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基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法

唐守锋 史经灿 周楠 赵仁慈 仝光明 黄洁

唐守锋,史经灿,周楠,等. 基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法[J]. 工矿自动化,2022,48(1):52-56.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070033
引用本文: 唐守锋,史经灿,周楠,等. 基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法[J]. 工矿自动化,2022,48(1):52-56.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070033
TANG Shoufeng, SHI Jingcan, ZHOU Nan, et al. Digital recognition method of methane sensor based on improved CNN-SVM[J]. Industry and Mine Automation,2022,48(1):52-56.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070033
Citation: TANG Shoufeng, SHI Jingcan, ZHOU Nan, et al. Digital recognition method of methane sensor based on improved CNN-SVM[J]. Industry and Mine Automation,2022,48(1):52-56.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070033

基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070033
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFF0205500)。
详细信息
    作者简介:

    唐守锋(1970—),男,山东淄博人,教授,博士研究生导师,主要研究方向为检测技术与自动化装置、传感器应用技术、智能仪表和智能机器人技术,E-mail: tsf0816@126.com

    通讯作者:

    史经灿(1995—),男,江苏徐州人,硕士研究生,主要研究方向为粉尘均匀性控制、检测技术与自动化装置,E-mail: 954170067@qq.com

  • 中图分类号: TD712

Digital recognition method of methane sensor based on improved CNN-SVM

  • 摘要: 甲烷传感器材质存在光反射,显示面板上有附着物,造成甲烷传感器自动检定系统采集的传感器数值图像质量较差,对字符识别困难。而现有的基于机器学习的仪表字符识别方法识别率较低、算法运行速度较慢。针对上述问题,提出了一种基于改进卷积神经网络(CNN)−支持向量机(SVM)的甲烷传感器数显识别方法。通过图像增强、数值区域图像提取、图像分割、小数点定位等4个步骤对甲烷传感器数值图像进行预处理,并将处理后的数字图像作为自定义数据集。针对CNN−SVM模型运行时间较长的问题,使用PCA算法对CNN全连接层提取的图像特征进行降维处理,用最主要数据特征代替原始数据作为SVM分类器的样本进行分类识别。在自建数据集上的验证结果表明,与传统CNN模型和CNN−SVM模型相比,改进CNN−SVM模型的准确率更高,运行时间更短。在经典MNIST数据集上的验证结果表明,综合考虑精度和实时性要求,改进CNN−SVM模型的综合性能优于CRNN,SSD,YOLOv3,Faster R−CNN等模型。采用微型高清USB摄像头采集甲烷传感器数值图像,将训练好的改进CNN−SVM模型移植到树莓派中进行图像处理和识别,结果表明,基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法的识别成功率为99%,与仿真分析结果一致。

     

  • 图  1  图像增强与数值提取过程

    Figure  1.  Image enhancement and numerical extraction process

    图  2  数字分割效果

    Figure  2.  digital split effect

    图  3  CNN−SVM模型结构

    Figure  3.  CNN-SVM model structure

    图  4  改进CNN−SVM模型流程

    Figure  4.  Improved CNN−SVM model process

    图  5  3种模型识别准确率对比

    Figure  5.  Comparison of the recognition accuracy of three models

    图  6  基于改进CNN−SVM的甲烷传感器数显识别方法

    Figure  6.  Digital recognition method of methane sensor based on improved CNN−SVM

    图  7  数显识别流程

    Figure  7.  Digital recognition process

    表  1  3种模型识别结果对比

    Table  1.   Comparison of recognition results of three models

    模型准确率/%时间/s
    传统CNN 96.5 134.56
    CNN−SVM 98.2 120.92
    改进CNN−SVM 99.1 108.34
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    表  2  主流深度学习模型训练参数

    Table  2.   Training parameters of mainstream deep learning models

    模型初始学习率优化器学习动量权重衰减批量大小
    CRNN 0.0003 Adam 0.9 0.00050 64
    SSD 0.0003 SGD 0.9 0.00050 16
    YOLOv3 0.0010 Adam 0.9 0.00045 8
    Faster R−CNN 0.0010 SGD 0.9 0.00050 4
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    表  3  实验结果对比

    Table  3.   Comparison of experimental results

    模型准确率/%帧率/(帧·s−1)
    CRNN 94.9 75
    SSD 95.4 59
    YOLOv3 95.7 85
    Faster R−CNN 97.4 60
    改进CNN−SVM 99.0 80
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-13
  • 修回日期:  2022-01-09
  • 刊出日期:  2022-01-20

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