基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統及方法與流程

本發明涉及光電視覺分選技術領域，尤其涉及分選機中篩選物料過程中，對于物料三維尺寸測量技術領域，具體是一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統及方法。

背景技術：

隨著技術進步和市場的拓展,分選機已經成為一項應用廣泛的高科技產業，分選機根據篩選原理不同可以分為色選機和形選機：色選機是根據物料的色澤差異高效地選出合格品,目前已經廣泛地應用到工農業生產中；在某些應用領域，形選機，可以通過物料外在三維尺寸進行分選，例如可以根據水果的大小和三維尺寸關系進行水果分級，也可以在某些對外在形狀要求較高的行業中。

傳統分選機在分選物料過程中，大多數只能根據物料的顏色區分，而不能根據物料的外在形狀，也就是物料的三維尺寸，雖然有些形選機已經可以對物料二維尺寸進行處理，但這往往借助于昂貴的專業級別相機達到效果，即便如此，在處理如此多數據時候，在算法上也會過于緩慢，導致實際分選物料的效率不高。

傳統分選機在在物料的三維尺寸中還沒有更好的辦法處理，一方面由于三維尺寸的快速測量本身就是個技術難題，另一方面傳統色選機涉及的領域局限與農業生產，而在其他行業中應用較少。

技術實現要素：

本發明的目的是為了彌補現有分選機技術的不足，提供一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統及方法，來解決現有傳統分選機無法對物料的三維尺寸快速測量的難題；相比于現有技術，可以測量物料二維尺寸的分選機增加物料高度信息，本發明使用低成本的自主開發結合fpga高速算法和高靈敏度cmos相機在實際應用中大大降低分選機設計成本，在篩分效率中也有著明顯優勢，解決了分選機器在處理物料尺寸高成本、低效率的難題。

本發明的技術方案如下：

一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，包括有運輸裝置、圖像處理裝置、激光發生裝置、物料篩選裝置和主控板，其特征在于：所述的運輸裝置為分選機上的皮帶傳送裝置；所述的圖像處理裝置為由fpga和coms圖像傳感器組成的工業相機，所述的工業相機懸置于所述皮帶傳送裝置出料端的上方；所述的激光發生裝置為一字線激光器，懸置于所述皮帶傳送裝置出料端前側的上方，投射一字線激光，照射在所述皮帶傳送裝置出料端的表面，且與所述工業相機之間具有夾角；所述的物料篩選裝置包括有噴嘴、氣閥和氣源；

所述的fpga對所述coms圖像傳感器進行驅動控制、進行圖像處理和三維尺寸檢測，并輸出分選信號至所述主控板，所述的cmos圖像傳感器對通過所述皮帶傳送裝置出料端的物料進行高幀頻的圖像采集，并將采集的圖像信息輸出至所述fpga；所述的主控板輸出指令至所述氣閥，控制所述噴嘴動作。

一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

(1)、對所述測量系統進行標定，即依照測量所需的直角坐標系對所述測量系統的各個裝置進行精準的安裝，同時設置所述工業相機的工作參數；

(2)、當由所述皮帶傳送裝置傳送的物料剛接觸所述一字線激光器所投射的一字線激光時，所述的工業相機記錄下當前所采集到的圖像的像素點的位置，即為物料剛接觸一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號；

(3)、當所述皮帶傳送裝置傳送的物料經過所述一字線激光器所投射的一字線激光時，由所述皮帶傳送裝置的運行速度、所述工業相機的幀頻和像元尺寸的大小計算出物料的寬度，由物料的三維幾何關系，計算出物料的高度；

(4)、由所述皮帶傳送裝置傳送的物料逐漸經過所述一字線激光器所投射的一字線激光，按照步驟(3)即可計算出物料的任意一點高度；

(5)、當由所述皮帶傳送裝置傳送的物料離開所述一字線激光器所投射的一字線激光時，所述的工業相機記錄下當前所采集到的圖像的像素點的位置，即為物料離開一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號，結合步驟(2)中記錄的物料剛接觸一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號和像元尺寸的大小計算出物料的長度，從而得到物料的三維尺寸數據，根據物料的三維尺寸數據并通過處理得到要篩選物料的尺寸范圍，即分選信號，輸送至所述的主控板；

(6)、所述的主控板根據分選信號，輸送指令至所述氣閥，控制所述噴嘴動作，在物料隨所述皮帶傳送裝置前進的下一步對物料進行分選。

所述的基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，其特征在于：所述的fpga的型號為ep4ce55f23i7。

所述的基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，其特征在于：所述的cmos圖像傳感器的芯片的型號python300。

所述的基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，其特征在于：所述的工業相機懸置于所述皮帶傳送裝置出料端的正上方，正對于一字線激光照射在所述皮帶傳送裝置出料端的表面所在的區域，且與所述一字線激光器之間的夾角為45°。

所述的基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，其特征在于：所述一字線激光器的型號為hsgd16-650alx。

上述方案中，物料在所述的皮帶傳送裝置上需要進行離散的非堆疊式排放，物料之間須有一定的間隔。

上述方案中，一字線激光器投射的激光盡量保持色度均勻。

本發明的工作原理和工作過程如下：

皮帶傳送裝置傳送物料以一定速度經過一字線激光，工業相機將采集到的數據經過fpga算法計算出物料具體的三維尺寸數據，在皮帶傳送裝置的出料端由噴嘴進行篩選。

由皮帶傳送裝置的運行速度、工業相機的幀頻、像元尺寸的大小計算出物料的寬度，由物料的三維幾何關系，計算出物料的高度信息，當整個物料完全經過一字線激光時，記錄下來起始和結束坐標之后就可以通過計算得到物料的長度。

本發明的有益效果：

1、本發明的工業相機采用高速相機，在相機視角范圍內可以至少達到每秒1000幀的速度，假設皮帶以1m/s速度經過相機時，相機對物料捕捉的精度可以達到毫米級，滿足了大部分物料選擇要求。

2、本發明采用激光單線結構增加選取物料的范圍，能夠解決需要對于多物料同時檢測三維尺寸的問題。

3、本發明是針對傳統分選機無法分選物料形狀的背景下提出了一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統及方法，很大程度上解決了當前分選機不能計算物料三維難題，同時本發明本著低成本高效率的原則，使得分選機的在實際工程中大規模的運用成為可能。

附圖說明

圖1為本發明立體結構示意圖。

圖2為本發明結構主視圖。

圖3為本發明結構俯視圖。

圖4為本發明測量原理物料三維尺寸示意圖。

具體實施方式

如圖1-3所示，一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量系統，包括有運輸裝置、圖像處理裝置、激光發生裝置、物料篩選裝置和主控板6，運輸裝置為分選機上的皮帶傳送裝置，包括有驅動輪1和傳送帶2；圖像處理裝置為由fpga和coms圖像傳感器組成的工業相機4，工業相機4懸置于皮帶傳送裝置出料端的上方；激光發生裝置為一字線激光器5，懸置于皮帶傳送裝置出料端前側的上方，投射一字線激光，照射在皮帶傳送裝置出料端的表面，且與工業相機4之間具有夾角；物料篩選裝置包括有噴嘴7、氣閥和氣源；

fpga對coms圖像傳感器進行驅動控制、進行圖像處理和三維尺寸檢測，并輸出分選信號至主控板6，cmos圖像傳感器對通過皮帶傳送裝置出料端的物料進行高幀頻的圖像采集，并將采集的圖像信息輸出至fpga；主控板6輸出指令至氣閥，控制噴嘴7動作。

一種基于單相機的分選機物料三維尺寸快速測量方法，具體包括以下步驟：

(1)、對測量系統進行標定，即依照測量所需的直角坐標系對測量系統的各個裝置進行精準的安裝，如圖1-3所示，同時設置工業相機4的工作參數；

(2)、當由皮帶傳送裝置傳送的物料3剛接觸一字線激光器5所投射的一字線激光時，工業相機4記錄下當前所采集到的圖像的像素點的位置，即為物料3剛接觸一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號；

(3)、當皮帶傳送裝置傳送的物料3經過一字線激光器5所投射的一字線激光時，由皮帶傳送裝置的運行速度、工業相機4的幀頻和像元尺寸的大小計算出物料3的寬度(即同一行物料3與背景的兩個分界點之間的像素個數與像元尺寸乘積的大小)，由物料3的三維幾何關系，計算出物料3的高度，具體過程如下：

當物料3前進到一字線激光時，建立如圖4所示的坐標系，其中x軸為物料的移動方向，y軸為基準線所在位置，z軸為平行于工業相機4的光軸，弧線bcd即為投射在物料3上產生畸變的激光，ab和de為投射在傳送帶2上未發生畸變激光；

過弧線bcd的點c向平面xoy作垂線ch交于h點，則ch⊥ho，由空間幾何知識可以證明角α即為一字線激光入射面與平面xoy的夾角，α＝45°，通過工業相機4采集圖像，然后經過圖像處理獲得點h和點o所在像素點的行號，根據公式(1)，計算出坐標系下線段ho的實際長度：

|ho|＝|l0-lε|×p×m(1)

其中，l0為基準線在圖像中所在像素的行號，lε為照射在物料3上的一字線激光在圖像中所在像素的行號，p為像元尺寸的大小，m為鏡頭的光學放大倍率；

線段ch的長度即為物料3上點c的高度，根據公式(2)計算出，其中α＝45°：

(4)、由皮帶傳送裝置傳送的物料3逐漸經過一字線激光器5所投射的一字線激光，按照步驟(3)即可計算出物料3的任意一點高度；

(5)、當由皮帶傳送裝置傳送的物料3離開一字線激光器5所投射的一字線激光時，工業相機4記錄下當前所采集到的圖像的像素點的位置，即為物料3離開一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號，結合步驟(2)中記錄的物料3剛接觸一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號和像元尺寸的大小計算出物料3的長度l，公式如下：

l＝(物料離開一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號–物料剛接觸一字線激光時所采集圖像中所在像素點的行號)×p(3)

其中，p為像元尺寸的大小p；

根據上述步驟可以得到物料3的三維尺寸數據，根據物料3的三維尺寸數據并通過處理得到要篩選物料的尺寸范圍，即分選信號，輸送至主控板6；

由于上述步驟的實際處理計算過程中均是在工業相機4的fpga中完成的，因此能夠快速得到物料3的三維尺寸數據；

(6)、主控板6根據分選信號，輸送指令至氣閥，控制噴嘴7動作，在物料3隨皮帶傳送裝置前進的下一步對物料3進行分選。

本發明中，fpga的型號為ep4ce55f23i7，具有高性能、低功耗的特點。

cmos圖像傳感器的芯片的型號python300，具有高敏感度、低功耗、高分辨率的特點。

工業相機4懸置于皮帶傳送裝置出料端的正上方，正對于一字線激光照射在皮帶傳送裝置出料端的表面所在的區域，且與一字線激光器5之間的夾角為45°。

一字線激光器5的型號為hsgd16-650alx。

以上所述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。