玻璃纖維網格布缺陷自動檢測系統的研究

汪珺 年福東 肖仁杰

摘要：基于機器視覺設計了一種玻璃纖維網格布缺陷自動檢測系統，可實現玻璃纖維網格布缺陷的識別以及分揀等功能。整個系統采用STM32作為運動控制處理器以實現機械手的運動控制，利用NI myRIO平臺采集玻璃纖維網格布信息，設計玻璃纖維網格布缺陷識別算法，完成圖像的處理與分析從而驅動機械手完成網格布的分揀。實驗結果表明該系統可以實現玻璃纖維網格布缺陷的識別以及分揀。

關鍵詞：網格布;玻璃纖維;機器視覺

0? 引言

20世紀70年代英國皮爾金頓公司發明玻璃纖維[1]解決了普通玻纖與水泥發生堿性反應帶來強度下降、開裂滲漏等問題，可用于多種場合，比如高強度的玻璃纖維嵌入水泥基體后可有效改善并提高水泥基體的抗彎曲強度和抗沖擊強度等力學性能[2]，在水泥基體中加入4～5%的玻璃纖維即可大大改善其力學性能[3];再比如作為脆性材料的混凝土雖然抗壓強度高但存在抗拉強度低、抗裂性差和脆性大等缺點，在較低的拉伸變形時容易發生開裂[4]，而纖維混凝土被認為是解決混凝土上述缺點最為有效的方法之一[5-6]。而由玻璃纖維織成的網格布為基布表面涂覆高分子耐堿涂層制成的玻璃纖維網格布正在大量被采用將其埋入抹面層用于提高防護層的機械強度和抗裂性。玻璃纖維網格布缺陷檢測系統的研制涉及傳感器與測試系統、機械系統和控制系統等各學科的前沿技術，具有十分重要的社會意義和經濟價值。本文基于虛擬儀器技術設計了一種基于機器視覺的玻璃纖維網格布缺陷自動檢測系統，可實現玻璃纖維網格布的缺陷識別以及分揀等功能。系統采用攝像頭采集指定區域的玻璃纖維網格布圖像，設計識別算法通過NI myRIO完成圖像處理和分析，STM32作為運動控制系統的處理器控制機械手完成玻璃纖維網格布的分揀。

1? 工作原理

系統由myRIO數據采集模塊、STM32控制板模塊、JQC-3FF-S-Z繼電器模塊、LD-3015MG舵機模塊等功能模塊組成。小型攝像頭將所得的圖像信號實時傳輸到myRIO數據采集模塊中，再通過myRIO對所采集的圖像對玻璃纖維網格布進行缺陷檢測并將識別后的結果通過WIFI的方式傳輸到下位機中，下位機控制機械手運動，與此同時繼電器接通，氣泵開始工作來吸取放在某一位置上的檢測對象，由此便完成了一個周期的工作。整個系統的工作原理如圖1所示。

2? 系統結構設計

玻璃纖維網格布檢測系統的主要機械結構為執行分揀網格布的機械手，通過三維軟件進行3D建模和虛擬裝配，機械手3D建模模型與實物圖如圖2所示。機械手上連接有吸盤，機械手底座上連接的收集盒、以及控制吸盤運作的氣泵。工作時，下位機控制五個舵機實現機械手的一系列運動，同時驅動氣泵工作從而吸起網格布放到相應的收集盒里。

3? 玻璃纖維網格布缺陷檢測設計

3.1 圖像采集模塊

該模塊主要功能是捕捉圖像，獲取當前幀的最新圖像輸出，清除圖像覆蓋的處理，從而輸出滿足視覺識別的圖像。

3.2 圖像灰度化處理模塊

為了降低圖像識別帶來的計算量，我們對采集的圖像先進行圖像灰度化處理，讓圖像的像素點的R=G=B從而得到灰色的圖像，這樣可以將原來的計算量大大的縮小到原來的六萬五千零二十五分之一，同時灰度處理后，還不會影響原來圖像的特征。所以在圖像識別的處理中，我們可以先進行圖像灰度化處理，其程序框圖如圖3所示。

3.3 圖像增強處理模塊

對于拍攝的照片之間的對比度較低的情況，采用相應模塊進行圖像的增強，圖像增強主要通過拉伸圖像有用部分的灰度，使圖像的光澤部分更清楚，該部分程序框圖如圖4所示。

3.4 結果輸出模塊

原始圖像經過圖像預處理和模板處理之后就要進行結果輸出，得出所檢測表面是否有缺陷的結果，然后向機械手發送信號。在本系統中，有缺陷的部位會有一個稍大于缺陷的紅色方框，該部分程序框圖如圖5所示。

4? 機械手控制系統設計

玻璃纖維網格布缺陷自動檢測的機械手的控制采用STM32控制器，控制舵機及氣泵從而利用機械手實現玻璃纖維網格布的分揀。使用者可以通過人機交互界面設定舵機轉動的度數，該度數就是機械手上各舵機所轉動的度數。通過實驗確定機械手的最優的運動方式，所得到的數據可以更加穩定地控制舵機從而讓機械手的運動方式最優。

5? 實驗結果

圖6中所顯示為對目標區域圖像進行分析的結果，從二值化的圖像中，我們可以清楚的看清網格的紋理，紅色的區域的網格布是符合標準的網格布，黑色區域網格為不標準的網格布區域，由此可以判別網格布是否有缺陷，根據判別結果進一步控制機械手進行網格布的分揀。經多次運行測試，系統識別缺陷的正確率可以達到95%以上。

6? 結束語

設計了基于玻璃纖維網格布缺陷系統。整個系統包括機械手、機械手上連接的吸盤、機械手底座上連接的收集盒、以及控制吸盤運作的氣泵，系統還包括圖像采集模塊、圖像分析模塊、通信模塊、控制模塊。通過識別玻璃纖維網格布缺陷來控制機械手運動，并利用氣泵提供動力使機械手上的吸盤吸附需要分揀的網格布。整個裝置結構簡單，成本低，自動化工作，操作簡單，耗電少。

參考文獻：

[1]楊海岸.GRC構件在外裝飾工程中的施工和應用[J].山西建筑，2008（33）：157-159.

[2]沈榮熹，崔琪，李清海.新型纖維增強水泥基復合材料[M].北京：中國建材工業出版社，2004.

[3]鞠麗艷，張雄.玻璃纖維在建筑材料領域中的應用[J].玻璃纖維，2003（5）：15-20.

[4]沈榮熹，王漳水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5]程國慶，許蘊賢，盧祖文.鋼纖維混凝士本構理論的研究.工程應用及發展[J].中國鐵路，1998（6）：15.

[6]陳潤峰，張國防，顧國防.我國合成纖維混凝土研究與應用現狀[J].建筑材料學報，2001（2）：167-173.