基于线阵CCD的小物体掉落自动检测系统

随着自控产业的发展，现代工业中常遇到的分拣工作、掺杂工作，都改变了传统的手工分拣模式，采用自动控制模式执行，如：螺丝的分拣装包、钢化玻璃中掺杂小钢珠等等u。而自动化流程执行的稳定性和可靠性，需要相应的检测系统作为技术保障，因此小物体掉落的自动检测成为主攻关键 。

考虑到光电检测技术的非接触、适应能力强、快速高效、准确、柔性好 、可靠性高等特点，光电检测成为实现小物体掉落检测的首选方法口 。而且随着光电检测技术的发展，小物体掉落检测技术也逐渐成熟。如美国欧姆龙、日本基恩士等公司都已生产出了相应的光电传感器，但是此类光电传感器只能检测物体是否掉落，不具备掉落位置识别功能，如此对于某些行业中的- 排多组掉落情况，则需要增加光电传感器的数目，实现每组掉落情况的识别，这样系统的整体成本较高，不适宜工程化H。此外，此类传感器随着物体尺寸的减小，其价格也逐渐翻倍增加。因此，从成本角度考虑，在满足检测精度前提下，应尽量减少检测系统数 目，即-个检测系统应能够满足多组掉落情况的检测，对此成像方法将成为有效检测方法。

产 生于上世 纪70年代 初的 电荷 耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)作为现代最重要的图像传感器之-，它是由-种高感光度的半导体材料制成的模拟集成电路芯片，借助光学系统和驱动电路可以实现物体表面的光反射信息的获取，其具有灵敏度高、结构简单、成本低廉，在检测检测方面有诸多应用。如：利用线阵CCD可以实现物体运动速度、物体外形尺寸等测量[5q。

面阵CCD可以实现物体跟踪，3D成像、表面缺陷识别等方面的应用 叫 。对于-排多组的小物体掉落的检测，仅需线阵CCD即可，但是对于-排多组的检测系统设计、设备选型依据、以及满视野成像的光照自适应性等方面还需进-步研究。

考虑上述问题，本文针对-组多排的掉落情况进行了研究，设计了基于线阵CCD的小物体掉落自动检测系统。论文首先针对-组多排的掉落情况，设计了线阵CCD检测系统，并对系统部件的选型进行了说明，同时针对系统所涉及的相关收稿日期：2012-12-06基金项目：973计划 (2011CB311804)；国家自然基金 (61071193，61171179，61171178)；山西省自然科学基金(2010011002-1，2010011002-2)；山西省高等学校优秀创新团队资助作者简介：陈平 (1983-)，男，安徽池州人，讲师，博士，研究方向为光电检测、信号与信息处理。

第35卷 第2期 2013-02(下) 45务l 匐 似技术进行了详细论述，最后针对玻璃加工过程中掺杂钢珠的实例，进行了工程应用，验证了系统的稳定性和有效性。

1 系统构成及其工作原理1.1系统构成及工作原理图1为小物体掉落检测系统原理图。 它主要由照明子系统、光学成像子系统、图像采集子系统以及计算机等组成。照明子系统由光源、光源控制器构成。光学成像子系统由变焦镜头等组成。

图像采集子系统由CCD相机和图像采集卡等构成▲行检测时，由成像系统获取图像数据，由软件进行掉落情况与掉落位置的识别。

图1 测量 系统原理图如图l所示，依据生产线在线检测环境设计光学成像子系统，并由图像采集子系统控制数据采集，所采集的图像数据经图像采集卡传输到计算机〖虑实际检测需求，在光学成像子系统中需要设计相应的照明子系统，为了提高系统控制的智能性，照明子系统与计算机之间通过光源控制器，以串口通信方式进行光照度的自动调节。最后通过对采集回来的数据进行处理与识别，并结果反馈生产设备，进行反镭制。

1.2系统部件选型1.2.1线阵相机线阵相机的选型主要撒于相机的分辨率、采集频率以及镜头焦距。相机的分辨率由检测物体的直径决定，采集频率由物体运动速度决定，镜头焦距由分辨率和视野大婿定。

对于掉落的检测，假设检测物体直径为 ，- 排有 n组掉落， 组总宽为D 。为了提高检测的稳定性，对于直径 的掉落物在图像上应至少反应为2～3个像素，则可按如下公式 (1)确定图像分辨率 ：I461 第35卷 第2期 2013-02(下)2D(1)掉落物属于自由落体运动，假设在距离掉落点S处进行检测，根据重力加速度可计算出检测点处的掉落物运动速度1，为：1， (2)公式 (2)中的g为重力加速度9.8m/S。依据公式 (2)可知1秒钟，掉落运动距离为1，，假设在运动 的过程中，线阵相机应至少抓拍-行。依据公式 (1)可知，每行对应的实际视场尺寸为/2，则相机的采样频率k应为：- 2v k- ( ) .-/ 3假设相机安装在距离掉落物 处，同时依据公式 (1) (3)进行相机定型后，CCD芯片尺寸为 。，从而依据三角成像原理可确定镜头焦距，为：，： (4)D根 据上 述公 式 (1)、 (2)、 (3)、(4)，待检测对象和检测空间尺寸确定后，可以进行相机和镜头的选型及设计。

1 2光源由于线阵相机感光性能差，同时掉落的物体- 般尺寸较小，所以系统采用背光源作为图像背景 。在检测过程中，通过相机获取背光源的图像。当有物体掉落时，在背光源的亮背景上出现阴影，所获得图像就是包括该阴影的图像信息，在此基础上，利用相关图像处理技术，提取掉落物体的空间信息，实现掉落物体的检测。

在光电检测中，通常采用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能够凸显物体的外形特征，为了避免自然光的影响，系统采用红色背光源进行光源补偿。同时对于满视野成像，由于镜头的-致性问题往往导致所获取的图像，中间较亮边缘较暗，图像灰度的-致性较差，不利于图像边缘区域的检测n引。为此照明子系统设计为三路独立控制结构，将中心区域光照强度调弱，边缘区域相对调强，以保证满视野成像范围内的图像灰度-致性。

2 系统软件实现的关键技术2.1多线程同步务I 匐 似对于高速运动的物体，-般要求线阵相机具有较高的帧频，-般能够达到几KHz，甚至几十KHz，如果采用常规的单线程软件处理方法，将会占用系统资源较多，主控界面无法实时刷新。

在此基础上进行相关图像处理工作，将会直接影响数据采集的正常性，不易于高速运动物体的检测。

而随着操作系统技术的发展，先后出现了多通道程序设计、分时系统等许多技术，提高了系统运行的效率。多线程技术的引入，不但可以挖掘潜在的CPU空闲时间，而