（农业机械化工程专业论文）苹果分选机输送定位机构的研究.pdf

摘要 利用计算机视觉和光电子技术对苹果进行分级具有很人的优越性。苹果的人小和缺陷是苹果 分级的重要指标苹果级别的判断需要确定虽大直释和对缺陷的识别，鉴于苹果梗萼凹陷与缺陷 在图像处理过程中极为相似，为了提高分选精度，在现有国内外输送机构的基础上，分析水的浮 力、气体压力以及机械式定位的可行性。考虑其他因素，选用机械式定位并设计了一种输送定位 机构。通过对该输送定位机构的设计计算，制造了样机。样机试验表明，该机构的苹果定位时间 0 4 s ，定位成功率达9 8 以上，能够满足实时检测的需要。 该机构解决了缺陷与梗萼误判问题，简化了苹果最大直径的确定过程。对 一基于计算机视觉 技术和光电子技术的苹果自动分选系统的开发，具有蓖要的参考价值。 关键词：计算机视觉，光电子技术，苹果分选机械输送定位机构 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sf o ra p p l es o r t i n gb yc o m p u t e rv i s i o na n dp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y y e t t h es i z ea n dd e f e c ta r et h et w oi m p o r t a n ti n d e xs i g n si na p p l e sq u a l i t ya u t o m a t i o ne x a m i n e h e r e i n a p p l es o r t i n gn e e d st oe x a m i n en o to n l yt h ea p p l e sm a x d i a m e t e r , b u ta l s ot h ed e f e c t s s i n c ea p p l e l s s t e m c a l y xi sv e r yl i k ed e f e c tf o rc o m p u t e rv i s i o na n dp h o t o e l e c t r i cs o r t i n gs y s t e m ，i no r d e rt oi m p r o v e s o r t i n gp r e c i s i o n ，b a s e do nt h es t u d i e so fo r i e n t a t i o na n dc o n v e y o rm e c h a n i s m s ，a n da n a l y z i n gt h e f e a s i b i l i t y o fl i q u i d b u o y a n c y 、a t m o s p h e r ep r e s sa n dm e c h a n i c a lo r i e n t a t i o n ，c o n s i d e r i n go t h e r t h i n g s ，c h o o s et h em e c h a n i c a lo r i e n t a t i o n ，d e s i g nt h eo r i e n t a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n v e y o rs y s t e ma n d ap l 、o t ot y p eo fo r i e n t a t i o nm e c h a n i s mw a sm a d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo r i e n t i n gt i m e i s0 4 sf o re a c ha p p l e ，o r i e n t a t i o np r e c i s i o ni n9 4 t h i sw i l lm e e tt h er e q u e s to fo n l i n ed e t e c t i o n t h es y s t e mc a ns o l v et h ep r o b l e mo fm i s t a k i n ga p p l e ss t e m - c a l y xt od e f e c t ，a n di ti ss i m p l et og e t t h em a x d i a m e t e r i th a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h es t u d yo ft h ea u t o m a t i ca p p l es o r t i n gs y s t e m ，w h i c h m e a n sc o m p u t e rv i s i o na n dp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o m p u t e rv i s i o n ，p h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y ，a p p l es o r t i n gm a c h i n e ，o r i e n t a t i o na n d c o n v e y o rm e c h a n i s m s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特矧j d r i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 司钦勿 时间：么妒年3 月同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：) 司钦乡。 时间： 加y 年3 月形日 导师签名 彩聋发 时间：易鲫，年夕月1 6 h 中围农业人学硕【：学位论文第一章绪论 i l l 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 加入w t o ，我国农业发展己进入对农业和农村经济结构进行战略调整的新阶段。过去为温 饱问题而主要追求产量增长的农业生产，已可以在保持总量平衡的基础上突出质量和效茄，向多 元化、高质量的方向发展，更人规模地实现农产品的转化和增值，使农业成为有活力的现代化产 业。 农产品的品质检测与农业中的食物安全问题密切相关。这是中国爪业面临的一个犬问题。长 期以来，我国农产品加工技术发展缓慢，尤其是缺乏农产品质量标准和质量检测体系，使农产品 混杂上市，在市场上缺乏竞争力，高品质的绿色农产品得不到高的增值，低品质的农产晶得不到 控制，甚至直接影响人类的健康。随着中国加入w t o ，这个闯题会显豹更加突出。因此现在追 切需要进行农产品品质、农业化学品残留等污染物监测技术的开发与产业化，提高产品安全性， 提高农业的综合效益和国际市场竞争力，带动农业结构调整。 苹果作为一种重要的农产品，在整个农业生产中占育很大的比例，产量居世界第一，是蘑要 的外贸山口产品，但由于产后处理不够，使得外销苹粜的品质难以保证，在国际市场卜缺乏竞争 力，其出口量只占总产量很小的比例。制约我国苹果出口的一个重要因素是产后商品化处理1 作 做的不够，检测与分选的手段落后，分选检测能力弱，效率低，分选质量达不到国际市场的要求， 致使商品化程度低。实现机械化、自动化作业势在必行。生产优质、美观、新鲜的苹果及利用先 进的分选技术显得尤为重要。为了提高分选的标准和统一性，降低苹果的生产的成本和改善劳动 条件同时在激烈的世界市场竞争中取得立足之地。研究和开发苹果采后自动化处理系列设备， 选出高质量的苹果并进行其他一系列采后处理己成为当前我国农业机械化重要的研究课题。因 此，研究和开发苹果自动实时分级系统，选出高质量的苹果，提高国家苹果出口能力，在我国具 有广阔的应用前景。 苹果分选就是实现苹果商品标准化的最为基础的步。为提高我国苹果在国际销售市场上的 竞争力提高苹果品质与保鲜期限，必须对苹果进行清洗、加工等处理，然后按大小尺寸及品质 等级标准等进行分选、分类和包装。对于满足各消费阶层的需求，增加我国苹果的出口竞争能力 具有十分重要的经济和现实意义。 总之，苹果分级采用与计算机技术相结合的动态图像实时采集和分级自动控制系统，对r 提 高苹果分级的自动化程度、分级的效率和准确性有明显的效果。而研究苹果分选机的输送定位机 构是从另一角度提高苹果分选机的分选效果，对于提高我国农产品产后处理的水甲应用丁实际 生产中将有利于减轻农民的劳动强度，提高劳动生产率和农产品商品价值，并增加农业效益和农 民收入，具有巨大的经济效益和社会效益，市场前景极为广阔。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 苹果分选机的种类 1 2 1 1 机械式苹果分选机的种类 机械式分选是一种比较简单的分选手段，分选依据比较单一，精度相对较低，主要包括尺寸 中国农业丈学硕1 二学位论文 第一章绪论 分选和重量分选。 1 、体积大小分选机 按苹果的体积人小进行分类，最常见的是筛于分选法、回转带分选法、辊轴分选法、滚筒式 分选法等。 ( 1 ) 筛子分选法 该分选方法一般采用平面振动筛筛体由两层以上的筛面组成，筛孔人小由分选尺寸确定， 分选采用的是振动原理，果品易损坏，故此法不太适台。 ( 2 ) 回转带分选法 同转带分选的r 作原理是将水果置丁两餐分选带之间，若果径小于两带之问的距离，水果便 从中落下。由丁两条选果带之间的距离沿水果运行方 向不断增大，使不同尺寸的水果落在卜 方相麻的输送 带上，该方法从结构上容易实现、简单，故障少，但 分选精度不高。图l l 是是回转带式的分选装置。它 由两条不平行的胶带或罩有塑料的链条织成，两者之 间形成逐渐加大的间隙，苹果在带问随带输送，当带 间间隙超过苹果晟人直径时，苹果就掉在f 方相应的 档位中。 ( 3 ) 辊轴分选法 hi 圳蚓 v l v 2 圈t 一1 回转带式分选装置 分选作业是在一条由许多辊轴组成的输送带l 完成的。辊轴有一定长度，在轴上开有梯形槽 具有输导水果作用。相邻两辊轴间装有一个能升降的中间辊轴3 ，如图1 - 2 ( a ) 所示， 图1 - 2 辊轴分选工作原理圈 这样3 根辊轴形成两组分选口，辊轴一面自转，一面随输送带前进。同时。由丁- 中间辊轴的 上下位置受导轨控制，而不断升起因而分选口不断增大。进入分选口的水果随着辊轴的白转而 转动，使其可能以最小直径对准分选口。当最小直径小r 分选口时，水果即由此口落f ；不能通 过分选口的水果则随输送带继续向前运动，直到中间辊轴上升至分选口大于其最小直径时f 落。 这样，征出料输送带的不同位置上可获得不同等级的水果。中间辊轴k 升到最大位置时，分选便 到此结束，以后便f 降至最低位置，继而回转至进料口再重复上述过程。该法分选较准确，但从 结构上实现较复杂，机器成本高。 图卜2 ( b ) 是另一种辊式分选装置。分级时，逐次将苹果送至二辊之间的圆孔上方，旋转的辊 将苹果向尾端推送当孔径大于果径时，苹果从二辊之间落入下方相应的托盘里。 2 中国农业大学硕上学位论文第一章绪论 ( 4 ) 滚筒式分选法 该机主要由喂料机构、v 型导果槽板、分选滚筒、接果盘及传动系统组成。如图i 3 所示。 i 一作时，混放苹果由倾斜输送器l 提升后，先经手选装置2 由人j ：剔除伤残粟，然后通过输送带 送入果箱4 ，打开料门3 ，苹果送入导果槽板5 ，在此苹果自然分行滚动，不会出现苹果堆积和阻 碍现象。分选滚筒开有圆孔。孔径逐级增人，苹果从v 型导果槽板流至滚筒6 外边进行自动校径 的分选过程。小丁分选孔的苹果先从第一滚筒分选孔落入接果：| ； ，人于分选孔的则经v 型导果槽 继续向前滚动，重复前面的过程。由于每级滚筒的孔径逐渐增大，则把苹果分成不同大小的等级， 在相应位置的接果 ；【可得到相应等级的苹果。 由丁- t 作时，苹果在滚筒内表面或外表面运动，苹果与滚筒表面的相对运动较小，苹果问不 易发生撞击，损伤很小。此法适应，球形和近似球形物料的分选，从结构上容易实现，成本较低， 分选精度高，效率高，在国外应刚较广。 倾挈 输送器，2 手选装冒3 料j ，4 粜箱5v 型导果槽板 6 滚筒7 辊轴，8 妾粜盘 围卜3 滚筒式分选机工作原理 还有一些机械式的分选方法。图卜4 ( a ) 是挡板式分级装置。圆形工作台在不断旋转的过程中， 苹果随台旋转的同时滚向固定的环形挡板。挡板下沿倾斜于l ，作台，且可调整，从而形成不同的 通过间隙，起到分选的作用，这种分选装置国外在中小批量的苹果分级中曾广泛采用。图卜4 ( b ) 、 ( c ) ，是利用带上的孔或滚子之间的间隙把苹果分选成有限的儿档。这类分级部件结构简单，但 由于分级时可能会使苹果遭受较大的碰撞或冲击而引起损伤，所以通常只用于那些对机械负荷不 敏感和随后要作进一步加 的苹果分级。 絷糨噙 ( a j( b ) 图1 - 4 根据大小分级的机械式苹果分级机构 ( c ) 3 中圆收业大学颂l ：学位论奠 第一蕈绪论 2 、重量式苹果分选机械 根据水果的重量进行分选的分选机，是最早开发的机种。现在r 泛地使用_ f 苹果、梨等的分 选作业，主要是机械式重量分选机，其形式有： ( 1 ) 悯定衡量秤体、运动输送盘式 ( a ) 是通过改变颅翻力矩来按重量对苹果进行分级的机构简图。随链条的移动，可滑动的 配重被逐渐推向转轴，平衡力矩m 减小杯子舀：火去平衡后倾翻，把苹果卸至与重簟对戍的位鼍。 ( b ) 是由受力弹簧的改变米调节倾翻力矩。当链条把托盘移至弹力较小的弹簧上方时，托盘 失去平衡，卸f 苹累。 力婚m ，m m ( a ) 掸簧力f ) f ，) f ( b ) j o卜 嚣甓e ： 屯c | c e | 图1 5 根据重量分级的苹果分级辩【构 ( 2 ) 固定限位凝置、运动衡量秤体式 这两种形式虽都运用杠杆原理却有不同特点。蜀定筏量秤体式，对辑体规1 _ 一致性要求不 高，但输送盘运输水果通过固定衡量秤体进行称重，存在动态称量误差，需要解决动与静的匹配 问题。运动衡鼋秤体式水果与称重秤体同时运动，它们之间相对静止，输送方向与杠杆作_ 【 力方 向垂直，不存在动态称量误差。但既作为输送果盘又作为称重秤体的许多套装置耍通过同一固定 限位装置来完成分选过程，所以一致性要求较高，需要由制造加r 精度来及装配精度来保证。 1 2i2 机电式苹果分选机械 目前，通过压力传感器输出的压力信号进行分选的电子式重量分选机正逐步代替机械式重量 分选机。该形式分选机不仅伤果率低，而且有误差小，分选范围可调，生产效率高等特点，具有 很大的发展前景。以色列e s h e t e i l o n 公司、美国a u i y ) l i n g 公司生产的电f 式重量分选机， 在分选检测技术上已经很成熟。但是在国内该形式的分选机尚处于起步阶段。 电子式分选机主要以自动分选台应用最厂，其分选标准是依据农产品的表面颜色反映出来的 特征决定其品质的优劣程度。当光作用丁i 物体后，物质对不同波长的光具有选择性吸收的特点 网此光学自动分选台的l 作原理是利用农产品表面对不同波k 范围内的光的吸收和反射来分析 其颜色特征，从而决定农产品的质量等级。 图1 6 ( a ) ( b ) 分别是根据重量分级的苹果机电分级装释的模块和简留。苹累分选机r 作时， 由电机驱动输送链轮将托盘中的苹果送入输送道。通过安装在输送带下的压敏式传感器检测苹果 重量，将苹果的重量信号转换为模拟电压信号，送入单片机测控系统。在单片机测控系统中，模 d 中国农业大学硕七学位论文第章绪论 拟电压信号先经过信号调理电路放人、滤波，经a d 转换器模数转换后送入a t 8 9 c 5 1 为核心的 主机电路进行数据处理。 当计算机主机接收到苹果重量的数字信号时，系统软件对数字信号进行运算和判断，得u j 苹 果的重量等级，向相应的电磁阀送出开关量。这里开关鼙必须进行软件延时，确保苹果到达所 属重昂等级分选的位置时，电磁阀才将分选开关打开，使得苹果准确地落入相应的苹果收集栏中， 实现分选。 分1 玉刮模拟量输入通道卜 选 苴 水 j t 累 d 互d 开关量输出通道 卜 机 ( a ) 机电式苹果重量分选机的模块示意图 驱动电机2 传动链3 帆动链轮1 苹果托盘5 输送道 6 鹾敏传感器7 支撑杆8 骨进开戈9 驱动链轮 ( b ) 机电式苹果重量分选机的结构示意圈 图1 - 6 机电式苹果重量分选机示意闰 图卜7 是利用x 射线进行苹果分选的机电式分 选机的l ：作原理图。通过控制x 射线的剂量，利用 辐射透过性可以分离内部有损伤的苹果，甚至可按 苹果成熟度进行分级。当辐射接收器中感受的辐射 量与设定的不一致时，控制气缸移动抛料板，把伤 果导至另一输送带。 当。 口一一口： 1 光源2 接收器3 抛料装置 图卜7 机电式苹果分选机 中国农业大学研究生谢峰研究了一种光电式苹果分选系统，基于光电子技术的苹果分选机 的测量i 具是光电传感器，当苹果经过对射式光电传感器时挡住光的接收，使输出开关量发生 电平变化。这样就根据挡光时间判断苹果大小，从而实现苹果人小的测量。苹果分选机t 作时， 5 中国农业大学硕士学位论史第一章绪论 n l m l m m l 苹果从输送口进来，首先经过小电机带动的刷子的清洗；然后进入输送链轮，再由电机驱动输送 链轮将托盘中的苹果送入输送道。在苹果输送过程中，由安装在输送道上的光电传感器检测苹果 人小，将苹果的大小信号送与单片机控制系统，经过数据处理，单片机发送不同控制指令。使苹 果在相应的电磁阀落下，从而实现苹果自动分选。 该光电式苹果分选系统，采用单片机和光电传感器配合实现水果分选的自动控制。在硬件上， 单片机测控电路替代原有设备的p c 机和数据采集卡，用光电传感器代替原有的压敏传感器； 在软件上，用c 5 1 进行系统编程，使系统能够实现苹果大小信号采集、运算和输出信号控制电磁 阀等功能，并能通过简单、易操作的按键输入，来设置苹果分选的分选参数。 光电子技术是一种较先进的分级方式，但如果苹果是随意滚落果杯，同一个苹果，苹果的状态不 一样，挡光时间就会不同，冈此同一个苹果。会出现不同的测量结果。故需要一种定 扛机构，使 苹果在测量时保证同状态。 1 2 1 _ 3 基于计算机视觉的苹果分选机械 计算机视觉是指计算机实现人的视觉功能，完成对周围环境事物的感知、识别或理解，它是 计算机、自动化、光学、视觉学等众多领域交叉、综合的学科，已j 1 泛应用于l 业、农业等领域。 当今计算机技术的飞速发展，使得计算机视觉研究与志用进入了个崭新阶段，随着模式识剐、 人l ：智能、人【：神经网络等方法的迅速发展，其应片；| 范罔也在日益扩人。计算机视觉的图像信息 的处理和识别从逻辑上可以分二个阶段：图像的低层处理、特征提取和模式识别与理解。图像的 低层处理主要完成原始图像的噪声过滤、灰度校上e 、几何校正等。图像的特征提取就是从丈量留 像数据中，提取有利于图像识别和理解的主要特征量用有限的特征来描述原始图像中的目标。 图像的特征主要包括纹理特征、结构特征、颜色特征等。特征的提取方法主要有区域分割、边缘 检测、纹理分析等。模式识别和理解就是根据已有的特征参数，采用相应的识别匹配方法，完成 对目标物的识别、分类或理解。 苹果分级所依据的外部特征与人的视觉有关，因而用计算机视觉代替人的视觉进行苹果分级 具有不言而喻的优越性。首先将人从繁重单调的体力劳动中解放出来：其次能排除人的主观因素 的于扰，避免了因人而异的分选结果，并有足够的应变能力适应苹果品质的变化；另外还能完成 人或机电式分选机难以胜任的= 作，如面积计算等。用计算机视觉进行分级可一次性地自动完成 苹果人小、颜色、果面面积的检测与判定，大大提高了分选速度和精度。现代苹果分级技术包括 上线、清洗、涂蜡、干燥、分级、装箱等多项流水作业程序，其中分级既是核心又是近年来发展 最快、现代化技术应用最多的部分。现代基于计算机视觉的分级方式取代了人j 分级，可不分先 后地进行自动分级，大大提高了工作效率。 利用计算机视觉对苹果进行外部品质的检 9 1 4 主要娃大小、形状、颜色、表面缺陷的检测，所 用的技术一般是全自动图像处理式分级系统，该一般由c c d 摄像机、检测装置、传送带、计算机、 电器控制系统等组成。在苹果分级过程中苹果位于传送带上，c c d 摄像机配置在传送带的i ：方 及周边，在传送带的两侧安装有检测装置。当苹果通过c o d 摄像机时，苹果的颜色、大小、形状、 表面损伤情况等均被记录下来，通过这些信息的计算机处理即可完成一股分级作业。苹果实时分 级的关键之一是能够准确记录f 每一个苹果的实时移动所处位置并结合计算机对相应苹果的图 像处理结果。做出在正确位置进行分级的决策。圈1 - 8 是分级过程示意图。 6 中国农业人学硕上学位论文 第一章绪论 执行机构i 延时等待，1 曩豁分1 隔级操作l 苹果 将分级 结果发 送给执 行机构 光箱和光源 c c d 传感器 = 刊图像采集e 兰墨查! ：f 2 2 厂磊 显示结果k = = = = 记录结果怪= 习苹果缺陷 固卜8 苹果分级过程示意图 当光电传感器检测到有苹果并发出脉冲时，图像的采集过程自动进行，图像处理结果从计算 机输出到i 0 控制告，同时利t j 传感器发 妊的脉冲作为苹果实时位置的移动信号，以定的方式 记录苹果的实时位置信息，实现对苹果位置变化的同步跟踪。系统根据对分级信号的划断结果， 通过放人环节驱动执行器适时动作，从而完成对苹果的正确分级。 到现在已有部分实f f j 的产品，如t a oy ( 1 9 9 5 ) 进行了更为深入研究，研制成功了m e r l i n g 高速高频计算机视觉水果分级系统，生产率约为4 0 t h ，已r 。泛应用于苹果、桔于、桃r 及曲红 柿等水果和农产品的分级，美国有5 0 以上的苹果经该设备处理，此技术已推j “到加拿大等其他 国家。美国的o s c a r t m 犁和n e r l i n 型高速水果分级生产线，用于苹果、梨、橘了、桃子等水果 的分等定级和品质检测。f 面分别对外部特征的检测做一下概述。 ( 1 ) 大小的检测 苹果的大小是重要的外部特征。在计算机视觉分选中，大小是苹果外部舳质的重要属性。根 据o b l 0 6 5 1 8 9 要求，苹果的大小的检测方向为苹果横切面的最大果宽。在实际检测中，由于苹 果随机上料，检测时其轴向与摄像头的夹角不固定，所以横切面的最大果宽的位置是变化的，因 此需要确定轴向。现有的方法主要以确定果梗来实现。在静态下果梗图像比较清楚可以用来确 定轴向，但在动态方式或无果梗情况下无法确定轴向，因此只能以图像的晟人宽度、平均直径等 近似大小为依据进行判断，降低了检测精度。对于火多数苹果而言，在其轴向具有统计意义上的 对称性，因此可以利用这特性确定苹果的轴向。轴向得到确定后，即进行目标人小的检测，取 垂直于轴向的最人宽度为苹果的大小。但轴向的确定需要一定的时间。 1 9 9 5 年，中吲农业大学刘禾博士利用计算机视觉技术、bp 人【神经网络及光学原理对静 态苹果进行了果形判别、尺寸测量、损坏检测判别与分级的研究口j 。其中研究结果发现不同波段 的光源f ，缺陷表面与正常水果表面的反射系数存在差别，且在近红外波段有较人差别，因此可 以采用近红外波段进行苹果表面缺陷检测和分级处理：对于苹果大小的测量，提出用判别果梗的 方法确定苹果果轴，由r 用这种方法判别苹果果轴的正确性和水果的位置有芙，受甾i 象本身的影 响。 1 9 9 7 年，中国农业大学徐娟博士利用并行处理技术研究了静态苹果的视觉图像。在并行计 7 中国农业大学硕士学位论文蚺一章绪论 算机上提高了苹果视觉分级处理速度，分级速度可达4 个苹果秒但并行计算机还不能真i i ：应 用于农业生产，提出利用图像形状学以及边界形状特征进行累梗判别并确定果轴，该方法处理速 度较低，需要较多的处理时间，且果轴的正确性受果梗存在与否影响较大。 佗1 形状的检测 实现苹果的全自动分级不受人为因素的影响，果形自动识别是实现苹果分级全自动的关键。 苹果的形状是多样的，很难用一个标准的数学函数来描述。首先，苹果是一个二维空间物体，苹 果的外表面是复杂的空间曲面。其次，苹果的品种很多不同品种的苹果差异很人，这反映了孳 果的生物特性，即种群的多样性。再次，即使是同一品种的苹果，其筹异也很人这止是由1 ：苹 果的自然属性决定的，即群体内部的多样性。冈此，对r 苹果的描述，睦期以来一直处丁_ 定性描 述的水平。在计算机视觉技术引入剑苹果品质检测以后，不少学者对苹果的形状进行了研究从 不同角度提出了描述苹果形状的参数，以达到分类的目的。对称是描述果形的重要特征之，对 称是垂直于果轴( 连接苹果果梗与花萼的直线) 的任一直线交苹果外边缘于两点，该曲点刨果轴 的距离接近相等，距离差在一定范围内。以果轴至苹果幽像两边缘的距离之差的绝对值竹= 为肘称 判别的特征值。通过对果形对称性判别可为水果果形的最终判别奠定基础。 刘禾、周茵等，针对果形对称的相互模糊性提出用模糊理论和神经网络相结合的办法进行 果形对称判别，试验证明利用神经网络进行苹果对称判别的方法是可行的，且系统员_ 有较高的判 别准确度。为苹果的果形判别奠定了基础。 f 3 ) 颜色的检测 苹果表面的着色是衡照苹果外部品质的重要指标，但目前普遍采用色度直方图计算再着色度 的累计值作为分级特征。且识别的方法仍然是统计模式方法居多。由于没有考虑色度在空间上的 分布特性，分级依据不充分，造成分级精度较低。冯斌等，采用h i s 模型描述色彩宅问，通过对 不同着色等级的水果分析以各色度在水果表面分布的分形维数为特征进行分级，利用分形方法确 定特征值不仅考虑了个色度点的累计特性，而且考虑r 色度点空间分布的特性，使颜色分级更符 合实际情况。将各色度域分形维数作为模式处理，建立了人 神经网络识别模型。学习后的模型 分级正确率达9 5 ，能够满足计算机实时分级水果生产线的要求。 ( 4 ) 缺陷的识别 7 0 年代，b r o w n 等旋现在近红外区从具有腐烂果面反射的光线强度低于从完好果面反射嗣 来的光线强度，这种差异是因为腐烂区的细胞壁的不完整性和组织里化学成分的变化减少r 光线 散射。因此，计算机视觉系统能利用这种从水果表面反射回来光线强度的筹异米识别有缺陷的水 果和健康的水果。但由于苹果果梗部和花萼部往往颜色较暗，其斑点外形、结构、颜色与缺陷非 常相似，故不能簿单地识别。在关于果梗和花萼与缺陷的识别方面，国外的p r o f e s s o r l y h n et a o 、 j a m e s a t h o o p 和国内的中国农业大学的刘禾博士、徐娟博七以及浙江大学的应义斌博士都对水 果外部缺陷做丁深入研究但最好的研究方法亩鼐在争议。 1 9 9 5 年，t a o 为r 分割水果表面缺陷提出了球形体灰度变换法，解决了水果幽像中部分缺陷 由于灰度值比水果边缘的正常累面灰度值高而不能次被分割出来的问题。但是原图像对府的反 方向的无缺陷图像的计算过程比较复杂，实际中难以应用。 籍保平，吴文才在计算机视觉苹果分级系统中，其输送机构为输送辊，两输迭辊间形若空锥 仿苹果形。在滚动中使苹果的中心轴保持水平+ 以便识别花萼和梗。苹果的滚动速度与摄相速度 中国农业= 学硕士学位论文第一荜绪论 匹配，即苹果每滚动一周，摄相头摄相4 次。为了防j t 苹果被高速运动的辊子碰伤输送辊以金 属材料为芯，表面裹胶处理。但由丁苹果的人小和形状不一致，在滚动中苹果能否保证中心轴线 平行是不确定的。 冯斌，汪懋华在计算机视觉系统中图像外边缘检测的新方法中用电机传动输送带上料，输送 带为琴键式结构，矩形果盘为1 2 0 2 5 0m ，为增强图像反擦差，果盘上面以冀布垫衬。输送 原理与辊子输送带是一致的，便于采集幽像，但采集的图像不全面。 国外在识别缺陷方面较为成功，但需要同时使用近红外和中红外摄像设备，由于设备价格 昂贵，使得该方法的应用受到5 良制，无法在农产品分级设备中广泛应用。 1 3 现存的苹果分选机存在的问题 ( 1 ) 快速而准确地测定苹果表面的各种缺陷且与梗、萼凹陷区止确区分比较凼难。 m iil e r 等对桃子的分选试验表明：囡不能正确i 趸分苹果表面的缺陷和梗萼凹陷，由此产生 的分级误差为2 5 左右。r e h k u g l e r 等利州机械定向机构使苹果梗萼处于垂直方向并绕梗萼轴旋 转，c c d 线扫描摄像机可扫描苹果的整个表面且形成一幅图像，该方法的特点是由机械定向机构 定位苹果梗、萼区，摄像机对此区不需要再检查。但因为受定向机构速度的限制，还达不到实时 分级的速度，试验结果为每分钟选3 0 个苹果。y a n g 利用结构光图像与散射光图像相结合来区分 梗、萼区和缺陷区，综合两方面图像处理的结果，共抽取1 6 个特征参数再利用b p 神经网络区 分苹果的梗、萼区和缺陷仄，分辨精度为9 5 ，但还需要进步把试验结果应用r 实际苹果分选 生产线中。 g r o w e 等采取在7 8 0 h m 附近带域内，崩结构光由一黑白摄像机进行苹果表面的凹陷度检测； 在7 5 0 n m 带域内的敏射光照射下，由一黑白摄像机进行苹果表面的可疑缺陷医检测。苹果的输送 旋转装置及摄像机布置如图卜9 ( a ) 所示， 水粜 漾子 缺陷检测搬像机缺陷嘲像 阻回 l - j 睦d 合成图像 疆曼 聃陷控潮摄像机结构光嘲像 ( a l( b ) ( a ) 输送装置及摄像装置( b ) 图像台成示意图 图1 - 9 图像采集布置固与图像合成示意图 采_ e i j 的双锥滚筒输送带可使苹果一方面沿水平方向作平移运动，另一方面义绕自身水平轴作 旋转运动。两个黑自c c d 摄像机用来采集7 5 0 n m 附二二的散射光图像和7 8 0 n m 附近的结构光圈像， 苹果旋转一周摄取两次图像。两个黑白摄像机采集的图像经过设计的接1 3 电路后，铍合成为一幅 黑白图像，合成过程如图卜9 ( b ) 所示。图像的处理由流水线图像处理系统完成。试验结果表明： 9 卒 广厂；l：l 中国农业大学硕l 学位论文第一荦绪论 每个苹果采集两幅酗像时，缺陷检测的速度可达5 个s ，但误差较大，碰伤检测的准确率仅为5 1 。 要想得到较高的检测精度，每个苹果应采集j 幅以上的图像，结构光至少6 条以上。此外，由丁 苹果尺寸不同所造成各个苹果旋转速度的不一致，也是产生测量误筹的原i 封。 徐娟及n a k a n o 利用人工神经网络法对缺陷区和梗萼区进行区分，试验表明神经网络的k 分 准确率较低。在果面各种缺陷的快速检测方面，t h r o o p 等人研究了多光谱测量技术，对1 0 个品种 的苹果的2 2 种缺陷，在4 6 01 0 3 0 n m 光谱范围内每隔1 0 n m 试验测定_ 它们的反射光谱特性， 试验证明，马氏距离反映了水果缺陷区与止常区反射强度的差别程度，距离越人。两者差别越人。 并且在中心为5 4 0 n m 、7 4 0 r i m 、1 0 3 0 n m 三波段附近3 种苹果同。缺陷与正常区的反射强度的斧剐 表现为最大或最小值，最后通过对3 个波段的斟像进行简单的减法和阑值处理得到检测的缺| i f ；， 但与实际麻用还有一段距离。 ( 2 )传统的图像处理及模式识别算法速度太低，是制约我国苹果分选机发展应用的一个 重要原因。由于果梗、花萼与缺陷的灰度图像相似无法正确区分，易将果梗、花萼作为缺陷处理， 使分级精度降低。在提高分级精度方面提出人量的理论研究，提出许多识别算法，但所提出的识 别算法还存在算法复杂、速度较慢判别精度低等问题，还有待于进一步研究。 1 4 针对上述问题提出的解决方法 利用计算机视觉技术对苹果分选有广阔的发展空间，但面临的一个难题是如何正确的识别果 梗、花萼与缺陷。利用光电子技术进行人小的分级需要酋先保证容易获取苹果最大直径所在的面。 因此如何将计算机视觉技术和光电技术等先进的分选手段更好地应用到苹果分级处理中将是一 个难题。针对上述的问题提出以卜| 几个解决办法： ( 1 ) 对于苹果梗萼凹陷与缺陷的检测与视觉区分方面，通过改进输送机构侵苹果绕通过花萼 和果梗的轴线旋转，处理图像的过程中忽略果梗和花萼区或者拍摄角度平行苹果轴线，采集的 图像中心为果梗和花萼区，只需确定其他区域的缺陷即可。 ( 2 ) 设计合理的输送定位机构，既保证苹果在传送带上比较平稳地移动，又可由视觉系统快速 检测到苹果的全部表面。尽量减小因苹果不规则运动造成的分级误差、损伤及图像的模糊。苹果 的定位直接影响分选精度，苹果的人小与形状的测量均需确定苹果径向尺寸，冈此，如果能够将 苹果定位在一个便于确定苹果轴向的位置，无疑将大大减少了确定苹果径向的计算量。 1 5 研究目标和内容 1 5 1 研究目标 利用计算机视觉和光电子技术对苹果进行检测的基础上，通过分忻现存的苹果分选机在实际 应用中存在的缺点，并借鉴他人的研究成果，分析苹果的定位方式，设计了机械式的输送定位机 构，为提高基于计算机视觉和光电子技术的苹果分选机全面检测的精度提供了前提条件。将推动 我国苹果分选机械的发展。 研究目标是： 1 0 中国农业大学硕上学位论文 第一章绪论 l 、提出定位机构设计方案，对机械式定位进行设计计算，并制造样机： 2 、通过对机械式输送定位机构的研究分析，提出整个输送定位机构的设计方案，以便于在实际 应用中推广。 152 研究内容 鉴于目前国内在水果分级方面的研究主要集中在静态图像处理丰识别方法的研究上，以我国 产量最大的苹果为例，研究苹果的定位原理，保证苹果果梗垂直，便丁苹果分级过程中幽像信息 的采集和处理，为商品化产品的研究开发探讨合适的途径，加快水果自动化分级高新技术产业化 的进群。拟从以f 几方面进行研究： ( 1 ) 分析国内外苹果分选机的输送或定位机构，并从利用水的浮力、气流乐力及机械式等二 个方式研究分析能够使苹果的果梗保持垂直的定位方法； ( 2 ) 通过对以上三个定位方式的研究分析，选择最合适的机械式定位，然后对机械式输送定 位机构进行设计计算并制造样机。 ( 3 ) 对机械式输送定位机构样机进行j 作性能试验，并进行改进，使i ：作稳定且能保持良好 的r 作状态。 ( 4 ) 进行机械式苹果定位实验，分析试验结果及验证该机构的可行性。 中国农业大学硕士学位论文 第二二章苹果分选机定位方法的研究分析 第二章苹果分选机定位方法研究分析 2 1 国内外苹果分选机定位方法 苹果的输送装置完成输送并把苹果整个表面呈现给摄像机，当苹果通过时，要求整个视觉系 统能快速摄取每个苹果的整个表面。实时分级的速度至少麻达到3 5 个s ，为实现此目的，国外 都采用滚子输送机构，如图2 1 所示。 该机构可使苹果一边沿输送方向移动一边绕臼i 身水平轴线转动，从而使安装在输送带上方的摄像机 能定时采集到苹果多个表面的图像，达到苹果全表面 的检溯的目的。该机构是在原人i ：分选生产线的基础 上加上计算机视觉装置。就实现了自动分选的目的。 虽然可以充分利用原来的生产线，但该机构有以f 缺 点：苹果的大小和形状不规则会造成各个苹果的旋转 速度不一致，且难以保证每个苹果按同一水平轴线旋 转而摄像机是按照固定的时间间隔连续采集图像的， 围2 一 滚子输送杭构简囝 这会造成有些苹果的表面部分被重复采集或漏采的问题：而摄像机无法采集到苹果旋转两端的表 面部分；苹果在转动状态下采集的图像容易造成模糊，给后续图像处理带来困难。这些影响因素 会造成一定的分级误差。 为了克服滚子输送机构的缺点，李庆中设计并试制成功了一种新型的输送机构，其结构如 图2 2 所示。 ( a ) 系统组成简圉( b ) 横向布置圈 固2 _ 2 苹果自动分级试验系统的硬件组成示意图 累毓： f hj 该输逸机构由无底的累杯组成在输送果杯两侧装有与水平面成4 5 。角的平面镜，输送带的 上r 方均装有c c d 摄像机，布置情况如图2 - 2 ( b ) ，果杯由黑色橡胶圈组成，1 3 径麻小r 般人 小的苹果，高度为2 - 3 c m ，可使苹果的f 部表面在镜f 中的成像尽嚣清楚黑色橡胶圈由螺栓固 定在1 2 c m x1 2 c m 的薄铁片上，薄铁片上喷涂菲闪烁黑漆，以保证苹果圈像的背景为黑色，薄铁 片的两端固定在两侧的输送胶带l 。该机构的特点是通过上f 方c c d 摄像机的一次摄取就可得到 1 2 入煎 一= i i i 一 ，奠毪 中国农业人学硕士学位论文 第一章节果分选机定位方法的研究分析 苹果的4 个面的图像侄摄像机摄取圈像时，苹果只处于水平移动状态，从而避免水果转动而造 成图像模糊的问题。该机构和输送滚子输送机构一样，有两个端面的小部分区域出现c c d 检测不 到的问题。 徐惠荣、应义斌等设计了一种水果输送翻转系统，如图2 3 所示，该系统采用丽排舣锥式滚 子组台来输送和翻转水果。水果能以一定的速度进给计算机视觉系统，同时义能自由翻转，从而保 证计算机视觉系统能检测到水果整个表面。双锥式滚子以一定的间隔均匀地装在链条上，链条由 链轮来带动。当链条以一定速度前进时通过水平轴带动双锥式滚子向前运动。在双锥式滚子的 f 面装有摩擦带，摩擦带由另+ 电动机控制，可以实现无级调速。跨撩带与双锥式滚子紧密接触， 摩擦带与以锥式滚子之间存在速度差，该速度差产生的摩擦力使般锥式滚子存向前运动的同时绕 水平轴转动，带动水果翻转。 刁i 。 ( a ) 侧视图 ( b ) 俯视图 图2 吨水果输送与翻转机构简图 图2 - 4 是以色列研制的根据重量分级的苹果机电分级机构简图。输送装置实物图如图2 5 所 驱动l l c l2 传动链3 从动链轮4 苹果托盘5 输送道 6h 敏传感器7 支撑杆8 分选开关9 驱动链轮 图2 - 4 根据重量分级的苹果机电分级机构简国 3 中国农业大学硕士学位论文 第二章苹果分选机定位方法的研究分析 图2 - 5 根据重量分级的苹果机电分级的输送装置实物图 其输送机构是托盘式的，住电机驱动输送链轮运行的过程中，苹果单行依次滚入托甜，然后 进行一系列的操作。其托盘上有滑杆，托盘的实物图如斟2 - 6 。 圈2 6 轾盘宴鞠 当计算机主机接收到苹果重量的数字信号时，系统软件对数字信号进行运算和判断，得出苹 果的重量等级，向相应的电磁阀送出开关量。这里，开关量必须进行软件延时，确保苹果到达所 属重量等级分选的位置时，电磁阎才将分选开关打开，使得苹果准确地落入相应的苹果收集栏中 实现分选。分选精度较高，但分选的依据较小，仅仅依据重量，且不需要对苹果进行定位。借 鉴以色列重量分选机托盘设计单个的果杯实现连续输送的思路，因此可实现本文设计的输送定位 机构。 2 2 利用水的浮力定位 这种方法的思路是将苹果放在，义面上，在浮力与重力共同作用下，可以保持苹果果梗垂直， 然后用两只抓手抓住保持直立状态的苹果，然后再进行其他操作。假若进行图像采集t 冈水分的 反光会导致增加图像采集的清晰度。同时，苹果的分选等措施是为了提高苹果的储藏能力- 能够 中国农业人学硕士学位论文第二二审苹果分选机定位方法的研究分析 i i 保持新鲜，若不能进行干燥会增加苹果的腐烂程度。所以，尽管利用水的浮力可以使苹果处 二难 直状态，但一直没有得到充分地应用。抛开利用水的浮力对苹果进行定位的上述缺点，利用水的 浮力进行定位是一种方法，在以后的水果采后处理中，对水果进行清洗是必须的一步，剥明水的 浮力对苹果进行定位，关键是如何克服其不利。利用计算机视觉或光电子技术进行苹果分选不需 要测重力，只是测量其外部特征，水的反光造成的误差以及闲残留水分而导致苹果腐烂程度增加 的现象对干燥后的苹果来说是不存在的。利j ：f = | 水的浮力定位的同时对苹果进行清洗对r 全自动化 苹果产后处理来说清洗和干燥是可行的，并且可以简化一些处理步骤。 利用水的浮力对苹果进行定位涉及剑苹果的平衡问题。根据流体力学的浮体的平衡可知， 苹果在水的浮力作用f 实现定位需要满足某些条件厉实现。 有一对称浮体，在初始状态，浮体是平衡的，重心c 在上。浮心d 住f ，c 、d 同住一条 铅垂线l ，重力g 和浮力f 相等，它们都等r a b s 的体积与水的p g 的乘积，即g = f = p g v 。 通过c d 的连线称为浮轴。如图2 7 ( a ) 所示。 。，岛o 嚣 。 ，濞f 图2 7 浮体平衡示意图 当浮体受剑风吹、浪击等外力作用发生偏斜时，浮体没在水中的部分体积发生r 变化，浮力 的大小f 虽然不变，仍等于重力g ，但浮心移至d 点，如图( b ) 所示。通过d 。点的直线与浮 轴c d 的交点m 称为定轴中心，m 至d 的距离m d 称为定倾、f 径，记作r 。c 至d 的距离成 为偏心距，记作e 。浮体的稳定性与定倾半径以及偏心距有关。 当r e 时，浮力和藿力组成一个扶正力矩，使浮体扶偏斜位置恢复到原来的平衡状态，这种情 况称为稳定平衡。 当r = e 时，浮体在任何偏斜位置都能保持平衡，这种情况称为随遇平衡。 当r 中距离d 点为y 的地方取一个徽元体积 b y s i n o d y ，这部分水体对o 点的力矩为p g b ys i n o y2 d y = p gs i n 疗y2 d 爿，正4 是浮面上的微 元面积，因此，d n + 0 和蚰。0 水体对0 的力矩m 为 m = = p gs i n o f y 2 d a = p g s i n o j 4 是浮面a b 的面积，j 是该面积对于过d 点且与纸面垂直的轴的面积惯性矩。由丁 m = f r s i n 0 一f r s i n 0 ，f = p g v ，冈此 r ：互 v 上式表明，定倾半径r 等于浮面爿对于其中心轴( 即浮体倾斜时绕它