楊泗蘋 湯曉華 李天驕 鄭龍安 安嘉強(qiáng)

(1. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048；2. 首都機(jī)場(chǎng)集團(tuán)公司北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)，北京 102604；3. 北京大豪科技股份有限公司，北京 100015；4. 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

稻米脫殼后獲得的糙米日益引起重視。建立精確的三維糙米數(shù)字化模型，可為分析糙米在碾白室內(nèi)加工過程動(dòng)態(tài)仿真提供建?；A(chǔ)。通過建立糙米模型和精米模型，可對(duì)胚芽米加工的最小加工量及出米率等參數(shù)進(jìn)行分析，從而為研究新型的胚芽米加工工藝奠定基礎(chǔ)[1]。同時(shí)也為留胚率分析提供依據(jù)。

關(guān)于留胚率研究，許俐等[2]運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)通過對(duì)大米輪廓曲線、面積等特征的差異分析實(shí)現(xiàn)了無留胚米判別。黃星奕等[3-4]通過彩色圖像、顏色特征分析，運(yùn)用飽和度作為判據(jù)實(shí)現(xiàn)了有無留胚判別。何超[5]提出了應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)留胚米進(jìn)行胚芽完整度在線檢測(cè)。Zareiforoush等[6]運(yùn)用模糊控制理論開發(fā)了基于圖像識(shí)別技術(shù)的大米加工等級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)。Perez等[7-8]運(yùn)用3D網(wǎng)格劃分技術(shù)仿真大米幾何形狀建模分析了大米在不同溫度下等溫浸泡吸水膨脹對(duì)破碎的影響。Fant等[9]提出了運(yùn)用大米圖像灰度等級(jí)判斷大米加工等級(jí)。基于機(jī)器視覺進(jìn)行糙米輪廓檢測(cè)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但存在獲取的是二維平面輪廓信息，全面描述糙米三維數(shù)據(jù)受到制約。

激光非接觸檢測(cè)具有較多優(yōu)點(diǎn)，劉彩玲等[10-11]提出了非規(guī)則顆粒材料的三維離散元建模方法實(shí)現(xiàn)了種子三維建模。即用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云，利用自動(dòng)化逆向工程軟件完成逆向建模，并基于顆粒聚合體理論建立水稻種子的三維離散元模型。曹鵬等[12]以激光檢測(cè)點(diǎn)云為基礎(chǔ)，利用主平面投影法獲取稻種的六視圖投影模型，并應(yīng)用Alpha Shape算法提取投影點(diǎn)云的邊緣輪廓。孔祥亮等[13]采用激光位移傳感器沿糙米橢球長(zhǎng)軸垂直截面方向進(jìn)行離散斷層環(huán)形掃描，獲得點(diǎn)云組合描述糙米表面。但是糙米胚芽部分凸凹陷處因曲率變化較大，掃描軌跡有待進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)采集效率和后處理也有待提高。郝方濤等[14]提出了依據(jù)胚芽與非胚芽部位幾何特征采用不同掃描方式以便進(jìn)一步提高檢測(cè)效果。吳婧等[15]基于激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用泊松重建算法原理對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理并重建糙米模型。

在分析糙米幾何特征基礎(chǔ)上，文章擬研究高效獲取胚芽、非胚芽部分非接觸檢測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成、機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和標(biāo)定驗(yàn)證，探索針對(duì)糙米輪廓特征激光連續(xù)非接觸掃描獲取更有效的糙米表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)方法，并運(yùn)用相關(guān)性及誤差原理分析驗(yàn)證糙米橢球典型截面連續(xù)掃描與離散掃描數(shù)據(jù)的一致性，旨在為提高糙米輪廓激光掃描效率前提下所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度滿足要求。

1 檢測(cè)要求及需求分析

1.1 幾何特征分析及坐標(biāo)系

糙米輪廓檢測(cè)系統(tǒng)要求能夠針對(duì)糙米幾何特征完成高效、準(zhǔn)確采樣功能[14,16]。糙米粒幾何形狀大體呈橢球體[13]，如圖1所示假定重心G與糙米橢球坐標(biāo)重心OG重合，形成OGXGYGZG直角坐標(biāo)系，a、b、c為橢球半軸，且a>b>c，其中b與OGXG軸重合，a與OGYG軸重合，c與OGZG軸重合。糙米胚芽部位于橢球一端，假定稱胚芽部與ab半軸橢圓平面相交弧線“JX”為胚芽脊線，θ為胚芽脊線擬合直線與YG軸夾角，則胚芽主平面H與ab半軸橢圓平面垂直，且與胚芽脊線“JX”相切于Ji點(diǎn)、并與ac半軸橢圓平面夾角θ。胚芽主截面為過胚芽脊線點(diǎn)Ji與主平面垂直的平面，該平面描述胚芽截面特征。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示糙米胚芽主截面呈“山”字形[13]。

1.2 需求分析

完成糙米環(huán)形激光斷層掃描需要三軸位移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光光束與糙米空間位置調(diào)整，還需要提供糙米自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成環(huán)形掃描。其運(yùn)動(dòng)可以通過糙米橢球體繞a半軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。胚芽部分掃描為了提高激光傳感器檢測(cè)效果，需繞OGZG軸偏轉(zhuǎn)θ角后實(shí)現(xiàn)垂直胚芽主平面完成主截面沿平行于OGZG軸直線掃描，因此需要一個(gè)繞OGZG軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 測(cè)量機(jī)電系統(tǒng)工作原理及分析

2.1 工作流程

圖2為糙米輪廓掃描流程。其前半段為糙米橢球環(huán)形掃描檢測(cè)流程，后半段為胚芽掃描流程。完成前半段掃描后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并求出θ角，隨后繼續(xù)完成后半段檢測(cè)。

圖1 橢球狀糙米

2.2 測(cè)控裝置構(gòu)成

糙米測(cè)量裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)兩部分構(gòu)成(圖3)。機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)糙米測(cè)量所需運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)控系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)電控制系統(tǒng)構(gòu)成。測(cè)量完成糙米輪廓數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)功能，由激光位移傳感器、配套控制器和PC構(gòu)成，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，控制部分包括控制器、數(shù)據(jù)交互人機(jī)界面兩部分，通訊IO接口部分和反饋部分，驅(qū)動(dòng)和電機(jī)構(gòu)成執(zhí)行部分。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理。XYZO坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，X1Y1Z1O1為激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)坐標(biāo)系，用于調(diào)整激光聚焦。測(cè)量過程中，激光頭位置不變，X2Y2Z2O2為糙米檢測(cè)位移旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。后續(xù)將胚芽點(diǎn)云與米身點(diǎn)云曲面拼接時(shí)，需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[17]，利用式(1)可得坐標(biāo)變換矩陣。

(1)

式中：

圖2 糙米檢測(cè)工藝流程

圖3 激光掃描糙米輪廓檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖

圖4 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理圖

ξ——運(yùn)動(dòng)旋量；

θ——關(guān)節(jié)變量；

i——關(guān)節(jié)序號(hào)，i=1，2，3，4，5；

gst(0)——初態(tài)位姿。

糙米掃描設(shè)備如圖5所示，由激光傳感器調(diào)整座、機(jī)架、糙米位置調(diào)整模塊3部分構(gòu)成。激光傳感器調(diào)整座包括激光測(cè)量頭7、三軸移動(dòng)調(diào)整架8，用于調(diào)整激光測(cè)量頭的位置配合糙米測(cè)量。機(jī)架9連接激光傳感器調(diào)整座與糙米位置調(diào)整模塊，起支撐固定作用。糙米位置調(diào)整模塊包括繞Z軸旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)1(Stepper5)、沿X軸方向的移動(dòng)模塊2(Stepper1)、沿Y軸方向的移動(dòng)模塊3(Stepper2)、繞Y軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)4(Stepper6)、沿Z軸方向的移動(dòng)模塊5(Stepper3)、糙米固定及回轉(zhuǎn)模塊6(Stepper4)，可實(shí)現(xiàn)糙米垂直三軸移動(dòng)、兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2.4 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及標(biāo)定

2.4.1 測(cè)量系統(tǒng)資源需求及設(shè)計(jì) 測(cè)量系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。由核心測(cè)量器件LK-G150激光位移檢測(cè)頭及其配套控制系統(tǒng)LK-G3001構(gòu)成測(cè)量模組，操控、采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由上位PC完成。KEYENCE LK-G150感測(cè)頭可檢測(cè)不透明或半透明材料，漫反射模式下測(cè)量的參考距離為150 mm，鏡面反射模式下測(cè)量的參考距離為147.5 mm，參考距離下光點(diǎn)直徑約120 μm，再現(xiàn)性達(dá)0.1 μm，重復(fù)精度達(dá)0.5 μm，采樣周期可在等級(jí)20/50/100/200/1 000 μs中選擇，每次采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為65 536個(gè)點(diǎn)。其性能完全滿足測(cè)量要求。

1. 繞Z軸旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī) 2. 沿X軸移動(dòng)模塊 3. 沿Y軸移動(dòng)模塊 4. 繞Y軸旋轉(zhuǎn)電機(jī) 5. 繞Z軸移動(dòng)模塊 6. 糙米旋轉(zhuǎn)電機(jī) 7. 激光位移傳感器 8. 激光位移傳感器X1Y1Z1O1調(diào)整機(jī)座 9. 機(jī)架

2.4.2 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā) 機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制通過嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主芯片選用STM32F429核心芯片。通過人機(jī)界面(HMI)實(shí)現(xiàn)6個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制以及6個(gè)初始復(fù)位光電傳感器I/O接口通訊。控制步進(jìn)電機(jī)發(fā)送高速脈沖、方向控制各需6個(gè)I/O接口，公共使能需1個(gè)I/O接口。PC機(jī)實(shí)現(xiàn)激光傳感器掃描數(shù)據(jù)采集及控制。

嵌入式芯片硬件需求IO資源分配見表1。共需30個(gè)通用輸入輸出接口，STM32F429有110個(gè)IO接口，且有4.3寸RGB屏可以支持設(shè)計(jì)獨(dú)立的人機(jī)交互界面，符合設(shè)計(jì)需求。

表1 控制器IO分配

3 測(cè)量試驗(yàn)

3.1 標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定包含三軸直線位移限位開關(guān)重復(fù)定位精度標(biāo)定和直線位移精度標(biāo)定。位移驅(qū)動(dòng)選用光驅(qū)驅(qū)動(dòng)精密微型步進(jìn)電機(jī)固件套裝。行程S=40 mm，步距角β=18°，絲杠螺距t=3 mm，單相繞組阻抗9.8 Ω，水平驅(qū)動(dòng)載荷≥2 kg。驅(qū)動(dòng)模塊核心芯片為A4988，具備16細(xì)分。理論分辨率為每個(gè)脈沖位移9.4 μm。標(biāo)定傳感器選用基恩士LK-G150激光位移傳感器[13-14]。

開環(huán)條件下系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模塊選用光歐姆龍EE-SX674WR型光電開關(guān)作為運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)。往復(fù)20次操作記錄滑臺(tái)停止位置，以其中第1次位置數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，測(cè)得其重復(fù)定位的誤差如圖6所示。其重復(fù)定位誤差為0.002～-0.004 mm，均值為-0.001 79 mm，方差為0.001 45，滿足系統(tǒng)重復(fù)精度要求。

對(duì)位移模塊全行程運(yùn)動(dòng)檢測(cè)標(biāo)定，微型位移模塊運(yùn)動(dòng)精度因采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速敏感，故設(shè)計(jì)9個(gè)轉(zhuǎn)速(600.00，480.00，350.00，224.00，187.50，156.25，134.00，114.50，110.00 r/min)進(jìn)行測(cè)試。轉(zhuǎn)速在350.00 r/min 以上激光傳感器采樣周期為1 ms，其余為2 ms。圖7為9個(gè)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)最大誤差曲線。由圖7可知，總體運(yùn)動(dòng)誤差與驅(qū)動(dòng)頻率正相關(guān)，斜率為6E-06，在低頻段(1 kHz以下)，相對(duì)誤差<0.010%；在610 Hz(轉(zhuǎn)速134.00 r/min)時(shí)存在一個(gè)谷點(diǎn)。600.00 r/min時(shí)相對(duì)誤差為0.049%，均方差為0.012，故運(yùn)動(dòng)模塊系統(tǒng)綜合誤差均能滿足要求。

圖6 重復(fù)定位誤差

系統(tǒng)誤差在轉(zhuǎn)速為134.00 r/min時(shí)最小，為0.006 70 mm；轉(zhuǎn)速為480.00 r/min時(shí)最大，為0.021 93 mm。圖8為對(duì)應(yīng)兩轉(zhuǎn)速下的位移—絕對(duì)誤差曲線。由圖8可知，此頻段內(nèi)任意轉(zhuǎn)速皆滿足系統(tǒng)準(zhǔn)確性要求。

圖7 絕對(duì)誤差/相對(duì)誤差/均方差—轉(zhuǎn)速曲線

圖8 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差

故系統(tǒng)確定位移模塊步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=134 r/min；驅(qū)動(dòng)控制頻率f=714 Hz，16細(xì)分，驅(qū)動(dòng)電壓12 V，驅(qū)動(dòng)電流0.25 A。

3.2 測(cè)量試驗(yàn)

在標(biāo)定基礎(chǔ)上使用糙米激光掃描機(jī)電系統(tǒng)完成糙米輪廓典型部位掃描檢測(cè)，獲得糙米底部、中段和胚芽端3個(gè)截面離散、連續(xù)掃描數(shù)據(jù)及胚芽主截面直線掃描數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：① 環(huán)形離散掃描。激光傳感器采樣時(shí)間間隔20 μm，每次采樣100個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值；Y軸分度為320 r-1。② 環(huán)形連續(xù)掃描。激光傳感器采樣時(shí)間間隔50 μm，采滿65 536個(gè)點(diǎn)，Y軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定50 r/min。③ 胚芽主截面直線離散掃描。采樣時(shí)間間隔50 μm，每次采樣100個(gè)點(diǎn)，取平均值，豎直掃描位移間隔0.01 mm。

糙米底部、中段和胚芽端3個(gè)典型截面離散、連續(xù)掃描數(shù)據(jù)如圖9所示，表2為其相關(guān)性分析及誤差分析。由表2可知，糙米底部、中段和胚芽端3個(gè)截面相關(guān)系數(shù)分別為0.992 3，0.982 3，0.984 0。三截面分度離散測(cè)量最大絕對(duì)誤差極坐標(biāo)為DF(1.070 68，139.500 0)、ZF(1.084 88，32.625 0)和PF(0.798 75，182.803 7)，連續(xù)測(cè)量極坐標(biāo)為DL(0.978 64，139.500 0)、ZL(0.953 07，32.625 0)和PL(0.745 22，182.803 7)。對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)誤差分別為ΔDFL=|DρFDρL|=|1.070 68-0.978 640|=0.092 04 mm，ΔZFL=0.101 81 mm，ΔPFL=0.074 86 mm，最大相對(duì)誤差分別為δD=ΔDFL/DρF=0.092 04/1.070 680=8.596 41%，δZ=ΔZFL/ZρF=0.101 81/1.084 88=9.384 37%，δP=ΔPFL/PρF=0.074 86/0.745 220=9.372 28%。說明試驗(yàn)裝置連續(xù)掃描結(jié)果與離散掃描結(jié)果具有一致性，且誤差滿足要求。

表2 分度掃描與連續(xù)掃描截面相關(guān)分析表

圖9 糙米離散、連續(xù)掃描截面圖

初步獲得糙米胚芽部分直線掃描曲線(圖10)，胚芽截面呈“山”字形，用5個(gè)特征點(diǎn)(見表3)初步描述如下：PC1(0.081，0.966)、PC2(1.572，0.721)兩點(diǎn)為胚芽與橢球米體交點(diǎn)坐標(biāo)，胚芽寬度ΔPC12=|PC1XPC2X|=|0.081-1.572|=1.491 mm；PG1(0.513，0.636)、PG2(1.042，0.697)為胚芽谷點(diǎn)，谷間距ΔPG12=|PG1X-PG2X|=|0.513-1.042|=0.529 mm；PF(0.757，1.009)為胚芽峰點(diǎn)，峰谷差為ΔPFG1=|PG1YPFY|=|0.636-1.009|=0.373 mm，ΔPFG2=|PG2YPFY|=|0.697-1.009|=0.312 mm。

圖10 胚芽離散直線掃描曲線

表3 胚芽截面離散直線掃描特征點(diǎn)

4 結(jié)論

依據(jù)糙米幾何特征開發(fā)了糙米輪廓激光掃描機(jī)電系統(tǒng)，其中機(jī)械部分由三軸直角坐標(biāo)系和兩軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系構(gòu)成，此外一旋轉(zhuǎn)軸用于完成糙米繞橢球長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)獲得其環(huán)形掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，通過離散和連續(xù)環(huán)形掃描兩種方式獲取糙米典型截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即糙米底部、中部和胚芽部，其測(cè)量結(jié)果具有一致性，精度滿足要求。對(duì)胚芽部分進(jìn)行主截面直線軌跡離散掃描，初步獲取了胚芽截面曲線。后續(xù)將在胚芽單主截面掃描基礎(chǔ)上進(jìn)行多截面離散、連續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描，提高胚芽部分、進(jìn)而完善糙米點(diǎn)云輪廓描述精度，為進(jìn)一步升級(jí)該裝備掃描路徑規(guī)劃提供依據(jù)。