数字图像处理技术在大蒜切脐(根)机中的应用研究

青岛农业大学大学生创新教育立项申请书项目名称数字图像处理技术在大蒜切脐（根）机中的应用研究申请人陈兆文专业班级电气工程及其自动化02班指导教师刘立山申请日期2010年10月17日一、人员结构：项目人员情况项目主持人姓名性别年龄学院专业班级专长、发表文章及奖励承担的工作陈兆文男22机电工程学院电气工程及其自动化02班数学、图像处理程序设计、软件编程项目组主要成员姓名性别年龄学院专业班级专长、发表文章及奖励承担的工作刘向征男22机电工程学院电气工程及其自动化03班数学、图像处理和办公软件操作算法分析、论文的整理刘宇男22机电工程学院电气工程及其自动化04班接口技术接口的设计周川男21机电工程学院电气工程及其自动化04班机器安装、操作机械设计指导教师情况姓名性别年龄学历学位职称学院研究方向刘立山男46硕士教授机电工程学院运动控制，智能检测与控制指导教师情况简介（包括专长、曾发表文章、奖励情况、指导学生情况等）：工作简历：刘立山，男，1962年10月生，教授。1983年毕业于山东工学院电机系电机工程专业，获工学学士学位1992.07—1997.09，莱阳农学院工程学院，讲师。1997.10—2004.12莱阳农学院工程学院，副教授，电工教研室主任；电工实验室主任；2005年毕业于中国农业大学电气工程专业，获工程硕士学位；2005年至今任青岛农业大学机电工程学院，教授，电工实验室主任，山东省电工学教学研究会常务理事。科研工作情况：近几年主持完成省教委课题一项，课题题目：数控远红外果蔬脱水干燥工艺及设备研究。完成社会横向课题多项，包括：全自动整流子点焊机的研制，单片机控制全自动豆浆加工机的研制，种子干燥机的研制，电容储能式点焊机的研制等。发表论文30余篇。目前承担院级科研课题一项，题目是：基于USB接口的运动控制系统的研究，科研经费2.5万元。主要从事运动控制与过程控制、单片机与DSP应用开发等方面的研究。主持和参加的科研项目：数控远红外果蔬脱水干燥工艺及设备研究山东省教委1999.32.5万国内领先第1位电工技术、电子技术、电机拖动实验教学的优化设计及实验装置的研制院课题1999.9院优秀教学成果一等奖第1位单片机控制塔机安全保护装置的研制院课题0.6万2002.9第1位单片机控制豆浆加工机的研制莱阳市祝康电器厂资助1.6万2001.6第1位机械式塔机安全保护装置的研制院课题0.5万2001.9第3位作物种子干燥机的研制院农学系旱作技术研究室资助1.8万2001.7第1位基于USB接口的运动控制系统的研制院课题2.5万2006第1位科研论文：[1]刘立山.作物种子干燥机单片机温度控制器.测控技术.2003年第9期:64-65[2]刘立山.滚筒式作物种子干燥机自动控制装置的研制.农业工程学报.2004.7第20卷第4期：108-111.（科技核心）[3]刘立山.根轨迹绘制中的特殊问题.工业仪表与自动化装置.2003年第1期：3-5[4]刘立山.滚筒式种子干燥机设计与试验.农业机械学报.2004.9第35卷第4期：77-80.（科技核心）[5]刘立山.作物种子干燥机单片机温度控制器.计算机与农业.2003.11（综合版）：9-10[6]王光.刘智军.刘立山.李娟.李保华.梨黑星病菌侵染测报器的设计.青岛农业大学学报.2007年3月（第24卷第1期）：65-67[7]李京翠.刘立山.王光.姜旭升.一种低成本、高精度模数转换电路的设计.青岛农业大学学报.2007年6月（第24卷第2期）：136-139[8]刘立山.种子干燥机智能温度控制器设计.电工技术.2003.9（第9期，总第273期）：34-35[9]刘立山.基于PC-104总线的CAN通讯卡的设计与实现.计算机测量与控制.2004.7（第12卷）：672-674[10]徐志斌.刘立山.房黎明.基于单片机的电动机机械特性测试系统.仪器仪表用户.2008年第6期：34-35[11]许书娟.官洪民.刘立山.周士强.基于MSP430单片机的便携式多功能测温仪.仪器仪表用户.2008年第1期[12]刘立山.空间电压矢量形成旋转磁场的原理分析.电气电子教学学报.2008.4[13]张还.刘立山.张惠莉.赵丽清.李生多.干粉砂浆生产线自动控制系统的设计.建筑机械化.2010.3出版教材：[1]刘立山.《模拟电子技术基础》石油大学出版社2001．9主编[2]刘立山.《单片机原理与应用》中国水利水电出版社2001．8主编[3]刘立山.《电工技术》石油大学出版社1999．8主编二、创新项目论证（一）研究的目的、意义（包括立项依据、研究现状、目的意义等）1.研究现状国外限于各国大蒜产量在世界范围内所占份额极低，因此大蒜深加工机械水平的发展也受到了限制，未见有大蒜切脐机的报道。国内从事大蒜切脐机研制和生产的厂家比较少，通过调研，现只有6SQG-9型号切脐机，但6SQG-9切脐机对大蒜的尺寸要求严格统一，只能对已经进行人工初选的大蒜切脐。而蒜片加工厂的蒜源从产地、大小、品种都会变化，不可能做到统一大小，因此国内目前尚无通用且性能稳定的大蒜切脐设备。目前市场上的大蒜切脐机存在的共同问题：均采用纯机械原理设计，切刀位置无法随蒜头大小、形状自动调整，存在切脐不净或过量切除蒜肉的问题，因此市场站有率极低。从文献检索结果来看，国内各高校及科研机构均无介入对该设备的研究。我国农业机械化与世界发达国家比，还处于较低的水平。特别是大蒜，从播种、收获到加工，机械化、自动化难度更高。由于大蒜的脐部很薄，切割精度要求高，因此纯粹的机械设计很难对不同大小、形状的大蒜做到精确切割。图1目前大蒜切脐机的问题2.目的意义大蒜以其独特的食用与药用功能，受到越来越多国内外消费者的青睐。大蒜这个传统产业，正在逐渐成为一个极具发展潜力的朝阳产业和创汇产业。我国是大蒜生产种植第一大国，也是世界大蒜的第一大出口贸易国。我国大蒜总产量约1258万吨，10％左右用于留种，90％左右直接食用，其中加工成各类制品大蒜不到10％。山东省大蒜产量居全国之首。积极探索大蒜深加工方法是抵御市场风险、保护我省蒜农经济利益的最有效途径。切脐是大蒜深加工的首道工序，但由于大蒜机械切脐存在切脐不净或过量切除蒜肉的问题，目前加工企业90％以上都仍采用人工切脐，即使曾经购置过切脐设备也都由于性能不稳定而处于闲置状态。按人工切脐工作量是200Kg/人天，一个日产蒜片10吨的中小型的企业，正常运转就需要配置50个人工完成切脐工作，造成人力成本高，效率低。因此迫切需要一种加工机械，能够代替手工操作，实现对大蒜的自动化精确切脐。基于数字图像处理技术的测控定位技术的定位精度可以达到0.02mm。将图像处理这一测控领域的新技术引入切割机，并结合已经成熟的自动化执行机构是解决切脐不净和过量切除蒜肉的有效途径，可以从根本上解决大蒜切脐机切脐不净或过量切除蒜肉这一难题。过量切除蒜肉正确切刀位置切脐不净（二）研究的主要内容（包括方案、完成的方法手段、进程计划、目标等）1.研究方法、实验方案：数字图像处理技术是测控领域内最具有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测和计算机处理技术，实现对物体尺寸或位置的精确定位和测量，具有非接触、速度快、柔性好等突出优点。本课题首次将该技术应用于大蒜切脐机中，从而准确定位切刀位置，彻底解决纯机械切脐装置切脐不净或切肉过多的问题。（1）设计图像采集系统：硬件系统的组成主要有光源、镜头和相机。光源选择亮度可调白色线光源，相机选择80/秒帧黑白两色工业相机配16mm镜头，这样的配置不但可以获得稳定、清晰、准确的采集图像，而且可以满足快速检测的要求。（2）研究快速脐肉分界的增强和分析算法：确定脐肉分界的位置坐标。1.脐部图像的增强处理，获得更清晰的脐肉局部图像。对采集图像利用非线性变换法进行图像增强处理，将整个灰度范围划分为几个子区间，利用灰度值的统计特性达到图像自适应增强的目的，同时利用图像积分处理使劣化的图像信号噪声降低。2.脐部图像的分析处理，得到脐肉分界坐标。对图像进行分析，研究出一种生成确定目标图像边界位置的专用边界定位程序的算法。首先在目标图像的关注区，至少选择具有两个图像滤波单元的图像，在关注区附近测定至少两个滤波图像结果，根据滤波图像结果，确定专用边界定位程序。生成包括准备定位于目标边界的伪图像，该伪图像基于至少一个选出的图像滤波单元，对伪图像作边缘检测操作以确定边界位置，该边界位置可用作机器视觉系统成像目标的尺度检验度量。从而可以在短时间内获得不同大小、形状蒜体的准确切脐位置坐标。（３）开发设计自动切脐执行装置：应用步进电机的细分技术完成切刀位置的精准定位。（４）将脐、肉分界的位置坐标送入切脐装置执行单元：图像处理系统与自动化执行机构采用RS-232串口，将图像处理后的脐肉分界位置坐标送到执行机构的控制单元，从而实现准确切脐。图2切脐机图像处理过程示意2.研究内容和研究目标（1）图像采集。使用智能相机在特定背景实验条件下获取大蒜图像。采集图像的好坏是整个系统能否成功与否的关键。合理的硬件解决方案可以使得系统分辨率得到充分利用，实现距焦准确、图像均匀无畸变、突出关注区的特征，其它的特征不显示或得到抑制，从而为软件编程打下良好的基础。（2）研究合理的增强预处理算法，大蒜脐肉灰度级差小，因此必须先对用智能相机所拍摄大蒜图片进行增强预处理，使得脐部与蒜体的灰度级差更显著。（3）研究专用高效的分析算法使得大蒜的尺寸、品种、脐肉边界得到准确、快速检测，这是本课题的核心和难点。（4）完成图像处理系统与切脐执行机构的接口设计。（5）完成自动切脐装置的设计。驱动刀具切脐自动化执行机构控制单元图像采集系统图像增强系统图像分析系统坐标（三）条件分析（包括人员结构、资料准备和实验条件等）人员结构1.刘立山教授，主持和参加过多项科研课题经历，被聘为山东省电工学教学研究会常务理事；参加过国家级，省部级课题两项，校级院级课题16项；获得三次校级优秀教学成果一等奖。现在主持校级课题《基于USB接口的运动控制系统的研制》，已发表文章30篇。2.陈兆文勇于创新。本人从大二开始自学数字图像处理，对其驾轻就熟。暑假期间跟随图像处理老师做过一些图像处理的项目，读过多篇有关图像处理的科技型文章，有一定的知识水平和实践经验，热爱科学研究，受到老师的高度好评。3.刘向征热爱钻研。来自我国大蒜主产区之一山东金乡，对大蒜的播种及收获过程有着深刻的了解。2009年8月被海都学院选派到本部借读。从大二下班学期开始学习图像处理技术，尤其对有关图像处理的算法分析有较深的研究。4.刘宇注重实践。从大二开始学习单片机编程，并且对单片机程序设计很感兴趣，精通单片机控制机械智能化很多技巧，大量参与编程处理的实践，有一定的实践经验，爱科学研究。5.周川认真执着。在了解图像处理技术的同时更加注重机械设计的学习，目前已经读了大量的有关机械设计的资料，注重理论联系实践。曾在校办工厂实习过，受到一些资深工程师的指点。资料准备有工业领域成功案例可以借鉴。数字图像处理技术目前已经应用于对人脸、指纹、汽车照排的识别。在工业领域其应用的成功案例增长更加迅速。目前市场已经成功开发出多种自动定位加工系统：如LCD（液晶板）自动切割机，光纤定位加工系统，PCB冲孔加工机，自动定位点、涂胶机及电路板各芯片管脚位置的检测、布匹微瑕的识别定位等系统。其检测精度可达0.02mm。虽然图像处理技术具有对不同对象的特异性。但是这些成功案例也为我们提供了很多可以借鉴的经验。而且对于大蒜切脐这样特殊的农产品加工环节，精度要求可适当降低，其加工精度在0.05～0.1mm就足可以满足生产的要求，因此相对来说算法的实现难度也相对会降低，因此从技术上来说是完全可以实现的。实验条件1.本次研究在工程楼实验室611进行；2.已经于2009年寒假和2010年暑假对算法和编程进行了学习；3.课题的自动切脐装置的主要技术依托于青岛农业大学机电工程学院2009年建成的总额为200余万元的运动控制实验室；4．课题组成员对图像处理技术均有一定的研究。对常用的编程软