楊俊，萬(wàn)鵬，2，黃毓毅，朱明，2，譚鶴群，2，吳文錦，丁安子

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，武漢 430070

鰱（Hypophthalmichthys molitrix）是我國(guó)廣泛養(yǎng)殖的大宗淡水魚品種。2020年鰱產(chǎn)量達(dá)到381.3萬(wàn)t，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的12.34%［1］。鰱魚頭中含有豐富的EN、DHA和卵磷脂等物質(zhì)，具有較好的風(fēng)味以及較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；以鰱為原料加工而成的魚頭產(chǎn)品在市場(chǎng)上的售價(jià)較高［2］。鰱魚頭通常需要采用個(gè)體較大的鰱進(jìn)行加工，將魚頭從魚體中切割下來(lái)，然后將魚頭剖成兩半進(jìn)行銷售。目前，鰱魚頭的加工主要采用人工完成，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能對(duì)魚頭進(jìn)行準(zhǔn)確切割，容易導(dǎo)致加工后的魚頭大小不一［3-5］。因此，研究一種用于鰱魚頭加工的自動(dòng)化裝備具有重要意義。在魚頭加工裝備方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了較多研究。陳慶余等［6-7］針對(duì)典型海水小雜魚研制了一臺(tái)魚體去頭試驗(yàn)臺(tái)，以深水紅娘魚等3種低值海產(chǎn)小雜魚為研究對(duì)象，探討了刀具構(gòu)型、切割方式、魚體放置方式以及刀具旋向?qū)︳~身得率和切斷面質(zhì)量的影響；張帆等［8］、劉靜等［9］設(shè)計(jì)了氣動(dòng)式魚體去頭機(jī)，研究了魚體冷藏時(shí)間、刀具切割角度、魚體放置方式等對(duì)鰱魚頭切割力學(xué)特性的影響。鄒偉等［10-11］、萬(wàn)鵬等［12］設(shè)計(jì)了連續(xù)式魚體去頭尾裝置，同時(shí)分析了平刀滑切角度、刀具類型、魚體溫度、刀具加載速度4個(gè)因素與切割魚體頭尾所需剪切力之間關(guān)系；此外，李楷模等［13］、陳艷等［14］分別研究了基于機(jī)器視覺定位的魚頭尾分割的方法，并設(shè)計(jì)研發(fā)了淡水魚去頭尾裝置。同時(shí)，Dowgiallo等［15-16］研究了通過改變直刀的角度將魚頭切割軌跡分成2段的V型切法，不僅滿足工藝要求而且更經(jīng)濟(jì)高效。Hansen［17］通過機(jī)器視覺技術(shù)檢測(cè)魚體的體長(zhǎng)及形狀，控制機(jī)械臂對(duì)魚體的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，利用刀具對(duì)魚體去頭尾。Azarmdel等［18］研究了通過圖像處理方法檢測(cè)鱒魚的尺寸提取頭部和腹部切割點(diǎn)，控制刀具完成魚體的去頭和切片。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚體去頭切割裝備進(jìn)行了較多研究，但其目的僅在于魚體去頭加工，要求魚頭占比較小，魚肉得率高。在加工鰱魚頭時(shí)，要求準(zhǔn)確切割魚頭并保留部分魚肉，同時(shí)對(duì)魚頭進(jìn)行對(duì)半剖切。然而現(xiàn)有魚體去頭切割裝備無(wú)法適用于鰱魚頭的加工，因此，研究鰱魚頭智能化加工裝置，對(duì)于鰱魚頭的加工、銷售等都有十分重要的意義。本研究以鰱為研究對(duì)象，針對(duì)魚頭加工的生產(chǎn)需求，研制鰱魚頭加工裝置；利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)魚頭切割路徑進(jìn)行精準(zhǔn)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)魚頭的準(zhǔn)確切割并將切割后的魚頭進(jìn)行對(duì)半剖切，以期實(shí)現(xiàn)淡水魚魚頭加工的自動(dòng)化、智能化，促進(jìn)淡水魚加工裝備的研發(fā)。

1 材料與方法

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

鰱魚頭加工裝置由魚體輸送裝置、魚體圖像采集裝置、魚體翻轉(zhuǎn)部件、立式夾持輸送帶、魚頭切割部件、魚頭剖切部件、裝置控制系統(tǒng)等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鰱魚頭加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of head processing device of Hypophthalmichthys molitrix

魚體輸送裝置由鋁型材及輸送帶搭建，實(shí)現(xiàn)魚體頭尾和腹背定向排列輸送，其中輸送帶尺寸為2 000 mm×330 mm×1 000 mm。魚體圖像采集裝置安裝在魚體輸送裝置上，由光照箱、光源、相機(jī)、光電傳感器等組成，其中相機(jī)安裝在距輸送帶上表面700 mm處，型號(hào)為uEye-2210RE-C，分辨率為640×480，光照箱尺寸為600 mm×330 mm×800 mm。魚頭切割裝置總尺寸為1 700 mm×880 mm×1 310 mm，切割直流電機(jī)功率為680 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，切割圓盤刀直徑200 mm，剖切直流電機(jī)功率為400 W，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，剖切圓盤刀直徑為270 mm，夾持輸送帶的間距為20～60 mm。

魚體翻轉(zhuǎn)部件為漸變結(jié)構(gòu)，用于輔助定向排列輸送的魚體由平放輸送狀態(tài)變?yōu)樨Q直輸送進(jìn)入魚頭切割裝置。兩段立式夾持輸送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于魚體及切斷魚頭的輸送；光柵傳感器放置于兩段立式夾持輸送帶之間，用于檢測(cè)魚體的位置；魚頭切割部件安裝于兩段輸送帶之間的側(cè)方位置，由切割圓盤刀、切割直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、滑臺(tái)氣缸等組成，在滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)下進(jìn)行水平移動(dòng)，根據(jù)加工要求對(duì)魚體進(jìn)行垂直切割或以一定角度切割；魚頭剖切部件對(duì)切割后的魚頭進(jìn)行對(duì)半剖切。

1.2 裝置控制系統(tǒng)

鰱魚頭加工裝置控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、魚體圖像處理軟件、Arduino控制板、光電傳感器、光柵傳感器、繼電器、延時(shí)繼電器、電磁閥、磁性開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及串口模塊等組成，主要功能是通過采集鰱魚體圖像，分析調(diào)整魚頭切割部件切割角度，控制兩段立式夾持輸送帶工作以及控制滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)魚頭切割部件的進(jìn)給與復(fù)位。鰱魚頭加工裝置控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 鰱魚頭加工控制系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of head processing control system of Hypophthalmichthys molitrix

鰱魚頭加工裝置控制系統(tǒng)所用伺服電機(jī)型號(hào)為80ST-M 02430，額定功率750 W，額定扭矩2.39 N·m，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57HS11242A4，氣缸型號(hào)CDY1S15H-200，光電傳感器感應(yīng)距離為30 m，光柵傳感器檢測(cè)高度為75 mm，光柵傳感器光線間距5 mm。

為了規(guī)劃魚頭切割路徑，本研究開發(fā)了鰱魚頭加工系統(tǒng)程序，界面如圖3所示。鰱魚頭加工系統(tǒng)程序由魚體圖像采集及分析處理和系統(tǒng)控制2部分。魚體圖像采集及分析處理部分基于Python 3.8結(jié)合OpenCV庫(kù)進(jìn)行編寫，可計(jì)算魚體的長(zhǎng)度及寬度；對(duì)魚體的切割路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得魚體切割路徑與魚體垂直方向的角度以及魚體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離，并顯示拍攝魚體的圖像及數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)控制部分主要包括控制整機(jī)的啟動(dòng)與停止，以及與鰱魚頭加工控制系統(tǒng)的信息交互。

圖3 計(jì)算機(jī)軟件界面圖Fig.3 Computer software interface diagram

1.3 裝置工作過程

鰱魚頭加工裝置工作時(shí)，魚體按照一定姿態(tài)放置在輸送裝置指定位置上。在輸送裝置的運(yùn)輸下經(jīng)過魚體圖像采集裝置，光電傳感器觸發(fā)相機(jī)采集鰱魚體圖像。同時(shí)調(diào)用OpenCV圖像處理程序?qū)︳~體圖像進(jìn)行處理，計(jì)算魚體的長(zhǎng)度與寬度，規(guī)劃魚頭切割路徑，同時(shí)獲取魚體切割路徑與魚體垂直方向的角度以及魚體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離，并將切割信息發(fā)送到Arduino控制板。Arduino控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)切割圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)，等待魚體到達(dá)切割位。采集圖像后的魚體經(jīng)過翻轉(zhuǎn)部件進(jìn)入到立式夾持輸送帶，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)向前輸送。當(dāng)光柵傳感器檢測(cè)到魚體時(shí)說明魚體到達(dá)切割位，立式夾持輸送帶帶著魚體繼續(xù)前行至魚體吻端至切割路徑中點(diǎn)的水平距離后停止，此時(shí)魚身部分由第一段立式夾持輸送帶夾緊，魚頭部分由第二段立式夾持輸送帶夾緊，保證魚頭切割時(shí)魚體不會(huì)變形影響切割作業(yè)。Ar?duino控制滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)魚頭切割部件向前移動(dòng)完成魚頭切割，之后滑臺(tái)氣缸復(fù)位，立式夾持輸送帶繼續(xù)工作，帶動(dòng)魚頭向前移動(dòng)，經(jīng)由魚頭剖切部件將魚頭和魚身沿背部剖切，并將魚頭和魚身輸送至收集箱，完成整個(gè)加工過程。鰱魚頭加工裝置工作流程圖如圖4所示。

圖4 鰱魚頭加工裝置工作流程圖Fig.4 Working flow chart of the head processing device of Hypophthalmichthys molitrix

1.4 魚頭切割位置確定方法

由于鰱魚頭加工無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/CAPPMA 01—2017《天然水域活鰱、鳙魚分割規(guī)范》將魚頭加工規(guī)范為魚頭平切與魚頭斜切2種方式。魚頭平切是將去鱗后的魚體切割分成2段，其中切割刀具與魚體垂直平切。魚頭斜切是將去鱗后的魚體切割分成2段，刀口與魚體約呈45°斜切，自鰓蓋后部與背鰭前方之間斜切下刀，至腹鰭根部到生殖孔2/3處收刀，并沿魚頭中間部位對(duì)稱鋸開成2片，得到2個(gè)分割魚頭（半個(gè)）。

本研究以魚頭斜切為例，結(jié)合鰱魚頭機(jī)械加工的實(shí)際需求，確定的魚頭斜切標(biāo)準(zhǔn)為：魚頭切割刀盤與魚體垂直方向呈15°夾角作用于魚體對(duì)魚頭進(jìn)行切斷，其中魚背切斷處位于鰓蓋后部與背鰭前方之間，魚腹切斷處位于腹鰭根部到生殖孔2/3處。由于實(shí)際加工過程中魚體大小并不一致，為了確定魚體的切割路徑，本研究借助于魚體腹鰭根部到生殖孔之間距離來(lái)確定切割刀盤作用于魚體的位置，而魚體的腹鰭根部和生殖孔的位置與魚體的長(zhǎng)度相關(guān)，因此首先需通過試驗(yàn)研究腹鰭根部與生殖孔的位置同魚體體長(zhǎng)之間的關(guān)系。

1）魚體選取及測(cè)量方法。選取30條體質(zhì)量1～2 kg的鰱為試驗(yàn)對(duì)象，要求魚體新鮮、外表完整、無(wú)明顯傷痕。采購(gòu)回來(lái)后放于水槽中暫養(yǎng)，試驗(yàn)時(shí)將魚體取出并作敲暈處理，擦干魚體表面水分再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用設(shè)備包括鋼尺（量程1 000 mm）、測(cè)量板等。測(cè)量時(shí)，將魚體樣本按魚頭朝前、背部朝上平放在測(cè)量板上用鋼尺量取魚體吻端至魚體尾部末端的水平距離為魚體體長(zhǎng)L；量取魚體吻端至腹鰭根部的水平距離D1；量取魚體吻端至生殖孔的水平距離D2，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量方法如圖5所示。

圖5 魚體尺寸測(cè)量示意圖Fig.5 Measurement schematic diagram of fish body size

2）腹鰭根部與生殖孔的位置同魚體體長(zhǎng)的關(guān)系分析。對(duì)30條鰱樣本的體長(zhǎng)、魚體吻端至腹鰭根部的水平距離、魚體吻端至生殖孔的水平距離進(jìn)行測(cè)量，魚體體長(zhǎng)與魚體吻端至腹鰭根部的水平距離的關(guān)系以及魚體體長(zhǎng)與生殖孔至腹鰭根部的水平距離的關(guān)系如圖6所示。

圖6 魚體體長(zhǎng)同腹鰭根部（A）與生殖孔（B）的位置的關(guān)系擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of the relationship between body length and the position of ventral fin root （A）and genital pore（B）

從圖6A中可知，魚體吻端至腹鰭根部的水平距離D1隨著魚體體長(zhǎng)L的變化而變化，且滿足關(guān)系：D1=91.764+0.177×L，R2=0.924，這表明魚體吻端至腹鰭根部的水平距離與魚體體長(zhǎng)之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。從圖6B中可知，魚體吻端至生殖孔的水平距離D2同樣隨著魚體體長(zhǎng)L的變化而變化，且滿足關(guān)系：D2=121.56+0.271×L，R2=0.945，這表明魚體吻端至生殖孔的水平距離與魚體體長(zhǎng)之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

1.5 基于機(jī)器視覺的切割路徑計(jì)算方法

本研究通過圖像處理的方式計(jì)算魚體的長(zhǎng)度和寬度以及鰱魚頭的切割路徑。當(dāng)魚體到達(dá)圖像采集點(diǎn)時(shí)，相機(jī)采集魚體圖像，并將圖像保存到指定文件夾下。魚體原始圖像如圖7A所示。對(duì)拍攝的魚體圖像進(jìn)行灰度化處理，得到魚體的灰度圖像如圖7B所示。魚體圖像灰度化處理計(jì)算公式為：Gray=R×0.299+G×0.587+B×0.144。其中，Gray（x，y）為圖像中（x，y）點(diǎn)的像素灰度值，R、G、B分別為該點(diǎn)各顏色分量的像素值。將灰度圖像進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二值化圖像。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定二值化分割閾值為20，則二值化處理后的魚體圖像如圖7C所示。對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕、開運(yùn)算和閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)處理，得到圖7D。對(duì)形態(tài)學(xué)處理后的圖像通過Canny邊緣檢測(cè)算法獲得魚體的外圍輪廓，如圖7E所示；最后計(jì)算魚體外圍輪廓圖像的最小外接矩形，并將最小外接矩形的邊和頂點(diǎn)顯示在原始圖像上，如圖7F所示。

圖7 魚體的圖像處理過程Fig.7 Image processing process of fish body

設(shè)定魚體最小外接矩形4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為O1（x1，y1）、O2（x2，y2）、O3（x3，y3）、O4（x4，y4），則魚體最小外接矩形的長(zhǎng)短邊的像素長(zhǎng)度l0與d0為：

采集魚體圖像時(shí)，相機(jī)位于魚體的正上方，相機(jī)的分辨率為640×480，水平視野角為50°，相機(jī)安放高度H=700 mm，可得單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度為：

則魚體的實(shí)際長(zhǎng)L、寬D分別為：

在魚體最小外接矩形的基礎(chǔ)上標(biāo)記各魚體表面關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖8所示。

圖8 魚體表面關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of key points on fish surface

魚體切割路徑的上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)分別位于線段O1O2和線段O4O3上，要求得上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的坐標(biāo)，需先求得線段O1O2和線段O4O3的直線方程，已知魚體最小外接矩形4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為O1（x1，y1）、O2（x2，y2）、O3（x3，y3）、O4（x4，y4），則線段O1O2和線段O4O3的直線方程分別為：

當(dāng)魚體放置于輸送帶上時(shí)，魚體的位置相對(duì)于輸送帶的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)有一定的夾角，因此，獲取的圖像中，魚體方向與圖像X軸方向存在夾角，為精準(zhǔn)計(jì)算切割點(diǎn)的位置，需要計(jì)算線段O1O2與X軸方向的夾角α，則：

根據(jù)公式（3）中魚體體長(zhǎng)L，魚體吻端至腹鰭根部的水平距離D1，魚體吻端至生殖孔的水平距離D2，取腹鰭根部至生殖孔2/3的位置為下切割點(diǎn)的位置N，則下切割點(diǎn)N的橫坐標(biāo)為：

將公式（6）中的xN帶入公式（4）中，可得N點(diǎn)的縱坐標(biāo)yN為：

魚頭切割刀盤與魚體垂直方向呈15°夾角，以N點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，魚體左上方β=15°的方向與線段O1O2的交點(diǎn)為上切割點(diǎn)的位置，設(shè)上切割點(diǎn)為M；則上切割點(diǎn)M點(diǎn)的橫坐標(biāo)為：

將公式（8）中的xM帶入公式（7）中，可得M點(diǎn)的縱坐標(biāo)yM為：

連接線段MN，線段MN即為魚體的切割路徑。R為線段MN的中點(diǎn)，R點(diǎn)的坐標(biāo)為

在理想狀態(tài)下，切割圓盤刀的最前端從R點(diǎn)切入魚體。考慮到不同魚體的大小差異，實(shí)際切割時(shí)圓盤刀的最前端位于R點(diǎn)的正上方或正下方。以圓盤刀最前端位于R點(diǎn)的正上方為例，魚體的實(shí)際切割路徑為腹鰭根部至生殖孔2/3的位置N與切斷圓盤刀的最前端R′連接的直線，而魚體吻端至R點(diǎn)和R′點(diǎn)的水平距離相等，因此相對(duì)于不同的魚體步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)魚頭切割部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在差異，步進(jìn)電機(jī)角度計(jì)算原理如圖9示，切割圓盤刀的最前端位于R點(diǎn)的正下方時(shí)計(jì)算方法相同。

根據(jù)圖9可得實(shí)際切割時(shí)步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度γ為：

圖9 步進(jìn)電機(jī)角度計(jì)算原理圖Fig.9 Schematic diagram of angle calculation of stepper motor

魚體吻端至R點(diǎn)的實(shí)際水平距離L0為光柵傳感器檢測(cè)到魚體到達(dá)切割位時(shí)立式夾持輸送帶繼續(xù)前進(jìn)的距離。L0的實(shí)際水平距離為：

立式夾持輸送帶勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度為vm，當(dāng)光柵傳感器檢測(cè)到魚體到達(dá)的時(shí)間設(shè)為t0，從t0開始伺服電機(jī)帶動(dòng)立式夾持輸送帶做勻減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)輸送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為t1，t1至t2的時(shí)間內(nèi)為魚頭切割時(shí)間，t2時(shí)切割完成，立式夾持輸送帶開始運(yùn)轉(zhuǎn)，切割完成后伺服電機(jī)帶動(dòng)立式夾持輸送帶以最短的時(shí)間將速度提升到vm，在t3時(shí)速度達(dá)到vm，之后伺服電機(jī)繼續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)的速度示意圖如圖10所示。

圖10 伺服電機(jī)速度示意圖Fig.10 Servo motor speed diagram

當(dāng)0

當(dāng)t0

式（13）中，r為立式夾持輸送帶滾筒半徑，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制精度

1）步進(jìn)電機(jī)控制精度驗(yàn)證。先將切割圓盤刀保持豎直狀態(tài)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的目標(biāo)角度，通過圖像處理的方法獲得切割圓盤刀與豎直方向的夾角，重復(fù)5次，計(jì)算不同目標(biāo)角度下的切割圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變異系數(shù)。切割圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，目標(biāo)角度為11°～15°時(shí)，實(shí)際角度的變異系數(shù)均在6%以下，最大變異系數(shù)為5.59%，最小變異系數(shù)為2.56%，切割圓盤刀轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度在目標(biāo)角度附近波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定性較好，切割圓盤刀角度控制精度較好。

表1 角度控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Angle control accuracy verification test results

2）伺服電機(jī)控制精度驗(yàn)證。首先對(duì)輸送帶和機(jī)架上對(duì)應(yīng)的一點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，運(yùn)行立式夾持輸送帶，控制伺服電機(jī)在光柵傳感器檢測(cè)到物體時(shí)前進(jìn)不同的目標(biāo)距離，當(dāng)輸送帶上的標(biāo)記點(diǎn)與機(jī)架上的標(biāo)記點(diǎn)重合時(shí)，快速遮擋光柵傳感器來(lái)模擬魚體到位信息，在輸送帶停止時(shí)使用游標(biāo)卡尺量取輸送帶前進(jìn)的實(shí)際距離，重復(fù)5次，計(jì)算不同目標(biāo)距離下輸送帶前進(jìn)距離的變異系數(shù)。立式夾持輸送帶距離控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，目標(biāo)距離為110～150 mm時(shí)，實(shí)際距離的變異系數(shù)均在5%以下，最大變異系數(shù)為4.92%，最小變異系數(shù)為1.45%，立式夾持輸送帶運(yùn)行的實(shí)際距離在目標(biāo)距離波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定性較好，立式夾持輸送帶距離控制精度較好。

表2 距離控制精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of distance control accuracy verification

2.2 魚頭切割效果

1）裝置性能評(píng)價(jià)。為驗(yàn)證鰱魚頭加工裝置的魚頭加工作業(yè)效果，以鰱為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)。隨機(jī)選取15條體質(zhì)量1.0～1.5 kg、體長(zhǎng)450～600 mm、魚體新鮮、外表完整、無(wú)明顯傷痕的鰱樣本。試驗(yàn)時(shí)先將活魚作凍暈或敲暈處理，并保持魚體表面干凈；先測(cè)量每尾鰱的體長(zhǎng)；再將鰱樣本放入鰱魚頭加工裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，記錄魚頭加工所需時(shí)間；魚頭加工完成后測(cè)量魚頭部分魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離，并對(duì)魚頭的外觀進(jìn)行感官評(píng)分。鰱魚頭加工試驗(yàn)如圖11所示。

圖11 鰱魚頭加工試驗(yàn)Fig.11 Processing test of the head of Hypophthalmichthys molitrix

以魚頭切割路徑的準(zhǔn)確性和魚頭外觀感官評(píng)分作為裝置加工效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。魚頭切割路徑的準(zhǔn)確性定義為加工后魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離之間的一致程度，通過加工后魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離之間擬合后的決定系數(shù)以及均方根誤差來(lái)表示。切割路徑檢測(cè)時(shí)間為采集圖像至切割路徑計(jì)算完成所需時(shí)間；加工時(shí)間為圖像采集完成至魚體加工完成所需的總時(shí)間，其中包括圖像采集時(shí)間、切割路徑計(jì)算時(shí)間、Ar?duino控制板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間和魚頭切割及剖切所需要的全部時(shí)間。

魚頭外觀感官評(píng)分方法：以5位經(jīng)過魚頭感官檢驗(yàn)訓(xùn)練的人員組成評(píng)定小組，根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加工后的魚頭外觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，以5位評(píng)價(jià)人員的感官評(píng)分平均值作為魚頭的感官評(píng)分，總分以1.00分計(jì)。魚頭的外觀感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：一等評(píng)分范圍為0.80～1.00，要求魚頭外形保持完好，魚頭切斷面十分光滑平整有光澤，無(wú)明顯損傷或缺肉；二等評(píng)分范圍為0.60～0.80，要求魚頭外形保持比較完好，魚頭切斷面光滑平整，無(wú)明顯損傷或缺肉；三等評(píng)分范圍為0.40～0.60，魚頭外形遭到破壞，魚頭切斷面平整但略微粗糙，有一些損傷或缺肉；四等評(píng)分范圍為0.20～0.40，魚頭外形遭受破壞，魚頭切斷面不平整且比較粗糙，有多處損傷及缺肉；五等評(píng)分范圍為0.00～0.20，魚頭不能成型，魚頭切斷面不平整且十分粗糙，有嚴(yán)重?fù)p傷。

2）魚頭實(shí)際切割效果。魚頭切割后魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離與經(jīng)圖像處理后預(yù)測(cè)的魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的水平距離的線性擬合結(jié)果如圖12所示。從圖12可知，魚體吻端至上切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離擬合后的決定系數(shù)為R2=0.911，均方根誤差為6.31 mm。魚體吻端至下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離擬合后的決定系數(shù)為R2=0.985，均方根誤差為2.61 mm。這表明魚頭切割后下切割點(diǎn)的實(shí)際位置與預(yù)測(cè)位置的誤差要小于上切割點(diǎn)實(shí)際位置與預(yù)測(cè)位置的誤差，即切割后魚頭的下切割點(diǎn)位置距離預(yù)測(cè)的位置更接近，上切割點(diǎn)位置距離預(yù)測(cè)的位置更遠(yuǎn)。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行魚頭切割路徑計(jì)算時(shí)，魚頭上切割點(diǎn)位置是以下切割點(diǎn)的位置為基準(zhǔn)進(jìn)行求解，但在實(shí)際切割時(shí)，由于裝置的振動(dòng)以及魚體在輸送過程中受力變化，魚體的位置與設(shè)定的位置會(huì)存在一定的偏差，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)行魚頭切割時(shí)，上切割點(diǎn)位置的誤差會(huì)大于下切割點(diǎn)，但該誤差不影響鰱魚頭切割效果。試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)際切割位置與理論切割位置存在較強(qiáng)的相關(guān)性，該裝置魚頭切割路徑的準(zhǔn)確性較強(qiáng)。

圖12 魚體吻端至上切割點(diǎn)（A）和下切割點(diǎn)（B）的實(shí)際水平距離與預(yù)測(cè)水平距離的擬合結(jié)果Fig.12 Fitting results of the actual horizontal distance from the snout of the fish to the upper（A），lower（B） cutting point and the predicted horizontal distance

鰱魚頭加工裝置驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知，采用鰱魚頭加工裝置進(jìn)行試驗(yàn)，切割路徑檢測(cè)時(shí)間為（0.055±0.009） s，鰱樣本加工成鰱魚頭所需時(shí)間為（13.28±0.35） s，魚頭的外觀感官評(píng)分為0.88±0.02，評(píng)分為一等。鰱魚頭加工效果如圖13所示。從圖13可知，鰱魚頭加工斷面光滑平整，魚頭外形保持完好，整體加工效果較好，能夠滿足鰱魚頭的銷售需求。

表3 鰱魚頭加工裝置驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Verification results of the head cutting device of Hypophthalmichthys molitrix

圖13 鰱魚頭加工效果圖Fig.13 Effect drawing of processing a section of the head of Hypophthalmichthys molitrix

3 討論

本研究設(shè)計(jì)并研制了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的鰱魚頭加工裝置，該裝置由魚體輸送裝置、魚體圖像采集裝置、魚體翻轉(zhuǎn)部件、立式夾持輸送帶、魚頭切割部件、魚頭剖切部件、裝置控制系統(tǒng)等組成，通過各部件之間的協(xié)作，采集鰱魚體的圖像，規(guī)劃鰱魚頭切割路徑，按照切割路徑對(duì)鰱魚頭進(jìn)行切割并剖切，實(shí)現(xiàn)鰱魚頭的自動(dòng)化加工。通過圖像處理的方法計(jì)算鰱魚體體長(zhǎng)，將體長(zhǎng)的圖像處理測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行線性擬合，決定系數(shù)為R2=0.996，均方根誤差為1.41 mm，表明通過圖像處理的方法計(jì)算魚體體長(zhǎng)具有較好的準(zhǔn)確性；根據(jù)所得的魚體體長(zhǎng)計(jì)算出魚體的魚頭切割路徑。對(duì)控制系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的工作精度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明步進(jìn)電機(jī)控制刀具轉(zhuǎn)動(dòng)角度和伺服電機(jī)控制輸送帶運(yùn)行距離具有較好精度。對(duì)裝置的作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明魚頭切割后魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的實(shí)際水平距離與圖像處理所得魚體吻端分別至上切割點(diǎn)和下切割點(diǎn)的預(yù)測(cè)水平距離的線性擬合的決定系數(shù)分別為0.911和0.985，均方根誤差分別為6.31、2.61 mm，說明該裝置魚頭切割路徑的準(zhǔn)確性較強(qiáng)；切割路徑檢測(cè)時(shí)間為（0.055±0.009） s，鰱樣本加工成鰱魚頭所需時(shí)間為（13.28±0.35） s，加工后的鰱魚頭的外觀評(píng)分為0.88±0.02，評(píng)分為一等，整體加工效果較好，能夠滿足鰱魚頭的銷售需求。該裝置基于機(jī)器視覺技術(shù)計(jì)算鰱魚頭的切割路徑，應(yīng)用Ar?duino控制板控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)鰱魚頭的自動(dòng)化加工，可以為其他淡水魚魚頭的加工提供參考。