專利名稱：紙幣寬度精確檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紙幣寬度的精確檢測(cè)方法，特別是涉及在檢測(cè)裝置中的與運(yùn)行方向成傾斜角度的紙幣寬度檢測(cè)方法。
2.
背景技術(shù)：
在點(diǎn)鈔機(jī)系統(tǒng)中，鈔票寬度的計(jì)算關(guān)系到各種票面的紙幣寬度的精確區(qū)分以及紙幣半張、紙條、連張、殘張的準(zhǔn)確判別。因此紙幣寬度檢測(cè)在紙幣面額區(qū)分識(shí)別中十分重要。在實(shí)際過鈔中，如果紙幣是與檢測(cè)運(yùn)行方向無傾斜的通過點(diǎn)鈔機(jī)時(shí)，其寬度值的計(jì)算可簡(jiǎn)單的用左右兩對(duì)紅外計(jì)數(shù)管采集的四個(gè)特征點(diǎn)的值直接得出；但在鈔票大部分都會(huì)以一定程度的傾斜通過點(diǎn)鈔機(jī)的左右紅外計(jì)數(shù)管。目前采用的紙幣寬度的檢測(cè)都是采集大量的特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成數(shù)表，在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)使用查表的方式對(duì)表格進(jìn)行遍歷，采用匹配的方式，用四個(gè)特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)值對(duì)數(shù)表進(jìn)行查表匹配，得出紙幣的寬度。由于點(diǎn)鈔機(jī)機(jī)電及傳感系統(tǒng)參數(shù)變化、驗(yàn)鈔人員的驗(yàn)鈔習(xí)慣不一、周圍環(huán)境溫濕度變化、點(diǎn)鈔機(jī)或檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)差異等，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成的數(shù)表常需校整；對(duì)于點(diǎn)鈔機(jī)的升級(jí)換代，制定出針對(duì)一種點(diǎn)鈔機(jī)機(jī)型的寬度表格是一項(xiàng)工作量較大的事情，得出的寬度與實(shí)際紙幣的精確判斷也很難得到保證。
3.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能將紙幣寬度精確檢測(cè)出來的方法。
通過單片機(jī)處理由傳感器采集到的人民幣或其他幣種的光譜信號(hào)，通過對(duì)紙幣捻鈔過程的數(shù)學(xué)模型分析，利用傾斜紙幣的計(jì)算幾何的等比例性質(zhì)，采用多項(xiàng)式逼近、Pade逼近、最小二乘逼近和非線形優(yōu)化算法研究出一個(gè)代數(shù)公式，該代數(shù)公式精確逼近捻鈔過程的發(fā)生傾斜的紙幣寬度值。
用紅外光點(diǎn)源分別對(duì)紙幣和捻鈔軸同心的被等分鏤空的碼盤進(jìn)行照射，用傳感器采集光譜信號(hào)，得出左右計(jì)數(shù)管采集到的四個(gè)特征點(diǎn)的絕對(duì)碼盤值，傳送給單片機(jī)，通過基本算法先檢測(cè)只有一邊的半張幣，然后對(duì)其他的數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯。在傳感器傳來整張紙幣的數(shù)據(jù)后，再對(duì)存貯的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)寬度算法時(shí)先對(duì)存貯的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對(duì)于滿足半張、紙條、連張和殘張的紙幣或假幣進(jìn)行報(bào)警處理，再對(duì)檢測(cè)到的四個(gè)特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷后使用代數(shù)公式計(jì)算。隨著點(diǎn)鈔機(jī)的使用期限的增長，馬達(dá)的速率會(huì)變慢，所以采用定時(shí)器計(jì)數(shù)來度量紙幣寬度的方法，在機(jī)器老化后計(jì)算出的寬度值與實(shí)際寬度值有較大的誤差。根據(jù)點(diǎn)鈔機(jī)本身的物理特性捻鈔軸的周長在同種點(diǎn)鈔機(jī)機(jī)型中是固定的；左右計(jì)數(shù)管間距的值是嚴(yán)格要求在毫米以下的誤差范圍內(nèi)的；碼盤上等距離鏤空的格數(shù)是一定的、且碼盤是與捻鈔軸同心的，因此捻鈔軸碾過的紙幣的幅度是與碼盤上采集到的碼盤值是完全一一對(duì)應(yīng)的，故紙幣通過左右紅外計(jì)數(shù)管所得到的四個(gè)特征點(diǎn)的值與碼盤值也是一一對(duì)應(yīng)的。實(shí)際的紙幣通過左右計(jì)數(shù)管的距離是與左右兩邊的兩個(gè)出入特征點(diǎn)的值是完全成比例的。故我們利用機(jī)器的物理特點(diǎn)，用碼盤值來實(shí)時(shí)的度量紙幣特征點(diǎn)的值，然后采用等比例性質(zhì)和計(jì)算幾何、多項(xiàng)式逼近和Pade逼近、非線形優(yōu)化方法以及最小二乘逼近算法建立數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)模型的分析得出代數(shù)表達(dá)式。對(duì)代數(shù)表達(dá)式計(jì)算出來的寬度值進(jìn)行分類處理后，將結(jié)果傳給需要寬度數(shù)據(jù)的鑒偽函數(shù)，并根據(jù)需要通過傳輸線傳給各實(shí)時(shí)處理單元控制報(bào)警、顯示、電機(jī)等操作。
所述的寬度計(jì)算數(shù)學(xué)模型的是這樣形成的根據(jù)點(diǎn)鈔機(jī)機(jī)器的物理性質(zhì)，寬度計(jì)算的最優(yōu)解最好是利用機(jī)器的計(jì)算幾何性質(zhì)，用逼近算法解之。我們知道在函數(shù)逼近中有兩種主要類型逐點(diǎn)逼近和最小二乘逼近。每種類型中又分為多項(xiàng)式逼近與Pade逼近(即分式多項(xiàng)式逼近)，這樣就共有四種逼近的選擇。在這個(gè)計(jì)算中我們不考慮插值逼近，因?yàn)樗挠?jì)算工作量比較大且整體逼近的精度未必很好。人們常用函數(shù)在某點(diǎn)的Taylor展開做逐點(diǎn)逼近，但它的缺點(diǎn)是在展開點(diǎn)的精度過分地高，而遠(yuǎn)離展開點(diǎn)的精度大為降低，根本不適合做數(shù)值計(jì)算。我們已經(jīng)用Taylor展開制定數(shù)表，對(duì)該數(shù)表進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了我們的結(jié)論。
我們?cè)谶@里聯(lián)合使用了三種技術(shù)分式多項(xiàng)式、最佳逼近、非線形優(yōu)化方法。
我們先考慮一般的分式多項(xiàng)式G(x)＝Pm(x)/Qn(x)，e＝f(x)-G(x).
這里Pm(x)＝a0+a1x+a2x2+…+amxm，Qn(x)＝1+b1x+b2x2+…+bnxn分別是m，n次多項(xiàng)式，其系數(shù)a＝(a0，a1，…，am)和b＝(b，b2，…，bn)是待定的，共有m+n+1個(gè)。取n＝0時(shí)就是通常的多項(xiàng)式逼近。設(shè)ρ(x)＞0是區(qū)間L＝(a，β)上的已知權(quán)函數(shù)(在普通的情形，人們常取ρ＝1)。我們提出函數(shù)f(x)的帶權(quán)ρ＞0的最小二乘逼近問題E(a,b)=12∫Lρ(x)(G(x)-f(x))2dx=min---(1)]]>函數(shù)E(a，b)取最小的必要條件是其所有一階偏導(dǎo)數(shù)為零，它們可分為聯(lián)立的兩組方程式DEDai=∫Lρ(G(x)-f(x))Qn-1(x)xidx=0,i=0,1,2,...,m;---(2)]]>DEDbj=∫Lρ(f(x)-G(x))G(x)Qn-1(x)xjdx=0,j=1,2,...,n;---(3)]]>從這個(gè)聯(lián)立方程組中求出系數(shù)(a，b)，即得到了所需的逼近。
為了用Newton法求解此方程組，先計(jì)算所有的二階偏導(dǎo)數(shù)，它們可分為三組如下D2EDaiDaj=∫LρQn-2xi+jdx,i,j≤m,]]>D2EDblDbk=∫Lρ(3G-2f)GQn-2xl+kdx,l,k≤n,]]>
D2EDbiDbl=∫Lρ(3G-f)Qn-2xi+ldx,i≤m,l≤n.]]>但(2)，(3)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線形方程組，只有給定較好的初值后，才可以用迭代法數(shù)值求解。而得到一個(gè)較好的初值本身就是很困難的事。為了獲得一個(gè)好的初值，我們可先求解如下一個(gè)簡(jiǎn)化的問題。為此取此權(quán)ρ=Qn2,]]>原問題(1)就化為E*(a,b)=12∫L(Qn(x)f(x)-Pm(x))2dx=min.---(4)]]>這是普通的最小二乘問題，取最小值的充分必要條件為DE×Dai=∫L(Qn(x)f(x)-Pn(x))xidx=0,i=0,1,2,...,m;---(5)]]>DE*Dbj=∫L(Qn(x)f(x)-Pm(x))f(x)xjdx=0,j=1,2,...,n;---(6)]]>顯然，它是一個(gè)線形方程組，用常規(guī)方法容易解決，因此可得到一個(gè)近似值(a0，b0)，解出(1)的初值后，方程式(1)的解就可求之。
4.


圖1是紙幣無傾斜的通過點(diǎn)鈔機(jī)的平面圖；圖2是紙幣傾斜通過點(diǎn)鈔機(jī)的平面圖；圖3是直接用Taylor式展開的誤差圖；圖4是用最小二乘Pade逼近計(jì)算的誤差圖；圖5是寬度計(jì)算的流程圖。
圖6中，②-碼盤傳感器，③-碼盤圖7中，①-捻鈔輪，②-碼盤，③-碼盤傳感器，④左紅外計(jì)數(shù)管，⑤-送鈔輪，⑥-右紅外計(jì)數(shù)管，⑦-葉輪5.具體實(shí)施方法如(圖1)所示，是一張鈔票無傾斜進(jìn)入點(diǎn)鈔機(jī)，至LSP到LEP和RSP到REP，分別是左右兩個(gè)紅外計(jì)數(shù)管掃描的位置，紅外計(jì)數(shù)管定時(shí)采集獲得計(jì)數(shù)管下是否有鈔的信息來記錄鈔票兩邊的寬度值。
如(圖2)所示，是一張傾斜通過計(jì)數(shù)管的鈔票。
通過定時(shí)采集左右紅外計(jì)數(shù)管記錄至LSP到LEP和RSP到REP的距離，其中LSP是左入點(diǎn)，LEP是左出點(diǎn)，RSP是右入點(diǎn)，REP是右出點(diǎn)。在實(shí)際過鈔中，鈔票大部分都會(huì)以一定程度的傾斜通過左右紅外計(jì)數(shù)管。因此快速準(zhǔn)確的計(jì)算出斜鈔的寬度是很必要的。
在以往點(diǎn)鈔機(jī)的設(shè)計(jì)中利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作數(shù)表，采用查表的方式得到寬度值中。在此過程中我們記鈔票的實(shí)際寬度為L，日常使用的第五版人民幣寬度為100元面額77CM，50元面額70CM，5元面額63CM；根據(jù)硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)左右紅外計(jì)數(shù)管的距離為68(±0.5)mm.我們以寬度為77cm的100元面額人民幣為例導(dǎo)出寬度的逼近公式。
設(shè)計(jì)要求為所設(shè)計(jì)的算法在計(jì)算時(shí)能快速的計(jì)算出L的精確值，根據(jù)單片機(jī)計(jì)算速度，算法中不要有開方、次數(shù)比較高的函數(shù)和正余弦、正余切函數(shù)。
在計(jì)數(shù)過程中因以碼盤數(shù)為計(jì)量單位，我們把寬度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為碼盤單位數(shù)。假設(shè)機(jī)器碼盤一圈是100個(gè)計(jì)量單位，一圈120mm，則77mm轉(zhuǎn)換為碼盤值是65，68mm是57個(gè)碼盤單位。如(圖1)，考慮鈔票的物理變形，鈔票的寬度L＝(LEP+REP-LSP-RSP)/2，在(圖2)中我們記a＝(REP-LEP+RSP-LSP)/2，b＝(LEP+REP-LSP-RSP)/2，鈔票的傾角是X(0＜x＜60)，利用三角形的定義和定理，tgx=ad,L=bcosx,]]>在這里a，b，d是已知數(shù)，在公式中a，b是隨機(jī)變量，d是定值。
由sec2x＝1+tan2x，即cosx=11+tan2x,]]>則有下式L=b×11+tan2x,]]>1)泰勒展開式、非線形優(yōu)化方法計(jì)算利用泰勒展開式可得cosx≈1-a2′2d2]]>(為了減少單片機(jī)的計(jì)算量我們只取兩項(xiàng))。又令t＝tanx，則L=b*(1-0.5t2)=b*(1-a22d2),]]>根據(jù)實(shí)際情況當(dāng)鈔票超過45度時(shí)鈔票的磁信號(hào)會(huì)失真，嚴(yán)重影響紙幣鑒偽，那么我們考慮此式在鈔票的傾斜度不能超過45度的情況，即t＝tgx≤1時(shí)的情況。
由此公式角度以2.5度為步長得數(shù)值表(單位cm)
由上表可以看出7.7cm既為“正”偏差點(diǎn)，又為“負(fù)”偏差點(diǎn)。當(dāng)度數(shù)大于35度時(shí)其誤差就大于0.5cm，即原函數(shù)的泰勒展開式的穩(wěn)定性不能達(dá)到實(shí)際要求，為了能獲得更好的計(jì)算結(jié)果，就必須修正原表達(dá)式，我們先使用常用的方法最小二乘逼近，求出最佳一致逼近多項(xiàng)式即最佳逼近多項(xiàng)式。
2)最小二乘逼近算法、非線形優(yōu)化方法計(jì)算令要求的系數(shù)為β，又有L/b=cosx≈1-a2′2d2,]]>則問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算cosx=1-β×tan2xi=1-β×(ad)2=1-β×t2]]>我們知道cosxi，tgxi都為在有限區(qū)域內(nèi)為連續(xù)而穩(wěn)定的函數(shù)，因此得到插值節(jié)點(diǎn)xi對(duì)應(yīng)的β的值也是一個(gè)連續(xù)而穩(wěn)定的值，則可以在有限的區(qū)域內(nèi)找到一個(gè)合理的數(shù)，使(*)式成立。經(jīng)過計(jì)算，可由等式得出一系列的β的值，如下數(shù)表
按權(quán)值分析，通過matlab計(jì)算cosx=1-β×(ad)2=1-β×tan2xi]]>可得最佳β的最佳駐點(diǎn)，約為-0.33456672828279，且在x為0.5054弧度即28.9573°時(shí)取得最大值。
其最小二乘誤差errsqu＝0.01624839141554t＝1(傾斜度為45°)處的誤差error2＝0.04167350946933其誤差圖形為圖3所示。
3)結(jié)合帕德逼近、最小二乘逼近、非線形優(yōu)化方法計(jì)算結(jié)合單片機(jī)的性能，我們?nèi)2,1=a+bx21+cx2]]>并且考察取值范圍為x=
]]>情況，即傾斜度在
內(nèi)的情況，利用matlab計(jì)算得到a＝0.99733491363080b＝0.14057649312032c＝0.60914643815697最小二乘Pade逼近的誤差errsqu＝0.00175495388742，乘權(quán)ρ=Qn2]]>后的誤差errsqu1＝0.00253288871550，在鈔票傾斜度是60°時(shí)的誤差error2＝-0.00189030962714在鈔票傾斜度是0°時(shí)的誤差error3＝0.00266508636920
傾斜度在
的1000剖分圖如圖3所示。
綜合比較上面的三種情況，第三種方法也即采用帕德逼近、最小二乘逼近、非線形優(yōu)化方法計(jì)算得到的代數(shù)式逼近實(shí)際的寬度值的誤差最小。
權(quán)利要求
1.一種紙幣寬度精確檢測(cè)方法，其特征是當(dāng)紙幣通過左右紅外計(jì)數(shù)管時(shí)，用紅外光點(diǎn)源照射紙幣，用傳感器采集紙幣紙質(zhì)的光譜信號(hào)并傳送到單片機(jī)中存貯，與此同時(shí)用紅外光點(diǎn)源照射與捻鈔軸同心的被等分鏤空的碼盤，用感器采集碼盤上紅外線變化，把采集到的同步的碼盤信號(hào)傳送到單片機(jī)后存貯，當(dāng)紙幣完全離開計(jì)數(shù)管時(shí)，即點(diǎn)鈔機(jī)完成紙幣的數(shù)據(jù)采集時(shí)，我們把得到的由紅外光譜轉(zhuǎn)換為電壓值的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別、認(rèn)識(shí)、分類，并計(jì)算出左右計(jì)數(shù)管記錄的紙幣左右兩邊出入計(jì)數(shù)管的特征點(diǎn)的值，利用等比例性質(zhì)對(duì)紙幣進(jìn)行簡(jiǎn)單的半張、紙條、連張、殘張的判定后，根據(jù)簡(jiǎn)單判定與分析對(duì)傾斜小于其能改變寬度實(shí)際寬度的值直接簡(jiǎn)單的計(jì)算出紙幣的寬度；對(duì)于傾斜度較大的紙幣通過對(duì)紙幣捻鈔過程的數(shù)學(xué)模型的分析，利用傾斜紙幣的計(jì)算幾何的等比例性質(zhì)，采用多項(xiàng)式逼近、Pade逼近、最小二乘逼近以及非線形優(yōu)化算法研究出一個(gè)代數(shù)公式，該代數(shù)公式精確逼近捻鈔過程的發(fā)生傾斜的紙幣寬度值，將結(jié)果傳給需要寬度數(shù)據(jù)的鑒偽函數(shù)和任務(wù)，根據(jù)需要通過傳輸線傳給各實(shí)時(shí)處理單元控制報(bào)警、顯示、電機(jī)等操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙幣寬度精確檢測(cè)方法，其特征是利用等比例性質(zhì)對(duì)紙幣進(jìn)行簡(jiǎn)單的半張、紙條、連張、殘張的判定后，對(duì)與運(yùn)行方向傾角小于10°紙幣直接計(jì)算紙幣的寬度；對(duì)傾度大于10°的紙幣通過對(duì)紙幣捻鈔過程的數(shù)學(xué)模型分析，利用傾斜紙幣的計(jì)算幾何的等比例性質(zhì)，采用多項(xiàng)式逼近、Pade逼近、最小二乘逼近以及非線形優(yōu)化算法研究出一個(gè)代數(shù)公式，該代數(shù)公式精確逼近捻鈔過程的發(fā)生傾斜的紙幣寬度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙幣寬度精確檢測(cè)方法，其特征是將采集紙幣四個(gè)特征點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼盤格數(shù)，以此代入代數(shù)式計(jì)算紙幣寬度，即以硬件本身的物理特性而不是易改變的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速率與時(shí)間的關(guān)系來度量紙幣寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的紙幣寬度的精確檢測(cè)方法，其特征是所述的傳感器包含采集、定位、狀態(tài)輸出等多項(xiàng)功能，所述的點(diǎn)鈔機(jī)左右計(jì)算管的間距應(yīng)按照硬件設(shè)計(jì)要求，幅寬不大于要點(diǎn)紙幣的最大寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種點(diǎn)鈔機(jī)紙幣寬度精確檢測(cè)方法，用左右紅外計(jì)數(shù)管記錄紙幣通過點(diǎn)鈔機(jī)的紅外傳感信號(hào)，與此同時(shí)用一對(duì)紅外傳感器采集與轉(zhuǎn)動(dòng)軸同心的等分碼盤上的紅外線信號(hào)來記錄同步的碼盤數(shù)并傳送到單片機(jī)存貯，根據(jù)碼盤數(shù)計(jì)算得到紙幣通過左右兩對(duì)紅外計(jì)數(shù)管的四個(gè)特征點(diǎn)的值，通過對(duì)紙幣捻鈔過程的數(shù)學(xué)模型分析，利用傾斜紙幣的計(jì)算幾何的等比例性質(zhì)，采用多項(xiàng)式逼近、Pade逼近、最小二乘逼近以及非線形優(yōu)化算法研究出一個(gè)代數(shù)公式，該代數(shù)公式精確逼近捻鈔過程的發(fā)生傾斜的紙幣寬度值?；诰_檢測(cè)紙幣寬度值，本方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出各種幅面的紙幣的寬度，還能準(zhǔn)確判斷出連張，半張，紙條以及殘張。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1912539SQ20051003199
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者高春鳴, 陳傳淼, 萬里平 申請(qǐng)人:高春鳴, 陳傳淼, 萬里平