基于颜色传感器的流水线物品分拣系统

潘泽锴， 朱雪花， 陈俞文

(广西职业技术学院， 南宁 530226)

在智能制造的背景下，工业流水线、快递自动化分拣个性化的要求越来越多，应用场景不断增多，需求人数和工作强度不停增大，在产业不断升级改造的国家大环境中，在提高产品质量的同时需要减少用工需求，减轻一线工人劳动强度。随着互联网的不断发展，为物品分拣技术注入新的活力，利用人工智能思维改变依赖人力来完成货物分拣过程是未来发展的重要方向，使得设计精确、高效、安全的流水线物品分拣系统简单可行[1]。本文依赖互联网思维，设计一个可以将色彩不同的物品进行分类并且搬运到指定位置的分拣，完成一种基于颜色识别的智能的流水线实现智能分拣的装置。装置针对流水线上的物品相对固定，同样物品的色彩变化不大，而且流水速度可控，改进传统流水线分拣系统的用途和使用权限，利用物联网和移动互联网技术，设计并完成智能自动分拣系统，实现基于颜色传感器的流水线物品分拣系统，从而有效地节约资源和人力[2]。

1 系统整体设计

1.1 系统功能设计

一般在工业流水线上，生产的物品相对固定，品种相对有限，适合建立个性装置统一物品色彩背景，而求流水线速度可控，可根据识别速度分别调节，设计采用相对简单可行的颜色传感器进行颜色识别，相对于摄像头设备不论是硬件成本，还有软件开发难度方面考虑都具有明显优势[3]。设计的系统具有以下功能：①通过人工启动流水线开关以及将物品放上流水线上后开始工作，以流水线方式进行物品分拣；②当丝杆滑台传送物体传送到颜色传感器位置时，颜色传感器识别是物品种类时，丝杆滑台推动把物体传送至对应分拣柜，通过继电器控制门口打开，使其物体掉落至对应分拣柜；③设计物品颜色识别算法，使得物品分拣的准确率在可以接受的范围之内；④完成物品分拣的软件设计与实现，实现对分级物品的统计和信息化管理。

1.2 颜色传感器优化算法设计

在测试现场颜色传感器回传数据只能获取到物体的RGB值的变化情况，由此建立起来的RGB模型受环境影响较大，从现场测试的结果看来这样的算法模型识别率较低、错误率较高。为此，设计从获取到的RGB值向描述颜色特性的色调、饱和度和亮度过渡，建立起与色调(H)、饱和度(S)、亮度(I)的转换关系，构建HIS颜色模型，用H、I、S3个参数的值作为控制参数使得系统更加稳定，提高了流水线物品的识别效率，降低了识别的错误率，使得模型收到环境干扰强度明显减弱。

根据上述思想，设计实现RGB颜色模型到HIS模型的转变，从HIS模型出发判断出流水线物品所属的颜色属性区间。首先，对RGB的值做归一化处理，从颜色传感器获取回来的RGB出发进行转换，得出的归一化r、g、b的转换关系如下：

(1)

上述数学模型中，R、G、B的值归一化处理后，和r、g、b的区间都是[0,1]，而且

r+g+b=1

(2)

在HIS平面三角形等式中，上式包含在其求解过程当中。在HIS模型中要求对各个分量进行求解，对于上述任意的R、G、B值都先进行归一化处理后，在HIS模型中，对亮度I定义为

(3)

上式得出一个I∈[0,1]范围内的值。然后求解色调H和饱和度S，即

(4)

(5)

在上述表达式中HIS的取值范围都有限制，其中，H∈(0，180°)，I∈(0，255)，S∈(0，255)，根据上述计算得到的颜色的H、S、I的数值，将其与代表各种色系的H、S、I取值范围进行综合比较，即可判定分拣物品所属的颜色区间，H、S、I3者固定，分类查找对所属物体进行判定[4-5]。

根据H和S的特征值分布特点，按照各人分拣物品颜色区间分类可实现对物体多种颜色样本的图像分类，具体取值范围保存在数据库中。此外，由于H和S受光照强度的影响较小。因此，系统选用了基于HIS模型的物体颜色识别算法。

2 硬件设计

在硬件设计中，根据系统设计的功能，使用各类型传感器完成数据的参与控制工作，控制系统硬件结构如图1所示。

图1 自动分拣系统硬件设计框架图

1)颜色传感器。颜色传感器主要是现实对流水线的物品实现RGB数据的获取，准确地获取颜色值，为后期的数据处理提供数据支撑。

2)光敏传感器。光敏模块能够通过无线通信和信息机进行人机交互，信息能够实时采集环境中光线变化，当分拣物体经过特定位置的时候判断物体位置，从而实现对应操作。

3)继电传感器。无线继电器模块能够通过无线通信和信息机进行人机交互，信息机能够实时控制分拣门打开与关闭。

4)丝杆滑台。实现流水线物体的传动，编写特定的程序规划其运动轨迹。

5)信息机控制终端。带嵌入式操作系统和各类型接口的可编程控制设备。

利用传感器技术和移动编程技术设计了自动分拣系统。在整个硬件系统中，起到核心作用的是安装嵌入式操作系统的信息机终端控制系统，各个执行单元是带电路驱动装置的终端设备，而各类型传感器是控制命令传输的载体，在设计中还要注意电气传动装置与信息机控制终端两个不同系统的数据交互。整个系统硬件设计简单合理，在现实中易于实现，同时也为软件设计完成提供便利条件[6]。

3 软件设计

软件设计是自动分拣系统的核心，硬件的驱动思想最终还是由软件编程来实现。该自动分拣系统软件设计流程如图2所示，该分拣系统软件的实现是基于硬件电路来设计的，软件的设计分为主程序设计和子程序设计。

图2 物品分拣软件设计流程

其中子程序设计包括了光敏识别单元、继电器单元、颜色传感器单元，并通过分布实现功能的方法来设计软件。主程序的设计主要是对颜色传感器获取数据的处理，及其控制分拣命令发送，本软件设计基于Android系统开发环境搭建，通过配置和调试来达到控制模块目的，在电脑上编译后安装到开发板中，即可实现自动分拣过程；除此之外，软件实现还包括分拣物品信息统计与管理，实现系统物品的信息化管理。

4 系统测试

4.1 硬件测试

自动分拣装置由识别机构(图3)、处理机构、分拣机构3部分组成，识别机构主要是检测到的物体后，使传送带把物品推到指定位置和装置的运行指示，加入物体看颜色传感器是否检测到，检测到后传送带能否把加入的物体推到指定工位，如不能，原因很可能是安装位置不当造成的。装置中的门锁的动作速度都能通过调节。搬运机构主要是传送带组成。分拣机构主要对物体进行分拣，检测到物体时，传送带能否快速准确地将物料推入指定料槽。由于3个部分为一个整体，正确合理的安装位置才能使得各机构可靠运行。

图3 颜色识别装置模块

测试时，在通电状态下的颜色传感器检测头前方的传送带上放置物体，调整传感器位置，恰好满足传感器能识别物品距离，该位置即为传感器对物品的检出点。当颜色传感器识别物品信号后，由传送带传送到指定位置，继电器传感器控制开关，该位置即为传感器对物体的分拣点。在系统设计中物品的传送采用丝杆滑台实现，丝杆滑台具有运行稳定，定时准确，运行位置精确的特点，很适合系统的精确定位和分拣，如图4所示。

图4 传感器数据采集与终端控制设备联动

4.2 系统软硬件结合测试

在系统软件结合硬件测试的过程中，设计系统软件初始化页面如图5所示。当颜色传感器检测到物体时，传送带将物体传送至其下的门锁，继电器传感器将其门锁解锁，是物品脱离传送带，依次类推，将3种物体进行分拣，当物体分拣完成后，结束工作。

图5 系统软件初始化页面

因为物品在不同的角度和颜色参数的范围有所变化，通过颜色优化算法之后，物品还需要经过简单的训练学习才能确定物品准确的波动范围，在这个过程中要对物品的颜色波动范围进行调整，具体页面如图6所示。经过颜色参数波动范围调整，可以测试功能都处于正常状态，包括传感器的功能也处于正常状态，未出现偏差，可以进行流水线物体与参数的绑定。其中包括颜色传感器检测到物体后给出的信号正常、继电器传感器检测到物体后给出信号正常，在系统的软件和硬件都处于正常状态，可以进行其他功能的测试。

图6 颜色识别波动范围调整页面

要分拣的物品通过颜色识别传感器和颜色识别优化算法已经保存在本地数据库中，当物品再次进入分拣系统的时候和数据库数据进行比较，数据在特定的范围内即可识别出是那个物品，识别成功如页面图7所示。

图7 物品识别展示页面

通过系统可是识别到物品信息后，可以对经过系统的物品进行统计工作，这么中可以方便管理这里知道物品数量情况，可以以图表的方式输出，为后期管理工作提供很大的便利，物品信息统计页面如图8所示。

图8 识别物品信息化管理页面

基于颜色传感器的流水线物品分拣系统采用嵌入式系统进行控制，能连续、批量地分拣流水线货物，分拣货物的正确率有所提高。系统软件很好的实现硬件功能，同时加入对分拣物品信息的统计，为分拣物品的信息化管理打下基础。整个软件设计简单可行，受场地因素影响不大，利用向其他领域的推广应用。

5 结语

针对流水线上的物品相对固定，同样物品的色彩变化不大，而且流水速度可控，设计采用相对简单可行的颜色传感器进行颜色识别，相对于摄像头设备不论是硬件成本，还有软件开发的方面考虑都具有明显优势，加入颜色识别处理算法，提高识别的准确率，对分拣物品进行分类统计，实现分拣系统物品信息化管理，建立基于颜色传感器的流水线物品分拣系统，可移植性强，经过简单的改造可以应用在其他领域。