基于计算机视觉的流水线式自动烤烟炉及烤烟叶检测方法

本发明涉及烟叶生产，具体涉及基于计算机视觉的流水线式自动烤烟炉及烤烟叶检测方法。

背景技术：

1、烟叶烤房的发展经过了普通的密集化烤房、烘烤能源变化、烤房自动化的一系列发展，烤烟三段式烘烤工艺是烟草加工较为重要的流程，全程分为变黄期、定色期、干筋期三个阶段，由于烟叶小规模种植，相同批次的烟叶品种不同、性状不相同，因此常用的三段式烘烤工艺本身有一定缺陷，造成良品率低，产品质量难保证。这种缺陷导致次品的情况包括烟叶油分差、光泽淡等。

2、现有的烘烤房，由于空气流动不够充分，烟叶位置固定等原因，会出现烤房内各区域烘烤温度不均匀，最终造成烟叶被烤青、烤黑等现象。其次，生产自动化程度低，劳动条件差，劳动强度大。现有的烤烟房主要采用温湿度自动控制系统，但是在烘烤过程中温度的调整还是要依据高水平的烘烤师傅的经验主观判断，然后通过修改控制器参数来保证烤制质量。由于这种方法并没有定量的判断标准，烘烤质量波动较大，可靠性不高，较难保证烘烤质量，同时也增大了劳动力成本。

3、烤烟成品的好坏可以通过烟叶的外观进行判断，随着图像识别技术的发展将注意力机制引入烤烟设备控制，可以大幅提高烤烟作业的自动化程度。

4、因此亟需一种基于图像识别技术的烤烟炉，依靠图像技术对烟叶进行监控，提高烤制自动化程度，同时解决现有烤烟房存在的问题，提高烤烟质量。

技术实现思路

1、本发明为解决现有烤烟房空气流动不够充分，烟叶位置固定导致烤烟质量差的问题，提供了一种基于计算机视觉的流水线式自动烤烟炉，设置换气干燥机构确保保温箱空气干燥且充分流动，设置闭环轮转传送机构实现烟叶循环烤制，使烟叶每个侧面都得到充分烤制，并设置检测模块和控制模块以及烤烟叶检测方法，实现全自动高质量烤烟。

2、为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了基于计算机视觉的流水线式自动烤烟炉，包括烤箱，所述烤箱的一端设置有装填机构，烤箱的另一端设置有输出机构，烤箱包括多个保温箱，多个所述保温箱之间首位相连，保温箱内设置有换气干燥机构、加热机构、闭环轮转传送机构和叶柄夹；

3、所述换气干燥机构设置于保温箱的侧壁，换气干燥机构用于对进入保温箱内的空气进行干燥处理，所述加热机构设置于保温箱的底部，加热机构用于对保温箱内空气进行加热；

4、所述闭环轮转传送机构设置于加热机构上端，闭环轮转传送机构整体呈回字形结构，闭环轮转传送机构包括轨道，轨道上设置有叶柄夹，所述叶柄夹用于存放烟叶；

5、换气干燥机构、加热机构和闭环轮转传送机构连接有控制电路，所述控制电路包括检测模块和控制模块，所述检测模块包括温湿度传感器和图像采集设备，所述控制模块包括控制器和通信单元，控制器通过所述通信单元连接有上位机。

6、作业原理：换气干燥机构实现保温箱与外界空气的循环，实现保温箱内部空气的循环，实现保温箱内的空气干燥，结合控制模块实现外循环和内循环的交替。解决了现有烤烟房空气流动不够充分的问题。干燥的空气经过加热机构进行升温，用于对烟叶进行烤制。叶柄夹内设置烟叶，闭环轮转传送机构在带动叶柄夹按回字形路径运动时，烟叶的每一个面都得到了烤制，解决了烟叶位置固定的问题。

7、并设置湿度传感器和图像采集设备进行检测，为实现图像识别控制提供硬件基础。

8、进一步地，所述换气干燥机构包括回风管、冷凝排、换气风机组件、排水组件和干燥空气通风管，所述回风管设置于保温箱顶部，回风管上设置换气风机组件，所述换气风机组件包括接头和换气风机，回风管的回气口位置设置冷凝排，所述冷凝排的底部设置排水组件和干燥空气通风管。

9、回风管上设置换气风机，实现保温箱内排气和进气，进气经冷凝排水分沉淀经排水组件排出，干燥空气进入干燥空气通风管。

10、进一步地，所述加热机构包括通风风机和加热组件，所述通风风机设置于干燥空气通风管和加热组件之间；

11、所述加热组件和冷凝排之间设置有压缩机，所述压缩机的冷端与冷凝排接触，压缩机的热端与加热组件接触；

12、压缩机、通风风机和换气风机均通过控制器连接电源。

13、干燥空气被加热组件加热，经通风风机在保温箱内流动。

14、进一步地，所述轨道设置有驱动机构，所述驱动机构包括皮带、转轴和电机，所述转轴设置于轨道两端，所述转轴与电机的输出轴固定连接，所述皮带套设于两个所述转轴之间；

15、所述电机与控制器电性连接；

16、设置驱动机构实现，叶柄夹的移动。

17、进一步地，所述轨道包括ⅰ号轨道、ⅱ号轨道、ⅲ号轨道和ⅳ号轨道，所述ⅰ号轨道和ⅱ号轨道连接处圆弧过度、 ⅲ号轨道和ⅳ号轨道连接处圆弧过度；

18、ⅰ号轨道与ⅳ号轨道连接处设置有转向机构，ⅰ号轨道通过转向机构连接装填机构；

19、ⅱ号轨道与ⅲ号轨道连接处设置有转向机构，ⅱ号轨道通过转向机构连接输出机构。

20、ⅰ号轨道、ⅱ号轨道、ⅲ号轨道和ⅳ号轨道均一侧高一侧低，首位相连。

21、进一步地，所述转向机构包括底板、转动板、挡板、和多个驱动轮，所述底板为方形板，底板与ⅰ号轨道以及ⅳ号轨道接触的一侧设置挡板；

22、底板中部开设圆形通孔，所述圆形通孔内设置转动板，所述转动板为圆形板，转动板与底板转动连接，转动板的中部等距开设有多个长条形通孔，所述长条形通孔内均设置驱动轮，多个所述驱动轮之间设置有连轴，所述连轴设置有驱动电机，所述驱动电机的电机轴与连轴固定；

23、转动板的下端设置有支座，所述支座为凹字形结构，支座的上端与转动板固定，支座设置于连轴和驱动电机外部，驱动电机与支座的内侧面固定；

24、支座的底部设置旋转电机，所述旋转电机的电机轴与支座的底面中心固定。

25、旋转电机与驱动电机分别电性连接控制器。

26、设置转向机构便于叶柄夹转向，转向机构确保装填机构和输出机构与轨道顺畅连接。

27、进一步地，所述叶柄夹包括前板、后板、垂直通风管和锁扣，所述前板和后板铰接，前板和后板的另一端通过锁扣固定，所述前板和后板的侧部均开设有通风口，对应所述通风口位置设置有导风板，所述垂直通风管下端以及侧部敞口，垂直通风管与前板和后板固定，且设置于导风板外侧；

28、所述前板和后板内部均设置有固定网；

29、叶柄夹设置于皮带上端。

30、设置通风口便于保温箱内干燥热空气进入叶柄夹对烟叶进行烤制。垂直通风管便于收集从下到上流动的干燥热空气。

31、进一步地，图像采集设备设置于ⅱ号轨道两侧；

32、所述检测模块还包括光电对射开关，所述电对射开关分别设置于ⅰ号轨道、ⅱ号轨道、ⅲ号轨道和ⅳ号轨道的两端，光电对射开关用于感应叶柄夹；

33、多个所述光电对射开关分别与控制器电性连接。

34、设置光电对射开关便于对叶柄夹的位置进行检测。

35、进一步地，控制器包括mcu芯片，所述通信单元包括rfid、蓝牙模块和wifi模块中的一种或多种组合；

36、所述mcu芯片通过urat串口与通信单元通信连接；

37、mcu芯片还连接有显示模块和报警模块，所述报警模块包括蜂鸣器、驱动电路和三色led灯，mcu芯片通过驱动电路电性连接蜂鸣器和三色led灯；

38、mcu芯片通过urat串口与显示模块通信连接；

39、mcu芯片通过usb串口与图像采集设备通信连接，mcu芯片的adc引脚连接温湿度传感器。

40、采用嵌入式设备，电压等级低，使用安全，便于控制。

41、本发明的第二方面提出基于计算机视觉的流水线式自动烤烟炉的烤烟叶检测方法，包括：

42、步骤1：构建计算机视觉烟叶熟度识别模型；

43、步骤2：构建计算机视觉烟叶识别分类数据集；

44、步骤3：当叶柄夹运动到图像采集设备位置后停止前进，图像采集设备拍摄叶片正反面图像；

45、步骤4：将叶片转换为png图像；

46、步骤5：将图像输入计算机视觉烟叶熟度识别模型，得到特征图像；

47、步骤6：根据特征图像锚框与叶片涂抹区域得到叶片主体，将识别后的图像存档形成烤烟烟叶档案；

48、步骤7：计算正反两面叶片不同熟度标注面积，将不同面积区域大小输入至分类模型得到烤烟分类；

49、步骤8：当该烟叶分类达到目标分类要求，则将该叶片输出。

50、进一步地，所述步骤2还包括：将计算机视觉烟叶识别分类数据集按照8：2分割成训练集、测试集，并使用训练集输入至kmeans模型训练得到分类模型。

51、进一步地，所述计算机视觉烟叶熟度识别模型包括11层，其中：

52、第1层为卷积层conv，为单层卷积层，以640*640*3矩阵为输入，输出通道数64，卷积核大小k为3，stride步长为2；

53、第2层为卷积层conv，为单层卷积层，以第1层输出为输入，输出通道数128，卷积核大小k为3，stride步长为2；

54、第3层为通道到像素层c2f，为3个c2f模块相连的三层c2f层，以第2层输出为输入，输出通道数128，bottleneck有shortcut；

55、第4层为卷积层conv，为单层卷积层，以第3层输出为输入，输出通道数256，卷积核大小k为3，stride步长为2；

56、第5层为通道到像素层c2f，为6个c2f模块相连的六层c2f层，以第4层输出为输入，输出通道数256，bottleneck有shortcut；

57、第6层为卷积注意力cbam层，为单层cbam层，通道数256，池化核大小7；

58、第7层为卷积层conv，为单层卷积层，以第6层输出为输入，输出通道数512，卷积核大小k为3，stride步长为2；

59、第8层为通道到像素层c2f，为6个c2f模块相连的六层c2f层，以第7层输出为输入，输出通道数512，bottleneck有shortcut；

60、第9层为卷积层conv，为单层卷积层，以第8层输出为输入，输出通道数1024，卷积核大小k为3，stride步长为2；

61、第10层为通道到像素层c2f，为3个c2f模块相连的三层c2f层，以第9层输出为输入，输出通道数1024，bottleneck有shortcut；

62、第11层为空间金字塔池化层sppf，以第10层输出为输入，池化核大小5，输出特征图尺寸为20*20*1024。

63、通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

64、1.本发明提高了烟叶烤制的质量。本发明设置换气干燥机构实现保温箱内向外排气，保温箱内注入外界空气，设置冷凝排对新进空气进行干燥作业，减少空气中的水分，使用温湿度传感器对保温箱内的温湿度进行检测，结合控制器实现保温箱内空气内循环和外循环交替，从而解决了烤制过程中空气流动不够充分的问题，提高烟叶的烤制品质。

65、另外本发明设置有闭环轮转传送机构，闭环轮转传送机构的整体呈回字形结构，在烟叶烘烤时，闭环轮转传送机构通过带动叶柄夹实现烟叶沿回字形路径运动，在运动过程中，叶柄夹的四个面会轮替，使烟叶的每个面都得到等长时间的烤制，从而解决了烤制过程中烟叶位置固定的问题，提高烟叶的烤制品质。

66、2.本发明设置多个保温箱，多个保温箱之间首位相连，每个保温箱内均设置有换气干燥机构、加热机构、闭环轮转传送机构和叶柄夹，因此每个保温箱都拥有独立的烤制功能，通过上位机将多个保温箱分为多道烤制工序，在多个保温箱首位相连后，可以对烟叶进行不同阶段的烤制，即上一保温箱内烤制的成品进入下一保温箱内进行后续阶段的烤制，直至烟叶烤制符合标准，由最后一个保温箱连接的输出机构送出。避免过度烤制和欠烤制，减少了次品率，提高烟叶的烤制品质。

67、3.本发明方法部分可以实现识别烤烟叶的烘烤状态，实现对闭环轮转传送机构进行控制，提高了烤制作业的自动化程度，并且提高了烟叶烤制的质量。