基于機器視覺的智能圖書分揀裝置研究設計

段學濤 胡平輝 王振飛 唐盼 南文超

摘要：隨著物質文化的需求提高以及科技實力的提升，自動化與智能化，已經成為現(xiàn)階段工業(yè)化和批量化生產的必然要求。在圖書館方面也是如此，圖書的自動化與智能化分揀已經成為一項待解決且急需解決的問題。20世紀50年代以來，計算機機器視覺技術已經開始逐步走進工業(yè)市場，成為了許多工廠上批量化生產系統(tǒng)的重要組成部分。以機器視覺作為圖書分揀裝置的傳感部分，可以通過識別圖書的外形特征，如圖書的周長、直徑、面積等，也可以通過覆蓋區(qū)域形狀識別，如粘貼在圖書上的四叉樹、矩描述子，去精準識別需要夾取的書。本研究希望設計出一個可以通過在APP上設定裝置工作的時間以及工作量，并通過去識別書架上的二維碼，將不同的書分還到不用的書柜中，達到智能分揀的效果，以減少同學還書時的不便。

關鍵詞：自動識別;分揀;算法;計算機視覺;形狀識別

0 引言

近年來中國重視智能一體化裝置建設，從智能無人售賣機到智能無人超市再到智能圖書館，智能化建設逐步發(fā)展，但中國現(xiàn)有的智能圖書館建設還存在許多待解決的問題，與國外智能圖書館的建設相比較還存在有一定的差距。我國目前市場上圖書分揀系統(tǒng)存在著諸多問題：1.現(xiàn)有得圖書分揀裝置，容易出現(xiàn)分揀過程中取不出書現(xiàn)象。2.圖書館分揀人員在進行圖書分揀系統(tǒng)工作時，如若不注意，可能會造成圖書損壞的現(xiàn)象，對圖書造成極大的影響，影響讀者二次閱讀。3.國內目前的圖書分揀領域自動化程度低，技術發(fā)展尚不夠全面，需要進一步提高。

針對上述問題，我們設計一種基于機器視覺的智能圖書分揀裝置，可在讀者歸還圖書時，自動進行夾取圖書，并且可以通過電機的驅動帶動裝置，將夾取得到的圖書歸還到原本書架位置，進而提高圖書分揀的分揀效率，減少工作人員的工作量。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本裝置將探索基于機器視覺的圖書分揀技術。裝置以樹莓派4B為主控芯片，利用攝像頭進行圖像處理裝置和二維碼識別裝置，通過攝像頭OPENMC把識別到的圖書信息和二維碼信息返回數(shù)據(jù)庫中。通過與數(shù)據(jù)庫中預存的數(shù)據(jù)對比，以次確認圖書的類別。確認圖書的位置信息和類別信息后通過樹莓派4b控制機械臂追蹤抓取圖書，將其放入對應的儲存區(qū)域

本裝置可以大大的提高圖書分揀效率與準確性，減少還書時隨意而造成分揀員不必要的工作量，從而能夠更好地提高全國各地，各學校的圖書分揀效率，節(jié)省人工成本。

2 機械結構設計

2.1導軌式移動平臺

該導軌平臺包括：底座、第一導軌、驅動裝置、輸入接口、主控制模塊和用于放書的工作臺。第一導軌相對安裝于所述底座上，工作臺置于第一導軌上，驅動裝置用于驅動第一導軌左右滑動。輸入接口與樹莓派模塊耦合，樹莓派控制模塊與電機驅動裝置耦合，樹莓派控制模塊和電機驅動裝置均置工作臺內，輸入接口設置在導軌平臺上。該導軌平臺能實時與外界設備進行通信，能實時對控制程序進行更新，從而精確控制平臺在導軌上的滑動速度、位置等。

2.2.2機械臂設計

裝置的底座舵機是一個扭矩力達到25kg的總線舵機，使得機械臂抓取圖書的重量達到500g以上。底座舵機上方是一個可旋轉360度的轉盤，通過底座舵機和轉盤，裝置上的夾持器可抓取攝像頭范圍內的所有物體。2、3、4號舵機組成的連桿1和連桿2，連桿構成機械臂的支持部件也是增加夾取器活動范圍的有效部位。5號和6號舵機互相垂直，5號電機負責控制夾取器的閉合，二而6號舵機時決定夾取器的旋轉方向。具體設計如圖所示：

3 軟件設計

3.1目標位置檢測算法

想要得到目標物體的位置，首先需要進行攝像頭的標定，將物體不斷移動到到攝像頭視覺的中心。在圖像中，會得到一個如下圖所示的圖像坐標系，圖像中，始終會有一個中心原點，物體在圖像中的坐標，則是以這個中心原點為參考點。因與物體的Z軸方向平行，故物體的X軸與Y軸坐標則以在攝像頭檢測區(qū)域的一半內的長和寬為標準。通過縮短目標物體與中心原點的間距，可以將目標物體，不斷移動到圖像中心，從而準備進行下一階段機械臂的精準夾取。

3.2圖書書脊識別算法

書脊視覺識別的難點在于書脊圖像本身較為復雜，因每本書的輪廓和攝像頭采集得到的圖像細節(jié)部分都不易區(qū)分。當算法運行時，針對書脊圖像視覺識別的特點，將小波分析、Hoough變換等多種算法結合，通過圖像處理算法精確每本書的厚度，利用攝像頭對書脊的定位，驅動舵機轉動機械臂，完成抓取圖書操作。并利用視覺系統(tǒng)定位需要放書的書架位置，驅動電機帶動裝置再次通過機械臂將書放回原位。

3.3 APP的設計

APP的主要功能是控制裝置的運行，可以顯示裝置當日的圖書分揀數(shù)量和設備狀態(tài)。可通過WiFi連接遠程控制裝置的開啟，并且可以設定裝置工作的時間長短。

4 解決的關鍵問題

整個分揀系統(tǒng)中目標圖書和攝像頭的相對位置的檢測結果的精準性時決定抓取裝置能否捕捉到目標圖書的前提。而對圖書書脊的圖像處理綜合和多種算法的有點，其處理結果的效果是保證分揀效率最為關鍵的一環(huán)。

爭對上述問題，我們利用圖書書脊上的二維碼標簽，在solvePnP算法上結合攝像頭的內置參數(shù)和Opencv的相關的二維碼識別算法。在檢測程序運行時檢測到目標圖書就可以得到目標圖書在圖像中的坐標，之后通過solvePnP函數(shù)即可得到需要機械臂轉動的平移向量和旋轉向量，此時攝像頭中得到的坐標是以攝像頭中心為原點的，需要得到機械臂正確的轉角就需要對這個坐標進行平移，裝置進行移動，讓機械臂瞄準待分揀圖書的書脊進行夾取，并將夾取得到得圖書進行歸類處理，歸還至原處。

5 參考文獻

[1] Abdulrahman A， Abdulmalik A S， Mansour A ， et al. Ultra Wideband Indoor Positioning Technologies： Analysis and Recent Advances[J]. Sensors， 2016， 16（5）：1-36.

[2] 梁佳成.分析圖書自動分揀系統(tǒng)在圖書館的應用[J];智庫時代;2018年51期.