摘要:针对饮料行业装箱工序完成后，经常出现漏装的问题，设计了一种基于机器视觉的瓶装水漏装检测系统。以瓶盖的颜色、形状为特征，采用Python中OpenCV视觉处理模块在HSV颜色空间中对图像进行预处理，并用霍夫变换圆检测算法对瓶装水的数量信息进行统计。采用LabVIEW调用Python图像处理程序的方式设计人机交互系统，以PLC作为下位机控制机械臂运行。试验结果表明:系统运行稳定、效果良好，能够准确识别箱中瓶装水的个数，准确率达到100%，满足实际需求。
关键词:LabVIEW;Python;OpenCV;机器视觉
0引言
目前，饮料行业中机器的自动化生产程度已经很高，在完成饮料灌装装箱工序后，经常出现漏装的现象，采用传统人工检测的方式，容易产生疲劳，实时性差，误检率高［1－3］。为解决这一问题，采用机器视觉技术代替人眼进行检测判断，可以进一步提高生产效率、检测准确度和设备的自动化水平［4］。
1硬件系统设计
该视觉系统采用LabVIEW建立上位机人机交互系统，并通过调用Python图像识别算法，进行图像的处理和运行结果的显示，由PLC控制六轴机械臂带动CCD工业相机移动调整视距。
1．1硬件总体结构
硬件总体结构如图1所示。
1．2工业相机MI-SU500C
MI-SU500C彩色相机具有29mm×29mm×29mm超小体积，易于安装和集成。内置32MB缓存，保证图像数据传输更加稳定，支持USB数据传输，可无缝连接Halcon，LabVIEW等第三方软件，方便快速调用。
1．3PLC西门子S7-1200
S7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务，具有成本低、性能高、代码编写简单、安装方便等优点。
1．4六轴机械臂IRB120
IRB120是ABB推出的一款小型多用途六轴机器人，具有紧凑、敏捷、轻量等特点，仅重25kg，荷重3kg(垂直腕为4kg)，工作范围达580mm。采用轻量化设计，具有经济性与可靠性。IRC5控制器内置16路I/O，简化调试步骤。
2软件系统设计
2．1人机交互界面设计
人机交互界面如图2所示，主要分为6个区:1)系统控制区:系统的运行、停止控制功能;2)相机设置区:相机的搜索、打开关闭、设置功能;3)系统状态区:系统工作的运行、停止、报警功能;4)结果显示区:瓶装水数量统计;5)信息提示区:系统运行过程中的状态文字提示功能;6)图像显示区:显示采集的图像。
2．2LabVIEW与PLC的通信设计
LabVIEW中采用DSCModule中的ModbusMaster建立通信主站，并设置Port和IP地址;PLC采用TIAPortalV14软件中的ModbusTCP通信指令，LocalPort和IP地址需与LabVIEW中的通信参数保持一致。
2．3LabVIEW调用工业相机设计
MI-SU500C提供LabVIEWDVPCamera共享库，共享库中包含可供LabVIEW调用工业相机的子VI函数。LabVIEW可以调用这些函数实现打开、关闭相机，拍照、保存图片，设置相机各参数等功能。
2．4图像处理Python程序设计
图像处理流程如图5所示。Python中导入OpenCV图像处理模块，读取原始图像后，转换为HSV颜色空间［5－6］;以瓶盖为红色的特征，对图像进行红、黑的二值化处理，再经灰度化和滤波后，采用Canny边缘检测算法提取图像的边缘特征，根据瓶盖的圆形特征，利用霍夫变换圆检测算法提取图像中圆的信息［7－8］，最后统计圆形的数量以确定瓶装水的数量，并在原始图像中绘制检测到的圆形。
2．5LabVIEW调用Python程序设计
LabVIEW自2018版增加Python(2．7或者3．6)调用接口，调用时需注意Python文件中的函数名称以及文件的存放路径要与LabVIEW中Python节点函数中的一致。
3系统验证与分析
系统识别结果如图8所示。图8a)为满箱时瓶装水的检测结果，计数结果显示箱中的瓶装水为24个，与实际结果一致;图8b)为漏装4个瓶装水的检测结果，计数结果显示箱中的瓶装水为20个，此时系统报警灯为红色，用以提示用户进行补装。经过多次测试，检测准确率达到100%，满足使用要求。
4结语
本系统通过LabVIEW建立人机交互界面，以PLC为下位机控制六轴机械臂运动。以瓶装水瓶盖的颜色、形状为特征进行Python图像识别程序设计，能够有效统计箱内瓶装水的数量，并进行漏装报警提醒。该视觉系统实用性强、代码开源、界面简洁、扩展性强，通过设计不同的图像识别程序可扩展到更多的应用场景。
参考文献:
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作者:李楠柯 高建华 张凤龙 谢坤 单位:清华大学