基于CCD傳感器的香菇動態去根系統

高漢斌， 呂浩杰， 韓現偉， 張 鐳

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

0 引 言

當前，香菇去根設備大都采用固定剪切的方式去除菇柄，保留菇蓋，而處于菇柄下端的菇根，由于生長位置不同、長度各異，較難實現自動分離，造成資源浪費[1]。針對當前香菇剪腳機的局限性，本文設計了一種基于圖像處理和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC )控制的香菇自動去根系統。通過圖像處理技術檢測流水線上香菇的根部形態，由PLC控制步進電機驅動旋轉刀片到達準確位置，從移動的香菇上剪除菇根。

以數字圖像處理為核心的機器視覺檢測方法因其檢測效率高、精度高、信息豐富等優點已經在工農產品領域得到了廣泛應用[2～4]。本系統通過圖像識別方法提取香菇菇根輪廓特征，經計算獲得菇根剪切位置。

PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、維護方便、功能完善、適于惡劣環境等特點，在工農業生產控制領域應用十分廣泛[5～7]。本系統使用PLC作為下位機，實現對多臺步進電機的實時控制。

1 系統總體設計

香菇自動去根系統包括電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)傳感器和光電開關組成的檢測單元、工控機和PLC組成的控制單元、步進電機和去根旋轉刀片組成的執行單元。

1.1 系統硬件組成和設計

香菇自動去根系統組成，如圖1所示。由于自動化線后端設有自動去柄機構，因此，前端去根系統采用以工控機和PLC組成的控制單元為核心的開環控制，上位機為研華公司ACP—4000/IPC—610—H系列工控機，下位機為三菱FX2N—32MT系列PLC。該PLC擁有2個高速脈沖輸出端口，編程口可以直接用作通信口，傳輸協議為串口通信協議，傳輸速率為9 600 bit/s，采用偶校驗[8～12]。CCD傳感器選用深圳京航科技JHSM120bf—E系列攝像頭,總像素120萬，分辨率為1 280×960，最高幀率29.4 幀/s，最短曝光時間34 μs，由光電開關觸發攝像頭拍照。步進電機滑臺模組驅動裝有2個圓形旋轉剪切刀片的去根工作平臺上下移動。

圖1 系統結構

1.2 系統工作流程

系統開機，進行初始化，工作平臺回到預設原點位置。當有香菇經過光電開關時，PLC觸發CCD攝像頭拍照，實時將圖片信息送入工控機，經圖像處理和比較分析后，獲取菇根剪切位置信息，并轉換為步進電機行進方向和脈沖數，當第一個香菇觸發光電開關，上位機將步進電機行進方向和脈沖數直接經RS—232C端口送入PLC，PLC以此控制去根工作平臺提前到達剪切位置，當香菇經過工作平臺，自動去除菇根；之后的香菇觸發光電開關時，則計算與上次香菇觸發時間間隔，系統以此計算上位機向PLC發送數據的延時，以便自動化線上排列的香菇能夠順序剪切。一個工作流程完成后，系統等待下一個觸發信號，并重復以上過程直到系統關閉。具體工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2 圖像處理與數據計算

2.1 圖像處理

圖像處理采用邊緣檢測算法，經圖像處理后的香菇菇根如圖3(a)所示。使用OpenCV中的findContours(immorph,contours,CV_RETR_EXTERNAL,CV_CHAIN_APPROX_NONE)函數提取圖形輪廓，rectangle(dst,dstRect,CV_RGB(0,255,0),2)函數根據圖形輪廓畫出矩形框，line(dst,Point(0,ROIsy)，Point(dst.cols-1,ROIsy)和CV_RGB(255,0,0),2)函數獲取菇根剪切位置。圖像處理過程中，以圖片左上角為坐標原點(0,0)，得到2個數據：m-deltaH為菇根長度對應的像素值，CutPosY為菇根剪切位置在圖片中對應的像素值，如圖3(b)所示。

圖3 圖像處理

2.2 數據計算

圖像處理獲得香菇根部信息為像素值，下位機通過脈沖數控制步進電機轉動，因此，需要將像素值轉換為脈沖數。脈沖數與像素值之間轉換關系為

(1)

式中pusle_n為脈沖數；Distance為去根平臺位移，與菇根切除位置像素值有關，mm；n為步進電機驅動器細分數；θs為步進電機步距角，文中取1.8°；b為滑臺行程，mm/r；Y為圖像高度像素值，系統所用CCD傳感器像素值為960；c為圖像高度，mm。

由于自動化線上CCD傳感器與去根平臺相隔一段距離，因此，串口數據需要延時傳輸，延時時間可表示為

Time_Delay=(d-m_Distance)/Speed

(2)

式中d為CCD傳感器與切根平臺距離；Speed為自動化線線速度，由光電編碼器測得；m_Distance為兩相鄰香菇間距

m_Distance=(T[i]-T[i-1])×Speed×

1 000/m_nFre.QuadPart

(3)

式中T[i]和T[i-1]分別為當前和前一個香菇觸發光電開關時間，觸發時間由高精度時控函數QueryPerformanceCounter(&m_nBeginTime)獲得；m_nFreq.QuadPart為時鐘頻率，由函數QueryPerformanceCounter(&m_nFreq)獲得。

3 PLC程序設計

由于自動化線上兩相鄰間距較近，且菇根位置不同，因此，需要去根平臺的步進電機在不失步[13～17]的情況下以較快的速度啟動和停止。去根平臺電機為兩相步進電機，在保證電機不失步的情況下選用2種啟動方式：用于行程較短情況的不帶加速過程的低速運行模式；用于行程較長情況的帶加速過程的高速運行模式。步進電機PLC控制程序如圖4所示，當去根平臺移動所需脈沖數大于200時，繼電器M50閉合，執行PLSR指令，高速脈沖端口輸出最高頻率達3 300 Hz的脈沖信號，加速時間為50 ms；當所需脈沖數小于200時，繼電器M51閉合，執行PLSY指令，PLC高速脈沖端口輸出固定頻率為1 500 Hz的脈沖信號。實現去根平臺電機在不失步的前提下切刀快速上下移動。

圖4 步進電機的速度選擇

4 系統測試

為了全面檢驗系統的準確性與穩定性，隨機選取300個香菇進行測試，實驗選用香菇長度隨機分布在47.64～84.67 mm之間。實驗結果如圖5所示，其中橫坐標為切除菇根長度與實際菇根長度的差值，縱坐標為處于同一誤差范圍內的香菇數。

圖5 誤差分析

由圖5可以看出，菇根剪切誤差分布在-0.6～0.6 mm之間，其中，誤差值在-0.17 mm和-0.11 mm之間的香菇數為27個，達到最大，整體誤差分布曲線基本符合正態分布。由統計學知識計算可得，加工誤差期望為0.025，方差為0.079，加工過程中誤差主要集中在-0.3～0.25 mm之間，能夠滿足香菇加工要求。本系統誤差主要來自于2方面：脈沖數值UNIT1計算時由浮點型轉換為整型，誤差最大為0.06 mm；流水線運行震動引起的隨機誤差。

5 結束語

設計系統為基于圖像處理和PLC控制技術的香菇去根自動化線，能夠快速、準確完成自動化線上香菇根部的動態去除。實際應用中，由于脈沖計算誤差和設備震動沖擊影響，香菇根部理論去除長度和實際去除長度存在一定誤差，平均誤差為2.5 %，實際生產中，能夠完全去除菇根，不影響去除效果。基于圖像處理和PLC的香菇自動去根系統解決了菇根分離加工的實際難題，提高了香菇加工質量和加工精度，符合現代農副產品加工需求，具有廣闊的市場應用前景。