图像识别与时空配准的换卷控制方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及卷烟包装设备自动化控制，具体地涉及一种基于端面图像识别与时空配准的商标纸换卷控制方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、卷烟包装生产线中，商标纸、封签纸等卷材的高速连续输送与自动换卷，是保障整机产能与外观质量的核心工序。随着包装设备运行速度提升至800包/分钟以上，多路检测信号协同控制、换卷点位精准对齐成为行业共性技术难点。现有自动换卷控制方案多以时间时序为同步依据，配合单传感器阈值判断或固定时延补偿实现动作触发，在高速工况下难以消除检测信号固有延时带来的位置偏差，导致拼接错位、起皱、断纸等问题频发。

2、目前现有技术中，专利cn216375336u《用于包装机的封签纸更换装置》公开了一种双卷交替供料的自动更换结构，采用位置传感器与驱动电机配合完成纸卷切换，整体控制逻辑围绕机械动作时序设计，通过统一时间戳协调转盘、夹紧、裁切等机构运转，实现旧卷用尽、新卷接入的自动化流程。该方案仅关注机械动作的时序同步，未针对多路检测信号做空间位置校准，也未考虑信号采集、算法运算过程中固有时延引发的空间偏移问题，高速运行时拼接精度稳定性不足。

3、另一项专利cn109969833a《卷烟包装机卷盘小盒纸耗尽自动换卷拼接装置》，该专利通过电磁刹车器、逻辑编码齿盘与传感器组合检测纸卷剩余量，配合可编程控制器实现自动换卷触发，是烟草包装行业应用广泛的卷材换卷方案。其核心控制方式为单路检测信号+固定延时参数完成动作衔接，仅对单一信号做独立时延补偿，未搭建统一的空间位置参照体系，多路检测信号之间缺乏位置关联校验机制，易受设备加减速、纸幅滑移、负载波动影响而出现控制失准。

4、除此之外，行业内主流focke、protos、gdx2系列包装机原配商标纸换卷系统，普遍沿用直径检测及预设延时的传统控制模式。设备运行过程中，图像检测、超声检测、色差检测等功能模块因硬件采样周期、算法处理耗时存在不同时长的固有延迟。在商标纸高速输送（线速度≥3m/s）状态下，信号之间的时间偏差会直接转化为纸幅路径上的物理空间偏移，造成不同检测信号对应的实际检测点位相互错位。现有技术普遍存在三处关键缺陷：一是同步基准不合理，均以时间轴为同步基准，未利用编码器建立全域统一的纸幅位置坐标轴，多路检测信号缺少统一参照标准，高速工况下空间偏移被放大；二是补偿机制单一，仅对单路信号进行独立时延补偿，未对多路信号开展联合空间映射与偏差比对，无法实现交叉校验，判决基准易错位；三是容错能力不足：控制逻辑多为简单逻辑判断，缺少位置偏差超限后的容错与重校验机制，工况波动时极易引发裁切偏移、拼接起皱、断纸等故障。

5、综上，现有技术因时间同步依赖、空间基准缺失、多路信号无配准，在高速商标纸换卷场景中，无法解决信号时延-空间偏移转化、判决基准错位的核心问题，导致换卷精度低、故障率高、物料损耗大，亟需一种基于空间位置一致性的多路信号配准与换卷控制方案。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种基于端面图像识别与时空配准的商标纸换卷控制方法、系统及存储介质，以解决现有技术中以下技术问题：现有自动换卷控制方式多采用时间同步、单路信号独立时延补偿或多检测信号简单逻辑叠加的控制模式，未建立统一空间位置参照体系，导致在高速运行工况下，图像检测、超声检测、色差检测等多路异步检测信号因自身固有采集与计算时延，其时间偏差逐步转化为商标纸输送路径上的空间偏移，使得不同检测信号对应的纸幅物理位置不一致，进而造成换卷判决基准错位，引发裁切点位偏移、新旧纸卷拼接不平整、张力波动过大等故障，影响设备连续运行效率与生产稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供一种图像识别与时空配准的商标纸换卷控制方法，包括：

3、实时采集纸卷端面图像数据和多路异步检测信号；

4、基于所述纸卷端面图像数据获取纸卷剩余长度与剩余可用时间；

5、基于输送端编码器获取的商标纸瞬时输送速度，建立纸幅输送位置坐标轴，并以此对所述多路异步检测信号进行动态位置补偿，将异步信号统一映射至同一物理位置；

6、计算映射后各路信号的物理位置偏差，当偏差最大值小于预设阈值时判定满足位置一致性条件；

7、当所述剩余可用时间达到预设预备时长且满足所述位置一致性条件时，触发换卷执行。

8、可选地，所述多路异步检测信号至少包括商标纸末端标记检测信号和纸层厚度检测信号。

9、可选地，基于所述纸卷端面图像数据获取纸卷剩余长度与剩余可用时间包括：

10、根据公式（1）获取纸卷剩余长度，

11、，（1）

12、其中，为纸卷剩余长度，为时刻旧纸卷剩余外半径，为预设纸芯半径，为预设单张纸厚度；

13、根据公式（2）获取剩余可用时间，

14、，（2）

15、其中，为剩余可用时间，为编码器实时采集的商标纸瞬时输送速度。

16、可选地，所述建立纸幅输送位置坐标轴包括：以预设基准检测位置为坐标零点，基于所述瞬时输送速度构建连续的纸幅输送位置坐标轴。

17、可选地，所述对所述多路异步检测信号进行动态位置补偿，将异步信号统一映射至同一物理位置包括：

18、获取各路检测信号的时延；

19、基于所述商标纸瞬时输送速度计算各路检测信号对应的补偿量；

20、基于各路检测信号对应的补偿量，将所有异步检测信号映射至统一纸幅位置坐标轴中的对应物理位置。

21、可选地，所述触发换卷执行前，还包括三级预警与预调度控制：

22、当纸卷剩余量进入预警区间时，触发一级预警，发出备卷提示；

23、当所述剩余可用时间小于或等于预设预备时长时，触发二级预备，启动新纸卷预调度；

24、当系统处于二级预备状态、所述剩余可用时间达到预设预备时长、且满足所述位置一致性条件时，触发执行换卷。

25、可选地，当所述剩余可用时间小于或等于预设预备时长时，触发二级预备，启动新纸卷预调度包括：

26、系统控制新纸卷以转速预加速：

27、；

28、其中，为瞬时输送速度，为旧纸卷实时半径，为新纸卷半径，为减速比。

29、可选地，当不满足所述位置一致性条件时，暂停换卷并维持当前运行状态，直至重新满足位置一致性条件后响应换卷。

30、另一方面，本发明还提供一种图像识别与时空配准的商标纸换卷控制系统，所述系统包括：

31、端面图像识别模块，用于实时采集纸卷端面图像数据；

32、多路异步检测模块，用于同步采集多路异步检测信号；

33、输送端编码器，用于实时获取商标纸瞬时输送速度；

34、数据处理模块，用于基于所述端面图像获取旧纸卷剩余可用时间，基于所述瞬时输送速度建立纸幅输送位置坐标轴，并以此对所述多路异步检测信号进行动态位置补偿，将异步信号统一映射至同一物理位置；

35、位置一致性判决模块，用于计算映射后各路信号的物理位置偏差，当偏差最大值小于预设阈值时判定满足位置一致性条件；

36、换卷执行模块，用于当所述剩余可用时间达到预设预备时长、且满足所述位置一致性条件时，触发换卷执行动作。

37、再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令被处理器执行时，实现上述任一所述的方法。

38、本发明的有益效果：

39、本发明提供的一种基于图像识别与时空配准的商标纸换卷控制方法，通过基于输送端编码器建立纸幅输送位置坐标轴，并对多路异步检测信号进行动态位置补偿，将异步信号统一映射至同一物理位置，消除了多路信号因固有时延导致的空间偏移，解决了换卷判决基准错位的问题，裁切与拼接位置精度显著提升；通过计算映射后各路信号的物理位置偏差，以偏差最大值小于预设阈值作为位置一致性条件，并与剩余可用时间共同构成换卷触发的双重约束，避免了因信号位置不一致引发的裁切偏移、拼接起皱、张力波动等故障，降低了断纸与非正常停机频次，保障了生产线连续运行；当位置偏差不满足一致性条件时，系统暂停换卷并维持当前运行状态，形成位置偏差超限容错机制，相较于简单逻辑叠加的传统控制方式，抗干扰能力更强，可适配加减速、纸幅滑移、负载波动等复杂工况，控制逻辑稳定性显著提高。

40、本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。