郝方濤 湯曉華 孔祥亮 安嘉強(qiáng) 吳婧

摘 要：糙米輪廓形狀描述是糙米品質(zhì)檢測(cè)及碾白加工機(jī)理分析的基礎(chǔ)。本文主要在前期糙米輪廓激光掃描的基礎(chǔ)上，對(duì)其形狀加以進(jìn)一步分析，即外形輪廓可分為胚芽部位與非胚芽部位兩部分。針對(duì)兩部分輪廓特點(diǎn)，對(duì)非胚芽部位采用激光環(huán)掃方式；而對(duì)胚芽部位采用先旋轉(zhuǎn)軸線后縱切掃描方式。以期獲得完整的糙米掃描數(shù)據(jù)，為建立較為精確的糙米掃描輪廓模型，尤其是能準(zhǔn)確還原胚芽部分的形貌特征提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)該掃描運(yùn)動(dòng)的機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：糙米輪廓；激光掃描；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；機(jī)電系統(tǒng)；逆向工程

中圖分類號(hào)：P232 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

稻米是人類的主要糧食作物。衡量稻米品質(zhì)及碾白加工的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是外觀描述品質(zhì)。目前其檢測(cè)主要靠人眼感官判定，這種方法主觀性較強(qiáng)，檢測(cè)精度和效率較低。近幾年隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，依靠計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)大米外形的檢測(cè)應(yīng)用越來(lái)越多。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王一鳴等人設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的大米外觀品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堊白度、堊白粒率、黃粒米和粒型參數(shù)的檢測(cè)。劉光蓉等人通過(guò)掃描儀獲取大米圖像，通過(guò)改進(jìn)的直方圖均衡化算法進(jìn)行圖像增強(qiáng)，然后利用八鄰域分析法提取大米輪廓。

視覺(jué)檢測(cè)有檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于單粒糙米的檢測(cè)能力較差，尺寸信息的測(cè)量精度較低，將影響后續(xù)糙米模型的重建與分析。因此選用一個(gè)精度更高的測(cè)量方式顯得尤為重要。目前對(duì)于建立糙米外形輪廓數(shù)字化模型的研究很少，即使展開(kāi)過(guò)相關(guān)研究，測(cè)量的精度也有待提高，尤其是胚芽部分的數(shù)字化模型。

本文擬搭建一個(gè)五軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，基于激光傳感器技術(shù)對(duì)糙米輪廓進(jìn)行多種路徑規(guī)劃的掃描，以期建立較為精確的糙米模型，尤其是能準(zhǔn)確還原胚芽部分形貌特征。

1 測(cè)量原理

根據(jù)是否與被測(cè)物表面接觸，可以將物體三維幾何形狀的測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。

接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性和可靠性高，對(duì)被測(cè)樣件的材質(zhì)和反射性無(wú)特殊的要求。缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，且不適于對(duì)軟質(zhì)、易碎、易變形、超薄樣件進(jìn)行測(cè)量，對(duì)尺寸小于測(cè)頭直徑的微細(xì)部分的測(cè)量受到限制。

非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是速度快、自動(dòng)化程度高、不受樣件材質(zhì)和薄厚的影響。缺點(diǎn)是容易受樣件反射性和環(huán)境光的影響。

考慮到糙米材質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合上述分析本研究選用非接觸式的測(cè)量方式。測(cè)量設(shè)備選用KEYENCE 公司的LK-G150激光位移傳感器。該激光傳感器采用激光三角法測(cè)量原理，如圖1所示。激光器發(fā)出激光，經(jīng)聚光透鏡聚焦后垂直入射被測(cè)物表面。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)或表面發(fā)生變化時(shí)，入射光沿入射光軸移動(dòng)，經(jīng)過(guò)散射后被成像透鏡所接收，最終的成像信息被CCD感光面所感應(yīng)。根據(jù)激光三角法原理圖可以推出，當(dāng)測(cè)量平面與參考平面距離為X時(shí)，激光器上的CCD感應(yīng)器便會(huì)捕捉到一段X的成像長(zhǎng)度。且經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推算，可得出被測(cè)平面的位移為：

2 測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是實(shí)現(xiàn)糙米有效激光掃描檢測(cè)理論基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立在對(duì)被測(cè)物輪廓特征分析的基礎(chǔ)上。

2.1 糙米輪廓特征分析

糙米的外形類似于扁橢球，因此可將其視為回轉(zhuǎn)體。北京工商大學(xué)孔祥亮等人利用激光位移傳感器對(duì)糙米輪廓進(jìn)行了較為精準(zhǔn)的測(cè)量，并利用MATLAB軟件將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，基本實(shí)現(xiàn)糙米的形貌還原，但在胚芽端激光數(shù)據(jù)掃描采集上還略顯不足。主要原因是對(duì)其進(jìn)行環(huán)掃時(shí)，由于受胚芽部分結(jié)構(gòu)及幾何特征制約，難于獲取準(zhǔn)確掃描數(shù)據(jù)。因?yàn)榕哐坎糠謷呙钑r(shí)，由于胚芽部位表面凹陷，且在胚芽部位與非胚芽部位邊界處的曲率變化較大。故采取環(huán)掃方式會(huì)造成：

①激光無(wú)法垂直或近似垂直照射在胚芽輪廓表面，故將違反直射式三角法測(cè)量的原理，造成較大的測(cè)量誤差；

②由于采用回轉(zhuǎn)法的測(cè)量方式，激光也始終射在回轉(zhuǎn)軸線所在橫截面上。

但胚芽部位由于表面凹陷，在回轉(zhuǎn)軸上存在空缺部分，因此將導(dǎo)致激光無(wú)法采集到相關(guān)點(diǎn)云信息，若采用環(huán)掃測(cè)量方式將造成測(cè)量誤差增大、甚至導(dǎo)致胚芽端部分區(qū)域無(wú)法獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。

鑒于此，將糙米檢測(cè)分為非胚芽部位和胚芽部位兩部分掃描測(cè)量，同時(shí)對(duì)應(yīng)兩種掃描方式。

2.2 糙米輪廓激光掃描檢測(cè)運(yùn)動(dòng)分析

圖2為糙米輪廓掃描運(yùn)動(dòng)分析原理圖。其中O-XYZ為測(cè)量系統(tǒng)參考坐標(biāo)系，與基礎(chǔ)固接；OJ-XJYJZJ為激光位移傳感器坐標(biāo)系，激光沿XJ軸負(fù)方向檢測(cè)糙米位移參數(shù)；OC-XCYCZC為糙米運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，取糙米長(zhǎng)軸方向與YC軸正方向一致。

非胚芽部分環(huán)形掃描：圖2（a）、（b）描述非胚芽部分掃描。采用斷層環(huán)形掃描原理采集糙米界面數(shù)據(jù)。斷層間距ΔSYJC=0.2mm，環(huán)形掃描每1.8度采集一組數(shù)據(jù)，每個(gè)截面采集200個(gè)點(diǎn)。重復(fù)上述步驟，直至激光掃描至胚芽端位置，即完成糙米非胚芽部位的各截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作。

胚芽部分掃描：如圖2（c）、（d）所示。假定糙米胚芽部分位于OC-XCYCZC糙米運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系I-V象限，胚芽部分過(guò)ZC軸線在I-V象限剖面與胚芽部分交線即為所需激光掃描采樣點(diǎn)。分度截面采樣循環(huán)次數(shù)n=INT（90/ΔθZC）+1，ΔθZC為每次采樣轉(zhuǎn)角間隔，90°均分為30份，則ΔθZC=90/30=3°。激光器沿ZJ軸上下運(yùn)動(dòng)，采集NP=30個(gè)糙米截面點(diǎn)。完成胚芽部分?jǐn)?shù)據(jù)采集后，再采集胚芽背面糙米輪廓數(shù)據(jù)。即掃描OC-XCYCZC糙米運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系II-VI象限數(shù)據(jù)。后半部分90°掃描同上步驟。

上述掃描操作即可完成整個(gè)糙米輪廓掃描。

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)OJ-XJYJZJ與OC-XCYCZC坐標(biāo)系之間沿3個(gè)軸方向的相對(duì)移動(dòng)，以及OC-XCYCZC坐標(biāo)系為實(shí)現(xiàn)環(huán)形掃描繞YC軸分度回轉(zhuǎn)和胚芽掃描繞ZC軸分度回轉(zhuǎn)。

3.2 三軸直線運(yùn)動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)三軸相對(duì)移動(dòng)，以用三軸位移平臺(tái)為設(shè)計(jì)參考。為保證測(cè)量精度，選用以滾珠絲杠螺母為傳動(dòng)方式的三軸直線運(yùn)動(dòng)臺(tái)。該直線運(yùn)動(dòng)臺(tái)各軸的有效行程選用200mm，絲杠螺距為5mm，且3個(gè)方向均通過(guò)光柵尺進(jìn)行反饋，所選擇光柵尺的型號(hào)為RENISHAW公司的RGH41X30D05A型號(hào)光柵尺，分辨率達(dá)1.0μm，滿足位移反饋要求。

3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

繞YC軸分度回轉(zhuǎn)和繞ZC軸分度回轉(zhuǎn)臺(tái)分別采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型轉(zhuǎn)臺(tái)，其中YC軸回轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)電機(jī)末端通過(guò)聯(lián)軸器固定，并在前端固定被測(cè)糙米，實(shí)現(xiàn)被測(cè)糙米環(huán)線掃描檢測(cè)；繞ZC軸間歇分度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)胚芽部分剖面掃描。

3.4 系統(tǒng)坐標(biāo)系建立

坐標(biāo)系確定及分析是確定機(jī)構(gòu)、傳感器及掃描運(yùn)動(dòng)的前提，是數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)，是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)坐標(biāo)系由右手笛卡爾坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)確定。共建立3個(gè)坐標(biāo)系，分別為：世界坐標(biāo)系Cmw（即O-XYZ）、主軸平移坐標(biāo)系Ct（即OJ-XJYJZJ）及主軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Cr（即OC-XCYCZC）。規(guī)定世界坐標(biāo)系Cmw原點(diǎn)為激光射在被測(cè)糙米起始端時(shí)激光發(fā)射點(diǎn)位置；規(guī)定主軸平移坐標(biāo)系Ct的原點(diǎn)為激光發(fā)射點(diǎn)位置，坐標(biāo)系回零點(diǎn)時(shí)，與世界坐標(biāo)系Cmw重合；規(guī)定主軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Cr的原點(diǎn)為糙米未繞ZC軸和YC軸旋轉(zhuǎn)時(shí)激光入射點(diǎn)位置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，有：

Ot=Or+Td

其中，Td=（d，0，0）T。糙米上某一點(diǎn)q在世界坐標(biāo)系Cmw下的坐標(biāo)為：

其中，為三軸直線運(yùn)動(dòng)臺(tái)平移坐標(biāo)（xmw

t，ymw

t，zmw

t）T，Rz'、Ry'分別為糙米繞ZC軸和YC軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

糙米三維輪廓激光掃描機(jī)電系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)為“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

運(yùn)動(dòng)控制器選用Parker公司ACR9000控制器，最多可支持8個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制，支持8路高達(dá)30MHz的正交編碼器反饋，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多程序運(yùn)行，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。三軸位移運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用安川交流伺服系統(tǒng)（電機(jī)型號(hào)SGMAH-04AAA41，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)SGDM-04ADA）。有速度、扭矩、位置3種驅(qū)動(dòng)方式。速度、扭矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器輸入的模擬電壓輸出速度和扭矩。位置驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器輸入的脈沖向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。

ACR9000控制器通過(guò)Ethernet網(wǎng)與PC通信，AXIS軸接口與驅(qū)動(dòng)器的CN1接口連接，為驅(qū)動(dòng)器提供模擬電壓輸出。伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的連接是將驅(qū)動(dòng)器上伺服電機(jī)連接端子的U、V、W及GND相與電機(jī)電源電纜對(duì)應(yīng)位置依次連接。伺服電機(jī)上裝有編碼器，通過(guò)電纜線與驅(qū)動(dòng)器CN2接口相連。

測(cè)量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)流程圖如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糙米輪廓掃描，需要開(kāi)發(fā)將激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整合為一體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件。該控制器有配套的ACR-View軟件，能夠完成參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)檢測(cè)等功能。ACR-View可以設(shè)置控制器為脈沖輸出（Stepper）或者模擬電壓輸出（DAC）。針對(duì)非胚芽部位和胚芽部位掃描所編寫(xiě)的運(yùn)動(dòng)控制程序如圖5、圖6所示。

結(jié)論

建立了用于糙米輪廓掃描的機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)。對(duì)糙米的形貌進(jìn)行了特征分析，將其分為胚芽和非胚芽?jī)刹课?，?guī)劃了不同的掃描路徑。開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)，搭建了硬件平臺(tái)，編寫(xiě)了運(yùn)動(dòng)控制程序，利用激光位移傳感器獲取糙米胚芽與非胚芽部位的表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于上位機(jī)中。為糙米模型建立提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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