一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统的制作方法

1.本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统。


背景技术：

2.随着机械自动化程度的不断提高，工厂中进行物料生产时，需要用到多头组合秤进行自动出料并完成定量包装。但由于部分物料的料体不规则，并且体积过大，如核桃、果冻等，如果同时放料，可能会在下料口形成堆积造成堵塞，所以需要分批下料。
3.在分批下料操作进行组合斗秤重时，由于各组合斗相互间隔一定时间才进行排放，并且其中各组合斗的间隔排放时间，都是人为经验调试或者是预设的参数，导致不能根据具体生产需求进行调整，或者在针对不同物料进行生产时，不同物料所对应的分批下料控制时间不同，不能直接以确定参数作为间隔时间。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统，所采用的技术方案具体如下：本发明一个实施例提供了一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统，该系统包括以下模块：图像采集模块，用于在集料槽上方以俯视视角采集多帧物料图像，所述物料图像中包括物料、集料槽出口以及集料槽壁；图像处理模块，用于获取相邻两帧物料图像的变化区域的二值图像，识别二值图像的多个连通域并得到对应的中心点坐标；获取每个连通域映射在所述物料图像上的图像部分区域；获取集料槽出口的圆心；位置近似性获取模块，用于以每个连通域作为目标连通域，获取目标连通域的中心点坐标与圆心之间的第一距离，以及目标连通域和其他连通域的中心点之间的第二距离；将第二距离小于第一距离的其他连通域作为目标连通域的备选同一连通域，获取备选同一连通域的中心点到目标连通域的中心点和圆心所成直线之间的第三距离，根据第三距离以及对应的所述第二距离获取目标连通域与备选同一连通域的位置近似性；匹配度获取模块，用于获取物料模板图像，将每个图像部分区域与所述物料模板图像作差，得到多个差值区域；以目标连通域在相邻两帧物料图像中的前一帧物料图像上的图像部分区域对应的差值区域作为第一差值区域，以任意一个备选同一连通域在后一帧物料图像中的图像部分区域对应的差值区域作为第二差值区域，通过将第一差值区域和第二差值区域进行模板匹配获取目标连通域与备选同一连通域的匹配度；自动控制模块，用于根据位置近似性、匹配度以及第二距离将所有连通域进行分组；获取每组的中心点与所述圆心之间的第四距离，以及每组的范围半径，根据所述第四距离和所述范围半径控制不同组合斗的下料间隔时间。
5.优选的，所述图像采集模块还包括：图像预处理单元，用于将所述物料图像进行灰度化得到灰度图像，并进行高斯滤波去噪算法进行图像预处理。
6.优选的，所述图像处理模块包括：二值图像获取单元，用于将相邻两帧物料图像的对应像素点的灰度值进行异或操作，使变化区域的灰度值为1，不变区域的灰度值为0，得到所述二值图像。
7.优选的，所述图像处理模块还包括：二值图像去噪单元，用于对每个像素点设置滤波窗口，统计滤波窗口内有值像素点的第一数量和零值像素点的第二数量，基于所述第一数量和所述第二数量获取每个像素点的噪声概率，将噪声概率大于预设阈值的像素点滤除。
8.优选的，所述图像处理模块还包括：圆心获取单元，用于通过对所述物料图像进行霍夫圆检测得到集料槽出口的边缘，然后获取该边缘的圆心。
9.优选的，所述位置近似性获取模块包括：位置近似性计算单元，用于计算所述第三距离以及对应的所述第二距离的乘积，将该乘积的相反数映射到0到1之间，得到的结果即为所述位置近似性。
10.优选的，所述自动控制模块包括：分组单元，以所述位置近似性和所述匹配度的乘积作为同一物料可能性，根据同一物料可能性获取两个连通域之间的距离权重，基于每两个连通域之间的所述第二距离和对应的距离权重的乘积将所有连通域进行分组。
11.优选的，所述自动控制模块还包括：范围半径获取单元，用于获取组内每个连通域中心点与组中心点之间的中心间距，以中心间距的最大值作为对应组的所述范围半径。
12.优选的，所述自动控制模块还包括：下料间隔时间控制单元，用于将每张二值图像对应的所有第四距离按照数值大小排序，并获取每两个相邻的第四距离之间的距离差异，将多张二值图像得到的距离差异的数量进行累计，当累计数量超过预设数量时，计算所有距离差异的平均值作为平均差异；获取所有第四距离对应的范围半径并求平均值作为平均范围，基于平均差异和平均范围获取调整指数；均匀缩短下料间隔时间，预先设定一个调整阈值，当调整指数小于调整阈值时，停止缩短下料间隔时间。
13.本发明实施例至少具有如下有益效果：获取相邻两帧物料图像的变化区域的二值图像，识别二值图像的多个连通域并得到对应的中心点坐标；获取每个连通域对应的图像部分区域；获取集料槽出口的圆心；以每个连通域作为目标连通域，获取目标连通域与备选同一连通域的位置近似性和匹配度；根据位置近似性、匹配度以及第二距离将所有连通域进行分组，进而控制不同组合斗的下料间隔时间。本发明能够自适应调节多头组合秤的不同组合斗的下料间隔时间，在保证不堵塞的前提下，以最快速度下料，提高组合秤的生产包装效率。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
15.图1为本发明一个实施例提供的一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统的系统框图。
具体实施方式
16.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
17.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
18.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统的具体方案。
19.请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种用于定量包装多头组合秤的自动控制系统的系统框图，该系统包括以下模块：图像采集模块100、图像处理模块200、位置近似性获取模块300、匹配度获取模块400以及自动控制模块500。
20.图像采集模块100，用于在集料槽上方以俯视视角采集多帧物料图像，物料图像中包括物料、集料槽出口以及集料槽壁。
21.图像采集模块包括图像采集单元110和图像预处理单元120。
22.图像采集单元110用于在集料槽上方以俯视视角采集多帧物料图像。
23.在集料槽上方安装相机进行图像采集，相机在集料槽出口的正上方，组合斗的出料口在相机周围，相机视角范围紧贴出料口，保证在物料出料时能够采集到物料图像。然后采集多帧物料图像，物料图像中包括物料、集料槽出口以及集料槽壁，不包括组合斗的出料口。
24.图像预处理单元120，用于将物料图像进行灰度化得到灰度图像，并进行高斯滤波去噪算法进行图像预处理。
25.灰度化和高斯滤波去噪均为公知技术，不再详细说明。
26.图像处理模块200，用于获取相邻两帧物料图像的变化区域的二值图像，识别二值图像的多个连通域并得到对应的中心点坐标；获取每个连通域映射在物料图像上的图像部分区域；获取集料槽出口的圆心。
27.图像处理模块200包括二值图像获取单元210、图像部分区域获取单元220以及圆心获取单元230。
28.二值图像获取单元210，用于将相邻两帧物料图像的对应像素点的灰度值进行异
或操作，使变化区域的灰度值为1，不变区域的灰度值为0，得到二值图像。
29.在多头组合秤工作时，其中一个组合斗在进行秤重并下料后，对应物料会降落在集料槽壁上，并滑向集料槽出口处，而物料图像是连续采集的，对于相邻帧物料图像，不同物料在下滑过程中可能会出现在相近位置处，不变区域可能是集料槽壁，也可能是不同物料下滑时物料的整体或者局部出现在同一位置。
30.对于第t帧图像和第t-1帧图像，将对应位置像素点进行异或操作，即相同为0不同为1，使灰度值发生变化的区域的灰度值为1，不变的区域的灰度值为0，实现图像二帧差法得到二值图像。
31.优选的，为了允许误差存在，计算对应位置像素点的灰度差值，当灰度差值大于预设的差值阈值时，说明灰度值发生变化，对应的灰度值为1；否则，说明灰度值未发生变化，对应的灰度值为0，得到二值图像。
32.进一步的，二值图像获取单元210还包括二值图像去噪单元211和连通域识别单元212。
33.二值图像去噪单元211，用于对每个像素点设置滤波窗口，统计滤波窗口内有值像素点的第一数量和零值像素点的第二数量，基于第一数量和第二数量获取每个像素点的噪声概率，将噪声概率大于预设阈值的像素点滤除。
34.以每个像素点为中心点设置3
×
3的滤波窗口，统计滤波窗口内有值像素点的第一数量和0值像素点的第二数量，然后计算每个像素点属于噪声的概率：其中，表示sigmoid函数，将一个实数映射到(0,1)的区间；表示场景参数，根据实际场景进行调整。
35.作为一个示例，在本发明实施例中场景参数的取值为0.5。
36.的值越大，说明滤波窗口内零值像素点的数量越多，有值像素点的数量越少，属于噪声的概率就越大。通过设定噪声阈值，滤去噪声概率过高部分的像素点，本发明实施例中噪声阈值设定为0.75，将概率大于0.75的像素点的像素值置0。
37.连通域识别单元212，用于识别二值图像的多个连通域并得到对应的中心点坐标。
38.利用连通域分析法识别出二值图像中的多个连通域，并得到每个连通域的中心点坐标。
39.不同出料口放出的物料都向集料槽出口处滑动时，各物料之间的距离接近，导致不能准确区分出哪些物料是属于哪一批，并在通过二帧差在进行差异部分获取时，由于物料颜色一致导致在灰度化时，灰度化后的值一致，导致出现二帧差中常见的空洞现象。
40.通过对连通域进行分析判断两个连通域之间的不变部分是物料滑动导致位置重合或者部分重合造成的，还是不同物料之间间隔的集料槽壁造成的。
41.图像部分区域获取单元220，用于获取每个连通域映射在物料图像上的图像部分区域。
42.二值图像是根据两帧相邻的物料图像得到的，二值图像中的每个连通域都在对应的两帧相邻物料图像上存在，获取每个连通域在对应的物料图像上的位置，得到对应的图像部分区域。
43.例如，第i个连通域在第t-1帧物料图像上的图像部分区域记为，第j个连通
域在第t帧物料图像上的图像部分区域记为。
44.圆心获取单元230，用于通过对物料图像进行霍夫圆检测得到集料槽出口的边缘，然后获取该边缘的圆心。
45.由于相机在集料槽出口的正上方，该出口在图像中为标准圆形，对物料图像进行霍夫圆检测得到集料槽出口的圆形边缘，根据霍夫圆检测结果，得到集料槽出口处的圆心坐标。
46.位置近似性获取模块300，用于以每个连通域作为目标连通域，获取目标连通域的中心点坐标与圆心之间的第一距离，以及目标连通域和其他连通域的中心点之间的第二距离；将第二距离小于第一距离的其他连通域作为目标连通域的备选同一连通域，获取备选同一连通域的中心点到目标连通域的中心点和圆心所成直线之间的第三距离，根据第三距离以及对应的第二距离获取目标连通域与备选同一连通域的位置近似性。
47.位置近似性获取模块300包括备选同一连通域筛选单元310和位置近似性计算单元320。
48.备选同一连通域筛选单元310，用于筛选目标连通域的备选同一连通域。
49.在集料槽中，所有物料都是从组合斗的出料口中下落到集料槽壁上，再滑向集料槽出口处，所以同一个组合斗放出的物料滑动方向基本一致。
50.作为一个示例，将第i个连通域作为目标连通域，目标连通域中心点的坐标为，由于已知集料槽出口处的圆心坐标位置，可以得到第i个连通域与集料槽出口处所形成的直线，以及与之间的第一距离。
51.二帧差方法是时序处理，所以在二值图中最有可能与第i个连通域是同一个物料的连通域，必定会存在于第i个连通域与集料槽出口处的直线段上。备选同一连通域即为可能与目标连通域为同一物料产生的连通域。
52.为了保证所寻找的连通域在第i个连通域与集料槽出口处之间，计算第j个连通域中心坐标点到第i个连通域中心点之间的第二距离，选取的连通域作为目标连通域的备选同一连通域。
53.位置近似性计算单元320，用于计算第三距离以及对应的第二距离的乘积，将该乘积的相反数映射到0到1之间，得到的结果即为位置近似性。
54.对于目标连通域来说，当备选同一连通域与直线相近，且与目标连通域相近，在位置分布上，该备选同一连通域就更有可能是与第i个连通域由同一物料造成的连通域。
55.因此，由点到直线的距离公式，计算作为目标连通域的备选同一连通域的第j个连通域中心坐标点到直线的第三距离。
56.计算第i个连通域和第j个连通域的位置近似性：其中，表示利用sigmoid函数将映射到(0,1)的值。
57.第二距离和第三距离越小，位置近似性的值越接近于1，第j个连通域越有可能与第i个连通域由同一物料造成。
58.匹配度获取模块400，用于获取物料模板图像，将每个图像部分区域与物料模板图像作差，得到多个差值区域；以目标连通域在相邻两帧物料图像中的前一帧物料图像上的图像部分区域对应的差值区域作为第一差值区域，以任意一个备选同一连通域在后一帧物料图像中的图像部分区域对应的差值区域作为第二差值区域，通过将第一差值区域和第二差值区域进行模板匹配获取目标连通域与备选同一连通域的匹配度。
59.基于位置相似度仅在位置分布上并不能说明第j个连通域与第i个连通域由同一物料所造成的，进而求取第i个连通域与第j个连通域的近似程度，即匹配度。
60.匹配度获取模块400包括差值区域获取单元410和匹配度计算单元420。
61.差值区域获取单元410用于获取每个连通域对应的差值区域。
62.获取单个物料的无背景图像作为物料模板图像，将第i个连通域在第t-1帧物料图像上的图像部分区域与物料模板图像作差，得到第t-1帧图像中第i个连通域对应的差值区域；将第j个连通域在第t帧物料图像上的图像部分区域物料模板图像作差，得到第t帧图像中第j个连通域对应的差值区域。
63.匹配度计算单元420用于计算目标连通域与备选同一连通域的匹配度。
64.如果第i个连通域与第j个连通域属于同一个物料造成，则这两个连通域与对应物料模板图像进行匹配后，缺失部分会比较相似。
65.利用现有的图像模板匹配算法，将第i个连通域对应的差值区域与第j个连通域对应的差值区域相互匹配，得到匹配度。
66.自动控制模块500，用于根据位置近似性、匹配度以及第二距离将所有连通域进行分组；获取每组的中心点与圆心之间的第四距离，以及每组的范围半径，根据第四距离和范围半径控制不同组合斗的下料间隔时间。
67.自动控制模块500包括分组单元510、范围半径获取单元520以及下料间隔时间控制单元530。
68.分组单元510，以位置近似性和匹配度的乘积作为同一物料可能性，根据同一物料可能性获取两个连通域之间的距离权重，基于每两个连通域之间的第二距离和对应的距离权重的乘积将所有连通域进行分组。
69.计算第i个连通域与第j个连通域的同一物料可能性：，两个连通域的位置相似性越大，匹配度越大，这两个连通域越有可能是由同一物料造成的。
70.如果两个连通域由同一物料造成，那么在计算物料到集料槽出口的距离时，这两个连通域应当看作一个整体进行计算，即将这两个连通域认为是同一个连通域进行分析，以使得在得到组合斗放出的物料的中心时更为准确，进而得到更加准确的与集料槽出口处的距离值，从而使得在进行组合斗之间的间隔时间调整时更加准确。
71.获取当前二值图像对应的相邻两帧图像采集到的集料槽的组合斗组数n，对各连通域的中心点坐标采用k-means算法进行分类，其中k为组数n，即将连通域分为n组，将属于同一个组合斗的物料聚为一类，每个组对应一个组合斗。
72.组合斗并不同时下料，因此两帧相邻图像可能采集不到所有组合斗下料的物料，由于两帧图像之间的间隔时间固定，由相机帧率可以求得，并且当前组合斗之间的下料间隔时间已知，进而可以得到当前两帧图像之间有n个组合斗进行下料。
73.需要说明的是，下料间隔时间已知是指，在没有进行本发明的自动控制之前下料间隔时间为预设时间间隔，在进行自动控制之后可以计算出下料间隔时间。
74.由于的值越大，则说明两个连通域越有可能是由同一物料造成的，即这两个连通域更可能为同一组，因此基于对k-means聚类时两个连通域之间的距离值进行调整，具体的，以作为第i个连通域与第j个连通域之间的第二距离的距离权重，即将距离权重和第二距离的乘积作为第i个连通域与第j个连通域之间的距离值，进行k-means聚类。
75.聚类完成后将所有的连通域分为n组，每个组对应一个组合斗。然后获取每组的中心点，并通过两点之间的距离公式获取每组的中心点与圆心之间的第四距离，将n个组的第四距离分别记为。
76.此时第四距离为图像上的距离，为了得到在现实世界的距离值，预先对相机坐标系和世界坐标系进行标定，得到在相机成像得到的图像中，一个像素块在现实世界中的真实距离值。进而得到不同组合斗所对应物料到集料槽出口处的距离值。
77.本发明实施例选择现实时间距离单位值为厘米。
78.范围半径获取单元520，用于获取组内每个连通域中心点与组中心点之间的中心间距，以中心间距的最大值作为对应组的范围半径。
79.下料间隔时间控制单元530，用于将每张二值图像对应的所有第四距离按照数值大小排序，并获取每两个相邻的第四距离之间的距离差异，将多张二值图像得到的距离差异的数量进行累计，当累计数量超过预设数量时，计算所有距离差异的平均值作为平均差异；获取所有第四距离对应的范围半径并求平均值作为平均范围，基于平均差异和平均范围获取调整指数；均匀缩短下料间隔时间，预先设定一个调整阈值，当调整指数小于调整阈值时，停止缩短下料间隔时间。
80.对每张二值图像对应的进行降序排序，获取排序后相邻两个第四距离之间的距离差值，共有n-1个距离差值。二值图像随着时序变化增加，相应的距离差值数量也在增加，统计距离差值的累计数量，当累计数量大于预设数量时，能够得到相对稳定的距离差值，此时计算所有距离差值的平均值作为平均差异，同时获取对应的多个范围半径并求平均值作为平均范围。
81.在本发明实施例中预设数量为100。
82.基于平均差异和平均范围获取调整指数，将当前的下料间隔时间记为t，将下料间隔时间减少0.01，重复上述步骤计算调整指数，若调整指数不小于调整阈值r时，继续减少0.01，再次计算调整指数，直至调整指数小于调整阈值r，停止调整下料间隔时间。
83.其中调整阈值，b为超参数，在本发明实施例中取值为0.3cm。
84.综上所述，本发明实施例包括图像采集模块100、图像处理模块200、位置近似性获取模块300、匹配度获取模块400以及自动控制模块500。
85.具体的，图像采集模块用于在集料槽上方以俯视视角采集多帧物料图像，物料图像中包括物料、集料槽出口以及集料槽壁；图像处理模块用于获取相邻两帧物料图像的变
化区域的二值图像，识别二值图像的多个连通域并得到对应的中心点坐标；获取每个连通域映射在物料图像上的图像部分区域；获取集料槽出口的圆心；位置近似性获取模块用于以每个连通域作为目标连通域，获取目标连通域的中心点坐标与圆心之间的第一距离，以及目标连通域和其他连通域的中心点之间的第二距离；将第二距离小于第一距离的其他连通域作为目标连通域的备选同一连通域，获取备选同一连通域的中心点到目标连通域的中心点和圆心所成直线之间的第三距离，根据第三距离以及对应的第二距离获取目标连通域与备选同一连通域的位置近似性；匹配度获取模块用于获取物料模板图像，将每个图像部分区域与物料模板图像作差，得到多个差值区域；以目标连通域在相邻两帧物料图像中的前一帧物料图像上的图像部分区域对应的差值区域作为第一差值区域，以任意一个备选同一连通域在后一帧物料图像中的图像部分区域对应的差值区域作为第二差值区域，通过将第一差值区域和第二差值区域进行模板匹配获取目标连通域与备选同一连通域的匹配度；自动控制模块用于根据位置近似性、匹配度以及第二距离将所有连通域进行分组；获取每组的中心点与圆心之间的第四距离，以及每组的范围半径，根据第四距离和范围半径控制不同组合斗的下料间隔时间。本发明实施例能够自适应调节多头组合秤的不同组合斗的下料间隔时间，在保证不堵塞的前提下，以最快速度下料。
86.需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
87.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
88.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围，均应包含在本技术的保护范围之内。