潘澤鍇， 朱雪花， 陳俞文

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南寧 530226)

在智能制造的背景下，工業(yè)流水線、快遞自動(dòng)化分揀個(gè)性化的要求越來(lái)越多，應(yīng)用場(chǎng)景不斷增多，需求人數(shù)和工作強(qiáng)度不停增大，在產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)改造的國(guó)家大環(huán)境中，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)需要減少用工需求，減輕一線工人勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，為物品分揀技術(shù)注入新的活力，利用人工智能思維改變依賴人力來(lái)完成貨物分揀過(guò)程是未來(lái)發(fā)展的重要方向，使得設(shè)計(jì)精確、高效、安全的流水線物品分揀系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行[1]。本文依賴互聯(lián)網(wǎng)思維，設(shè)計(jì)一個(gè)可以將色彩不同的物品進(jìn)行分類并且搬運(yùn)到指定位置的分揀，完成一種基于顏色識(shí)別的智能的流水線實(shí)現(xiàn)智能分揀的裝置。裝置針對(duì)流水線上的物品相對(duì)固定，同樣物品的色彩變化不大，而且流水速度可控，改進(jìn)傳統(tǒng)流水線分揀系統(tǒng)的用途和使用權(quán)限，利用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并完成智能自動(dòng)分揀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于顏色傳感器的流水線物品分揀系統(tǒng)，從而有效地節(jié)約資源和人力[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

一般在工業(yè)流水線上，生產(chǎn)的物品相對(duì)固定，品種相對(duì)有限，適合建立個(gè)性裝置統(tǒng)一物品色彩背景，而求流水線速度可控，可根據(jù)識(shí)別速度分別調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)采用相對(duì)簡(jiǎn)單可行的顏色傳感器進(jìn)行顏色識(shí)別，相對(duì)于攝像頭設(shè)備不論是硬件成本，還有軟件開(kāi)發(fā)難度方面考慮都具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下功能：①通過(guò)人工啟動(dòng)流水線開(kāi)關(guān)以及將物品放上流水線上后開(kāi)始工作，以流水線方式進(jìn)行物品分揀；②當(dāng)絲桿滑臺(tái)傳送物體傳送到顏色傳感器位置時(shí)，顏色傳感器識(shí)別是物品種類時(shí)，絲桿滑臺(tái)推動(dòng)把物體傳送至對(duì)應(yīng)分揀柜，通過(guò)繼電器控制門口打開(kāi)，使其物體掉落至對(duì)應(yīng)分揀柜；③設(shè)計(jì)物品顏色識(shí)別算法，使得物品分揀的準(zhǔn)確率在可以接受的范圍之內(nèi)；④完成物品分揀的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分級(jí)物品的統(tǒng)計(jì)和信息化管理。

1.2 顏色傳感器優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)顏色傳感器回傳數(shù)據(jù)只能獲取到物體的RGB值的變化情況，由此建立起來(lái)的RGB模型受環(huán)境影響較大，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果看來(lái)這樣的算法模型識(shí)別率較低、錯(cuò)誤率較高。為此，設(shè)計(jì)從獲取到的RGB值向描述顏色特性的色調(diào)、飽和度和亮度過(guò)渡，建立起與色調(diào)(H)、飽和度(S)、亮度(I)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，構(gòu)建HIS顏色模型，用H、I、S3個(gè)參數(shù)的值作為控制參數(shù)使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了流水線物品的識(shí)別效率，降低了識(shí)別的錯(cuò)誤率，使得模型收到環(huán)境干擾強(qiáng)度明顯減弱。

根據(jù)上述思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)RGB顏色模型到HIS模型的轉(zhuǎn)變，從HIS模型出發(fā)判斷出流水線物品所屬的顏色屬性區(qū)間。首先，對(duì)RGB的值做歸一化處理，從顏色傳感器獲取回來(lái)的RGB出發(fā)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出的歸一化r、g、b的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(1)

上述數(shù)學(xué)模型中，R、G、B的值歸一化處理后，和r、g、b的區(qū)間都是[0,1]，而且

r+g+b=1

(2)

在HIS平面三角形等式中，上式包含在其求解過(guò)程當(dāng)中。在HIS模型中要求對(duì)各個(gè)分量進(jìn)行求解，對(duì)于上述任意的R、G、B值都先進(jìn)行歸一化處理后，在HIS模型中，對(duì)亮度I定義為

(3)

上式得出一個(gè)I∈[0,1]范圍內(nèi)的值。然后求解色調(diào)H和飽和度S，即

(4)

(5)

在上述表達(dá)式中HIS的取值范圍都有限制，其中，H∈(0，180°)，I∈(0，255)，S∈(0，255)，根據(jù)上述計(jì)算得到的顏色的H、S、I的數(shù)值，將其與代表各種色系的H、S、I取值范圍進(jìn)行綜合比較，即可判定分揀物品所屬的顏色區(qū)間，H、S、I3者固定，分類查找對(duì)所屬物體進(jìn)行判定[4-5]。

根據(jù)H和S的特征值分布特點(diǎn)，按照各人分揀物品顏色區(qū)間分類可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體多種顏色樣本的圖像分類，具體取值范圍保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，由于H和S受光照強(qiáng)度的影響較小。因此，系統(tǒng)選用了基于HIS模型的物體顏色識(shí)別算法。

2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，使用各類型傳感器完成數(shù)據(jù)的參與控制工作，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖

1)顏色傳感器。顏色傳感器主要是現(xiàn)實(shí)對(duì)流水線的物品實(shí)現(xiàn)RGB數(shù)據(jù)的獲取，準(zhǔn)確地獲取顏色值，為后期的數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)支撐。

2)光敏傳感器。光敏模塊能夠通過(guò)無(wú)線通信和信息機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，信息能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境中光線變化，當(dāng)分揀物體經(jīng)過(guò)特定位置的時(shí)候判斷物體位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)操作。

3)繼電傳感器。無(wú)線繼電器模塊能夠通過(guò)無(wú)線通信和信息機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，信息機(jī)能夠?qū)崟r(shí)控制分揀門打開(kāi)與關(guān)閉。

4)絲桿滑臺(tái)。實(shí)現(xiàn)流水線物體的傳動(dòng)，編寫(xiě)特定的程序規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)軌跡。

5)信息機(jī)控制終端。帶嵌入式操作系統(tǒng)和各類型接口的可編程控制設(shè)備。

利用傳感器技術(shù)和移動(dòng)編程技術(shù)設(shè)計(jì)了自動(dòng)分揀系統(tǒng)。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，起到核心作用的是安裝嵌入式操作系統(tǒng)的信息機(jī)終端控制系統(tǒng)，各個(gè)執(zhí)行單元是帶電路驅(qū)動(dòng)裝置的終端設(shè)備，而各類型傳感器是控制命令傳輸?shù)妮d體，在設(shè)計(jì)中還要注意電氣傳動(dòng)裝置與信息機(jī)控制終端兩個(gè)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，在現(xiàn)實(shí)中易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也為軟件設(shè)計(jì)完成提供便利條件[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是自動(dòng)分揀系統(tǒng)的核心，硬件的驅(qū)動(dòng)思想最終還是由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。該自動(dòng)分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，該分揀系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)是基于硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)的，軟件的設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)。

圖2 物品分揀軟件設(shè)計(jì)流程

其中子程序設(shè)計(jì)包括了光敏識(shí)別單元、繼電器單元、顏色傳感器單元，并通過(guò)分布實(shí)現(xiàn)功能的方法來(lái)設(shè)計(jì)軟件。主程序的設(shè)計(jì)主要是對(duì)顏色傳感器獲取數(shù)據(jù)的處理，及其控制分揀命令發(fā)送，本軟件設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建，通過(guò)配置和調(diào)試來(lái)達(dá)到控制模塊目的，在電腦上編譯后安裝到開(kāi)發(fā)板中，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀過(guò)程；除此之外，軟件實(shí)現(xiàn)還包括分揀物品信息統(tǒng)計(jì)與管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)物品的信息化管理。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

自動(dòng)分揀裝置由識(shí)別機(jī)構(gòu)(圖3)、處理機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)3部分組成，識(shí)別機(jī)構(gòu)主要是檢測(cè)到的物體后，使傳送帶把物品推到指定位置和裝置的運(yùn)行指示，加入物體看顏色傳感器是否檢測(cè)到，檢測(cè)到后傳送帶能否把加入的物體推到指定工位，如不能，原因很可能是安裝位置不當(dāng)造成的。裝置中的門鎖的動(dòng)作速度都能通過(guò)調(diào)節(jié)。搬運(yùn)機(jī)構(gòu)主要是傳送帶組成。分揀機(jī)構(gòu)主要對(duì)物體進(jìn)行分揀，檢測(cè)到物體時(shí)，傳送帶能否快速準(zhǔn)確地將物料推入指定料槽。由于3個(gè)部分為一個(gè)整體，正確合理的安裝位置才能使得各機(jī)構(gòu)可靠運(yùn)行。

圖3 顏色識(shí)別裝置模塊

測(cè)試時(shí)，在通電狀態(tài)下的顏色傳感器檢測(cè)頭前方的傳送帶上放置物體，調(diào)整傳感器位置，恰好滿足傳感器能識(shí)別物品距離，該位置即為傳感器對(duì)物品的檢出點(diǎn)。當(dāng)顏色傳感器識(shí)別物品信號(hào)后，由傳送帶傳送到指定位置，繼電器傳感器控制開(kāi)關(guān)，該位置即為傳感器對(duì)物體的分揀點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中物品的傳送采用絲桿滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)，絲桿滑臺(tái)具有運(yùn)行穩(wěn)定，定時(shí)準(zhǔn)確，運(yùn)行位置精確的特點(diǎn)，很適合系統(tǒng)的精確定位和分揀，如圖4所示。

圖4 傳感器數(shù)據(jù)采集與終端控制設(shè)備聯(lián)動(dòng)

4.2 系統(tǒng)軟硬件結(jié)合測(cè)試

在系統(tǒng)軟件結(jié)合硬件測(cè)試的過(guò)程中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件初始化頁(yè)面如圖5所示。當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到物體時(shí)，傳送帶將物體傳送至其下的門鎖，繼電器傳感器將其門鎖解鎖，是物品脫離傳送帶，依次類推，將3種物體進(jìn)行分揀，當(dāng)物體分揀完成后，結(jié)束工作。

圖5 系統(tǒng)軟件初始化頁(yè)面

因?yàn)槲锲吩诓煌慕嵌群皖伾珔?shù)的范圍有所變化，通過(guò)顏色優(yōu)化算法之后，物品還需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練學(xué)習(xí)才能確定物品準(zhǔn)確的波動(dòng)范圍，在這個(gè)過(guò)程中要對(duì)物品的顏色波動(dòng)范圍進(jìn)行調(diào)整，具體頁(yè)面如圖6所示。經(jīng)過(guò)顏色參數(shù)波動(dòng)范圍調(diào)整，可以測(cè)試功能都處于正常狀態(tài)，包括傳感器的功能也處于正常狀態(tài)，未出現(xiàn)偏差，可以進(jìn)行流水線物體與參數(shù)的綁定。其中包括顏色傳感器檢測(cè)到物體后給出的信號(hào)正常、繼電器傳感器檢測(cè)到物體后給出信號(hào)正常，在系統(tǒng)的軟件和硬件都處于正常狀態(tài)，可以進(jìn)行其他功能的測(cè)試。

圖6 顏色識(shí)別波動(dòng)范圍調(diào)整頁(yè)面

要分揀的物品通過(guò)顏色識(shí)別傳感器和顏色識(shí)別優(yōu)化算法已經(jīng)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)物品再次進(jìn)入分揀系統(tǒng)的時(shí)候和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)在特定的范圍內(nèi)即可識(shí)別出是那個(gè)物品，識(shí)別成功如頁(yè)面圖7所示。

圖7 物品識(shí)別展示頁(yè)面

通過(guò)系統(tǒng)可是識(shí)別到物品信息后，可以對(duì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的物品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)工作，這么中可以方便管理這里知道物品數(shù)量情況，可以以圖表的方式輸出，為后期管理工作提供很大的便利，物品信息統(tǒng)計(jì)頁(yè)面如圖8所示。

圖8 識(shí)別物品信息化管理頁(yè)面

基于顏色傳感器的流水線物品分揀系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制，能連續(xù)、批量地分揀流水線貨物，分揀貨物的正確率有所提高。系統(tǒng)軟件很好的實(shí)現(xiàn)硬件功能，同時(shí)加入對(duì)分揀物品信息的統(tǒng)計(jì)，為分揀物品的信息化管理打下基礎(chǔ)。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行，受場(chǎng)地因素影響不大，利用向其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)流水線上的物品相對(duì)固定，同樣物品的色彩變化不大，而且流水速度可控，設(shè)計(jì)采用相對(duì)簡(jiǎn)單可行的顏色傳感器進(jìn)行顏色識(shí)別，相對(duì)于攝像頭設(shè)備不論是硬件成本，還有軟件開(kāi)發(fā)的方面考慮都具有明顯優(yōu)勢(shì)，加入顏色識(shí)別處理算法，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，對(duì)分揀物品進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)物品信息化管理，建立基于顏色傳感器的流水線物品分揀系統(tǒng)，可移植性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改造可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域。