視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究

摘要：視覺(jué)識(shí)別技術(shù)依托智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的優(yōu)勢(shì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測(cè)識(shí)別，并應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，不僅提升了工業(yè)制造水平，而且降低了工業(yè)設(shè)備故障率。文章以視覺(jué)識(shí)別技術(shù)為切入點(diǎn)，闡述視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，提出視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用趨勢(shì)。憑借智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的優(yōu)勢(shì)，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)被用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，不僅提高了工業(yè)制造水平，還降低了工業(yè)設(shè)備的故障率。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)識(shí)別技術(shù)；工業(yè)；電氣自動(dòng)化控制；智能制造；大數(shù)據(jù)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大力推動(dòng)工業(yè)智能制造是實(shí)現(xiàn)工業(yè)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要舉措。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè)設(shè)備上云等戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平不斷提升，尤其是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用有效提升了我國(guó)工業(yè)制造技術(shù)水平。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)偏重于信息技術(shù)工程化和自動(dòng)化，因此為了推動(dòng)我國(guó)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，本文詳細(xì)闡述視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，以期為今后實(shí)踐工作提供經(jīng)驗(yàn)。

１ 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)概述

視覺(jué)識(shí)別技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)等技術(shù)模仿人的視覺(jué)，通過(guò)對(duì)采集對(duì)象信息的觀察與分析，根據(jù)識(shí)別判斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)智能化操作。視覺(jué)識(shí)別技術(shù)以光學(xué)檢測(cè)為基礎(chǔ)，借助相機(jī)采集到對(duì)象的圖像，然后將圖像信息以信號(hào)形式傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，由控制系統(tǒng)從圖像的像素、亮度以及顏色等方面入手，以此抽取圖像的相關(guān)特征，利用系統(tǒng)計(jì)算功能確定觀察對(duì)象的相關(guān)參數(shù)，最后將觀察判斷的相關(guān)結(jié)果傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的動(dòng)作指令，最終達(dá)到智能化控制生產(chǎn)的目的。

視覺(jué)識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，其不僅包括圖像處理、機(jī)械工程、控制等領(lǐng)域的技術(shù)，而且包括傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)等。

系統(tǒng)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化、數(shù)字圖像處理、智能判斷決策及機(jī)械控制執(zhí)行等模塊。隨著我國(guó)工業(yè)制造技術(shù)水平的不斷發(fā)展，尤其是工業(yè)４．０ 時(shí)代的發(fā)展，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域中所發(fā)揮的作用越來(lái)越突出。首先，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)破除了人工檢測(cè)的弊端（如表１ 所列），大幅提高了生產(chǎn)自動(dòng)化處理水平。在批量生產(chǎn)的工業(yè)過(guò)程中，依賴(lài)人工檢測(cè)的模式難以有效避免人為因素的影響，尤其是通過(guò)人工檢測(cè)難以達(dá)到全面及時(shí)檢測(cè)的要求，影響生產(chǎn)效率［１］ 。而視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用則可有效避免人為因素的制約，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)能夠完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化識(shí)別，及時(shí)剔除不合格的產(chǎn)品。例如，在食品包裝行業(yè)中，通過(guò)應(yīng)用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)κ称钒b上是否存在破損、包裝說(shuō)明文字模糊等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并且利用自動(dòng)控制系統(tǒng)中的算法作出準(zhǔn)確判斷，再將判斷結(jié)果發(fā)送給分揀設(shè)備，以達(dá)到精準(zhǔn)化控制的目的［２］ 。其次，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用能夠延長(zhǎng)生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，減少故障維修費(fèi)用。生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況直接影響企業(yè)生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的生產(chǎn)檢測(cè)模式通過(guò)設(shè)備維修保養(yǎng)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行檢測(cè)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)。應(yīng)用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備軸承的負(fù)荷及溫度的變化，其不僅可以消除生產(chǎn)設(shè)備過(guò)載或過(guò)熱的危害，而且可以轉(zhuǎn)變生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)模式———由被動(dòng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)監(jiān)測(cè)，能達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)消除的目的，最大限度減少生產(chǎn)設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)的發(fā)生［３］ 。

總而言之，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其能夠推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展：提升了產(chǎn)品質(zhì)量，固化了復(fù)雜工藝，升級(jí)了數(shù)控裝備以及柔性化生產(chǎn)。

２ 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電子自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

隨著工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電子自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如，工業(yè)制造、工業(yè)檢測(cè)、工業(yè)物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都需視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的支持。視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

２．１ 在生產(chǎn)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)需實(shí)時(shí)關(guān)注產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)是重點(diǎn)環(huán)節(jié)。基于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，將視覺(jué)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)領(lǐng)域中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以電氣測(cè)量?jī)x表自動(dòng)化檢測(cè)為例，電氣測(cè)量?jī)x表是電氣領(lǐng)域的重點(diǎn)工具，為了提升產(chǎn)品質(zhì)量采取視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)ＣＣＤ 工業(yè)相機(jī)對(duì)電氣測(cè)量?jī)x表進(jìn)行圖像采集。工業(yè)相機(jī)要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)（如表２ 所列），并且增加環(huán)形光源，可以為圖像采集提供照明，提升電氣測(cè)量?jī)x表內(nèi)部的顯示度。

設(shè)定參數(shù)后需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理：采取圖像平滑幅度模板對(duì)圖像進(jìn)行處理。為了避免圖像出現(xiàn)模糊等現(xiàn)象，需設(shè)定合適的閾值，以做好圖像的邊緣處理，完成電氣測(cè)量?jī)x表圖像的采集和處理部分后，需根據(jù)圖像提取特征對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)檢定。根據(jù)對(duì)測(cè)定結(jié)果的分析，使用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)后能夠達(dá)到快速檢測(cè)電氣測(cè)量?jī)x表的目的。

２．２ 在工業(yè)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)制造中需及時(shí)識(shí)別生產(chǎn)過(guò)程，再將生產(chǎn)過(guò)程的圖像特征反饋給系統(tǒng)，完成相應(yīng)的生產(chǎn)指令。隨著我國(guó)物流產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)物流分揀自動(dòng)化是提升我國(guó)物流產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然舉措。目前，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在物流分揀中得以充分利用。當(dāng)前，物流分揀機(jī)器人都具備圖像識(shí)別系統(tǒng)，其通過(guò)磁條引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、超高頻ＲＦＩＤ 引導(dǎo)以及機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)快遞件的自動(dòng)分揀［４］ 。

在現(xiàn)代物流分揀中首先需借助圖像自動(dòng)分析功能對(duì)物流件進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)物流件的相關(guān)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于集中在物流產(chǎn)業(yè)園的快遞件較多，因此需根據(jù)快遞件的相關(guān)信息完成自動(dòng)分揀。自動(dòng)化色碼掃描是視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的重要內(nèi)容，其通過(guò)利用條碼識(shí)別、ＯＣＲ 識(shí)別、二維碼識(shí)別等技術(shù)，將快遞件上的相關(guān)信息掃描到分揀系統(tǒng)中，分揀系統(tǒng)通過(guò)對(duì)掃描信息的自動(dòng)分析，按照快遞件產(chǎn)品材料、重量、配送地址等信息自動(dòng)分類(lèi)，然后將其反饋給電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)按照預(yù)定的條件發(fā)出指令，以此將快遞件運(yùn)送到相應(yīng)的區(qū)域［５］ 。

３Ｄ 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在物流分揀系統(tǒng)中較為常用，其是由圖像采集、圖像處理、圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)械手坐標(biāo)、手眼標(biāo)定以及機(jī)器人控制等模塊組成，工作流程主要是首先利用３Ｄ 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)輸送線上高速運(yùn)動(dòng)的貨筐進(jìn)行抓拍，并且提取產(chǎn)品的輪廓（如圖１ 所示），最終得到貨框里商品的二維和三維信息。圖像采集系統(tǒng)由２ 臺(tái)面陣相機(jī)和激光光源組成，視野范圍（ＦＯＶ）和測(cè)量范圍（ＭＲ）覆蓋整個(gè)貨筐，通過(guò)三維重構(gòu)算法重構(gòu)出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置獲得物體的三維幾何信息后，進(jìn)入“３Ｄ 圖像處理模塊”，通過(guò)物體的三維特征分割出獨(dú)立的每件貨物，并提取出最適宜抓取的貨物的抓取位姿，使機(jī)器人可快速、準(zhǔn)確地抓取到貨物。隨后利用“圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)械手坐標(biāo)”模塊，將先前獲得的貨物最佳抓取位姿轉(zhuǎn)換到機(jī)械手坐標(biāo)系中，通過(guò)視覺(jué)通信協(xié)議將該坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人，由機(jī)器人控制模塊控制機(jī)器人執(zhí)行抓取動(dòng)作。

３ 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用趨勢(shì)

實(shí)踐證明，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有較大的發(fā)展空間，其可通過(guò)控制機(jī)器人完成對(duì)區(qū)域目標(biāo)的操作，大幅減少人工勞動(dòng)量。但是，受技術(shù)的制約，我國(guó)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，如當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪音較大時(shí)，其會(huì)影響視覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定，降低相關(guān)設(shè)備的靈敏度。同時(shí)，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)易受外界環(huán)境的影響，尤其是易受外部光線的影響。因此，基于當(dāng)前視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的問(wèn)題，需在今后加大對(duì)以下２ 個(gè)方面的研究。（１）側(cè)重圖像處理軟硬件的研發(fā)力度。受技術(shù)的影響，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，易受圖像信息存儲(chǔ)量大小因素的影響，導(dǎo)致圖像采集速度較慢。而硬件設(shè)施是影響圖像采集速度的重要部分，因此我國(guó)要加大技術(shù)投入，積極提升視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)施，通過(guò)提高硬件設(shè)施的運(yùn)行速度減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)，以提高對(duì)圖像信息的處理效率。例如，我國(guó)要加大工業(yè)照相機(jī)的硬件建設(shè)，提高工業(yè)照相機(jī)采集圖像信息的速度，通過(guò)提高采集速度的方式加大對(duì)識(shí)別對(duì)象信息的處理效率。其次我國(guó)還要提升視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的兼容性，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備上云。（２）開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的智能算法。對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)要求，視覺(jué)識(shí)別算法的完整性要突出“識(shí)別出人類(lèi)無(wú)需專(zhuān)門(mén)記憶就能識(shí)別的內(nèi)容”。智能算法不僅能提高圖像信息的處理效率，而且適用于復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，尤其是克服因環(huán)境問(wèn)題導(dǎo)致視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題。因此，我國(guó)要積極開(kāi)發(fā)適用性強(qiáng)、抗干擾的智能算法。

為推動(dòng)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，需做好以下工作。

（１）加大電氣自動(dòng)化控制人才培養(yǎng)力度。例如，企業(yè)要加大對(duì)電氣自動(dòng)化從業(yè)人員的教育培訓(xùn)工作，定期組織相關(guān)人員學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)，提升操作及設(shè)計(jì)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的能力。（２）提高科研創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)技術(shù)人才朝智能化、先進(jìn)化的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)方向努力，提升科研成果轉(zhuǎn)化率。

隨著智能制造技術(shù)水平的不斷發(fā)展，推動(dòng)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、提升工業(yè)制造水平的重要舉措［６］ 。因此，在大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的戰(zhàn)略背景下，要不斷優(yōu)化視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，提高電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：趙雷（１９８３—），本科，助理工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化控制及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。