专利名称：烟把智能定位方法
技术领域：
本发明涉及烟草生产领域，尤其是烟草生产环节中烟叶解把时的烟把智能定 位方法。
背景技术：
烟叶复烤是烟叶从农产品转变到工业生产原料的一个整理和准备性的加工 过程，是烟草整体加工中非常重要的环节。烟叶复烤是在烤烟生产(初烤)的基础 上形成的，同时烟叶复烤作为一个产业并逐步发展到规模化和工业化，是与较大 规模的烟叶商品化和巻烟的工业化密不可分的，这些都是复烤工业产生和发展的 重要条件。
烟叶解把，是烟叶复烤的重要环节，随着烟草生产设备自动化水平的不断提 高，更多的新型解把机投入生产中。为解决打叶复烤过程中加工较长烟叶时，烟 叶相互缠绕及与设备相缠绕造成预处理段堵料和后续分料不均匀、故障停机次数 多、设备有效运行率低等问题， 一般都采用从烟把中部切断的工艺进行生产。为 克服工人人工摆把位置不精确，致使烟把切割位置不准的缺点，需要进一步改进 解把设备。
烟叶及其烟梗部分的面积、长度比例，是烟叶质量的一项重要指标。以往获 得烟叶面积，主要由人工计算完成，计算复杂、工作量大。在以往的烟叶加工解 把生产线上，工人将烟把按位置摆放在传送带上，由切刀将烟把切割为烟梗和烟 叶两部分，切刀切割的位置，完全由工人摆把的位置决定，缺乏科学性，另外， 生产线运作过程中，为提高生产效率，工人摆把的速度较快，很难保证摆把位置 的合理性，从而降低了烟叶加工质量。关于烟叶精确切割的问题，国内此前尚无 有关发明，此项技术的空缺，不仅加大了工人劳动强度，降低劳动生产率，更在 一定程度上限制了烟叶加工质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种烟把智能定位方法，以达到减轻工人摆把负担，提 高工人的劳动生产率，提高切割烟把时定位烟梗位置的精确度，实现叶、梗精确
5切割，以及克服打叶时烟把相互缠绕及与设备缠绕而造成的堵料、物料流量不均 匀、故障停机多、设备有效作业率低等问题的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
烟把智能定位方法，其特征在于包括以下步骤-
(1) 设置静态烟叶样本测量系统，包括检测柜，所述检测柜的底板的上方 设置有恒定光源及面阵式摄像机，所述面阵式摄像机上电连接有与之配套的数字 捕捉卡，还设置有计算机，所述计算机与所述数字捕捉卡电连接；
(2) 在底板上铺放亮度均匀的白纸，进行不平度校正，以弥补恒定光源照 度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差异，使得面阵式摄像机实时获 取的图像均匀清晰；使用面阵式摄像机对放置有白纸的底板进行拍摄，并将图像 信号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机建立起关于底板颜色、亮度等特征 的底板特征库；
(3) 在底板上放入烟叶样本，使用面阵式摄像机对烟叶进行拍摄，并将烟 叶样本的图像信号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机中对烟叶样本的图像 进行二值化处理，并与步骤(2)建立的底板特征库进行对比以区分烟叶样本与 底板，分离出烟叶样本的图像数据，并对图像数据进行简化；
(4) 在计算机中对步骤(3)中二值化后的烟叶样本的图像进行平移处理， 摄像机采集图像中心与四周像素点的大小是不一致的，将烟叶样本的二值化图像 平移到中心位置，有利于减小测量误差，烟叶样本可以在检测柜中按任意角度摆 放，在计算机中采用图像旋转算法，找到烟叶样本图像上距离最远的亮点来确定 烟叶样本长度，最后利用像素单位面积与烟叶图像像素个数的乘积得到烟叶样本
的面积；
(5) 利用步骤(4)所得到的烟叶样本的面积，参照实际的烟梗与烟叶的面 积比例，在计算机中通过计算得到烟叶样本中烟梗与烟叶的长度比例，并取多片 烟叶样本进行测量，得到多个烟叶样本的烟梗与烟叶长度比例，最后在计算机中 通过计算得到烟梗与烟叶长度比例的平均值；
(6) 设置动态烟把定位系统，所述传送带上方设置有恒定光源及线阵式摄 像机，所述传送带末端设有切刀，所述线阵式摄像机上电连接有图像采集卡，设 置工控机，所述工控机与所述图像采集卡电连接，还设置有机械定位系统，所述机械定位系统包括交流伺服电机、与交流伺服电机配套的交流伺服驱动器、与交 流伺服驱动器电连接的MPC08运动控制卡、由交流伺服电机驱动的多个机械手， 所述MPC08运动控制卡还与所述工控机电连接，所述机械手上设置有接近式传 感器，所述接近式传感器与所述MPC08运动控制卡电连接；
(7) 首先在传送带静止的状态下，在摄像机视野范围内铺上白纸，进行不 平度校正，以弥补恒定光源照度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差 异，开启传送带，此时传送带上未放置烟把，使用线阵式摄像机对传送带进行拍 摄，并将拍摄到的图像经过图像采集卡传输至计算机，在计算机中建立起关于传 送带的颜色、亮度等特征的传送带特征库；
(8) 将待定位的烟把放置在传送带上，烟把随着传送带运动，使用线阵式 摄像机对传送带上的烟把进行扫描，扫描后的图像信息通过图像采集卡传输至计 算机，在计算机中对烟把图像进行二值化处理，并与步骤(7)建立的传送带的 特征库进行对比以区分烟把与传送带，分离出烟把的图像数据，并简化图像数据， 通过处理烟把的图像数据，得到烟把的数目、单个烟把中烟梗的宽度、单个烟把 的中心位置和单个烟把的最大长度，在计算机中采用双缓存、双数组，并对采集 到的烟把图像进行状态分析和，以避免由于扫描图像的随机性，得到半个烟把 的图像数据的问题；
(9) 启动交流伺服驱动器、交流伺服电机及MPC08运动控制卡，并对机 械手位置进行初始化，控制机械手，使机械手抓住烟把；
(10) 在计算机中根据线阵式摄像机与切刀的距离及线阵式摄像机所扫描到 的烟把图像的桢内延时，计算得到机械手定位的延时时间，根据步骤(8)所达 到的烟把最大长度及步骤(5)得到的烟叶中烟梗与烟叶长度比例的平均值，计 算得到机械手将烟把摆放的位置坐标，根据步骤(8)得到的烟把的中心位置， 计算得到机械手的推进位置坐标，并将械手定位的延时时间、烟把摆放的位置坐 标及机械手的推进位置坐标等运动控制参数传输给MPC08运动控制卡，计算机 通过MPC08运动控制卡，控制机械手，对烟把实施定位；
(11) 机械手将烟把摆放及推进到合适位置后，启动切刀对烟把进行切割。 所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(1)中，面阵式摄像机
采用DH-SV1300FC数字彩色摄像机，计算机采用研华TPC6000-158真彩LCDCN工控机。
所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(6)中，线阵式摄像机 采用BASLER L301kc型号线阵式摄像机，图像采集卡采用PIXCI CL1图像采 集卡，工控机采用研华AWS6000-170 17 "真彩LCD工控机。
所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(1)及步骤(6)中的恒 定光源采用镇流器与日光灯管组合的光源。
本发明涉及的烟把智能定位方法，能在工人摆把后，校正烟把位置，减轻工 人摆把负担，提高工人的劳动生产率。切割烟把时能精确定位烟梗位置，实现叶、 梗精确切割。切割后的烟叶和烟梗分别送入不同的设备进行加工，叶、梗的精确 分割，克服了打叶时烟把相互缠绕及与设备缠绕而造成的堵料、物料流量不均匀、 故障停机多、设备有效作业率低等问题。
图1为本发明静态烟叶样本测量系统结构框图。
图2为本发明动态烟把定位系统结构框图。
图3为本发明机械定位系统结构框图。
图4为本发明静态测量烟叶样本的方法流程框图。
图5为本发明动态定位烟把的方法流程框图。
图6为本发明机械定位系统工作原理框图。
具体实施例方式
烟把智能定位方法，包括以下步骤 (1)如图1。设置静态烟叶样本测量系统，包括检测柜，所述检测柜的底 板的上方设置有恒定光源及面阵式摄像机，恒定光源采用镇流器与日光灯管组合 的光源，面阵式摄像机采用DH-SV1300FC数字彩色摄像机，所述面阵式摄像机 上电连接有与之配套的数字捕捉卡，还设置有计算机，计算机采用研华 TPC6000-158真彩LCD工控机，所述计算机与所述数字捕捉卡电连接；烟叶样 本在光源的照射下，反射并被捕捉到面阵式摄像机，经过数字捕捉卡转换为数字 式图像信号，写入计算机内存。数字捕捉卡同时起到计算机与面阵式摄像机的联 络作用，并且能够设置和修改面阵式摄像机的参数。计算机由程序控制，是静态 烟叶样本测量系统的核心部分。普通光源，经面阵式摄像机在图像监视器上观察会发生剧烈的滚动。此外， 因光源照度的不均匀，产生输出图像在不同位置的幅度也会不同。本发明采用高 频镇流器与日光灯管组合而成的光源，通过这项直流电源变频技术，基本上在监 视器中观察不到滚动和抖动现象，形成了一个近似无影的均匀、稳定、无闪烁且 足够亮的图像采集照明区域。
面阵式摄像机和数字捕捉卡用来捕捉图像，和获取图像数据，并将图像数据 传送给计算机。为更好区分烟叶与背景，使用DH-SV1300FC数字彩色摄像机及 配套数字捕捉卡，具有高分辨率、高精度、高清晰度、低噪声、色彩还原好等特 点，保证图像数据有效采集。
计算机采用研华TPC6000-158真彩LCD工控机，支持触摸屏控制方式，配 置较高且性能稳定，能够满足静态测量实时处理要求。
此外，检测柜底板采用蓝色、低反光率材料制成，有利于提高物料与背景的 对比度，并减少背景反光对图像处理的影响。
(2) 如图4。在底板上铺放亮度均匀的白纸，进行不平度校正，以弥补恒 定光源照度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差异，使得面阵式摄像 机实时获取的图像均匀清晰；使用面阵式摄像机对底板进行拍摄，并将图像信 号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机建立起关于底板颜色、亮度等特征的 底板特征库；
(3) 在底板上放入烟叶样本，使用面阵式摄像机对烟叶进行拍摄，并将烟 叶样本的图像信号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机中对烟叶样本的图像 进行二值化处理，并与步骤(2)建立的底板特征库进行对比以区分烟叶样本与 底板，分离出烟叶样本的图像数据，并对图像数据进行简化；
(4) 在计算机中对步骤(3)中二值化后的烟叶样本的图像进行平移处理， 摄像机采集图像中心与四周像素点的大小是不一致的，将烟叶样本的二值化图像 平移到中心位置，有利于减小测量误差，烟叶样本可以在检测柜中按任意角度摆 放，在计算机中采用图像旋转算法，找到烟叶样本图像上距离最远的亮点来确定 烟叶样本长度，最后利用像素单位面积与烟叶图像像素个数的乘积得到烟叶样本
的面积；
(5) 利用步骤(4)所得到的烟叶样本的面积，参照实际的烟梗与烟叶的面
9积比例，在计算机中通过计算得到烟叶样本中烟梗与烟叶的长度比例，并取多片 烟叶样本进行测量，得到多个烟叶样本的烟梗与烟叶长度比例，最后在计算机中 通过计算得到烟梗与烟叶长度比例的平均值；
(6)如图2、图3。设置动态烟把定位系统，包括传送带，所述传送带上方 设置有恒定光源及线阵式摄像机，恒定光源采用高频镇流器与日光灯管组合的光 源，线阵式摄像机采用BASLERL301kc型号线阵式摄像机，所述传送带末端设 有切刀，所述线阵式摄像机上电连接有图像采集卡，图像采集卡采用PIXCI CL1 图像采集卡，设置工控机，工控机采用研华AWS6000-170 17 "真彩LCD工控机， 所述工控机与所述图像采集卡电连接，还设置有机械定位装置，所述机械定位系 统包括交流伺服电机、与交流伺服电机配套的交流伺服驱动器、与交流伺服驱动 器电连接的MPC08运动控制卡、由交流伺服电机驱动的多个机械手，所述MPC08 运动控制卡还与所述工控机电连接，所述机械手上设置有接近式传感器，所述接 近式传感器与所述MPC08运动控制卡电连接；烟把在恒定光源的照射下，反射 并被捕捉到线阵式摄像机，经过数字捕捉卡转换为数字式图像信号，写入工控机 内存。数字捕捉卡同时起到工控机与线阵式摄像机的联络，设置和修改线阵式摄 像机参数。工控机由程序控制，是动态烟把定位系统的核心部分。
光源照度的不均匀，会导致输出图像在不同位置的幅度不同。在建立物料库 的过程中，信号幅度的变化范围增加了对应物料库的体积；光源照度的稳定性下 降，会造成图像幅度随时间抖动。这一现象的产生原因主要是光源频率的影响， 例如50Hz日光灯经摄像机在图像监视器上观察发生剧烈的滚动。因此，光照单 元要求有比较均匀的光照性。同时，由于交流对系统检测时的频率干扰，亦选用 直流供电光源。本发明采用高频镇流器与日光灯管组合而成的光源，通过这项直 流电源变频技术，基本上在监视器中观察不到滚动和抖动现象，形成了一个近似 无影的均匀、稳定、无闪烁且足够亮的图像采集照明区域。
采用德国BASLER公司生产的BASLERL301kc型号线阵式摄像机，其集合 了德国BASLER公司对于数字摄像机的所有通用设计。这种Tri-linear摄像机为 工业用户实现彩色线扫描应用提供了一种低成本方案。选用大型尼康镜头，对于 传感器的长度为2048(2K)的摄像机来说，不至于遮蔽或影响传感器的正常影像 感光，产生显著的暗淡、灰度不均匀的不良成像效果；其8bitRGB的数据输出格式，能够方便对图像进行数据存储及处理；摄像机能够通过计算机进行曝光控 制及同步方式，极大的方便了对系统的自动化控制。
采用由美国EPIX公司生产的，具有Base Camera Link接口规范的 PIXCI⑧CL1图像采集卡，图像采集卡将摄像机采集的图像传送给计算机作进一 步处理。本采集卡每行采集最大4,096像素每帧最大65535行，系统实际行设计 行扫描2000像素，行周期0.8ms，满足图像采集的实时性要求。
工控机采用研华AWS6000-170 17 "真彩LCD工控机，32位真彩色显示体 统能够实时检测烟把状态，支持触摸屏控制方式。计算机系统完成人机交互、参 数设置、烟把状态智能识别及控制机械控制单元等功能。这款工控机配置较高且 性能稳定，能够满足静态测量实时处理要求。
机械定位系统主要由交流伺服电机、交流伺服驱动器、运动控制卡、机械手 和接近式传感器组成，其总体结构参见图3。工控机将推进距离和延时时间等参 数传给运动控制卡，控制卡以脉冲的形式将定位参数传给伺服驱动器，交流伺服 电机连接机械手完成烟把定位。
烟把定位要求速度快、精度高。交流伺服系统控制精度高，低频特性和矩频 特性较高，各项性能均优于步进电机。采用交流伺服系统，有利于烟把的准确、 实时定位。
MPC08运动控制卡提供了功能强大的运动控制函数库，并可以充分利用PC 机现有的资源来控制电机运动模式。MPC08运动控制卡最高输出频率可达 4.0MHz，有利于烟把的准确、实时定位。
机械手是直接对烟把进行操作的定位装置，采用接近式传感器对机械手进行 限位控制，避免机械手超出规定运动范围。采用非接触式传感器，减少了机械摩 擦以及变形等因素，动作稳定。
(7) 如图5、图6。利用在传送带上铺白纸进行不平度校正，以弥补恒定光 源照度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差异，开启传送带，此时传 送带上未放置烟把，使用线阵式摄像机对传送带进行拍摄，并将拍摄到的图像经 过图像采集卡传输至计算机，在计算机中建立起关于传送带的颜色、亮度等特征 的传送带特征库；
(8) 将待定位的烟把放置在传送带上，烟把随着传送带运动，使用线阵式摄像机对传送带上的烟把进行扫描，扫描后的图像信息通过图像采集卡传输至计 算机，在计算机中对烟把图像进行二值化处理，并与步骤(7)建立的传送带的 特征库进行对比以区分烟把与传送带，分离出烟把的图像数据，并简化图像数据， 通过处理烟把的图像数据，得到烟把的数目、单个烟把中烟梗的宽度、单个烟把 的中心位置和单个烟把的最大长度，在计算机中采用双缓存、双数组，并对采集 到的烟把图像进行状态分析和，以避免由于扫描图像的随机性，得到半个烟把 的图像数据的问题；
(9) 启动交流伺服驱动器、交流伺服电机及MPC08运动控制卡，并对机 械手位置进行初始化，控制机械手，使机械手抓住烟把；
(10) 在计算机中根据线阵式摄像机与切刀的距离及线阵式摄像机所扫描到 的烟把图像的桢内延时，计算得到机械手定位的延时时间，根据步骤(8)所得 到的烟把最大长度及步骤(5)得到的烟叶中烟梗与烟叶长度比例的平均值，计 算得到机械手将烟把摆放的位置坐标，根据步骤(8)得到的烟把的中心位置， 计算得到机械手的推进位置坐标，并将机械手定位的延时时间、烟把摆放的位置 坐标及机械手的推进位置坐标等运动控制参数传输给MPC08运动控制卡，计算 机通过MPC08运动控制卡，控制机械手，对烟把实施定位；
(11) 机械手将烟把摆放及推进到合适位置后，启动切刀对烟把进行切割。
1权利要求
1、烟把智能定位方法，其特征在于包括以下步骤(1)设置静态烟叶样本测量系统，包括检测柜，所述检测柜的底板的上方设置有恒定光源及面阵式摄像机，所述面阵式摄像机上电连接有与之配套的数字捕捉卡，还设置有计算机，所述计算机与所述数字捕捉卡电连接；(2)在底板上铺放亮度均匀的白纸，进行不平度校正，以弥补恒定光源照度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差异，使得面阵式摄像机实时获取的图像均匀清晰；使用面阵式摄像机对放置有白纸的底板进行拍摄，并将图像信号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机建立起关于底板颜色、亮度等特征的底板特征库；(3)在底板上放入烟叶样本，使用面阵式摄像机对烟叶进行拍摄，并将烟叶样本的图像信号通过数字捕捉卡传输至计算机，在计算机中对烟叶样本的图像进行二值化处理，并与步骤(2)建立的底板特征库进行对比以区分烟叶样本与底板，分离出烟叶样本的图像数据，并对图像数据进行简化；(4)在计算机中对步骤(3)中二值化后的烟叶样本的图像进行平移处理，摄像机采集图像中心与四周像素点的大小是不一致的，将烟叶样本的二值化图像平移到中心位置，有利于减小测量误差，烟叶样本可以在检测柜中按任意角度摆放，在计算机中采用图像旋转算法，找到烟叶样本图像上距离最远的亮点来确定烟叶样本长度，最后利用像素单位面积与烟叶图像像素个数的乘积得到烟叶样本的面积；(5)利用步骤(4)所得到的烟叶样本的面积，参照实际的烟梗与烟叶的面积比例，在计算机中通过计算得到烟叶样本中烟梗与烟叶的长度比例，并取多片烟叶样本进行测量，得到多个烟叶样本的烟梗与烟叶长度比例，最后在计算机中通过计算得到烟梗与烟叶长度比例的平均值；(6)设置动态烟把定位系统，包括传送带，所述传送带上方设置有恒定光源及线阵式摄像机，所述传送带末端设有切刀，所述线阵式摄像机上电连接有图像采集卡，设置工控机，所述工控机与所述图像采集卡电连接，还设置有机械定位系统，所述机械定位系统包括交流伺服电机、与交流伺服电机配套的交流伺服驱动器、与交流伺服驱动器电连接的MPC08运动控制卡、由交流伺服电机驱动的多个机械手，所述MPC08运动控制卡还与所述工控机电连接，所述机械手上设置有接近式传感器，所述接近式传感器与所述MPC08运动控制卡电连接；(7)首先在传送带静止的状态下，在摄像机视野范围内铺上白纸，进行不平度校正，以弥补恒定光源照度的不均匀而产生的输出图像在不同位置的幅度差异，开启传送带，此时传送带上未放置烟把，使用线阵式摄像机对传送带进行拍摄，并将拍摄到的图像经过图像采集卡传输至计算机，在计算机中建立起关于传送带的颜色、亮度等特征的传送带特征库；(8)将待定位的烟把放置在传送带上，烟把随着传送带运动，使用线阵式摄像机对传送带上的烟把进行扫描，扫描后的图像信息通过图像采集卡传输至计算机，在计算机中对烟把图像进行二值化处理，并与步骤(7)建立的传送带的特征库进行对比以区分烟把与传送带，分离出烟把的图像数据，并简化图像数据，通过处理烟把的图像数据，得到烟把的数目、单个烟把中烟梗的宽度、单个烟把的中心位置和单个烟把的最大长度，在计算机中采用双缓存、双数组，并对采集到的烟把图像进行状态分析和处理，以避免由于扫描图像的随机性，得到半个烟把的图像数据的问题；(9)启动交流伺服驱动器、交流伺服电机及MPC08运动控制卡，并对机械手位置进行初始化，控制机械手，使机械手抓住烟把；(10)在计算机中根据线阵式摄像机与切刀的距离及线阵式摄像机所扫描到的烟把图像的桢内延时，计算得到机械手定位的延时时间，根据步骤(8)所得到的烟把最大长度及步骤(5)得到的烟叶中烟梗与烟叶长度比例的平均值，计算得到机械手将烟把摆放的位置坐标，根据步骤(8)得到的烟把的中心位置，计算得到机械手的推进位置坐标，并将械手定位的延时时间、烟把摆放的位置坐标及机械手的推进位置坐标等运动控制参数传输给MPC08运动控制卡，计算机通过MPC08运动控制卡，控制机械手，对烟把实施定位；(11)机械手将烟把摆放及推进到合适位置后，切刀对烟把进行切割。
2、 根据权利要求1所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(1) 中，面阵式摄像机采用DH-SV1300FC数字彩色摄像机，计算机采用研华 TPC6000-158真彩LCD工控机。
3、 根据权利要求1所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(6)中，线阵式摄像机采用BASLER L301kc型号线阵式摄像机，图像采集卡采用 PIXCI CL1图像采集卡，工控机采用研华AWS6000-170 17 "真彩LCD工控机。
4、根据权利要求1所述的烟把智能定位方法，其特征在于所述步骤(1) 及步骤(6)中的恒定光源采用高频镇流器与日光灯管组合的光源。
全文摘要
本发明涉及的烟把智能定位方法，能在工人摆把后，校正烟把位置，减轻工人摆把负担，提高工人的劳动生产率。切割烟把时能精确定位烟梗位置，实现叶、梗精确切割。切割后的烟叶和烟梗分别送入不同的设备进行加工，叶、梗的精确分割，克服了打叶时烟把相互缠绕及与设备缠绕而造成的堵料、物料流量不均匀、故障停机多、设备有效作业率低等问题。
文档编号A24B7/00GK101653289SQ20091014496
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者博 吴, 吴先良, 冬 孙, 军 明, 彪 李, 新 王, 王小兵 申请人:合肥安大电子检测技术有限公司