基于機(jī)器視覺的方形電池缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境問(wèn)題，重視低碳能源的利用和發(fā)展。電能是較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔的能源并且其輸送和控制也較為便捷。目前電能的存儲(chǔ)是以電池作為介質(zhì)，但電池在生產(chǎn)過(guò)程中，其表面容易出現(xiàn)裂痕、斑點(diǎn)等缺陷，這將會(huì)影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。為彌補(bǔ)目前市面上人工檢測(cè)方法的不足，選用基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方形電池表面缺陷檢測(cè)，從而保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性和高效性，同時(shí)還能降低成本并且滿足生產(chǎn)要求。選用Qt+Halcon作為機(jī)器視覺開發(fā)軟件，識(shí)別方形電池表面缺陷；采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和管理；根據(jù)所采用的圖像處理算法，設(shè)計(jì)出方形電池表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器和客戶端。結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電池表面的缺陷，進(jìn)而提高電池生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；圖像處理；方形電池；表面缺陷；缺陷檢測(cè)；新能源

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-000-03

0 引 言

隨著人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，新能源行業(yè)得到了快速發(fā)展，電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電池等產(chǎn)品的需求也急劇增加。這一趨勢(shì)推動(dòng)了電池生產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展和擴(kuò)大。在當(dāng)前的電池生產(chǎn)[1]過(guò)程中，特別是在高端應(yīng)用領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車、航空航天、醫(yī)療器械等，電池的品質(zhì)和可靠性是至關(guān)重要的因素。電池表面的缺陷不僅會(huì)影響其外觀，還會(huì)對(duì)電池的使用性能和安全性產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)電池表面缺陷進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)顯得尤為重要。

開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)電池表面缺陷檢測(cè)[2]的系統(tǒng)不僅有助于提高電池生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，更能促進(jìn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。基于機(jī)器視覺的方形電池表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)是一種新型檢測(cè)系統(tǒng)，它可以利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)來(lái)檢測(cè)電池表面的缺陷。通過(guò)對(duì)電池表面圖像的處理和分析，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電池表面的缺陷，提高電池生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)可以助力電池生產(chǎn)商確保產(chǎn)品質(zhì)量，有效提升生產(chǎn)效率，同時(shí)符合環(huán)保法規(guī)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙重提升。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)方形電池表面缺陷的自動(dòng)化檢測(cè)。如圖1所示，系統(tǒng)核心為主服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收客戶端用戶數(shù)據(jù)以便后續(xù)統(tǒng)計(jì)。客戶端則負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證和圖像處理。在服務(wù)器和客戶端的通信中，本系統(tǒng)指定了一些功能的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)考慮到程序運(yùn)行的效率，本系統(tǒng)采用多線程技術(shù)控制TCP通信，增加了保活機(jī)制，以確保連接的穩(wěn)定。

1.1 服務(wù)器設(shè)計(jì)和程序

在設(shè)計(jì)服務(wù)器系統(tǒng)[3]時(shí)，服務(wù)器的硬件和軟件規(guī)格需要考慮到使用性能、可靠性、安全性、可維護(hù)性等因素。

Widget類[4]是本系統(tǒng)服務(wù)器的主界面類，主要是用來(lái)顯示數(shù)據(jù)和操作其他界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。所有的數(shù)據(jù)都通過(guò)Widget類進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

Widget的主要功能代碼包含：初始化Table表格、初始化數(shù)據(jù)庫(kù)、從數(shù)據(jù)集更新Table表格、用戶登錄檢測(cè)、用戶信息更改、TCP協(xié)議通信[5]。除了這些功能外，本系統(tǒng)還對(duì)服務(wù)器界面進(jìn)行了一定的美化，在Qt框架中開發(fā)了一個(gè)類似于前端CSS的功能，叫做QSS。

1.2 客戶端設(shè)計(jì)和程序

客戶端程序設(shè)計(jì)包括登錄界面、IP地址配置界面、主程序界面，其中主程序界面是處理圖像的界面。客戶端程序需要能夠?qū)崿F(xiàn)賬號(hào)登錄、數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置、圖像處理和結(jié)果展示等功能。主要功能代碼包含用戶登錄功能、選擇檢測(cè)圖片、啟動(dòng)相機(jī)捕捉功能、客戶端連接服務(wù)器TCP協(xié)議、電池表面檢測(cè)等程序的代碼。

1.2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

客戶端的用戶界面的設(shè)計(jì)要求是簡(jiǎn)潔易用、美觀大方。本系統(tǒng)使用先進(jìn)的圖形界面工具Qt進(jìn)行開發(fā)。主要界面包括登錄界面、數(shù)據(jù)輸入界面、參數(shù)設(shè)置界面和結(jié)果展示界面。

1.2.2 登錄和身份驗(yàn)證

客戶端需要提供一個(gè)登錄界面，用戶通過(guò)輸入賬號(hào)和密碼才能登錄系統(tǒng)。在登錄時(shí)，客戶端將這些信息發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行身份驗(yàn)證。如果身份驗(yàn)證失敗，客戶端提示用戶重新輸入。

1.2.3 數(shù)據(jù)輸入

客戶端需要提供數(shù)據(jù)輸入界面，用戶可以在界面上傳需要檢測(cè)的方形電池圖片或者獲取客戶端攝像機(jī)捕捉的畫面。在上傳時(shí)，需要確保上傳的圖片格式正確，并且上傳的圖片不超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的大小。

1.2.4 參數(shù)設(shè)置

客戶端需要提供參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以在這里設(shè)置檢測(cè)算法的參數(shù)，例如靈敏度、閾值等。客戶端需要提供合適的界面組件，以方便用戶進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)置時(shí)，需要提供適當(dāng)?shù)南拗茥l件，以保證設(shè)置的參數(shù)符合系統(tǒng)要求。

1.2.5 圖像處理

客戶端需要實(shí)現(xiàn)利用圖像處理算法對(duì)上傳的方形電池圖片或視頻進(jìn)行處理，進(jìn)而檢測(cè)出表面劃痕等缺陷。可以使用Halcon等機(jī)器視覺庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理功能[6-9]。最后將處理后的結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器端作進(jìn)一步處理。

1.2.6 結(jié)果展示

客戶端需要將處理結(jié)果展示給用戶，例如在界面上顯示缺陷的位置等信息。同時(shí)需要提供合適的界面組件，以方便用戶查看結(jié)果。

2 系統(tǒng)實(shí)際要求

在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，圖像質(zhì)量是影響后期圖像識(shí)別效果和精度的重要因素。因此，在進(jìn)行圖像分析之前，需要嚴(yán)格把控相機(jī)和鏡頭參數(shù)，確保成像清晰；同時(shí)進(jìn)行預(yù)處理以消除噪聲和無(wú)用信息，恢復(fù)真實(shí)有用的信息；增強(qiáng)關(guān)鍵信息的對(duì)比度，如輪廓和角點(diǎn)。這將為后續(xù)算法提供更加準(zhǔn)確、可靠的輸入數(shù)據(jù)，提高算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.1 相機(jī)參數(shù)

本次設(shè)計(jì)選擇的相機(jī)是MV-CE200-10GM，像元尺寸為2.4 μm × 2.4 μm；靶面尺寸為1英寸；分辨率為5 472×3 648；位深度支持Mono 8/10/10p/12/12p；接口類型為GigE Vision V2.0和GenICam。

2.2 圖像采集與ROI區(qū)域選擇

采集系統(tǒng)使用Halcon軟件獲取MV-CE200-10GM相機(jī)的畫面，如圖2所示。通過(guò)Halcon對(duì)相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和配置后得到畫面。考慮到圖像處理時(shí)存在的干擾因素，本系統(tǒng)采用全局閾值分割和仿射變換的方式選擇ROI區(qū)域[10]，如圖3所示。

2.3 圖像預(yù)處理

本文通過(guò)均值濾波、中值濾波、傅里葉變換的方法對(duì)電池的4種不同表面，即側(cè)金屬面、底部貼膜、塑料殼（兩側(cè)磨砂面）、塑料殼（中間反光面）進(jìn)行了預(yù)處理。其中側(cè)金屬面缺陷檢測(cè)中的圖像變量如圖4所示。

2.4 特征提取設(shè)計(jì)

Blob分析是一種基于圖像處理技術(shù)的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤方法，可以識(shí)別圖像中的物體、區(qū)域或者其他感興趣的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)使用了Blob方法中的形態(tài)學(xué)操作和特征提取。形態(tài)學(xué)操作分為膨脹、腐蝕、開運(yùn)算、閉運(yùn)算、頂帽和底帽運(yùn)算，本設(shè)計(jì)主要采用了膨脹和腐蝕操作，結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)是建設(shè)電力系統(tǒng)、推動(dòng)低碳生活的關(guān)鍵支持技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的方形電池缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，完成了方形電池缺陷的自動(dòng)化檢測(cè)。從行業(yè)中自動(dòng)化產(chǎn)線的實(shí)際需求出發(fā)，使電池生產(chǎn)線的效率得到飛速提升。

注：本文通訊作者為劉偉。

參考文獻(xiàn)

[1]賈治堂，呂霞.一塊鋰電池帶動(dòng)數(shù)百億級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈[N].甘肅經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2023-10-26（8）.

[2]谷峰，王正家，昝傲，等.軟包裝鋰離子電池表面劃痕的檢測(cè)方法[J].電池，2023，53（5）：514-518.

[3]易曉東，楊學(xué)軍.一個(gè)靈活的操作系統(tǒng)安全框架FMAC [J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（1）：153-157.

[4]武靜.移動(dòng)widget平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[5]劉超，張品，張仲博.“TCP通信過(guò)程”說(shuō)課設(shè)計(jì)[J].中國(guó)教育信息化，2013（22）：42-44.

[6]蔡植善，王朝陽(yáng)，阮秀滄，等.基于機(jī)器視覺的導(dǎo)流片圖像識(shí)別定位方法[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（16）：198-200.

[7]蔣延杰，謝蓉蓉，李云紅，等.基于圖像邊緣輪廓的角點(diǎn)檢測(cè)算法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（21）：185-188.

[8]王楊，王杰，劉劍歌，等.基于機(jī)器視覺的電樞缺陷檢測(cè)系統(tǒng)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2021（4）：116-120.

[9]劉瑞媛，王澤源，劉曉敏，等.基于機(jī)器視覺的汽車精密零件缺陷檢測(cè)[J].軟件，2020，41（3）：192-196.

[10]郭硯秋，苗長(zhǎng)云，劉意.基于熱紅外圖像的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)研究[J].工礦自動(dòng)化，2023，49（10）：52-60.

作者簡(jiǎn)介：韓繼玲（2002—），女，研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)。

劉 偉（1982—），男，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。

收稿日期：2023-11-05 修回日期：2023-12-08

基金項(xiàng)目：2023年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目：完美電池認(rèn)證官—圖像算法檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（11310112305，202311463046Y）