玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究

汪珺 年福東 肖仁杰

摘要：基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)了一種玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷的識(shí)別以及分揀等功能。整個(gè)系統(tǒng)采用STM32作為運(yùn)動(dòng)控制處理器以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，利用NI myRIO平臺(tái)采集玻璃纖維網(wǎng)格布信息，設(shè)計(jì)玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷識(shí)別算法，完成圖像的處理與分析從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成網(wǎng)格布的分揀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷的識(shí)別以及分揀。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格布;玻璃纖維;機(jī)器視覺

0? 引言

20世紀(jì)70年代英國皮爾金頓公司發(fā)明玻璃纖維[1]解決了普通玻纖與水泥發(fā)生堿性反應(yīng)帶來強(qiáng)度下降、開裂滲漏等問題，可用于多種場(chǎng)合，比如高強(qiáng)度的玻璃纖維嵌入水泥基體后可有效改善并提高水泥基體的抗彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能[2]，在水泥基體中加入4～5%的玻璃纖維即可大大改善其力學(xué)性能[3];再比如作為脆性材料的混凝土雖然抗壓強(qiáng)度高但存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和脆性大等缺點(diǎn)，在較低的拉伸變形時(shí)容易發(fā)生開裂[4]，而纖維混凝土被認(rèn)為是解決混凝土上述缺點(diǎn)最為有效的方法之一[5-6]。而由玻璃纖維織成的網(wǎng)格布為基布表面涂覆高分子耐堿涂層制成的玻璃纖維網(wǎng)格布正在大量被采用將其埋入抹面層用于提高防護(hù)層的機(jī)械強(qiáng)度和抗裂性。玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的研制涉及傳感器與測(cè)試系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等各學(xué)科的前沿技術(shù)，具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)玻璃纖維網(wǎng)格布的缺陷識(shí)別以及分揀等功能。系統(tǒng)采用攝像頭采集指定區(qū)域的玻璃纖維網(wǎng)格布圖像，設(shè)計(jì)識(shí)別算法通過NI myRIO完成圖像處理和分析，STM32作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的處理器控制機(jī)械手完成玻璃纖維網(wǎng)格布的分揀。

1? 工作原理

系統(tǒng)由myRIO數(shù)據(jù)采集模塊、STM32控制板模塊、JQC-3FF-S-Z繼電器模塊、LD-3015MG舵機(jī)模塊等功能模塊組成。小型攝像頭將所得的圖像信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絤yRIO數(shù)據(jù)采集模塊中，再通過myRIO對(duì)所采集的圖像對(duì)玻璃纖維網(wǎng)格布進(jìn)行缺陷檢測(cè)并將識(shí)別后的結(jié)果通過WIFI的方式傳輸?shù)较挛粰C(jī)中，下位機(jī)控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)繼電器接通，氣泵開始工作來吸取放在某一位置上的檢測(cè)對(duì)象，由此便完成了一個(gè)周期的工作。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃纖維網(wǎng)格布檢測(cè)系統(tǒng)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)為執(zhí)行分揀網(wǎng)格布的機(jī)械手，通過三維軟件進(jìn)行3D建模和虛擬裝配，機(jī)械手3D建模模型與實(shí)物圖如圖2所示。機(jī)械手上連接有吸盤，機(jī)械手底座上連接的收集盒、以及控制吸盤運(yùn)作的氣泵。工作時(shí)，下位機(jī)控制五個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的一系列運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)氣泵工作從而吸起網(wǎng)格布放到相應(yīng)的收集盒里。

3? 玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷檢測(cè)設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集模塊

該模塊主要功能是捕捉圖像，獲取當(dāng)前幀的最新圖像輸出，清除圖像覆蓋的處理，從而輸出滿足視覺識(shí)別的圖像。

3.2 圖像灰度化處理模塊

為了降低圖像識(shí)別帶來的計(jì)算量，我們對(duì)采集的圖像先進(jìn)行圖像灰度化處理，讓圖像的像素點(diǎn)的R=G=B從而得到灰色的圖像，這樣可以將原來的計(jì)算量大大的縮小到原來的六萬五千零二十五分之一，同時(shí)灰度處理后，還不會(huì)影響原來圖像的特征。所以在圖像識(shí)別的處理中，我們可以先進(jìn)行圖像灰度化處理，其程序框圖如圖3所示。

3.3 圖像增強(qiáng)處理模塊

對(duì)于拍攝的照片之間的對(duì)比度較低的情況，采用相應(yīng)模塊進(jìn)行圖像的增強(qiáng)，圖像增強(qiáng)主要通過拉伸圖像有用部分的灰度，使圖像的光澤部分更清楚，該部分程序框圖如圖4所示。

3.4 結(jié)果輸出模塊

原始圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理和模板處理之后就要進(jìn)行結(jié)果輸出，得出所檢測(cè)表面是否有缺陷的結(jié)果，然后向機(jī)械手發(fā)送信號(hào)。在本系統(tǒng)中，有缺陷的部位會(huì)有一個(gè)稍大于缺陷的紅色方框，該部分程序框圖如圖5所示。

4? 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷自動(dòng)檢測(cè)的機(jī)械手的控制采用STM32控制器，控制舵機(jī)及氣泵從而利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)玻璃纖維網(wǎng)格布的分揀。使用者可以通過人機(jī)交互界面設(shè)定舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)，該度數(shù)就是機(jī)械手上各舵機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)確定機(jī)械手的最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)方式，所得到的數(shù)據(jù)可以更加穩(wěn)定地控制舵機(jī)從而讓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式最優(yōu)。

5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6中所顯示為對(duì)目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行分析的結(jié)果，從二值化的圖像中，我們可以清楚的看清網(wǎng)格的紋理，紅色的區(qū)域的網(wǎng)格布是符合標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格布，黑色區(qū)域網(wǎng)格為不標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格布區(qū)域，由此可以判別網(wǎng)格布是否有缺陷，根據(jù)判別結(jié)果進(jìn)一步控制機(jī)械手進(jìn)行網(wǎng)格布的分揀。經(jīng)多次運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)識(shí)別缺陷的正確率可以達(dá)到95%以上。

6? 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)械手、機(jī)械手上連接的吸盤、機(jī)械手底座上連接的收集盒、以及控制吸盤運(yùn)作的氣泵，系統(tǒng)還包括圖像采集模塊、圖像分析模塊、通信模塊、控制模塊。通過識(shí)別玻璃纖維網(wǎng)格布缺陷來控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，并利用氣泵提供動(dòng)力使機(jī)械手上的吸盤吸附需要分揀的網(wǎng)格布。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，自動(dòng)化工作，操作簡(jiǎn)單，耗電少。

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