蒲俊 王植平 黎文遠

摘 要：糖畫是一種非常傳統(tǒng)的手工藝，為了更好地傳承中華民族的寶貴財富，我們必須要走科技創(chuàng)新的道路才能夠擺脫糖畫目前所面臨的困境。智能糖畫機利用電腦與自動化技術(shù)，通過計算機視覺技術(shù)對輸入圖片的輪廓邊緣進行特征提取，并形成程序指令，驅(qū)動步進電機繪制糖畫圖案，采用電加熱融化麥芽糖固體，通過溫度控制對糖稀的出料溫度精確把控。圖片處理主要集中于圖片的輪廓進行特征提取，所采用的算法為Sobel算子，通過對圖片的輪廓處理得到特征點圖，再通過降噪去除細微特征得到對應(yīng)圖片的線條圖即最終成品（糖畫）圖案。

關(guān)鍵詞：機器人;閉環(huán)控制;邊緣輪廓;特征提取;Sobel算子;PID調(diào)節(jié)

糖畫是一種傳統(tǒng)的民間手工藝，俗稱“倒糖人兒”，其深受大眾的喜愛。由于時代變遷科技進步，許多傳統(tǒng)技術(shù)逐漸消亡，傳統(tǒng)糖畫也難逃其中。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前糖畫的傳承與發(fā)展問題重重，主要問題有：對繪畫技術(shù)的要求高;衛(wèi)生安全得不到保障;糖畫缺乏傳承，沒有新活力注入;發(fā)展閉塞，不能大范圍推廣發(fā)展;成品單一，不能滿足大眾個性潮流需求。

本團隊致力于傳統(tǒng)文化的發(fā)展與推廣，就以上問題提出“智能糖畫機”這一課題創(chuàng)新項目，創(chuàng)新方向為：“利用電腦與自動化技術(shù)，通過通訊從PC端導(dǎo)入圖片到糖畫機，由計算機圖像處理技術(shù)對輸入的圖片的線條輪廓進行特征提取，得到一幅“線條畫”并形成程序指令，驅(qū)動步進電機繪制糖畫圖案，采用電加熱融化麥芽糖固體，由單片機傳感器進行溫度控制對糖稀的出料溫度精確把控在175℃正負2℃區(qū)間。

一、產(chǎn)品工作流程及機械結(jié)構(gòu)

（1）工作流程：產(chǎn)品由步進電機、步進電機驅(qū)動器、同步帶、數(shù)字舵機、中央處理器、存儲器、通訊WiFi模塊及數(shù)據(jù)總線和外部接口等一系硬件組成。操作者不需要繪畫基礎(chǔ)，只需要通過通訊WIFI輸入圖片、照片，產(chǎn)品便可以通過計算機程序?qū)С鰣D片對應(yīng)“線條畫”與其步進電機程序指令，步進電機通過同步帶帶動加熱擠出模組在水平面（X.Y）內(nèi)運動，通過數(shù)字舵機控制糖稀的流出，從而畫出圖片相應(yīng)的圖案。（2）機械結(jié)構(gòu)：由水平布置的兩個步進電機作為驅(qū)動裝置，構(gòu)成直角坐標(biāo)系機器人（二維運動模組），根據(jù)工作要求與直角坐標(biāo)機器人運動特征選擇結(jié)構(gòu)布置，步進電機水平對置，采用蝸桿與同步帶傳動，并根據(jù)設(shè)計參數(shù)分別對機器人各軸數(shù)據(jù)進行選擇，并計算選擇適配的驅(qū)動單元和減速器。Z方向采用JX1109數(shù)字舵機，通過凸輪與反力彈簧控制加熱擠出模組豎直方向小幅度運動。加熱裝置由加熱系統(tǒng)、溫度感知系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)獨立組成，通過對各系統(tǒng)的整合，采用單一串口通訊與供電，由航空插頭實現(xiàn)與機器人本體的連接。智能糖畫機通過220V配合適配器供電，加熱模組采用110V供電，功率60W，程序控制數(shù)據(jù)采集運算采用5V供電，電源輸入經(jīng)開關(guān)電源流向各模組。

二、控制系統(tǒng)

圖像處理采用MNB64788IC芯片，中央處理器采用COLDFire系列32位嵌入式微處理器用于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲采用SOP8 AT24C04貼片存儲器用于臨時存儲圖片數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)。通訊采用ESP8266-01S WiFi模塊，其帶有無線收發(fā)串口，可用于接受手機等PC端圖片輸入，并用于處理后的“線條畫”發(fā)送回PC端。糖稀溫度控制：溫度采集使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，可以分別在83.75ms和550ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，測量溫度范圍為-55～210℃，在-100～+185℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，可滿足融糖溫度175℃與糖稀溫度變化小2℃的要求。通過傳感器對糖稀的溫度進行采集，經(jīng)變送器、A/D轉(zhuǎn)化器形成數(shù)字量數(shù)據(jù)存儲，有單片機進行數(shù)據(jù)處理比對得到控制信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、續(xù)電器達到對加熱絲發(fā)熱功率的控制，從而改變糖稀的溫度，形成閉環(huán)回路控制系統(tǒng)。

單片機選擇AT89C52單片機，溫度調(diào)節(jié)采取PID調(diào)節(jié)，它是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，使用性更強。

系統(tǒng)設(shè)定溫度值為175℃，通過傳感器采集糖稀溫度數(shù)據(jù)，由單片機將傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進行比對運算，當(dāng)傳感器采集溫度低于174℃時，輸出數(shù)字信號1，續(xù)電器工作導(dǎo)通加熱電路，發(fā)熱絲工作，系統(tǒng)程持續(xù)加熱;當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)高于176℃時，輸出數(shù)字信號0，續(xù)電器斷電，加熱電路停止工作，系統(tǒng)冷卻降溫。其中加熱采用電加熱，電源110V交流輸入，加熱絲為011mm（156Ω/m）鎳鉻合絲總電阻值為825歐，加熱功率為60W。為防止加熱不均勻?qū)е绿窍〗轨?，產(chǎn)品增加了攪拌裝置，攪采用GA12-N20減速馬達，其具有低轉(zhuǎn)速高扭矩輸出，可有效適應(yīng)高溫及高粘度工作環(huán)境，采用5V低壓直流輸入。

三、圖像邊緣輪廓特征提取

（1）輪廓特征提取算法：圖片處理主要集中于圖片的輪廓進行特征提取，所采用的算法為Sobel算子，通過對圖片的輪廓處理得到特征點圖，再通過降噪去除細微特征得到對應(yīng)圖片的線條圖即最終成品（糖畫）圖案。Sobel算子其主要用于邊緣檢測，在技術(shù)上用來運算圖像亮度函數(shù)的梯度的近似值，由于Sobel算子對于像素的位置的影響做了加權(quán)，與Roberts算子等相比效果更好。Sobel算子包含了兩組3x3的矩陣，分別為X向及Y向模板，將之與圖像作平面卷積，即可分別得出X向及Y向的亮度差分近似值。糖畫機圖像處理使用中，常用如下兩個模板來檢測圖像邊緣。

四、糖稀擠出控制

糖稀擠出控制由數(shù)字舵機與止逆閥門控制。JX1109數(shù)字舵機，通過凸輪與反力彈簧控制加熱擠出模組豎直方向小幅度運動。止逆閥門由閥芯、閥體、反力彈簧組成。當(dāng)數(shù)字舵機控制加熱擠出模組豎直方向當(dāng)向下運動時，閥門閥芯與下端大理石板接觸，閥芯向上頂升，糖稀通過止逆閥門流出，舵機控制加熱擠出模組豎直方向向上運動時，閥芯與大理石板脫離接觸，閥芯在反力彈簧作用下與閥體接觸，閥門閉合，糖稀停止流出。通過對步進電機的運動速度的控制，可對不同最小區(qū)間內(nèi)的加熱擠出模組停留時間進行控制，當(dāng)繪圖慢時，糖稀流量大，繪制的糖畫線條粗實;當(dāng)繪圖較快時，糖稀流量變小，糖畫線條細長，從而可有效控制圖案線條的粗細，使得繪制出的糖畫細節(jié)更加豐富。

五、結(jié)語

圖像識別處理、智能溫度控制、步進電機精確運轉(zhuǎn)等新技術(shù)的運用，將大幅增加糖畫的多樣性與精巧性，可有效的降低糖畫制作技術(shù)要求，簡化其傳承難度推廣難度。特別是智能圖像提取，可滿足大眾對新潮、個性的追求，使傳統(tǒng)的糖畫技藝迸發(fā)了新的閃光點，使其更具有傳承價值。

參考文獻：

[1]李國勇.過程控制系統(tǒng)[M].電子工業(yè)出版社，2017.

[2]楊平.PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用[M].中國電力出版社，2016.

[3]張國良，等.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社，2002.

[4]肖志鵬，王小華，楊冰，姚金良.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繪畫圖像分類研究.中國計量大學(xué)學(xué)報，2017（02）.

[5]王軍輝，李瑞克，劉小洋.基于改進SOBEL算法的實時邊緣檢測系統(tǒng)[J].計算機與數(shù)字工程，2012（06）.

[6]趙堯，董恩增，于曉.基于改進SOBEL算子的實時邊緣檢測系統(tǒng)設(shè)計與FPGA實現(xiàn)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2017（01）.

支持項目：武漢商學(xué)院2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目號：201811654018）

作者簡介：蒲俊（1999—），男，漢族，四川巴中人，在讀本科，研究教育機器人與工業(yè)機器人設(shè)計與開發(fā)，探索機器人教育與文化教育相結(jié)合，慧創(chuàng)客科技創(chuàng)始人;王植平，男，漢族，湖北恩施人，在讀本科，研究方向：機器人的集成設(shè)計、智能機器人編程;黎文遠，男，漢族，湖北孝感人，在讀本科，研究方向：機械自動化、智能機器人編程。