張艷麗， 蔡 軻， 王 廣， 魯 鵬， 陳文鵬， 郭 旭， 周 威

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

隨著我國城市化規(guī)模的加速進行，人行道等路面的硬化工作量日益增加.目前行道磚鋪設(shè)主要還是以人工鋪設(shè)為主，人工鋪設(shè)存在著效率低，成本高，勞動強度大、工作環(huán)境惡劣、對工人技術(shù)水平要求高等諸多問題[1].

2008年，出現(xiàn)了“一種地面磚自動鋪磚機”設(shè)計方案，鋪磚機的平動利用滑動軌道來完成，通過傾斜皮帶將磚塊從上運至地面，再利用壓頭壓實.2011年有人提出了一種“智能鋪磚機”設(shè)計方案，先利用先進傳感技術(shù)進行空間定位，再通過機械手臂上自帶的吸盤將磚塊放到指定的位置[2].荷蘭有一款名叫“虎石”的自動化鋪磚機，通過操作虎石，人們可以鋪設(shè)出整整齊齊的磚路.其核心在于它利用地心引力的設(shè)計思想.工人在施工過程中只需將磚塊裝入料槽，虎石緩慢前行與磚塊形成相對運動并在地心引力作用下自動碼放在一起，鋪設(shè)出一條完整的磚路.虎石每日鋪設(shè)面積超過400 m2，最大鋪設(shè)寬度達到6 m，同時可根據(jù)現(xiàn)場需要進行調(diào)整[3].

本文設(shè)計了一種智能高效的自動鋪磚機，可以利用攝像頭采集馬路圖像，經(jīng)圖像處理識別后，獲得馬路寬度信息；根據(jù)馬路寬度實現(xiàn)自動排磚、鋪磚，減少人工工作量.此裝置具有以下特點：

1)自動拍攝并識別路面的寬度，調(diào)節(jié)鋪磚機以適應(yīng)不同寬度的路面.

2)實現(xiàn)送磚擺磚自動化，不僅改進了原先的鋪磚機需要人工擺磚的傳統(tǒng)，而且鋪設(shè)會更整齊.

3)鋪設(shè)速度快，節(jié)約勞動力，操作難度低，上手快.

1 自動鋪磚機總體結(jié)構(gòu)

自動鋪磚機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要包括鋪磚斜軌機構(gòu)、磚臺升降機構(gòu)和寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)，總體方案如圖1所示.主要零件有結(jié)構(gòu)框架1、正反牙滾珠絲杠滑臺5、電機鏈接件、固定磚臺7、活動磚臺11、寬度調(diào)節(jié)擋板4、移動輪2、推力球軸承、推力球軸承座、斜軌3和電機支座等.該機械結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定性強、操作簡便，模塊化設(shè)計便于安裝.

(1)鋪磚斜軌機構(gòu)由斜軌3和側(cè)板4等構(gòu)成，斜軌通過側(cè)板與機械結(jié)構(gòu)框架相連接，磚塊在斜軌上根據(jù)地心引力和相對運動原理實現(xiàn)磚塊鋪設(shè)工作.

(2)磚臺升降機構(gòu)由42步進電機、聯(lián)軸器、深溝球軸承、絲杠、軸承端蓋、軸承座、電機支架、滑塊、固定磚臺7和活動磚臺11等構(gòu)成.42步進電機通過聯(lián)軸器與絲杠連接，將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到絲杠，滑塊在絲杠的旋轉(zhuǎn)運動下進行直線運動，帶動固定磚臺和活動磚臺做上下往復(fù)運動.

圖1 自動鋪磚機總體方案

(3)寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)由正反牙絲杠5、寬度調(diào)節(jié)擋板4、深溝球軸承、步進電機、攝像頭和滑塊等構(gòu)成.通過利用正反牙滾珠絲杠模組中的滑塊與寬度調(diào)節(jié)擋板連接，將攝像頭所采集的寬度信息反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)步進電機的旋轉(zhuǎn)量，來實現(xiàn)寬度調(diào)節(jié)[4].

其設(shè)計模型三維裝配圖如圖2所示.

1.機體；2.移動輪；3.鋪磚斜軌；4.擋板；5.正反牙滾珠絲杠滑臺；6.側(cè)面絲杠螺母副；7.固定磚臺；8.軸承座；9.頂升裝置；10.后面絲杠螺母副；11.活動磚臺；12.滑塊；13.自動碼磚裝置；14.傳送帶；15.攝像頭圖2 自動鋪磚機總體結(jié)構(gòu)圖

2 圖像采集與處理

2.1 圖像處理

2.1.1 圖像處理具體步驟

圖像處理是通過計算機對采集到的圖像進行圖像轉(zhuǎn)換、去除圖像噪聲、圖像濾波、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像提取特征等處理的方法和技術(shù)[5],見圖3.

圖3 圖像處理步驟

2.1.2 圖像處理分析

圖像處理各步驟分析：

(1)圖像的轉(zhuǎn)換

首先拷貝原圖像，隨后創(chuàng)建一個與原圖像大小一樣的的圖像作為拷貝，然后將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖.多通道彩色圖像轉(zhuǎn)換為單通道的灰度圖，轉(zhuǎn)換方法有3種：最大值法、平均值法和各比例法.

最大值法：獲取一個圖中所有的像素，并且獲取每一個像素點的RGB的值，最后取三者中最大的一個值作為該像素的值.

平均值法：取三個RGB的值的平均值作為當前像素的值.

各比例法：設(shè)當前像素的三分量分別為R，G，B，本文采用的是此法，利用以下公式得到轉(zhuǎn)換后的像素分量值：

Pix=0.30·R+0.59·G+0.11·B

(2)圖像去除噪聲

首先說明兩個概念：圖像ROI區(qū)域與圖像采樣.

1)圖像ROI區(qū)域：感興趣區(qū)域

機器視覺、圖像處理、圖像識別中，從被處理的圖像以正方形、圓形、橢圓形、不規(guī)則多邊形等方式繪出需要處理的區(qū)域，這部分區(qū)域稱為感興趣區(qū)域，即圖像ROI區(qū)域(region of interest).在Halcon、OpenCV、Matlab等機器視覺軟件上常用到各種算子(Operator)和函數(shù)來求得感興趣區(qū)域ROI，并進行圖像的下一步處理.在圖像處理領(lǐng)域，感興趣區(qū)域(ROI) 是從圖像中選擇的一個圖像區(qū)域，這個區(qū)域是圖像分析所關(guān)注的重點.圈定該區(qū)域以便進行進一步處理.使用ROI圈定需要讀取的目標，可以減少處理時間，增加精度.

2)圖像采樣

采樣的本質(zhì)就是需要使用多少個點來描述一張圖片，采樣的結(jié)果通常使用圖像分辨率來描述一個圖片質(zhì)量的高低.簡單來講，對二維空間上連續(xù)的圖像在X方向和Y方向上以相同的間距分割成矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所形成的微小方格稱為像素點.一副圖像就被采樣很多個像素點組成的集合.例如：一副800×600分辨率的圖像，表示這幅圖像是由800×600=480 000個像素點組成.

圖4 采樣圖像及采樣處理圖像

如圖4所示，左邊是需要采樣的圖片，右邊是采樣處理后的的圖像.

首先設(shè)置圖像的ROI區(qū)域，將ROI區(qū)域設(shè)置為整個圖片大小，這一步主要是為下一步做準備，假如只需要監(jiān)控圖像的一部分區(qū)域，則可以作相應(yīng)調(diào)整.向上和向下采樣處理圖像過濾掉噪音，用高斯核對輸入圖像進行平滑處理，然后對其進行向下采樣.圖片的噪聲去除后，圖像比原來模糊一些.進行向上采樣使得圖像變得細化，輪廓更清晰.

(3)圖像邊緣檢測

使用Canny算子進行圖像邊緣檢測.輪廓查找與輪廓存儲,找到輪廓并將它們作為一個列表存儲.將所有的輪廓都已存儲完畢，然后測試每一個符合要求的輪廓，獲取有效輪廓，存儲后進行圖像識別.

2.2 圖像識別

圖像識別，是指使用計算機來處理圖像，并且分析和理解不同的圖片，最終計算機可以使用不同的方法和技術(shù)識別圖像所需的目標.一般在工業(yè)使用中，使用工業(yè)攝像機采集圖片，然后再利用圖像處理算法，例如灰度轉(zhuǎn)換、二值化、閾值處理、邊緣查找、輪廓查找等等，獲取到指定的內(nèi)容，然后進行圖像識別處理，一般來說圖像識別是建立在圖像處理的基礎(chǔ)上[6].

2.3 緩沖技術(shù)

圖像采集主要使用了一級緩沖技術(shù)，緩沖技術(shù)設(shè)計的目的，是為匹配CPU處理和照相機采集設(shè)備速度不匹配的矛盾，由于圖像處理的速度顯然要慢于照相機采集圖片，將其處理設(shè)計在線程中，并且時刻緩存下來，使用該技術(shù)可以提高CPU利用率，強調(diào)程序運行的并發(fā)性，顯著提高圖像處理效率和軟件顯示效率，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設(shè)備在與處理機交換數(shù)據(jù)時都用了緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段[7].總結(jié)來說，緩沖區(qū)技術(shù)用到了緩沖區(qū)，而緩沖區(qū)的引入是為了緩和CPU和I/O設(shè)備的不匹配，減少對CPU的中斷頻率，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性.本次設(shè)計使用緩存技術(shù)，明顯提高了圖像處理的速度.

2.4 圖像識別測試

圖像識別測試主要是測試圖像識別的準確性.其識別效果見下圖，由圖5可知，圖像識別可以將拍攝到的圖像，進行準確處理識別后，得到所需要的馬路寬度信息.

3 鋪磚機系統(tǒng)的整體控制

系統(tǒng)的整體控制方案如圖6所示.本設(shè)計所采用的是STM32單片機，它是意法半導(dǎo)體的微控制器集成電路系列中的一個.STM32芯片分為基于相同32位ARM處理器內(nèi)核的相關(guān)系列,在內(nèi)部，每個微控制器由處理器核心，靜態(tài)RAM存儲器，閃存，調(diào)試接口和各種外設(shè)組成.

控制鋪磚機電機工作的單片機型號是STM32F103ZE(6)，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器[7].

鋪磚機的具體動作包括：自動鋪磚機的整體運動；送磚系統(tǒng)可以自動送磚上機，推板自動升起；鋪磚機兩側(cè)擋板根據(jù)馬路寬度信息，調(diào)節(jié)擋板間的距離，以達到鋪設(shè)不同寬度道路的目的.

對整個鋪磚機控制系統(tǒng)與計算機端圖形界面的聯(lián)調(diào)，當計算機端按下開啟按鈕后，整個鋪磚機進入工作狀態(tài)，啟動鋪磚機的送磚系統(tǒng).磚塊被抬升到鋪磚機工作區(qū)后，步進電機開始工作，將磚塊送入鋪磚機斜軌，路面被攝像頭采集圖像信息截取出的路面寬度，其信息實時發(fā)送給鋪磚機控制系統(tǒng)，使斜軌上的擋板自動調(diào)整至需要的路寬，至此整個鋪磚機的控制系統(tǒng)完成[8].

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款自動鋪磚機，基于圖像識別與處理技術(shù)，除了可以實現(xiàn)自動碼磚、鋪磚，提高鋪磚效率，減輕勞動量之外，還可以根據(jù)馬路寬度信息，自動調(diào)整鋪磚的寬度，實現(xiàn)智能自動鋪磚.

隨著我國現(xiàn)代化進程的加快，城市和新農(nóng)村人行道建設(shè)需求加大，國內(nèi)的鋪磚機市場空間巨大，自動鋪磚機發(fā)展前景較好，潛力較大.