楊俊，萬(wàn)鵬，2，黃毓毅，朱明，2，譚鶴群，2，吳文錦，丁安子

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，武漢 430070

鰱（Hypophthalmichthys molitrix）是我國(guó)廣泛養(yǎng)殖的大宗淡水魚(yú)品種。2020年鰱產(chǎn)量達(dá)到381.3萬(wàn)t，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的12.34%［1］。鰱魚(yú)頭中含有豐富的EN、DHA和卵磷脂等物質(zhì)，具有較好的風(fēng)味以及較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；以鰱為原料加工而成的魚(yú)頭產(chǎn)品在市場(chǎng)上的售價(jià)較高［2］。鰱魚(yú)頭通常需要采用個(gè)體較大的鰱進(jìn)行加工，將魚(yú)頭從魚(yú)體中切割下來(lái)，然后將魚(yú)頭剖成兩半進(jìn)行銷(xiāo)售。目前，鰱魚(yú)頭的加工主要采用人工完成，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能對(duì)魚(yú)頭進(jìn)行準(zhǔn)確切割，容易導(dǎo)致加工后的魚(yú)頭大小不一［3-5］。因此，研究一種用于鰱魚(yú)頭加工的自動(dòng)化裝備具有重要意義。在魚(yú)頭加工裝備方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了較多研究。陳慶余等［6-7］針對(duì)典型海水小雜魚(yú)研制了一臺(tái)魚(yú)體去頭試驗(yàn)臺(tái)，以深水紅娘魚(yú)等3種低值海產(chǎn)小雜魚(yú)為研究對(duì)象，探討了刀具構(gòu)型、切割方式、魚(yú)體放置方式以及刀具旋向?qū)︳~(yú)身得率和切斷面質(zhì)量的影響；張帆等［8］、劉靜等［9］設(shè)計(jì)了氣動(dòng)式魚(yú)體去頭機(jī)，研究了魚(yú)體冷藏時(shí)間、刀具切割角度、魚(yú)體放置方式等對(duì)鰱魚(yú)頭切割力學(xué)特性的影響。鄒偉等［10-11］、萬(wàn)鵬等［12］設(shè)計(jì)了連續(xù)式魚(yú)體去頭尾裝置，同時(shí)分析了平刀滑切角度、刀具類(lèi)型、魚(yú)體溫度、刀具加載速度4個(gè)因素與切割魚(yú)體頭尾所需剪切力之間關(guān)系；此外，李楷模等［13］、陳艷等［14］分別研究了基于機(jī)器視覺(jué)定位的魚(yú)頭尾分割的方法，并設(shè)計(jì)研發(fā)了淡水魚(yú)去頭尾裝置。同時(shí)，Dowgiallo等［15-16］研究了通過(guò)改變直刀的角度將魚(yú)頭切割軌跡分成2段的V型切法，不僅滿足工藝要求而且更經(jīng)濟(jì)高效。Hansen［17］通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)魚(yú)體的體長(zhǎng)及形狀，控制機(jī)械臂對(duì)魚(yú)體的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，利用刀具對(duì)魚(yú)體去頭尾。Azarmdel等［18］研究了通過(guò)圖像處理方法檢測(cè)鱒魚(yú)的尺寸提取頭部和腹部切割點(diǎn)，控制刀具完成魚(yú)體的去頭和切片。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚(yú)體去頭切割裝備進(jìn)行了較多研究，但其目的僅在于魚(yú)體去頭加工，要求魚(yú)頭占比較小，魚(yú)肉得率高。在加工鰱魚(yú)頭時(shí)，要求準(zhǔn)確切割魚(yú)頭并保留部分魚(yú)肉，同時(shí)對(duì)魚(yú)頭進(jìn)行對(duì)半剖切。然而現(xiàn)有魚(yú)體去頭切割裝備無(wú)法適用于鰱魚(yú)頭的加工，因此，研究鰱魚(yú)頭智能化加工裝置，對(duì)于鰱魚(yú)頭的加工、銷(xiāo)售等都有十分重要的意義。本研究以鰱為研究對(duì)象，針對(duì)魚(yú)頭加工的生產(chǎn)需求，研制鰱魚(yú)頭加工裝置；利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)魚(yú)頭切割路徑進(jìn)行精準(zhǔn)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)魚(yú)頭的準(zhǔn)確切割并將切割后的魚(yú)頭進(jìn)行對(duì)半剖切，以期實(shí)現(xiàn)淡水魚(yú)魚(yú)頭加工的自動(dòng)化、智能化，促進(jìn)淡水魚(yú)加工裝備的研發(fā)。

1 材料與方法

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

鰱魚(yú)頭加工裝置由魚(yú)體輸送裝置、魚(yú)體圖像采集裝置、魚(yú)體翻轉(zhuǎn)部件、立式夾持輸送帶、魚(yú)頭切割部件、魚(yú)頭剖切部件、裝置控制系統(tǒng)等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鰱魚(yú)頭加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of head processing device of Hypophthalmichthys molitrix

魚(yú)體輸送裝置由鋁型材及輸送帶搭建，實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾和腹背定向排列輸送，其中輸送帶尺寸為2 000 mm×330 mm×1 000 mm。魚(yú)體圖像采集裝置安裝在魚(yú)體輸送裝置上，由光照箱、光源、相機(jī)、光電傳感器等組成，其中相機(jī)安裝在距輸送帶上表面700 mm處，型號(hào)為uEye-2210RE-C，分辨率為640×480，光照箱尺寸為600 mm×330 mm×800 mm。魚(yú)頭切割裝置總尺寸為1 700 mm×880 mm×1 310 mm，切割直流電機(jī)功率為680 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，切割圓盤(pán)刀直徑200 mm，剖切直流電機(jī)功率為400 W，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，剖切圓盤(pán)刀直徑為270 mm，夾持輸送帶的間距為20～60 mm。

魚(yú)體翻轉(zhuǎn)部件為漸變結(jié)構(gòu)，用于輔助定向排列輸送的魚(yú)體由平放輸送狀態(tài)變?yōu)樨Q直輸送進(jìn)入魚(yú)頭切割裝置。兩段立式夾持輸送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于魚(yú)體及切斷魚(yú)頭的輸送；光柵傳感器放置于兩段立式夾持輸送帶之間，用于檢測(cè)魚(yú)體的位置；魚(yú)頭切割部件安裝于兩段輸送帶之間的側(cè)方位置，由切割圓盤(pán)刀、切割直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、滑臺(tái)氣缸等組成，在滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)下進(jìn)行水平移動(dòng)，根據(jù)加工要求對(duì)魚(yú)體進(jìn)行垂直切割或以一定角度切割；魚(yú)頭剖切部件對(duì)切割后的魚(yú)頭進(jìn)行對(duì)半剖切。

1.2 裝置控制系統(tǒng)

鰱魚(yú)頭加工裝置控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、魚(yú)體圖像處理軟件、Arduino控制板、光電傳感器、光柵傳感器、繼電器、延時(shí)繼電器、電磁閥、磁性開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及串口模塊等組成，主要功能是通過(guò)采集鰱魚(yú)體圖像，分析調(diào)整魚(yú)頭切割部件切割角度，控制兩段立式夾持輸送帶工作以及控制滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)魚(yú)頭切割部件的進(jìn)給與復(fù)位。鰱魚(yú)頭加工裝置控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 鰱魚(yú)頭加工控制系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of head processing control system of Hypophthalmichthys molitrix

鰱魚(yú)頭加工裝置控制系統(tǒng)所用伺服電機(jī)型號(hào)為80ST-M 02430，額定功率750 W，額定扭矩2.39 N·m，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57HS11242A4，氣缸型號(hào)CDY1S15H-200，光電傳感器感應(yīng)距離為30 m，光柵傳感器檢測(cè)高度為75 mm，光柵傳感器光線間距5 mm。

為了規(guī)劃魚(yú)頭切割路徑，本研究開(kāi)發(fā)了鰱魚(yú)頭加工系統(tǒng)程序，界面如圖3所示。鰱魚(yú)頭加工系統(tǒng)程序由魚(yú)體圖像采集及分析處理和系統(tǒng)控制2部分。魚(yú)體圖像采集及分析處理部分基于Python 3.8結(jié)合OpenCV庫(kù)進(jìn)行編寫(xiě)，可計(jì)算魚(yú)體的長(zhǎng)度及寬度；對(duì)魚(yú)體的切割路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得魚(yú)體切割路徑與魚(yú)體垂直方向的角度以及魚(yú)體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離，并顯示拍攝魚(yú)體的圖像及數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)控制部分主要包括控制整機(jī)的啟動(dòng)與停止，以及與鰱魚(yú)頭加工控制系統(tǒng)的信息交互。

圖3 計(jì)算機(jī)軟件界面圖Fig.3 Computer software interface diagram

1.3 裝置工作過(guò)程

鰱魚(yú)頭加工裝置工作時(shí)，魚(yú)體按照一定姿態(tài)放置在輸送裝置指定位置上。在輸送裝置的運(yùn)輸下經(jīng)過(guò)魚(yú)體圖像采集裝置，光電傳感器觸發(fā)相機(jī)采集鰱魚(yú)體圖像。同時(shí)調(diào)用OpenCV圖像處理程序?qū)︳~(yú)體圖像進(jìn)行處理，計(jì)算魚(yú)體的長(zhǎng)度與寬度，規(guī)劃魚(yú)頭切割路徑，同時(shí)獲取魚(yú)體切割路徑與魚(yú)體垂直方向的角度以及魚(yú)體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離，并將切割信息發(fā)送到Arduino控制板。Arduino控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)切割圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)，等待魚(yú)體到達(dá)切割位。采集圖像后的魚(yú)體經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)部件進(jìn)入到立式夾持輸送帶，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)向前輸送。當(dāng)光柵傳感器檢測(cè)到魚(yú)體時(shí)說(shuō)明魚(yú)體到達(dá)切割位，立式夾持輸送帶帶著魚(yú)體繼續(xù)前行至魚(yú)體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離后停止，此時(shí)魚(yú)身部分由第一段立式夾持輸送帶夾緊，魚(yú)頭部分由第二段立式夾持輸送帶夾緊，保證魚(yú)頭切割時(shí)魚(yú)體不會(huì)變形影響切割作業(yè)。Ar?duino控制滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)魚(yú)頭切割部件向前移動(dòng)完成魚(yú)頭切割，之后滑臺(tái)氣缸復(fù)位，立式夾持輸送帶繼續(xù)工作，帶動(dòng)魚(yú)頭向前移動(dòng)，經(jīng)由魚(yú)頭剖切部件將魚(yú)頭和魚(yú)身沿背部剖切，并將魚(yú)頭和魚(yú)身輸送至收集箱，完成整個(gè)加工過(guò)程。鰱魚(yú)頭加工裝置工作流程圖如圖4所示。

圖4 鰱魚(yú)頭加工裝置工作流程圖Fig.4 Working flow chart of the head processing device of Hypophthalmichthys molitrix

1.4 魚(yú)頭切割位置確定方法

由于鰱魚(yú)頭加工無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/CAPPMA 01—2017《天然水域活鰱、鳙魚(yú)分割規(guī)范》將魚(yú)頭加工規(guī)范為魚(yú)頭平切與魚(yú)頭斜切2種方式。魚(yú)頭平切是將去鱗后的魚(yú)體切割分成2段，其中切割刀具與魚(yú)體垂直平切。魚(yú)頭斜切是將去鱗后的魚(yú)體切割分成2段，刀口與魚(yú)體約呈45°斜切，自鰓蓋后部與背鰭前方之間斜切下刀，至腹鰭根部到生殖孔2/3處收刀，并沿魚(yú)頭中間部位對(duì)稱(chēng)鋸開(kāi)成2片，得到2個(gè)分割魚(yú)頭（半個(gè)）。

本研究以魚(yú)頭斜切為例，結(jié)合鰱魚(yú)頭機(jī)械加工的實(shí)際需求，確定的魚(yú)頭斜切標(biāo)準(zhǔn)為：魚(yú)頭切割刀盤(pán)與魚(yú)體垂直方向呈15°夾角作用于魚(yú)體對(duì)魚(yú)頭進(jìn)行切斷，其中魚(yú)背切斷處位于鰓蓋后部與背鰭前方之間，魚(yú)腹切斷處位于腹鰭根部到生殖孔2/3處。由于實(shí)際加工過(guò)程中魚(yú)體大小并不一致，為了確定魚(yú)體的切割路徑，本研究借助于魚(yú)體腹鰭根部到生殖孔之間距離來(lái)確定切割刀盤(pán)作用于魚(yú)體的位置，而魚(yú)體的腹鰭根部和生殖孔的位置與魚(yú)體的長(zhǎng)度相關(guān)，因此首先需通過(guò)試驗(yàn)研究腹鰭根部與生殖孔的位置同魚(yú)體體長(zhǎng)之間的關(guān)系。

1）魚(yú)體選取及測(cè)量方法。選取30條體質(zhì)量1～2 kg的鰱為試驗(yàn)對(duì)象，要求魚(yú)體新鮮、外表完整、無(wú)明顯傷痕。采購(gòu)回來(lái)后放于水槽中暫養(yǎng)，試驗(yàn)時(shí)將魚(yú)體取出并作敲暈處理，擦干魚(yú)體表面水分再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用設(shè)備包括鋼尺（量程1 000 mm）、測(cè)量板等。測(cè)量時(shí)，將魚(yú)體樣本按魚(yú)頭朝前、背部朝上平放在測(cè)量板上用鋼尺量取魚(yú)體吻端至魚(yú)體尾部末端的水平距離為魚(yú)體體長(zhǎng)L；量取魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離D1；量取魚(yú)體吻端至生殖孔的水平距離D2，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量方法如圖5所示。

圖5 魚(yú)體尺寸測(cè)量示意圖Fig.5 Measurement schematic diagram of fish body size

2）腹鰭根部與生殖孔的位置同魚(yú)體體長(zhǎng)的關(guān)系分析。對(duì)30條鰱樣本的體長(zhǎng)、魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離、魚(yú)體吻端至生殖孔的水平距離進(jìn)行測(cè)量，魚(yú)體體長(zhǎng)與魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離的關(guān)系以及魚(yú)體體長(zhǎng)與生殖孔至腹鰭根部的水平距離的關(guān)系如圖6所示。

圖6 魚(yú)體體長(zhǎng)同腹鰭根部（A）與生殖孔（B）的位置的關(guān)系擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of the relationship between body length and the position of ventral fin root （A）and genital pore（B）

從圖6A中可知，魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離D1隨著魚(yú)體體長(zhǎng)L的變化而變化，且滿足關(guān)系：D1=91.764+0.177×L，R2=0.924，這表明魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離與魚(yú)體體長(zhǎng)之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。從圖6B中可知，魚(yú)體吻端至生殖孔的水平距離D2同樣隨著魚(yú)體體長(zhǎng)L的變化而變化，且滿足關(guān)系：D2=121.56+0.271×L，R2=0.945，這表明魚(yú)體吻端至生殖孔的水平距離與魚(yú)體體長(zhǎng)之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

1.5 基于機(jī)器視覺(jué)的切割路徑計(jì)算方法

本研究通過(guò)圖像處理的方式計(jì)算魚(yú)體的長(zhǎng)度和寬度以及鰱魚(yú)頭的切割路徑。當(dāng)魚(yú)體到達(dá)圖像采集點(diǎn)時(shí)，相機(jī)采集魚(yú)體圖像，并將圖像保存到指定文件夾下。魚(yú)體原始圖像如圖7A所示。對(duì)拍攝的魚(yú)體圖像進(jìn)行灰度化處理，得到魚(yú)體的灰度圖像如圖7B所示。魚(yú)體圖像灰度化處理計(jì)算公式為：Gray=R×0.299+G×0.587+B×0.144。其中，Gray（x，y）為圖像中（x，y）點(diǎn)的像素灰度值，R、G、B分別為該點(diǎn)各顏色分量的像素值。將灰度圖像進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二值化圖像。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定二值化分割閾值為20，則二值化處理后的魚(yú)體圖像如圖7C所示。對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕、開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)處理，得到圖7D。對(duì)形態(tài)學(xué)處理后的圖像通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)算法獲得魚(yú)體的外圍輪廓，如圖7E所示；最后計(jì)算魚(yú)體外圍輪廓圖像的最小外接矩形，并將最小外接矩形的邊和頂點(diǎn)顯示在原始圖像上，如圖7F所示。

圖7 魚(yú)體的圖像處理過(guò)程Fig.7 Image processing process of fish body

設(shè)定魚(yú)體最小外接矩形4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為O1（x1，y1）、O2（x2，y2）、O3（x3，y3）、O4（x4，y4），則魚(yú)體最小外接矩形的長(zhǎng)短邊的像素長(zhǎng)度l0與d0為：

采集魚(yú)體圖像時(shí)，相機(jī)位于魚(yú)體的正上方，相機(jī)的分辨率為640×480，水平視野角為50°，相機(jī)安放高度H=700 mm，可得單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度為：

則魚(yú)體的實(shí)際長(zhǎng)L、寬D分別為：

在魚(yú)體最小外接矩形的基礎(chǔ)上標(biāo)記各魚(yú)體表面關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖8所示。

圖8 魚(yú)體表面關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of key points on fish surface

魚(yú)體切割路徑的上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)分別位于線段O1O2和線段O4O3上，要求得上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的坐標(biāo)，需先求得線段O1O2和線段O4O3的直線方程，已知魚(yú)體最小外接矩形4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為O1（x1，y1）、O2（x2，y2）、O3（x3，y3）、O4（x4，y4），則線段O1O2和線段O4O3的直線方程分別為：

當(dāng)魚(yú)體放置于輸送帶上時(shí)，魚(yú)體的位置相對(duì)于輸送帶的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)有一定的夾角，因此，獲取的圖像中，魚(yú)體方向與圖像X軸方向存在夾角，為精準(zhǔn)計(jì)算切割點(diǎn)的位置，需要計(jì)算線段O1O2與X軸方向的夾角α，則：

根據(jù)公式（3）中魚(yú)體體長(zhǎng)L，魚(yú)體吻端至腹鰭根部的水平距離D1，魚(yú)體吻端至生殖孔的水平距離D2，取腹鰭根部至生殖孔2/3的位置為下切割點(diǎn)的位置N，則下切割點(diǎn)N的橫坐標(biāo)為：

將公式（6）中的xN帶入公式（4）中，可得N點(diǎn)的縱坐標(biāo)yN為：

魚(yú)頭切割刀盤(pán)與魚(yú)體垂直方向呈15°夾角，以N點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，魚(yú)體左上方β=15°的方向與線段O1O2的交點(diǎn)為上切割點(diǎn)的位置，設(shè)上切割點(diǎn)為M；則上切割點(diǎn)M點(diǎn)的橫坐標(biāo)為：

將公式（8）中的xM帶入公式（7）中，可得M點(diǎn)的縱坐標(biāo)yM為：

連接線段MN，線段MN即為魚(yú)體的切割路徑。R為線段MN的中點(diǎn)，R點(diǎn)的坐標(biāo)為

在理想狀態(tài)下，切割圓盤(pán)刀的最前端從R點(diǎn)切入魚(yú)體。考慮到不同魚(yú)體的大小差異，實(shí)際切割時(shí)圓盤(pán)刀的最前端位于R點(diǎn)的正上方或正下方。以圓盤(pán)刀最前端位于R點(diǎn)的正上方為例，魚(yú)體的實(shí)際切割路徑為腹鰭根部至生殖孔2/3的位置N與切斷圓盤(pán)刀的最前端R′連接的直線，而魚(yú)體吻端至R點(diǎn)和R′點(diǎn)的水平距離相等，因此相對(duì)于不同的魚(yú)體步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)魚(yú)頭切割部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在差異，步進(jìn)電機(jī)角度計(jì)算原理如圖9示，切割圓盤(pán)刀的最前端位于R點(diǎn)的正下方時(shí)計(jì)算方法相同。

根據(jù)圖9可得實(shí)際切割時(shí)步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度γ為：

圖9 步進(jìn)電機(jī)角度計(jì)算原理圖Fig.9 Schematic diagram of angle calculation of stepper motor

魚(yú)體吻端至R點(diǎn)的實(shí)際水平距離L0為光柵傳感器檢測(cè)到魚(yú)體到達(dá)切割位時(shí)立式夾持輸送帶繼續(xù)前進(jìn)的距離。L0的實(shí)際水平距離為：

立式夾持輸送帶勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度為vm，當(dāng)光柵傳感器檢測(cè)到魚(yú)體到達(dá)的時(shí)間設(shè)為t0，從t0開(kāi)始伺服電機(jī)帶動(dòng)立式夾持輸送帶做勻減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)輸送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為t1，t1至t2的時(shí)間內(nèi)為魚(yú)頭切割時(shí)間，t2時(shí)切割完成，立式夾持輸送帶開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，切割完成后伺服電機(jī)帶動(dòng)立式夾持輸送帶以最短的時(shí)間將速度提升到vm，在t3時(shí)速度達(dá)到vm，之后伺服電機(jī)繼續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)的速度示意圖如圖10所示。

圖10 伺服電機(jī)速度示意圖Fig.10 Servo motor speed diagram

當(dāng)0

當(dāng)t0

式（13）中，r為立式夾持輸送帶滾筒半徑，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制精度

1）步進(jìn)電機(jī)控制精度驗(yàn)證。先將切割圓盤(pán)刀保持豎直狀態(tài)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的目標(biāo)角度，通過(guò)圖像處理的方法獲得切割圓盤(pán)刀與豎直方向的夾角，重復(fù)5次，計(jì)算不同目標(biāo)角度下的切割圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變異系數(shù)。切割圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，目標(biāo)角度為11°～15°時(shí)，實(shí)際角度的變異系數(shù)均在6%以下，最大變異系數(shù)為5.59%，最小變異系數(shù)為2.56%，切割圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度在目標(biāo)角度附近波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定性較好，切割圓盤(pán)刀角度控制精度較好。

表1 角度控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Angle control accuracy verification test results

2）伺服電機(jī)控制精度驗(yàn)證。首先對(duì)輸送帶和機(jī)架上對(duì)應(yīng)的一點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，運(yùn)行立式夾持輸送帶，控制伺服電機(jī)在光柵傳感器檢測(cè)到物體時(shí)前進(jìn)不同的目標(biāo)距離，當(dāng)輸送帶上的標(biāo)記點(diǎn)與機(jī)架上的標(biāo)記點(diǎn)重合時(shí)，快速遮擋光柵傳感器來(lái)模擬魚(yú)體到位信息，在輸送帶停止時(shí)使用游標(biāo)卡尺量取輸送帶前進(jìn)的實(shí)際距離，重復(fù)5次，計(jì)算不同目標(biāo)距離下輸送帶前進(jìn)距離的變異系數(shù)。立式夾持輸送帶距離控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，目標(biāo)距離為110～150 mm時(shí)，實(shí)際距離的變異系數(shù)均在5%以下，最大變異系數(shù)為4.92%，最小變異系數(shù)為1.45%，立式夾持輸送帶運(yùn)行的實(shí)際距離在目標(biāo)距離波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定性較好，立式夾持輸送帶距離控制精度較好。

表2 距離控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of distance control accuracy verification

2.2 魚(yú)頭切割效果

1）裝置性能評(píng)價(jià)。為驗(yàn)證鰱魚(yú)頭加工裝置的魚(yú)頭加工作業(yè)效果，以鰱為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)。隨機(jī)選取15條體質(zhì)量1.0～1.5 kg、體長(zhǎng)450～600 mm、魚(yú)體新鮮、外表完整、無(wú)明顯傷痕的鰱樣本。試驗(yàn)時(shí)先將活魚(yú)作凍暈或敲暈處理，并保持魚(yú)體表面干凈；先測(cè)量每尾鰱的體長(zhǎng)；再將鰱樣本放入鰱魚(yú)頭加工裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，記錄魚(yú)頭加工所需時(shí)間；魚(yú)頭加工完成后測(cè)量魚(yú)頭部分魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離，并對(duì)魚(yú)頭的外觀進(jìn)行感官評(píng)分。鰱魚(yú)頭加工試驗(yàn)如圖11所示。

圖11 鰱魚(yú)頭加工試驗(yàn)Fig.11 Processing test of the head of Hypophthalmichthys molitrix

以魚(yú)頭切割路徑的準(zhǔn)確性和魚(yú)頭外觀感官評(píng)分作為裝置加工效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。魚(yú)頭切割路徑的準(zhǔn)確性定義為加工后魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離之間的一致程度，通過(guò)加工后魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離之間擬合后的決定系數(shù)以及均方根誤差來(lái)表示。切割路徑檢測(cè)時(shí)間為采集圖像至切割路徑計(jì)算完成所需時(shí)間；加工時(shí)間為圖像采集完成至魚(yú)體加工完成所需的總時(shí)間，其中包括圖像采集時(shí)間、切割路徑計(jì)算時(shí)間、Ar?duino控制板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間和魚(yú)頭切割及剖切所需要的全部時(shí)間。

魚(yú)頭外觀感官評(píng)分方法：以5位經(jīng)過(guò)魚(yú)頭感官檢驗(yàn)訓(xùn)練的人員組成評(píng)定小組，根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加工后的魚(yú)頭外觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，以5位評(píng)價(jià)人員的感官評(píng)分平均值作為魚(yú)頭的感官評(píng)分，總分以1.00分計(jì)。魚(yú)頭的外觀感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：一等評(píng)分范圍為0.80～1.00，要求魚(yú)頭外形保持完好，魚(yú)頭切斷面十分光滑平整有光澤，無(wú)明顯損傷或缺肉；二等評(píng)分范圍為0.60～0.80，要求魚(yú)頭外形保持比較完好，魚(yú)頭切斷面光滑平整，無(wú)明顯損傷或缺肉；三等評(píng)分范圍為0.40～0.60，魚(yú)頭外形遭到破壞，魚(yú)頭切斷面平整但略微粗糙，有一些損傷或缺肉；四等評(píng)分范圍為0.20～0.40，魚(yú)頭外形遭受破壞，魚(yú)頭切斷面不平整且比較粗糙，有多處損傷及缺肉；五等評(píng)分范圍為0.00～0.20，魚(yú)頭不能成型，魚(yú)頭切斷面不平整且十分粗糙，有嚴(yán)重?fù)p傷。

2）魚(yú)頭實(shí)際切割效果。魚(yú)頭切割后魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離與經(jīng)圖像處理后預(yù)測(cè)的魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離的線性擬合結(jié)果如圖12所示。從圖12可知，魚(yú)體吻端至上切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離擬合后的決定系數(shù)為R2=0.911，均方根誤差為6.31 mm。魚(yú)體吻端至下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離擬合后的決定系數(shù)為R2=0.985，均方根誤差為2.61 mm。這表明魚(yú)頭切割后下切割點(diǎn)的實(shí)際位置與預(yù)測(cè)位置的誤差要小于上切割點(diǎn)實(shí)際位置與預(yù)測(cè)位置的誤差，即切割后魚(yú)頭的下切割點(diǎn)位置距離預(yù)測(cè)的位置更接近，上切割點(diǎn)位置距離預(yù)測(cè)的位置更遠(yuǎn)。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行魚(yú)頭切割路徑計(jì)算時(shí)，魚(yú)頭上切割點(diǎn)位置是以下切割點(diǎn)的位置為基準(zhǔn)進(jìn)行求解，但在實(shí)際切割時(shí)，由于裝置的振動(dòng)以及魚(yú)體在輸送過(guò)程中受力變化，魚(yú)體的位置與設(shè)定的位置會(huì)存在一定的偏差，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)行魚(yú)頭切割時(shí)，上切割點(diǎn)位置的誤差會(huì)大于下切割點(diǎn)，但該誤差不影響鰱魚(yú)頭切割效果。試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)際切割位置與理論切割位置存在較強(qiáng)的相關(guān)性，該裝置魚(yú)頭切割路徑的準(zhǔn)確性較強(qiáng)。

圖12 魚(yú)體吻端至上切割點(diǎn)（A）和下切割點(diǎn)（B）的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離的擬合結(jié)果Fig.12 Fitting results of the actual horizontal distance from the snout of the fish to the upper（A），lower（B） cutting point and the predicted horizontal distance

鰱魚(yú)頭加工裝置驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知，采用鰱魚(yú)頭加工裝置進(jìn)行試驗(yàn)，切割路徑檢測(cè)時(shí)間為（0.055±0.009） s，鰱樣本加工成鰱魚(yú)頭所需時(shí)間為（13.28±0.35） s，魚(yú)頭的外觀感官評(píng)分為0.88±0.02，評(píng)分為一等。鰱魚(yú)頭加工效果如圖13所示。從圖13可知，鰱魚(yú)頭加工斷面光滑平整，魚(yú)頭外形保持完好，整體加工效果較好，能夠滿足鰱魚(yú)頭的銷(xiāo)售需求。

表3 鰱魚(yú)頭加工裝置驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Verification results of the head cutting device of Hypophthalmichthys molitrix

圖13 鰱魚(yú)頭加工效果圖Fig.13 Effect drawing of processing a section of the head of Hypophthalmichthys molitrix

3 討論

本研究設(shè)計(jì)并研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的鰱魚(yú)頭加工裝置，該裝置由魚(yú)體輸送裝置、魚(yú)體圖像采集裝置、魚(yú)體翻轉(zhuǎn)部件、立式夾持輸送帶、魚(yú)頭切割部件、魚(yú)頭剖切部件、裝置控制系統(tǒng)等組成，通過(guò)各部件之間的協(xié)作，采集鰱魚(yú)體的圖像，規(guī)劃鰱魚(yú)頭切割路徑，按照切割路徑對(duì)鰱魚(yú)頭進(jìn)行切割并剖切，實(shí)現(xiàn)鰱魚(yú)頭的自動(dòng)化加工。通過(guò)圖像處理的方法計(jì)算鰱魚(yú)體體長(zhǎng)，將體長(zhǎng)的圖像處理測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行線性擬合，決定系數(shù)為R2=0.996，均方根誤差為1.41 mm，表明通過(guò)圖像處理的方法計(jì)算魚(yú)體體長(zhǎng)具有較好的準(zhǔn)確性；根據(jù)所得的魚(yú)體體長(zhǎng)計(jì)算出魚(yú)體的魚(yú)頭切割路徑。對(duì)控制系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的工作精度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明步進(jìn)電機(jī)控制刀具轉(zhuǎn)動(dòng)角度和伺服電機(jī)控制輸送帶運(yùn)行距離具有較好精度。對(duì)裝置的作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明魚(yú)頭切割后魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚(yú)體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離的線性擬合的決定系數(shù)分別為0.911和0.985，均方根誤差分別為6.31、2.61 mm，說(shuō)明該裝置魚(yú)頭切割路徑的準(zhǔn)確性較強(qiáng)；切割路徑檢測(cè)時(shí)間為（0.055±0.009） s，鰱樣本加工成鰱魚(yú)頭所需時(shí)間為（13.28±0.35） s，加工后的鰱魚(yú)頭的外觀評(píng)分為0.88±0.02，評(píng)分為一等，整體加工效果較好，能夠滿足鰱魚(yú)頭的銷(xiāo)售需求。該裝置基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)計(jì)算鰱魚(yú)頭的切割路徑，應(yīng)用Ar?duino控制板控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)鰱魚(yú)頭的自動(dòng)化加工，可以為其他淡水魚(yú)魚(yú)頭的加工提供參考。