基于机器视觉的高速在线药粒计数分装系统设计_郝明.pdf

控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于机器视觉的高速在线药粒计数分装系统设计*郝 明,孙凯明,刘彤军,王 刚（黑龙江省科学院智能制造研究所，黑龙江 哈尔滨 150090）摘要:为实现中药药粒高速计数，本文设计基于机器视觉的高速在线药粒计数分装系统，采用距离变换实现“8”字型粘连药粒分割，根据线阵相机成像特点剔除相邻两帧的药粒重复计数，实现机器视觉技术对药粒精准高速计数，结合机械和控制策略实现药粒的精准分装。从计数实验和装瓶实验结果看，系统计数精度达100%，分装精度达99.96%，具有精度高，占用空间小，适应能力强等优点，可以满足药厂对药粒分装的精度要求。关键词:机器视觉；高速计数；药粒分装中图分类号：TP273；TP391.41文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0038-03Design of High Speed Grain Dispensing DeviceBased on Machine VisionHAO Ming,SUN Kai-ming,LIU Tong-jun,WANG Gang(The Institute ofAutomation of HeilongjiangAcademy of Sciences,Harbin 150090 China)Abstract:In order to realize the high speed counting of traditional Chinese medicine particles,this paper designs a high-speed online Chi-nese medicine particle counting and bottling system based on machine vision.It uses distance transformation to realize the 8shape adhesive Chinese medicine particle segmentation,eliminates the duplicate counting of adjacent two frames of Chinese med-icine particles according to the imaging characteristics of linear array camera,realizes the precise and high-speed counting of Chi-nese medicine particles by machine vision technology,and realizes the precise sub-packaging of Chinese medicine particles bycombining mechanical and control strategies.From the results of counting and bottling experiments,the counting accuracy of thesystem is 100%,and the bottling accuracy is 99.96%.It has the advantages of high accuracy,small space occupation,and strongadaptability,and can meet the precision requirements of pharmaceutical factories for Chinese medicine particles bottling.Keywords:machine vision;high speed counting;bottling*基金项目：黑龙江省科学院科学研究基金：基于机器视觉的高速药粒分装技术研究（KY2023ZN02）收稿日期:2023-01-13DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0038-03.1引言很大一部分药品为颗粒状，在制药企业中常采用瓶、袋和铝塑等形式对颗粒药片进行分拣包装。包装颗粒数也是包装质量的重要因素，在保证颗粒数目精度上，国内企业常采用人工计数法1、机械计数法2、光电数粒机3等方法进行颗粒计数包装。随着视觉检测技术的发展，视觉数粒技术在药片包装中的应用得到广泛研究。姚莹等人研制了一种平板式数粒机，通过机器视觉系统和药粒位置分析实现药粒的快速准确计数4。以色列的DATA公司研制了ICU系列基于机器视觉的高速药粒数粒装瓶机。由机械运动、机器视觉计数和控制系统组成，其结构紧凑，计数准确。由于机器视觉技术受到多种因素的影响，导致鲁棒性低、精度不足、实时性不好等问题，基于机器视觉计数的药粒计数装瓶机在国内制药厂难以普及。因此，研究实时性好、检测精度高、稳定性好的在线药片检测系统，具有很大挑战性和研究价值，具有十分广阔的市场前景。本文针对中药企业的药粒装瓶机升级的实际需求，设计基于机器视觉的高速在线药粒计数分装系统，运用机器视觉技术对药粒精准计数，并结合机械和控制策略实现中药药粒的精准装瓶。2药粒高速在线计数系统设计2.1硬件设计如图1所示，基于机器视觉的高速在线药粒计数系统5主要由振动盘，线阵相机，条光源，PLC 和计算机等组成。计算机通过PLC控制振动盘的振动频率和启停，实现装瓶模拟，相机拍摄高速下落的药粒，并对其计数。从系统性能分析，由于下落的药粒处于高速运动状态，且由于药粒间可能发生碰撞，运动方向会产生变化，面阵相机采集的图像很难估计其轨迹，也无法避免重复38自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications计数。所以采用线阵相机。通过线阵相机成像后，颗粒间的位置关系不再发生改变，这时就可以利用药粒间的位置关系信息去除重复计数的药粒，实现精准计数。为减小运动模糊，摄像机的曝光时间很短，需要使用高强度的光源才能产生足够的光通量。为了突出其轮廓特征，采用面光源背向照明的方式。图1基于机器视觉的高速在线药粒计数分装系统2.2药粒图像处理方法2.2.1基于距离变换的“8”字型粘连药粒的分割方法(a)“8”字型粘连(b)距离变换(c)分割结果图2基于距离变换的“8”字型粘连药粒的分割在药粒成像的过程中，可能出现两个药粒距离太近而产生粘连现象，即形成所谓的“8”字型，对其处理有形态学方法、凹点匹配法等，但上述方法比较耗时，不能满足高速计数要求，为此采用基于距离变换的方法分割“8”字型粘连6-7，即首先对图像做距离变换，再通过二值化达到粘连药粒分割的目的。基于OpenCV的“8”字型粘连分割过程如下：cv:Mat DetectEight(cv:Mat img)cv:Mat disImg;cv:Mat disImg1;cv:distanceTransform(img,disImg1,DistanceTy-pes:DIST_L1,3);normalize(disImg1,disImg,0,255,NORM_MINM-AX,-1,Mat();disImg.convertTo(disImg,CV_8U);threshold(disImg,disImg,180,255,THRESH_BI-NARY);return disImg；2.2.2相邻两帧图像中药粒重复计数剔除方法如图3所示，在计数的过程中，前一帧的上边界和当前帧的下边界将出现同一粒药粒的两个部分，如果不加区分将产生重复计数。设相邻两帧图像中某个药粒成像的区域为S1和S2，根据线阵相机成像特点，不同药粒成像的相对位置不发生改变，如果其满足下列条件则认为S1和S2是同一个药粒的成像：其中，Cs1和Cs2表示区域S1和S2的圆度，Cs1+s2表示区域S1和S2拼接后形成的区域的圆度，xs1和xs2表示区域S1和S2的中心的水平位置，T1、T2和T3为阈值。区域的圆度和中心可以通过边缘提取和外接矩形获得。前一帧下边界的S1后一帧下边界的S1S1和S2拼接图图3相邻两帧图像中药粒重复计数剔除方法示意图满足下列条件的两个区域计数时看作1个药粒计数，从而避免了相邻两帧图像中药粒重复计数。(a)前一帧(b)后一帧图4相邻两帧图像中药粒重复计数剔除结果3药粒分装的机械结构及其控制策略药粒分装的机械结构由两个给料通道组成，一个为多通道(多通道振动盘)，可以同时下落多粒药粒，一个为单通道(单通道振动盘)，每次只能下落1粒药粒。如图5所示机械结构，药粒下落时首先落入1中，当要到达计数目标时振动器停止振动，1将药粒倒入2中，同时3旋转并39控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications开启补充药粒至计数目标。1将药粒倒完后复位，振动器开始振动，启动新一轮计数。补充药粒完成后3复位。在计数的过程中2将其中的药粒倒入药瓶中并复位。1、执行机构A;2、执行机构B;3、执行机构C;4、多通道振动盘;5、单通道振动盘;6、药瓶;7、传送带图5药粒分装的机械结构4实验结果机器视觉的药粒高速计数系统的实验设置8见表1，线阵相机工作频率设置为3 000 Hz，多通道振动盘和单通道振动盘每次实验设置相同振动频率。应用C+语言和OpenCV图像处理库在Visual studio 2019开发了实验程序。表1基于机器视觉的高速药粒分装装置实验设置项目线阵相机镜头光源多通道振动盘单通道振动盘振动控制器PLC计算机操作系统编程语言开发环境型号LA-GM-04K08A-00-RMVL-AF2045M-M42SH-XS300SDVC31-MS7-1214C研华工控机Windows 10C+Visual studio 2019主要参数及设置分辨率4 K，工作频率3 000 Hz焦距20 mm30 cm30 cm9 cm30 cm4 cm振动频率40-400 Hz以太网通信i7处理器，16 G内存OpenCV针对药粒计数的需求，分别作了药粒计数实验和装瓶实验。药粒计数实验旨在检验视觉计数系统及其算法的稳定性。装瓶实验旨在检验视觉计数系统和装瓶装置的协调性，装瓶准确性。实验结果见表2和表3，从表中可以看出，系统计数精度达100%，装瓶精度达99.96%，能满足企业需求。表2计数实验结果表药粒数（粒）1005001 000实验次数1 0001 0001 000准确率（正确次数/总次数）100%100%100%表3装瓶实验结果表装瓶（瓶）5 0005 0005 000规格（粒/瓶）501001 000平均每分钟装瓶数（瓶）38325准确率（正确装瓶数/总装瓶数）99.98%99.98%99.96%5结束语根据药粒装瓶机的实际需求，设计了基于线阵相机的高速在线药粒计数系统，采用距离变换分割“8”字型粘连和相邻两帧图像中药粒重复计数剔除方法，实现药粒高速计数。采用两通道分装的机械结构设计，多通道实现快速计数，单通道实现目标计数补充，配合振动器和分装挡板的控制策略，实现药粒的快速分装。从实验结果可以看出，系统计数精度达100%，装瓶精度达99.96%，能满足企业需求。系统具有实时性好、检测精度高、稳定性好等特点，能满足制药企业的需求，具有十分广阔的市场前景。参考文献:1 梁立东.基于视觉跟踪的颗粒计数与缺陷检测系统研究D.广州：华南理工大学,2014.2 王源鑫，王世钢.一种丸药药粒计数器.中国P.N02214533.2002,8.3 龙庭美.油菜直播机颗粒肥排施计数装置设计与试验D武汉：华