在的区域，且与所述一字线激光器之间的夹角为45 °。
6.根据权利要求1所述的基于单相机的分选机物料三维尺寸快速测量系统，其特征在于：所述一字线激光器的型号为HSGD16-650ALX。
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