基于CCD传感器的香菇动态去根系统

高汉斌， 吕浩杰， 韩现伟， 张 镭

(河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004)

0 引 言

当前，香菇去根设备大都采用固定剪切的方式去除菇柄，保留菇盖，而处于菇柄下端的菇根，由于生长位置不同、长度各异，较难实现自动分离，造成资源浪费[1]。针对当前香菇剪脚机的局限性，本文设计了一种基于图像处理和可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC )控制的香菇自动去根系统。通过图像处理技术检测流水线上香菇的根部形态，由PLC控制步进电机驱动旋转刀片到达准确位置，从移动的香菇上剪除菇根。

以数字图像处理为核心的机器视觉检测方法因其检测效率高、精度高、信息丰富等优点已经在工农产品领域得到了广泛应用[2～4]。本系统通过图像识别方法提取香菇菇根轮廓特征，经计算获得菇根剪切位置。

PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、维护方便、功能完善、适于恶劣环境等特点，在工农业生产控制领域应用十分广泛[5～7]。本系统使用PLC作为下位机，实现对多台步进电机的实时控制。

1 系统总体设计

香菇自动去根系统包括电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)传感器和光电开关组成的检测单元、工控机和PLC组成的控制单元、步进电机和去根旋转刀片组成的执行单元。

1.1 系统硬件组成和设计

香菇自动去根系统组成，如图1所示。由于自动化线后端设有自动去柄机构，因此，前端去根系统采用以工控机和PLC组成的控制单元为核心的开环控制，上位机为研华公司ACP—4000/IPC—610—H系列工控机，下位机为三菱FX2N—32MT系列PLC。该PLC拥有2个高速脉冲输出端口，编程口可以直接用作通信口，传输协议为串口通信协议，传输速率为9 600 bit/s，采用偶校验[8～12]。CCD传感器选用深圳京航科技JHSM120bf—E系列摄像头,总像素120万，分辨率为1 280×960，最高帧率29.4 帧/s，最短曝光时间34 μs，由光电开关触发摄像头拍照。步进电机滑台模组驱动装有2个圆形旋转剪切刀片的去根工作平台上下移动。

图1 系统结构

1.2 系统工作流程

系统开机，进行初始化，工作平台回到预设原点位置。当有香菇经过光电开关时，PLC触发CCD摄像头拍照，实时将图片信息送入工控机，经图像处理和比较分析后，获取菇根剪切位置信息，并转换为步进电机行进方向和脉冲数，当第一个香菇触发光电开关，上位机将步进电机行进方向和脉冲数直接经RS—232C端口送入PLC，PLC以此控制去根工作平台提前到达剪切位置，当香菇经过工作平台，自动去除菇根；之后的香菇触发光电开关时，则计算与上次香菇触发时间间隔，系统以此计算上位机向PLC发送数据的延时，以便自动化线上排列的香菇能够顺序剪切。一个工作流程完成后，系统等待下一个触发信号，并重复以上过程直到系统关闭。具体工作流程如图2所示。

图2 工作流程

2 图像处理与数据计算

2.1 图像处理

图像处理采用边缘检测算法，经图像处理后的香菇菇根如图3(a)所示。使用OpenCV中的findContours(immorph,contours,CV_RETR_EXTERNAL,CV_CHAIN_APPROX_NONE)函数提取图形轮廓，rectangle(dst,dstRect,CV_RGB(0,255,0),2)函数根据图形轮廓画出矩形框，line(dst,Point(0,ROIsy)，Point(dst.cols-1,ROIsy)和CV_RGB(255,0,0),2)函数获取菇根剪切位置。图像处理过程中，以图片左上角为坐标原点(0,0)，得到2个数据：m-deltaH为菇根长度对应的像素值，CutPosY为菇根剪切位置在图片中对应的像素值，如图3(b)所示。

图3 图像处理

2.2 数据计算

图像处理获得香菇根部信息为像素值，下位机通过脉冲数控制步进电机转动，因此，需要将像素值转换为脉冲数。脉冲数与像素值之间转换关系为

(1)

式中pusle_n为脉冲数；Distance为去根平台位移，与菇根切除位置像素值有关，mm；n为步进电机驱动器细分数；θs为步进电机步距角，文中取1.8°；b为滑台行程，mm/r；Y为图像高度像素值，系统所用CCD传感器像素值为960；c为图像高度，mm。

由于自动化线上CCD传感器与去根平台相隔一段距离，因此，串口数据需要延时传输，延时时间可表示为

Time_Delay=(d-m_Distance)/Speed

(2)

式中d为CCD传感器与切根平台距离；Speed为自动化线线速度，由光电编码器测得；m_Distance为两相邻香菇间距

m_Distance=(T[i]-T[i-1])×Speed×

1 000/m_nFre.QuadPart

(3)

式中T[i]和T[i-1]分别为当前和前一个香菇触发光电开关时间，触发时间由高精度时控函数QueryPerformanceCounter(&m_nBeginTime)获得；m_nFreq.QuadPart为时钟频率，由函数QueryPerformanceCounter(&m_nFreq)获得。

3 PLC程序设计

由于自动化线上两相邻间距较近，且菇根位置不同，因此，需要去根平台的步进电机在不失步[13～17]的情况下以较快的速度启动和停止。去根平台电机为两相步进电机，在保证电机不失步的情况下选用2种启动方式：用于行程较短情况的不带加速过程的低速运行模式；用于行程较长情况的带加速过程的高速运行模式。步进电机PLC控制程序如图4所示，当去根平台移动所需脉冲数大于200时，继电器M50闭合，执行PLSR指令，高速脉冲端口输出最高频率达3 300 Hz的脉冲信号，加速时间为50 ms；当所需脉冲数小于200时，继电器M51闭合，执行PLSY指令，PLC高速脉冲端口输出固定频率为1 500 Hz的脉冲信号。实现去根平台电机在不失步的前提下切刀快速上下移动。

图4 步进电机的速度选择

4 系统测试

为了全面检验系统的准确性与稳定性，随机选取300个香菇进行测试，实验选用香菇长度随机分布在47.64～84.67 mm之间。实验结果如图5所示，其中横坐标为切除菇根长度与实际菇根长度的差值，纵坐标为处于同一误差范围内的香菇数。

图5 误差分析

由图5可以看出，菇根剪切误差分布在-0.6～0.6 mm之间，其中，误差值在-0.17 mm和-0.11 mm之间的香菇数为27个，达到最大，整体误差分布曲线基本符合正态分布。由统计学知识计算可得，加工误差期望为0.025，方差为0.079，加工过程中误差主要集中在-0.3～0.25 mm之间，能够满足香菇加工要求。本系统误差主要来自于2方面：脉冲数值UNIT1计算时由浮点型转换为整型，误差最大为0.06 mm；流水线运行震动引起的随机误差。

5 结束语

设计系统为基于图像处理和PLC控制技术的香菇去根自动化线，能够快速、准确完成自动化线上香菇根部的动态去除。实际应用中，由于脉冲计算误差和设备震动冲击影响，香菇根部理论去除长度和实际去除长度存在一定误差，平均误差为2.5 %，实际生产中，能够完全去除菇根，不影响去除效果。基于图像处理和PLC的香菇自动去根系统解决了菇根分离加工的实际难题，提高了香菇加工质量和加工精度，符合现代农副产品加工需求，具有广阔的市场应用前景。