基于鲁棒直线拟合的烟支长度测量方法与流程

本发明涉及卷烟制造检测，尤其涉及一种基于鲁棒直线拟合的烟支长度测量方法。

背景技术：

1、烟支长度是决定卷烟燃烧性能、吸阻稳定性和消费者感官体验的核心质量指标之一。在卷烟高速生产过程中，烟支长度需要在线、快速、高精度地进行逐支检测，以保证产品质量一致性并将不合格烟支及时剔除。

2、目前，烟草工业企业的在线长度检测普遍采用线扫激光技术。该技术通过机械系统驱动激光位移传感器沿烟支轴向匀速移动，以固定采样频率采集轴向各扫描位置处的高度值，形成一维高度轮廓数据；然后通过端面定位算法识别烟支左右端面在轮廓数据中的位置，进而根据像素及物理尺寸转换系数计算烟支实际长度。行业内主流的端面定位算法主要包括固定阈值法、极值法和梯度法，其核心逻辑均建立在烟支端面为理想平面、端面处存在明显高度突变这一假设之上。

3、前述固定阈值法通过设定绝对高度阈值，将高度值低于或高于阈值的点判定为端面区域；前述极值法直接搜索轮廓数据中的局部极大值或极小值作为端面位置；前述梯度法则通过计算相邻数据点之间的高度变化率，将梯度峰值位置作为端面位置。一般来说，这些算法在理想实验室环境下通常能够满足基本测量要求；然而，高速卷烟生产现场的实际工况远非理想。经过长期生产跟踪和数据分析发现，现有主流算法至少存在以下三方面缺陷：

4、第一，烟丝露头导致端面误判：部分烟支端部存在不同程度的烟丝外露，外露烟丝形成的是高度逐渐变化的区域，而非理想平面处的阶跃突变。上述传统算法容易将烟丝最高点或烟丝渐变区域的某个中间点误判为端面，导致测量值偏大且同一支烟多次测量结果差异显著。

5、第二，无法补偿烟支倾斜误差：烟支在传输和检测工位中难免存在微小倾斜，倾斜会使原本水平的烟纸外表面轮廓呈现出线性渐变趋势；基于绝对高度的固定阈值法会将这种由倾斜引起的整体高度变化与真实的端面高度变化混淆，从而引入系统性测量误差。这里需要补充的是，本发明提及的“烟纸”是指卷烟（烟支）的外层用纸，包括烟草段的卷烟纸和滤嘴段的水松纸，后文不再赘述。

6、第三，参数通用性差：固定阈值、极值判定门限等参数通常需要针对不同长度规格、不同直径规格的烟支分别进行人工校准；在多规格共线生产模式下，频繁的参数切换和调整严重影响生产效率，且容易因人为设置不当造成批量误检。

7、对于烟草产品的复杂加工环境下的鲁棒性和通用性，业内尚未针对烟支长度测量中上述问题提出有效的系统性解决方案。

技术实现思路

1、针对现有烟支长度在线检测技术中因烟丝露头导致端面误判、因烟支倾斜引入系统性误差、以及参数通用性差的技术问题，本发明提供一种基于鲁棒直线拟合的烟支长度测量方法，通过ransac算法对烟纸主体区域进行鲁棒直线拟合以建立烟支理想外表面基准，进而将传统基于绝对高度阈值的端面检测转化为基于相对残差的自适应检测，实现抗烟丝露头干扰、自动补偿倾斜误差、自适应阈值无需单独校准等技术效果。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于鲁棒直线拟合的烟支长度测量方法，包括以下步骤：

4、控制线扫激光传感器沿烟支轴向以恒定速度移动，在每个扫描位置采集高度值，形成原始一维高度轮廓数据；

5、从所述原始一维高度轮廓数据中截取中间区域作为烟纸主体区域，采用ransac算法对所述烟纸主体区域进行鲁棒直线拟合，得到代表烟纸理想外表面的拟合直线，其中，所述ransac算法包括：从所述烟纸主体区域中随机抽取两个数据点生成候选直线，计算所述烟纸主体区域中所有数据点到所述候选直线的残差，根据残差阈值区分内点和外点，迭代更新最优内点集，并对所述最优内点集进行最小二乘直线拟合以得到所述拟合直线的最终参数；

6、计算有效数据段中各数据点到所述拟合直线的垂直残差，得到残差序列；

7、计算所述烟纸主体区域中所述残差序列的均值和标准差，设定自适应残差阈值为所述均值与三倍所述标准差之和，并从所述烟纸主体区域左边界向左、右边界向右分别遍历所述残差序列，将首次出现连续n个数据点的残差均大于所述自适应残差阈值的位置分别确定为左端面和右端面，其中n为大于等于3的整数；

8、根据所述左端面和所述右端面的坐标计算像素间距，并根据预先标定的像素到毫米的转换系数将所述像素间距换算为烟支实际长度。

9、在上述方案其中至少一种可能得实现方式中，如下为可选的较佳实施参考，所述烟纸主体区域为所述原始一维高度轮廓数据在轴向方向上的中间60%区域；所述垂直残差为各数据点的实际高度值与所述拟合直线在对应位置处的高度预测值之差的绝对值；在采用ransac算法进行鲁棒直线拟合之前，还对所述原始一维高度轮廓数据进行中值滤波处理，以抑制孤立噪声点；在得到所述拟合直线的最终参数之后，还判断所述拟合直线的斜率是否超出预设合理范围；若是，则判定烟支倾斜异常，并触发剔除或报警；在迭代更新最优内点集之后，还判断所述最优内点集中内点数量与所述烟纸主体区域中数据点总数量的比值是否低于预设最小内点比例阈值；若是，则判定烟丝露头严重或数据异常，并触发剔除或报警；所述拟合直线的斜率反映烟支的倾斜角度，且通过计算所述垂直残差消除烟支倾斜引入的高度渐变干扰；所述自适应残差阈值根据当前被测烟支自身残差的统计特征动态确定，使所述方法适用于不同规格的烟支而无需单独校准。

10、与现有技术相比，本发明的主要设计构思在于，基于ransac的鲁棒直线拟合与残差分析，能够自动区分烟纸内点与烟丝外点，即使烟丝露头形态多样、伸出长度不一，也不会对烟纸理想轮廓的估计和端面位置的判定产生干扰，从根本上避免了烟丝露头导致的端面误判；采用垂直残差而非绝对高度差进行端面检测，烟支在测量工位上的倾斜不会影响残差计算的准确性，无需任何机械调平或角度补偿装置即可自动消除倾斜对长度测量的系统性影响；以及，残差阈值基于当前烟支自身的统计特征，如均值和标准差的计算，不同规格烟支的残差统计特征具有高度一致性，无需针对不同烟支规格单独设定端面检测阈值，大幅提升了算法的通用性和换牌效率；特别是ransac算法在高外点率（即使烟纸主体区域中存在大量烟丝露头异常点）下仍能准确拟合真实模型，能够稳定适应工业生产中烟丝露头形态多样、传感器噪声、烟支姿态变化等复杂情况。

1.一种基于鲁棒直线拟合的烟支长度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的烟支长度测量方法，其特征在于，所述步骤s2中ransac算法具体包括以下子步骤：

3. 根据权利要求1所述的烟支长度测量方法，其特征在于，步骤s3中垂直残差ri的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的烟支长度测量方法，其特征在于，步骤s4中寻找左、右端面的具体方式包括：

5.根据权利要求1所述的烟支长度测量方法，其特征在于，步骤s1中线扫激光传感器的移动速度与传感器的采样频率相匹配，以确保沿烟支轴向采集的相邻数据点之间的物理间距一致。

6.根据权利要求2所述的烟支长度测量方法，其特征在于，所述残差阈值根据线扫激光传感器的分辨率与烟纸表面粗糙度设定，取值范围为0.03mm至0.08mm。

7.根据权利要求1所述的烟支长度测量方法，其特征在于，步骤s4中残差阈值的计算基于烟纸主体区域内残差数据的正态分布假设，并采用3σ原则设定阈值。

8.根据权利要求1~7任一项所述的烟支长度测量方法，其特征在于，所述单位转换系数用于从像素换算到毫米，且通过标准量块或标准烟支进行系统标定获得。