糙米轮廓激光扫描测量系统研究与开发

郝方涛 汤晓华 孔祥亮 安嘉强 吴婧

摘 要：糙米轮廓形状描述是糙米品质检测及碾白加工机理分析的基础。本文主要在前期糙米轮廓激光扫描的基础上，对其形状加以进一步分析，即外形轮廓可分为胚芽部位与非胚芽部位两部分。针对两部分轮廓特点，对非胚芽部位采用激光环扫方式；而对胚芽部位采用先旋转轴线后纵切扫描方式。以期获得完整的糙米扫描数据，为建立较为精确的糙米扫描轮廓模型，尤其是能准确还原胚芽部分的形貌特征提供数据依据。同时开发实现该扫描运动的机电测控系统。

关键词：糙米轮廓；激光扫描；运动规划；机电系统；逆向工程

中图分类号：P232 文献标志码：A

稻米是人类的主要粮食作物。衡量稻米品质及碾白加工的关键指标之一就是外观描述品质。目前其检测主要靠人眼感官判定，这种方法主观性较强，检测精度和效率较低。近几年随着计算机软硬件水平的提高，依靠计算机视觉技术对大米外形的检测应用越来越多。中国农业大学王一鸣等人设计了一套基于机器视觉的大米外观品质参数检测装置，实现了对垩白度、垩白粒率、黄粒米和粒型参数的检测。刘光蓉等人通过扫描仪获取大米图像，通过改进的直方图均衡化算法进行图像增强，然后利用八邻域分析法提取大米轮廓。

视觉检测有检测速度快等优点，但对于单粒糙米的检测能力较差，尺寸信息的测量精度较低，将影响后续糙米模型的重建与分析。因此选用一个精度更高的测量方式显得尤为重要。目前对于建立糙米外形轮廓数字化模型的研究很少，即使展开过相关研究，测量的精度也有待提高，尤其是胚芽部分的数字化模型。

本文拟搭建一个五轴数控运动平台，基于激光传感器技术对糙米轮廓进行多种路径规划的扫描，以期建立较为精确的糙米模型，尤其是能准确还原胚芽部分形貌特征。

1 测量原理

根据是否与被测物表面接触，可以将物体三维几何形状的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。

接触式测量的优点是准确性和可靠性高，对被测样件的材质和反射性无特殊的要求。缺点是测量速度慢，且不适于对软质、易碎、易变形、超薄样件进行测量，对尺寸小于测头直径的微细部分的测量受到限制。

非接触式测量的优点是速度快、自动化程度高、不受样件材质和薄厚的影响。缺点是容易受样件反射性和环境光的影响。

考虑到糙米材质特点，结合上述分析本研究选用非接触式的测量方式。测量设备选用KEYENCE 公司的LK-G150激光位移传感器。该激光传感器采用激光三角法测量原理，如图1所示。激光器发出激光，经聚光透镜聚焦后垂直入射被测物表面。当被测物移动或表面发生变化时，入射光沿入射光轴移动，经过散射后被成像透镜所接收，最终的成像信息被CCD感光面所感应。根据激光三角法原理图可以推出，当测量平面与参考平面距离为X时，激光器上的CCD感应器便会捕捉到一段X的成像长度。且经过数学推算，可得出被测平面的位移为：

2 测量运动学分析

机电系统运动学分析是实现糙米有效激光扫描检测理论基础。运动学分析建立在对被测物轮廓特征分析的基础上。

2.1 糙米轮廓特征分析

糙米的外形类似于扁椭球，因此可将其视为回转体。北京工商大学孔祥亮等人利用激光位移传感器对糙米轮廓进行了较为精准的测量，并利用MATLAB软件将采集到的点云数据进行了拟合，基本实现糙米的形貌还原，但在胚芽端激光数据扫描采集上还略显不足。主要原因是对其进行环扫时，由于受胚芽部分结构及几何特征制约，难于获取准确扫描数据。因为胚芽部分扫描时，由于胚芽部位表面凹陷，且在胚芽部位与非胚芽部位边界处的曲率变化较大。故采取环扫方式会造成：

①激光无法垂直或近似垂直照射在胚芽轮廓表面，故将违反直射式三角法测量的原理，造成较大的测量误差；

②由于采用回转法的测量方式，激光也始终射在回转轴线所在横截面上。

但胚芽部位由于表面凹陷，在回转轴上存在空缺部分，因此将导致激光无法采集到相关点云信息，若采用环扫测量方式将造成测量误差增大、甚至导致胚芽端部分区域无法获取测量数据。

鉴于此，将糙米检测分为非胚芽部位和胚芽部位两部分扫描测量，同时对应两种扫描方式。

2.2 糙米轮廓激光扫描检测运动分析

图2为糙米轮廓扫描运动分析原理图。其中O-XYZ为测量系统参考坐标系，与基础固接；OJ-XJYJZJ为激光位移传感器坐标系，激光沿XJ轴负方向检测糙米位移参数；OC-XCYCZC为糙米运动坐标系，取糙米长轴方向与YC轴正方向一致。

非胚芽部分环形扫描：图2（a）、（b）描述非胚芽部分扫描。采用断层环形扫描原理采集糙米界面数据。断层间距ΔSYJC=0.2mm，环形扫描每1.8度采集一组数据，每个截面采集200个点。重复上述步骤，直至激光扫描至胚芽端位置，即完成糙米非胚芽部位的各截面点云数据采集工作。

胚芽部分扫描：如图2（c）、（d）所示。假定糙米胚芽部分位于OC-XCYCZC糙米运动坐标系I-V象限，胚芽部分过ZC轴线在I-V象限剖面与胚芽部分交线即为所需激光扫描采样点。分度截面采样循环次数n=INT（90/ΔθZC）+1，ΔθZC为每次采样转角间隔，90°均分为30份，则ΔθZC=90/30=3°。激光器沿ZJ轴上下运动，采集NP=30個糙米截面点。完成胚芽部分数据采集后，再采集胚芽背面糙米轮廓数据。即扫描OC-XCYCZC糙米运动坐标系II-VI象限数据。后半部分90°扫描同上步骤。

上述扫描操作即可完成整个糙米轮廓扫描。

3 机械系统设计

3.1 机械系统运动学分析

机械系统需要实现OJ-XJYJZJ与OC-XCYCZC坐标系之间沿3个轴方向的相对移动，以及OC-XCYCZC坐标系为实现环形扫描绕YC轴分度回转和胚芽扫描绕ZC轴分度回转。

3.2 三轴直线运动台设计

为实现三轴相对移动，以用三轴位移平台为设计参考。为保证测量精度，选用以滚珠丝杠螺母为传动方式的三轴直线运动台。该直线运动台各轴的有效行程选用200mm，丝杠螺距为5mm，且3个方向均通过光栅尺进行反馈，所选择光栅尺的型号为RENISHAW公司的RGH41X30D05A型号光栅尺，分辨率达1.0μm，满足位移反馈要求。

3.3 转台设计

绕YC轴分度回转和绕ZC轴分度回转台分别采用步进电机驱动小型转台，其中YC轴回转台步进电机末端通过联轴器固定，并在前端固定被测糙米，实现被测糙米环线扫描检测；绕ZC轴间歇分度旋转运动实现胚芽部分剖面扫描。

3.4 系统坐标系建立

坐标系确定及分析是确定机构、传感器及扫描运动的前提，是数据采集并进行坐标转换的依据，是数据处理的基础。本系统坐标系由右手笛卡尔坐标系作为标准确定。共建立3个坐标系，分别为：世界坐标系Cmw（即O-XYZ）、主轴平移坐标系Ct（即OJ-XJYJZJ）及主轴旋转坐标系Cr（即OC-XCYCZC）。规定世界坐标系Cmw原点为激光射在被测糙米起始端时激光发射点位置；规定主轴平移坐标系Ct的原点为激光发射点位置，坐标系回零点时，与世界坐标系Cmw重合；规定主轴旋转坐标系Cr的原点为糙米未绕ZC轴和YC轴旋转时激光入射点位置，当旋转角度为0°时，有：

Ot=Or+Td

其中，Td=（d，0，0）T。糙米上某一点q在世界坐标系Cmw下的坐标为：

其中，为三轴直线运动台平移坐标（xmw

t，ymw

t，zmw

t）T，Rz'、Ry'分别为糙米绕ZC轴和YC轴的旋转矩阵。

4 控制系统设计

糙米三维轮廓激光扫描机电系统的总体控制结构为“PC+运动控制器”。系统组成框图如图3所示。

运动控制器选用Parker公司ACR9000控制器，最多可支持8个轴的运动控制，支持8路高达30MHz的正交编码器反馈，可同时实现多程序运行，能够满足系统的控制要求。三轴位移运动驱动系统选用安川交流伺服系统（电机型号SGMAH-04AAA41，驱动器型号SGDM-04ADA）。有速度、扭矩、位置3种驱动方式。速度、扭矩驱动时，根据驱动器输入的模拟电压输出速度和扭矩。位置驱动时，根据驱动器输入的脉冲向一个方向转动一定的角度。

ACR9000控制器通過Ethernet网与PC通信，AXIS轴接口与驱动器的CN1接口连接，为驱动器提供模拟电压输出。伺服驱动器与电机的连接是将驱动器上伺服电机连接端子的U、V、W及GND相与电机电源电缆对应位置依次连接。伺服电机上装有编码器，通过电缆线与驱动器CN2接口相连。

测量系统与控制系统的联动流程图如图4所示。

为了实现自动糙米轮廓扫描，需要开发将激光位移传感器数据采集系统、运动控制系统整合为一体运动控制系统软件。该控制器有配套的ACR-View软件，能够完成参数设置、运动控制、状态检测等功能。ACR-View可以设置控制器为脉冲输出（Stepper）或者模拟电压输出（DAC）。针对非胚芽部位和胚芽部位扫描所编写的运动控制程序如图5、图6所示。

结论

建立了用于糙米轮廓扫描的机电测控系统。对糙米的形貌进行了特征分析，将其分为胚芽和非胚芽两部位，规划了不同的扫描路径。开发控制系统，搭建了硬件平台，编写了运动控制程序，利用激光位移传感器获取糙米胚芽与非胚芽部位的表面坐标数据，存储于上位机中。为糙米模型建立提供精准的数据依据。

参考文献

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