一种用于带骨肉定量切片的系统

本发明涉及食品加工机械与三维测量，具体为一种用于带骨肉定量切片的系统，该系统主要用于带骨肉在定量切片。背景技术：1、随着我国肉类产量的逐年增加，带骨肉凭借其独特的口感和丰富的营养价值，深受消费者的青睐。切片作为带骨肉二次加工中的重要环节，旨在根据生产需求将带骨肉精准切割成一定质量的肉片。目前，虽然大多数肉类加工企业已经使用自动化的切片机器来代替人工切片，但其智能化程度较低，切片损耗大，直接影响了肉类加工企业的利润。2、随着肉类产量的攀升及其加工企业收入的稳步增长，相应的加工量也在不断增加。然而，如果肉类加工技术未能得到相应的改进与提升，那么原料的浪费情况势必会随之加剧。这种浪费不仅会导致资源的无效利用，更会直接损害肉类加工企业的利润。因此，改进和提升肉类加工技术显得尤为必要，这不仅是提高经济效益的关键，更是实现可持续发展的必然选择。3、目前，国内肉类加工企业在带骨肉切片作业中一般使用人工切片或机械切片方法，其中人工切片的工作环境寒冷、嘈杂和湿滑，切片刀具容易对工人构成身体伤害，工人在大规模切片作业时的效率低、次品率高、原料损耗大，容易导致肉品表面污染，因此该方法已经被逐渐淘汰。相比之下，机械切片由于不受工作环境的影响，整个切片过程可实现自动化，大大提高了分切效率，在解放人力的同时不易造成肉品表面污染。但是，目前国内市场上大部分企业的带骨肉切片设备仍然无法实现定量切片，只能完成简单的分切动作，智能化程度低，造成带骨肉的巨大损耗。4、为了克服这些问题，近年来出现了基于机器视觉和三维测量技术的带骨肉切片装置。这些装置通过采集带骨肉的三维形态数据，实现了对切片厚度的精确控制。然而，现有的数据采集装置仍存在一些不足之处。例如，部分装置在采集数据时精度不高，难以满足高精度切片的需求；还有一些装置操作复杂，需要专业的技术人员进行操作和维护，增加了生产成本。5、因此，开发一种能够精确、高效地采集带骨肉三维点云数据的数据采集装置并基于此设计相应算法实现带骨肉定量切片，对于提高带骨肉定量切片的精度和效率具有重要意义。技术实现思路1、现有技术存在的问题和缺点主要包括成本高、效率低、数据准确性不足以及操作难度大等方面。这些问题限制了现有技术在带骨肉定量切片中的应用效果，需要寻找更加高效、准确且经济可行的解决方案。而本发明正是在这样的背景下应运而生，旨在通过改进和创新，解决现有技术中存在的问题，提高带骨肉定量切片的效率和准确性。2、技术方案：3、本发明公开了一种用于带骨肉定量切片的系统，它包括带骨肉切片的数据采集装置、数据处理装置和切片执行机构，其中：4、数据采集装置用于带骨肉在定量切片过程中对其三维形态进行点云数据采集；5、数据处理装置对采集到的点云数据进行处理计算，包括对带骨肉的曲面重建处理；并根据生产需求计算切片厚度；6、切片执行机构根据计算出的间隔厚度对带骨肉定量切片。7、具体的，所述数据采集装置包括数据采集模块和电控模块，其中：8、数据采集模块包括：传送带、扫描仪支架、扫描仪背板、线激光扫描仪和上位机，其中：线激光扫描仪安装在扫描仪背板上，扫描仪背板水平固定在扫描仪支架上并位于传送带的上方；线激光扫描仪通过数据线连接上位机；9、电控模块包括：plc一体机、伺服电机及其驱动器、电机同步脉冲分配器、光电开关和伺服电机及其减速器，其中：plc一体机作为电控模块的核心部件，通过编写梯形图以控制传送带的移动速度、光电开关的延时时间；伺服电机及其驱动器配套使用，用以对伺服电机转速进行控制，进而改变传送带的运行速度，伺服电机驱动器附带差分信号线以及差分信号端子，以进行差分信号的输出；电机同步脉冲分配器的功能将附有差分信号线的伺服电机所输出的差分信号进行同步分配输出，以便同时提供给不同的线激光扫描仪；光电开关的功能是检测带骨肉是否处于线激光扫描仪的扫描范围，进而反馈电平信号实现线激光扫描仪的同步采集；伺服电机减速器利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构，其作用是提高转矩输出、降低转速、提高精度并保护电机。10、具体的，所述数据处理装置包括点云预处理模块、三维重建模块、体积计算模块、切片厚度计算模块，其中：11、点云预处理模块：通过设置x、y、z轴的阈值范围，去除阈值范围之外的点云数据，实现感兴趣区域分割；12、三维重建模块：基于点云预处理模块输出的处理后点云数据，实现带骨肉的曲面模型重建；13、体积计算模块：基于重建的曲面模型，计算带骨肉的总体积；14、切片厚度计算模块：基于给定的切片质量需求值，计算切片厚度。15、具体的，所述点云预处理模块包括以下步骤：16、s1.1、感兴趣区域分割，通过下式进行：17、xmin<＝x<＝xmax18、ymin<＝y<＝ymax19、zmin<＝z<＝zmax20、式中，xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax表示设定的点云数据坐标阈值范围；x,y,z表示分割提取的点云数据x，y，z轴坐标范围；21、s1.2、统计滤波，通过下式进行：22、23、24、25、式中，xn，yn，zn分别表示点云中第n个点的坐标，xm，ym，zm分别表示点云中任一点的坐标；si表示点云中第n个点(xn，yn，zn)到任一点(xm，ym，zm)的距离；μ表示平均距离，σ表示标准偏差，n表示点云中所有点的个数；26、s1.3、体素下采样，通过下式进行：27、28、29、30、式中，xcentroid，ycentroid，zcentroid表示体素质心坐标；m表示体素中所有点的个数；xi、yi、zi分别表示体素中所有点的x、y、z轴坐标值。31、具体的，所述三维重建模块通过以下步骤实现带骨肉的三维重建：32、s2.1、点云配准，包括：33、(1)在待配准点云p中查找与参考点云q中点qi的最近邻点对应为pi，计算两点之间的空间距离平方值34、(2)按照计算得到的从小到大排序，保留前n个点对，并计算它们的和s，其中n＝knp；k表示点云重叠度，np表示待配准点云p中点的个数，n表示保留的点个数；35、进行变换矩阵t＝(r，t)的计算，公示如下：36、37、式中，r表示旋转矩阵，t表示平移矩阵，qi表示参考点云q中任意一点，pi表示配准点云中与qi最相邻的点；38、(3)按照获取的变换矩阵对待配准点云p进行变换，公式如下所示：39、40、其中，表示变换后的点云坐标，表示变换前的点云坐标，t表示平移矩阵；41、重复步骤(1)-(3)计算待配准点云q与参考点云p的关系，直到达到设定的迭代阈值；42、s2.2、点云融合，通过下式进行：43、p＝p1+tp244、式中，t表示获取的变换矩阵，p表示点云模型，p1表示目标点云，p2表示待配准点云；45、s2.3、参数提取，通过下式进行：46、l＝xmax-xmin47、w＝ymax-ymin48、h＝zmax-zmin49、式中，l表示带骨肉的长，w表示带骨肉的宽，h表示带骨肉的高，xmax，ymax，zmax表示三维重建模型中点的x轴、y轴、z轴最大值，xmin，ymin，zmin表示三维重建模型中点的x轴、y轴、z轴最小值。50、具体的，当点云平均点间距小时，所述体积计算模块通过以下步骤获取带骨肉的总体积：51、s3.1、表面积计算，通过下式进行：52、53、54、式中，i表示三角面片的索引，hi表示三角面片的周长的二分之一，s1i表示三角面片的面积，ai，bi，ci分别表示三角面片每一条边的长度，n表示三角面片的总数，s1表示重建模型表面积；55、s3.2、体积计算，通过下式进行：56、57、式中，ht表示x0y平面的三角面片与原始点云之间的距离值，st表示s1i投影到x0y平面的每个三角面片的面积，v表示重建模型体积，n表示投影的三角面片总数。58、具体的，当点云平均点间距大时，所述体积计算模块通过以下步骤获取带骨肉的总体积v：59、60、其中，si表示第i层切片面积，hi表示相邻切片之间的间隔，n表示切片的层数；其中切片面积s通过下式获得：61、62、其中，m表示凸包顶点个数，yi表示第i个顶点的y坐标，zi表示第i个顶点的z坐标，yi+1表示第i+1个顶点的y坐标，zi+1表示第i+1个顶点的z坐标。63、具体的，所述点云平均点间距计算过程如下：64、dp＝min(dis(p,q)),q＝1,2,…,p≠q65、其中，dp表示点p与其他点之间的最小距离，dis(p,q)表示表示点p与任一点p之间的距离，则点云的平均点间距d计算公式为：66、67、其中，p表示点云中任意一点，n表示点云中点的数目。68、具体的，所述切片厚度计算模块通过以下步骤获取切片厚度：69、s4.1、平均密度计算，通过下式进行：70、71、其中，ρsample表示带骨肉平均密度，v表示带骨肉的总体积，m表示称量获取的带骨肉质量；切片的密度ρslice＝ρsample；72、s4.2、切片体积vslice计算：73、74、其中，mslice表示定量切片要求的切片质量；75、s4.3、基于目标切片体积vslice，采用贪婪算法进行切片厚度的计算，以带骨肉三维模型的x轴最小值点作为起始点，寻找该起始点对应的最佳切片厚度，即尽可能满足定量切片所需体积vslice的切片厚度；76、s4.4、然后以这一个切片的终止位置作为下一个切片的起始值，重复该过程并设置停止标准。77、具体的，所述切片执行机构包括传送带、传送电机和切刀，带骨肉放置于传送带上，传送电机接收上位机的启停信号以控制传送带的传动；切刀接收上位机的升降信号以实现切片动作。78、本发明的有益效果79、本发明采用先进的三维测量技术，通过激光扫描方式，实现对带骨肉表面形态的精确捕捉。同时，结合优化后的数据处理算法和控制系统，本发明能够快速、准确地提取出带骨肉的关键尺寸和形状信息。更重要的是，本发明通过体积计算模块、切片厚度计算模块可以根据需求计算切片尺寸，实现带骨肉的全自动精准定量切片。80、本发明系统智能化程度高，减少了带骨肉原料的损耗浪费；不需要专业的技术人员进行操作和维护，降低了生产成本；本发明推动带骨肉定量切片工艺的进步和发展，为提升肉类加工企业的利润提供了保障。