基于机器视觉的烟叶烘烤自动控制系统及方法与流程

本发明涉及一种基于机器视觉的烟叶烘烤自动控制系统及方法，特别是涉及一种气流上升式烘烤房的自动烘烤控制方法。

背景技术：

1、传统的烘烤房是在燃烧炉内燃烧燃料形成热空气，然后经助燃风机将热空气送入烘烤房内，并根据检测的烘烤房温度值对助燃风机进行调节控制，从而实现烘烤自动控制，而基于温度的检测方式具有滞后性，比如当检测到温度达到所需温度值时，即使立即对燃料添加量和助燃风机进行控制，由于燃料的燃烧和热风的输送需要一定的时间，因此就会导致输送了多余的热量，进而影响烟叶的烘烤品质。

2、为了提高烘烤质量，在传统的烘烤方式中，加入了烟叶颜色的判断因素，以此判断烘烤进程，然而对烘烤烟叶颜色的检测主要依靠人工实现，这种主观判断方式因人而异，不同的烤烟工人在相同的条件下，给出的判定结果也可能不同，因此同样会造成烟叶烘烤质量不理想。虽然近年来，机器视觉逐渐兴起，机器视觉在烟叶烘烤控制系统中也有了初步运用，主要是根据检测的烟叶颜色判断烘烤进程，进而实现烘烤温度的调节控制，但是由于烘烤过程中会有干扰因素，如温度异常导致烟叶颜色变化异常，视觉检测结果就会误以为进入了下一阶段的烘烤进程，导致烘烤失败。

3、此外，仅考虑烘烤温湿度和烘烤烟叶颜色参考控制因素过于单一，同样会影响烘烤烟叶的成品质量。

4、因而针对烟叶烘烤过程出现的上述问题，需要提供一种新的烟叶烘烤自动控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于机器视觉的烟叶烘烤自动控制系统及方法，对影响烟叶烘烤品质的多种因素进行综合考虑，保证了烟叶烘烤进程的安全以及烟叶烘烤品质的提高。

2、本发明的一种基于机器视觉的烟叶烘烤自动控制方法，采用以下步骤：

3、s1：根据历史烘烤数据和专家经验分别构建气象参数、待烤烟叶数量、种类、含水量、烘烤烟叶颜色值、颜色变化率值、烘烤房内温度变化率值与加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流之间的映射关系表；

4、s2：获取待烤烟叶数量、种类、当时的气象参数，以及根据采集图像获取待烤烟叶的含水量，并根据待烤烟叶数量、种类、当时的气象参数和待烤烟叶的含水量确定相对应的映射关系表；

5、s3：烘烤进程中，按照确定的映射关系表，根据采集实时图像获取烟叶的颜色实时值、计算出的颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值，自动输出对应的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流；同时数字孪生模型根据获取的颜色实时值、颜色变化率实时值和温度变化率实时值预测输出下一时刻烘烤烟叶的颜色并进行显示；

6、s4：烘烤结束后，根据烘烤结果对该映射关系表进行修正并存储。

7、优选地，所述步骤s1中，具体包括：

8、s11：根据历史烘烤数据和专家经验提取出不同气象参数、待烤烟叶数量、种类、含水量情况下的加热管电流、循环风机电流和排湿风机电流经验控制电流参数；

9、s12：分别计算上述不同气象参数、待烤烟叶数量、种类、含水量情况下各次烘烤进程中的烘烤烟叶颜色值、颜色变化率值和烘烤房内温度变化率值；

10、s13：在各次烘烤进程中，当烘烤烟叶颜色变化率值大于等于第一预设阈值时，对应构建烘烤烟叶颜色变化率值与加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流之间的映射输出关系；

11、当烘烤烟叶颜色变化率值小于第一预设阈值，且烘烤房内温度变化率值大于等于第二阈值时，对应构建烘烤房内温度变化率值与加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流之间的映射输出关系；

12、当烘烤烟叶颜色变化率值小于第一预设阈值，且烘烤房内温度变化率值小于第二阈值时，对应构建烟叶颜色值与加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流之间的映射输出关系；

13、s14：对步骤s13各次烘烤进程中的映射输出关系进行整合获得该次烘烤进程映射关系表。

14、其中计算烘烤烟叶颜色变化率值具体包括：

15、s121：每间隔n帧对采集的实时图像进行预处理，提取出烟叶的rgb三通道特征值；n为大于等于1的整数；

16、s122：根据提取出的rgb三通道特征值，分别计算r通道值、g通道值和b通道值相对于采集n帧图像间隔时间的变化率；

17、s123：计算rgb三通道值变化率的均值作为烘烤烟叶颜色变化率值。

18、其中，以提取出的rgb三通道特征值的和作为烘烤烟叶颜色值。

19、优选地，其中计算烘烤烟叶颜色变化率值具体包括：

20、s1211：对采集的实时图像进行预处理，提取出烟叶的rgb三通道特征值；

21、s1221：分别计算每t时间间隔内的rgb三通道特征值的均值，以及分别计算r通道均值、g通道均值和b通道均值相对于前后两次时间间隔的变化率；

22、s1231：计算rgb三通道均值变化率的均值作为烘烤烟叶颜色变化率值。

23、其中，以提取出的rgb三通道特征值的均值和作为烘烤烟叶颜色值。

24、优选地，其中计算烘烤房内温度变化率值具体包括：计算烘烤房内温度变化率具体包括：n帧图像采集时间间隔为t，分别获取t-1时刻和t时刻的温度值，以两者温度值的差与采集时间间隔的比值作为烘烤房内温度变化率值。

25、优选地，所述步骤s2中，根据采集图像获取待烤烟叶的含水量，具体包括：

26、s21：对获取的图像进行预处理，提取图像中的烟叶颜色、纹理和形状特征值；

27、s22：将提取图像中的烟叶颜色、纹理和形状特征值输入神经网络预测模型，计算输出待烤烟叶的含水量。

28、优选地，所述步骤s3中，按照确定的映射关系表，根据采集实时图像获取烟叶的颜色实时值、计算出的颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值，自动输出对应的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流，具体包括：

29、s31：根据采集的实时图像提取出rgb三通道特征值，并计算出烘烤烟叶的颜色实时值、颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值；

30、s32：当烘烤烟叶颜色变化率实时值大于等于第一预设阈值时，查找映射关系表中该烘烤烟叶颜色变化率实时值对应的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流；

31、当烘烤烟叶颜色变化率实时值小于第一预设阈值，且烘烤房内温度变化率实时值大于等于第二阈值时，查找映射关系表中该烘烤房内温度变化率实时值对应的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流；

32、当烘烤烟叶颜色变化率实时值小于第一预设阈值，且烘烤房内温度变化率实时值小于第二阈值时，查找映射关系表中此时烘烤烟叶颜色实时值对应的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流；

33、s33：根据查找获取的加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流输出相对应的控制电流以分别驱动加热风管、循环风机和排湿风机运行。

34、优选地，所述步骤s3中，数字孪生模型根据获取的颜色实时值、颜色变化率实时值和温度变化率实时值预测输出下一时刻烘烤烟叶的颜色并进行显示，具体包括：

35、根据烘烤房结构、烘烤房设置地理位置搭建初始数字孪生模型，然后将气象参数、待烤烟叶数量、种类、含水量输入初始模型进行结合获得预测数字孪生模型；在烘烤进程中，将根据采集实时图像获取烟叶的颜色实时值、计算出的颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值输入预测数字孪生模型，预测数字孪生模型根据模型设置的规则预测输出下一时刻烘烤烟叶的颜色并进行显示。所述下一时刻可为当前时刻间隔预设时长的时刻，该预设时长可在烘烤进程中进行调整。预测数字孪生模型预测输出的颜色可在控制系统的显示终端上进行显示，也可发送至烘烤工人的远程终端上进行显示。

36、优选地，所述步骤s4中，烘烤结束后，根据烘烤结果对该映射关系表进行修正并存储，具体包括：

37、本次烘烤结束后，对烘烤烟叶的品质进行检测评估，若烘烤烟叶品质达不到预设标准，则回顾烘烤历程，查找烘烤品质下降的原因，并修改映射关系表中对应因素数值，然后将修正的映射关系表存储到数据库中；若烘烤烟叶品质达标，则不进行修正。

38、优选地，所述步骤s3中，在烘烤进程中，实时检测烘烤房内温湿度值，当检测的温湿度值超过预设阈值时，输出报警信息，并将报警信息发送至远程终端。

39、优选地，所述步骤s1中，所述气象参数为烘烤房外的实时温湿度值。

40、本发明还包含一种基于机器视觉的烟叶烘烤自动控制系统，包括控制器、云端数据库、图像采集模块、数据采集模块和执行机构；

41、其中根据历史烘烤数据和专家经验分别构建气象参数、待烤烟叶数量、种类、含水量、烘烤烟叶颜色值、颜色变化率值、烘烤房内温度变化率值与加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流之间的映射关系表，存储于云端数据库；以及云端数据库还根据烘烤结果对该映射关系表进行修正并存储；

42、控制器获取输入的待烤烟叶数量、种类、数据采集模块发送的当时的气象参数，以及对图像采集模块采集的图像进行处理获取待烤烟叶的含水量，并根据待烤烟叶数量、种类、当时的气象参数和待烤烟叶的含水量从云端数据库中查找确定相对应的映射关系表；

43、以及在烘烤进程中，控制器还按照确定的映射关系表，根据采集实时图像计算出烟叶的颜色实时值、颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值，并自动输出对应的控制信号至执行机构；

44、执行机构包括加热管、循环风机、排湿风机；对应的控制信号为加热管电流、循环风机电流、排湿风机电流。

45、优选地，所述图像采集模块为除雾摄像机。

46、优选地，所述数据采集模块包括烘烤房内温湿度传感器和烘烤房外温湿度传感器。

47、本发明的有益效果在于：1、采用加热管加热方式代替传统的燃料加热方式，对加热管的调节基于加热管电流的改变，配合循环风机的调控运行，此即可实现温度的快速反馈调节，改善了传统燃料炉供热导致的控制滞后，可明显提高烟叶烘烤质量；

48、2、在传统基于温度或烟叶颜色判断烘烤进程的基础上，根据烟叶烘烤特性提出了基于计算出的烟叶颜色实时值、颜色变化率实时值和烘烤房内温度变化率实时值综合考虑整合的烘烤进程映射关系表，在不同的烘烤阶段采用不同的检测控制参数，使烘烤过程的自动控制更精细，可排除烘烤过程中的异常干扰，提高了烘烤过程的安全性和准确性；

49、3、除了考虑待烤烟叶温湿度因素外，还加入了烘烤时烟叶的数量和种类、天气因素和含水量，提高了烟叶烘烤品质；

50、4、采用一组图像采集模块，即防雾摄像机，同时实现烟叶含水量和烟叶颜色的检测，节省系统搭建成本。