糙米輪廓截面激光連續掃描機電系統開發

楊泗蘋 湯曉華 李天驕 鄭龍安 安嘉強

(1. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048；2. 首都機場集團公司北京大興國際機場，北京 102604；3. 北京大豪科技股份有限公司，北京 100015；4. 北京科技大學機械工程學院，北京 100083)

稻米脫殼后獲得的糙米日益引起重視。建立精確的三維糙米數字化模型，可為分析糙米在碾白室內加工過程動態仿真提供建模基礎。通過建立糙米模型和精米模型，可對胚芽米加工的最小加工量及出米率等參數進行分析，從而為研究新型的胚芽米加工工藝奠定基礎[1]。同時也為留胚率分析提供依據。

關于留胚率研究，許俐等[2]運用機器視覺技術通過對大米輪廓曲線、面積等特征的差異分析實現了無留胚米判別。黃星奕等[3-4]通過彩色圖像、顏色特征分析，運用飽和度作為判據實現了有無留胚判別。何超[5]提出了應用機器視覺技術對留胚米進行胚芽完整度在線檢測。Zareiforoush等[6]運用模糊控制理論開發了基于圖像識別技術的大米加工等級檢測系統。Perez等[7-8]運用3D網格劃分技術仿真大米幾何形狀建模分析了大米在不同溫度下等溫浸泡吸水膨脹對破碎的影響。Fant等[9]提出了運用大米圖像灰度等級判斷大米加工等級。基于機器視覺進行糙米輪廓檢測具有許多優點，但存在獲取的是二維平面輪廓信息，全面描述糙米三維數據受到制約。

激光非接觸檢測具有較多優點，劉彩玲等[10-11]提出了非規則顆粒材料的三維離散元建模方法實現了種子三維建模。即用三維激光掃描技術獲取點云，利用自動化逆向工程軟件完成逆向建模，并基于顆粒聚合體理論建立水稻種子的三維離散元模型。曹鵬等[12]以激光檢測點云為基礎，利用主平面投影法獲取稻種的六視圖投影模型，并應用Alpha Shape算法提取投影點云的邊緣輪廓。孔祥亮等[13]采用激光位移傳感器沿糙米橢球長軸垂直截面方向進行離散斷層環形掃描，獲得點云組合描述糙米表面。但是糙米胚芽部分凸凹陷處因曲率變化較大，掃描軌跡有待進一步優化，同時采集效率和后處理也有待提高。郝方濤等[14]提出了依據胚芽與非胚芽部位幾何特征采用不同掃描方式以便進一步提高檢測效果。吳婧等[15]基于激光掃描點云數據運用泊松重建算法原理對點云進行處理并重建糙米模型。

在分析糙米幾何特征基礎上，文章擬研究高效獲取胚芽、非胚芽部分非接觸檢測數據的機電測控系統工作原理、系統構成、機構特點和標定驗證，探索針對糙米輪廓特征激光連續非接觸掃描獲取更有效的糙米表面點云數據方法，并運用相關性及誤差原理分析驗證糙米橢球典型截面連續掃描與離散掃描數據的一致性，旨在為提高糙米輪廓激光掃描效率前提下所采集的點云數據精度滿足要求。

1 檢測要求及需求分析

1.1 幾何特征分析及坐標系

糙米輪廓檢測系統要求能夠針對糙米幾何特征完成高效、準確采樣功能[14,16]。糙米粒幾何形狀大體呈橢球體[13]，如圖1所示假定重心G與糙米橢球坐標重心OG重合，形成OGXGYGZG直角坐標系，a、b、c為橢球半軸，且a>b>c，其中b與OGXG軸重合，a與OGYG軸重合，c與OGZG軸重合。糙米胚芽部位于橢球一端，假定稱胚芽部與ab半軸橢圓平面相交弧線“JX”為胚芽脊線，θ為胚芽脊線擬合直線與YG軸夾角，則胚芽主平面H與ab半軸橢圓平面垂直，且與胚芽脊線“JX”相切于Ji點、并與ac半軸橢圓平面夾角θ。胚芽主截面為過胚芽脊線點Ji與主平面垂直的平面，該平面描述胚芽截面特征。檢測數據顯示糙米胚芽主截面呈“山”字形[13]。

1.2 需求分析

完成糙米環形激光斷層掃描需要三軸位移運動實現激光光束與糙米空間位置調整，還需要提供糙米自轉運動完成環形掃描。其運動可以通過糙米橢球體繞a半軸旋轉實現。胚芽部分掃描為了提高激光傳感器檢測效果，需繞OGZG軸偏轉θ角后實現垂直胚芽主平面完成主截面沿平行于OGZG軸直線掃描，因此需要一個繞OGZG軸的旋轉運動。

2 測量機電系統工作原理及分析

2.1 工作流程

圖2為糙米輪廓掃描流程。其前半段為糙米橢球環形掃描檢測流程，后半段為胚芽掃描流程。完成前半段掃描后，進行數據處理并求出θ角，隨后繼續完成后半段檢測。

圖1 橢球狀糙米

2.2 測控裝置構成

糙米測量裝置主要由機械系統和測控系統兩部分構成(圖3)。機械部分實現糙米測量所需運動軌跡，測控系統主要由測量系統和機電控制系統構成。測量完成糙米輪廓數據采集及存儲功能，由激光位移傳感器、配套控制器和PC構成，控制系統實現對機械系統運動軌跡的控制，控制部分包括控制器、數據交互人機界面兩部分，通訊IO接口部分和反饋部分，驅動和電機構成執行部分。

2.3 機械系統設計

圖4為機械系統運動原理。XYZO坐標系為基準坐標系，X1Y1Z1O1為激光掃描檢測系統坐標系，用于調整激光聚焦。測量過程中，激光頭位置不變，X2Y2Z2O2為糙米檢測位移旋轉坐標系。后續將胚芽點云與米身點云曲面拼接時，需進行坐標轉換[17]，利用式(1)可得坐標變換矩陣。

(1)

式中：

圖2 糙米檢測工藝流程

圖3 激光掃描糙米輪廓檢測裝置系統框圖

圖4 機械系統運動原理圖

ξ——運動旋量；

θ——關節變量；

i——關節序號，i=1，2，3，4，5；

gst(0)——初態位姿。

糙米掃描設備如圖5所示，由激光傳感器調整座、機架、糙米位置調整模塊3部分構成。激光傳感器調整座包括激光測量頭7、三軸移動調整架8，用于調整激光測量頭的位置配合糙米測量。機架9連接激光傳感器調整座與糙米位置調整模塊，起支撐固定作用。糙米位置調整模塊包括繞Z軸旋轉的步進電機1(Stepper5)、沿X軸方向的移動模塊2(Stepper1)、沿Y軸方向的移動模塊3(Stepper2)、繞Y軸旋轉電機4(Stepper6)、沿Z軸方向的移動模塊5(Stepper3)、糙米固定及回轉模塊6(Stepper4)，可實現糙米垂直三軸移動、兩軸轉動運動。

2.4 測控系統設計及標定

2.4.1 測量系統資源需求及設計 測量系統硬件構成如圖3所示。由核心測量器件LK-G150激光位移檢測頭及其配套控制系統LK-G3001構成測量模組，操控、采集點云數據存儲由上位PC完成。KEYENCE LK-G150感測頭可檢測不透明或半透明材料，漫反射模式下測量的參考距離為150 mm，鏡面反射模式下測量的參考距離為147.5 mm，參考距離下光點直徑約120 μm，再現性達0.1 μm，重復精度達0.5 μm，采樣周期可在等級20/50/100/200/1 000 μs中選擇，每次采樣數據存儲量為65 536個點。其性能完全滿足測量要求。

1. 繞Z軸旋轉步進電機 2. 沿X軸移動模塊 3. 沿Y軸移動模塊 4. 繞Y軸旋轉電機 5. 繞Z軸移動模塊 6. 糙米旋轉電機 7. 激光位移傳感器 8. 激光位移傳感器X1Y1Z1O1調整機座 9. 機架

2.4.2 嵌入式控制系統設計開發 機械系統的運動控制通過嵌入式控制系統實現，主芯片選用STM32F429核心芯片。通過人機界面(HMI)實現6個步進電機控制以及6個初始復位光電傳感器I/O接口通訊。控制步進電機發送高速脈沖、方向控制各需6個I/O接口，公共使能需1個I/O接口。PC機實現激光傳感器掃描數據采集及控制。

嵌入式芯片硬件需求IO資源分配見表1。共需30個通用輸入輸出接口，STM32F429有110個IO接口，且有4.3寸RGB屏可以支持設計獨立的人機交互界面，符合設計需求。

表1 控制器IO分配

3 測量試驗

3.1 標定試驗

標定包含三軸直線位移限位開關重復定位精度標定和直線位移精度標定。位移驅動選用光驅驅動精密微型步進電機固件套裝。行程S=40 mm，步距角β=18°，絲杠螺距t=3 mm，單相繞組阻抗9.8 Ω，水平驅動載荷≥2 kg。驅動模塊核心芯片為A4988，具備16細分。理論分辨率為每個脈沖位移9.4 μm。標定傳感器選用基恩士LK-G150激光位移傳感器[13-14]。

開環條件下系統運動模塊選用光歐姆龍EE-SX674WR型光電開關作為運動參考點。往復20次操作記錄滑臺停止位置，以其中第1次位置數據為基準，測得其重復定位的誤差如圖6所示。其重復定位誤差為0.002～-0.004 mm，均值為-0.001 79 mm，方差為0.001 45，滿足系統重復精度要求。

對位移模塊全行程運動檢測標定，微型位移模塊運動精度因采用步進電動機驅動對轉速敏感，故設計9個轉速(600.00，480.00，350.00，224.00，187.50，156.25，134.00，114.50，110.00 r/min)進行測試。轉速在350.00 r/min 以上激光傳感器采樣周期為1 ms，其余為2 ms。圖7為9個轉速下系統最大誤差曲線。由圖7可知，總體運動誤差與驅動頻率正相關，斜率為6E-06，在低頻段(1 kHz以下)，相對誤差<0.010%；在610 Hz(轉速134.00 r/min)時存在一個谷點。600.00 r/min時相對誤差為0.049%，均方差為0.012，故運動模塊系統綜合誤差均能滿足要求。

圖6 重復定位誤差

系統誤差在轉速為134.00 r/min時最小，為0.006 70 mm；轉速為480.00 r/min時最大，為0.021 93 mm。圖8為對應兩轉速下的位移—絕對誤差曲線。由圖8可知，此頻段內任意轉速皆滿足系統準確性要求。

圖7 絕對誤差/相對誤差/均方差—轉速曲線

圖8 系統運動誤差

故系統確定位移模塊步進電動機運動控制參數：步進電動機轉速n=134 r/min；驅動控制頻率f=714 Hz，16細分，驅動電壓12 V，驅動電流0.25 A。

3.2 測量試驗

在標定基礎上使用糙米激光掃描機電系統完成糙米輪廓典型部位掃描檢測，獲得糙米底部、中段和胚芽端3個截面離散、連續掃描數據及胚芽主截面直線掃描數據。

試驗參數設定：① 環形離散掃描。激光傳感器采樣時間間隔20 μm，每次采樣100個數據，取平均值；Y軸分度為320 r-1。② 環形連續掃描。激光傳感器采樣時間間隔50 μm，采滿65 536個點，Y軸步進電動機參數設定50 r/min。③ 胚芽主截面直線離散掃描。采樣時間間隔50 μm，每次采樣100個點，取平均值，豎直掃描位移間隔0.01 mm。

糙米底部、中段和胚芽端3個典型截面離散、連續掃描數據如圖9所示，表2為其相關性分析及誤差分析。由表2可知，糙米底部、中段和胚芽端3個截面相關系數分別為0.992 3，0.982 3，0.984 0。三截面分度離散測量最大絕對誤差極坐標為DF(1.070 68，139.500 0)、ZF(1.084 88，32.625 0)和PF(0.798 75，182.803 7)，連續測量極坐標為DL(0.978 64，139.500 0)、ZL(0.953 07，32.625 0)和PL(0.745 22，182.803 7)。對應最大絕對誤差分別為ΔDFL=|DρFDρL|=|1.070 68-0.978 640|=0.092 04 mm，ΔZFL=0.101 81 mm，ΔPFL=0.074 86 mm，最大相對誤差分別為δD=ΔDFL/DρF=0.092 04/1.070 680=8.596 41%，δZ=ΔZFL/ZρF=0.101 81/1.084 88=9.384 37%，δP=ΔPFL/PρF=0.074 86/0.745 220=9.372 28%。說明試驗裝置連續掃描結果與離散掃描結果具有一致性，且誤差滿足要求。

表2 分度掃描與連續掃描截面相關分析表

圖9 糙米離散、連續掃描截面圖

初步獲得糙米胚芽部分直線掃描曲線(圖10)，胚芽截面呈“山”字形，用5個特征點(見表3)初步描述如下：PC1(0.081，0.966)、PC2(1.572，0.721)兩點為胚芽與橢球米體交點坐標，胚芽寬度ΔPC12=|PC1XPC2X|=|0.081-1.572|=1.491 mm；PG1(0.513，0.636)、PG2(1.042，0.697)為胚芽谷點，谷間距ΔPG12=|PG1X-PG2X|=|0.513-1.042|=0.529 mm；PF(0.757，1.009)為胚芽峰點，峰谷差為ΔPFG1=|PG1YPFY|=|0.636-1.009|=0.373 mm，ΔPFG2=|PG2YPFY|=|0.697-1.009|=0.312 mm。

圖10 胚芽離散直線掃描曲線

表3 胚芽截面離散直線掃描特征點

4 結論

依據糙米幾何特征開發了糙米輪廓激光掃描機電系統，其中機械部分由三軸直角坐標系和兩軸旋轉坐標系構成，此外一旋轉軸用于完成糙米繞橢球長軸旋轉獲得其環形掃描輪廓點云數據。結果表明，通過離散和連續環形掃描兩種方式獲取糙米典型截面點云數據，即糙米底部、中部和胚芽部，其測量結果具有一致性，精度滿足要求。對胚芽部分進行主截面直線軌跡離散掃描，初步獲取了胚芽截面曲線。后續將在胚芽單主截面掃描基礎上進行多截面離散、連續點云數據掃描，提高胚芽部分、進而完善糙米點云輪廓描述精度，為進一步升級該裝備掃描路徑規劃提供依據。