（机械设计及理论专业论文）水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计.pdf

山东农业大学硕上学位论文 摘要 水果分选是水果进入流通领域的一个重要环节，直接关系到水果生产 的效益。在市场经济高度发达的今天，异地销售、大宗农产品交易和农产 品国际贸易等均离不开标准化。而水果分选就是实现水果商品标准化的最 基础的一步。我国是水果生产大国，但绝大部分水果来源于农村集体和个 体种植户，其品质差别很大，加上采摘及运输过程中不同程度的损伤等影 响，给水果的分选工作带来一定的困难。尤其是在出口的水果当中，由于 大部分没有经过严格的分级处理，致使出口价格偏低，每年的经济损失上 亿美元。 目前我国的水果分选工作多由人工完成，缺点是劳动强度大，生产率 低且分选精度不稳定。采用微机控制的机电一体化设备来代替人工作业， 可以实现水果分选的自动化，有效地提高分选效率和分选精度。因此，研 究丌发水果采后的自动化处理设备，对水果进行分级筛选然后销售或加工， 是我国目前农业机械化研究的重要课题。 本论文的研究主要以机械设计基础、单片机应用及接口技术、单片机 的c 语言应用程序设计、模拟电子基础、c 程序设计等学科的理论为基础， 主要研究和设计了水果机器视觉重量综合分选机的机械系统和称重模块。 具体研究内容如下： 1 设计制作了水果机器视觉重量综合分选机的机械系统，并用该系 统做了水果的运行试验。试验表明，整机运行情况正常，满足预期设计要 求。能实现大小相差近一倍的苹果( 直径5 0n l l n 1 0 0m m ) 的近似等角速 度均匀翻转和平稳无冲击卸料，且卸料之后的苹果没有出现明显的机械损 伤。 2 设计了水果机器视觉重量综合分选机的称重模块。硬件电路主要 由低通滤波电路、a d 转换电路、键盘显示电路和复位及存储电路组成。 由安装在滚子下面的称重传感器检测水果重量，将水果的重量信号转换为 模拟电压信号，再经过低通滤波电路滤波，经a d 转换器模数转换后， 送入称重模块控制器进行数据处理，并得出水果的重量值。 3 设计了水果分选机的同步控制系统。并通过试验表明，在预期的 水果输送速度下，能够完成输送线上水果动态位置的实时检测和连续跟 水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计 踪，及水果重量、水果等级和水果位置信息的正确配准。 4 利用c 语言完成了整个系统的软件设计，并通过了调试。主程序 主要包括a d 转换子程序、中断服务子程序、数据存储子程序、数据处 理子程序、键盘显示子程序及c a n 总线程序等。 5 用设计完成的整个系统进行了试验，试验表明，该分选机在同步 控制系统的控制下，各模块能协调工作，对水果进行外观品质检测和重量 检测；通过用大小不等的苹果进行多次试验及对试验结果的分析，得出了 水果的重量信号与a d 转换值之间的关系。 关键词：水果；机械系统；称重模块；同步控制；分选 山东农业火学硕士学位论文 a b s t r a c t f r u i tg r a d i n gi sa ni m p o r t a n tt a c h ef o ri t e n t e r i n gc i r c u l a t i n gf i e l d ，a n di t h a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t ht h eb e n e f i to ft h ef r u i t p r o d u c i n g t o d a yw i t h h i g h l yd e v e l o p e dm a r k e te c o n o m y ，a n yo ft h et r a d es u c ha ss e l l i n gi nt h e d i f f e r e n tp l a c e ，al a r g ea m o u n to ff a r mp r o d u c t i o nb u s i n e s sa n di n t e r n a t i o n a l t r a d eo f f a r mp r o d u c ec a n td i s e n g a g es t a n d a r d i z a t i o n ，a n df r u i tg r a d i n gi st h e m o s tb a s a l s t e pf o rr e a l i z i n gs t a n d a r d i z a t i o no ff r u i tc o m m o d i t i e s f r u i t r e s o u r c eo fo u rc o u n t r yi sa b u n d a n ta n dw i t hv a r i o u sv a r i e t i e s ，b u ta sm o s to f t h ef r u i tc o m ef r o mc o u n t r yc o l l e c t i v i t i e sa n di n d i v i d u a lg r o w e r s ，t h ef r u i to f d i f f e r e n ts o u r c e sh a v ed i f f e r e n tq u a l i t y ，b i ga n ds m a l la p p l e sa r ei m m i n g l e d ， a n dw i t ht h ei n f l u e n c eo ft h ed a m n i f i c a t i o no fd i f f e r e n te x t e n td u r i n gp i c k i n g a n dt r a n s p o r t i n g ，i tt a k e ss e r i e so fp r o b l e m sf o rt h eg r a d i n ga n dm a c h i n i n go f f r u i t e s p e c i a l l yt h ef r u i tf o re x p o r t ，a sw i t h o u ts t r i c tg r a d i n g ，t h ee x p o r t i n g q u a l i t yo ft h ef r u i ta n di t sp r o d u c t i o ni so nt h el o ws i d e ，a n da b o u tah u n d r e d m i l l i o nd o l l a r si sl o s t f r u i to fo u rc o u n t r yi s g r a d e dm o s tb ym a n p o w e ra tp r e s e n t t h e d i s a d v a n t a g ei st h a tl a b o ri n t e n s i t yi sl a r g e ，p r o d u c t i v i t yi sl o w , a n dg r a d i n g p r e c i s i o ni sn o ts t a b l e i tc a nr e a l i z ea u t o m a t i z a t i o no ff r u i tg r a d i n g ，i m p r o v e g r a d i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o ne f f e c t i v e l y ，b yu s i n gi n c o r p o r a t em a c h i n ea n d e l e c t r i c i t ye q u i p m e n tc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e rt or e p l a c eb u s y w o r ko f m a n p o w e r s oi tb e c o m e sa ni m p o r t a n tt a s ko fm e c h a n i z a t i o no ff a r m i n go f o u rc o u n t r yt or e s e a r c ha n de m p o l d e ra u t o m a t i cf r u i td i s p o s a le q u i p m e n ta f t e r t h ef r u i ti sp i c k e d ，s e l li to rp r o c e s si tw i t hd i f f e r e n tc l a s s e s t h er e s e a r c ho ft h ep a p e ri sm a i n l yo nt h eb a s eo fm a c h i n ed e s i g n e l e m e n t s ，a p p l y o f s i n g l e c h i p a n di n t e r f a c e t e c h n o l o g y ，l a n g u a g ec a p p l i c a t i o n sp r o g r a m m e ro f s i n g l e c h i p ，a n a l o g e l e c t r o n e l e m e n t s ，c p r o g r a m m e ra n ds oo n ，m a c h i n es y s t e ma n dw e i g h i n gm o d u l eo ff r u i tg r a d e r o nm a c h i n ev i s i o na n dw e i g h ti sm a i n l yr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d s p e c i f i c r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 - t h em a c h i n es y s t e mo ff r u i tg r a d e ro nm a c h i n ev i s i o na n dw e i g h ti s i i i d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，a n dar u n n i n gt e s th a sb e e nm a d eb yt h es y s t e m t h et e s ts h o w st h a t ，t h ew h o l em a c h i n er u n sw e l l ，a n ds a t i s f i e st h ep r o s p e c t i v e d e s i g nd e m a n d i tc a nr e a l i z ee v e no v e r t u r n i n gi na p p r o x i m a t ee q u a la n g l e v e l o c i t ya n dd i s c h a r g i n gr e p o s e f u l l yw i t h o u ti m p a c tf o rt h ea p p l e st h a tt h eb i g o n ei st w i c ea sb i ga st h es m a l lo n e ( t h ed i a m e t e ri sb e t w e e n5 0m m a n d10 0 m m ) ，a n dt h ea p p l e st h a ta r ed i s c h a r g e dw i t h o u to b v i o u sd a m n i f i c a t i o n 2 t h ew e i g h i n gm o d u l eo ft h ef r u i tg r a d e ro nm a c h i n ev i s i o na n dw e i g h t i sd e s i g n e d t h eh a r d w a r em a i n l yi n c l u d e sl o w p a s sf i l t r a t ec i r c u i t ，a n a l o gt o d i g i t a lc o n v e r tc i r c u i t ，k e y b o a r d d i s p l a yc i r c u i ta n dr e s e ta n ds t o r a g ec i r c u i t i t i n s p e c t st h ea p p l e s w e i g h tb yt h ew e i g h i n gs e n s o rf i x e du n d e rt h er o l l e r s ， c o n v e r t st h ea p p l e s w e i g h ts i g n a li n t oa n a l o gv o l t a g es i g n a l ，a n dt h es i g n a li s f i l t r a t e db yt h el o w p a s sc i r c u i t ，c o n v e r t e db ya n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r , d e l i v e r e di n t ow e i g h i n gm o d u l ec o n t r o l l e rf o rd a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h ef r u i t s w e i g h t i se d u c e d 3 s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mo ft h ef r u i tg r a d e ri sd e s i g n e d t h r o u g h t h et e s t ，i ts h o w st h a t ，a tt h ep r o s p e c t i v et r a n s p o r t i n gv e l o c i t y ，t h es y s t e m c o u l da c c o m p l i s hr e a lt i m ei n s p e c t i o na n dc o n t i n u o u st r a c k i n go ff r u i t s d y n a m i cp o s i t i o ni nt h ef e e d i n gl i n e ，a n da c c u r a t em a t c h o ft h ew e i g h t ，g r a d e s a n dp o s i t i o ni n f o r m a t i o n 4 s o f t w a r ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sa c c o m p l i s h e du s i n gc ，a n dt h e d e b u gi sp a s s e d t h em a i np r o g r a m m em o s t l y i n c l u d et h es u b p r o g r a mo f a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t i n g ，i n t e r r u p ts e r v i n g ，d a t am e m o r i z i n g ，d a t a p r o c e s s i n g ，k e y b o a r d d i s p l a ya n dc a n - b u s 5 t e s ti sm a d eu s i n gt h ew h o l es y s t e m ，a n di ts h o w st h a t ，a tt h ec o n t r o l o ft h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ，t h em o d u l e so ft h eg r a d e rc a nw o r ki n p h a s e ，i n s p e c tt h ee x t e r i o rq u a l i t ya n dw e i g h to f t h ea p p l e s ；u p o nm a n yt i m e s o ft e s t sa n da n a l y z i n go ft h et e s t i n gr e s u l t ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ew e i g h to ff r u i ta n di t sa dc o n v e r tr e s u l ti se d u c e d k e y w o r d s ：f r u i t ；m a c h i n e ；s y s t e m ；w e i g h i n gm o d u l e ；s y n c h r o n o u s c o n t r o i ；g r a d i n g i v 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名：盔垒尥 导师 日 签名：型丝 期：趁曼压生鱼旦 山东农业大学硕士学位论文 1 序言 1 1 研究的目的及意义 我国是水果生产大国，从9 3 年开始，我国的水果总产量就跃居世界 第一位，且品种丰富，质地优良，但由于水果产后商品化处理手段落后， 大部分水果不经任何处理就通货上市、混级混卖，严重影响了水果的商品 价值，导致我国的水果出口受到严重影响，极大地妨碍了农村经济的发展 和农民收入的提高。近年来，随着农业科技的发展和人民生活水平的提高， 国内外水果品种越来越多，人们对水果的品质也有了更高的要求。为提高 水果的加工质量和出品等级，需要对水果进行严格的质量分级( 曹其新等， 1 9 9 8 ) 。而目前我国具备先进水果分选设备的企业很少，有大型生产线的 企业也仅仅是对重量或大小等单一品质进行分选，装备比较落后。因此市 场上销售的水果大多依靠机械配合人工的方式实现分级。人工分级的主要 缺点是：劳动量大，生产率低而且分选精度不稳定；水果分选难以实现快 速、准确和无损化。为此，实现水果的机械化、自动化分选作业势在必行 ( 李庆中等，1 9 9 9 ) 。 为了实现水果机械自动化分选，我国在7 0 年代研制过水果分选机械， 当时主要是采用筛孔式分选原理，结果由于水果损伤严重而停止使用。随 后，我国在一段时间里，由国家投资分别从日本、澳大利亚等国引进了部 分机械称重式分选设备，用于重点出口基地。按重量进行分选，虽然伤果 率低，但是误差却较大，而且设备结构过于复杂。为此，在8 0 年代中期， 我国有关部门开始进行辊、带间隙式水果分选方式的研究，并于1 9 8 7 年 通过了第一台样机鉴定，该设备较受用户的欢迎，目前占有较大的市场份 额。近年来，随着计算机视觉技术的发展，在9 0 年代初期，国内外都已 进行了计算机视觉技术在水果外观品质检测与分选中的应用研究。目前已 在尺寸检测方面取得比较满意的成果，有较成熟的计算机尺寸与颜色分选 生产线。国际上2 0 世纪7 0 年代末期以后开始该领域的应用研究，在发达 国家，计算机视觉水果分级系统已广泛用于各类水果的分级。到现在已有 许多实用的产品，如美国的o s c a r t m 型和m e r l n 型高速水果分级生 产线，用于节果、梨、橘子、桃子等水果的分等定级和品质检测。在国内， 水果机器视觉蕈量综合分选机机械系统及称重模块的设计 4 浙江大学科研人员己研制成功我国首条水果品质机器视觉实时监测与分 级生产线，每小时能检测和分级3 - 6 吨水果，适用于柑橘、胡柚、西红柿 和土豆等多种水果及农产品。在实现了对水果外观品质进行在线检测后， 浙江大学科研人员计划继续深入研究，希望利用近红外光谱分析技术和光 纤传感技术，实现对水果的糖度、酸度等内部品质的无损检测。 目前，国内外学者在利用机器视觉技术对水果外观品质检测方面的研 究已经取得了重大进展。但在大多数情况下，水果按外观品质要求分选完 成后，在包装上市之前还要求给出它的重量值，而目前的水果分选机大多 侧重于机器视觉或重量等单一方面的研究。为此，本文设计了一种集机器 视觉与重量检测为一体的水果机器视觉重量综合分选机，该分选机能实时 检测水果的外观品质和重量，并将水果重量信息与外观品质评定结果实时 融合得出最终分选等级，对水果进行自动分级卸料。 这种水果机器视觉重量综合分选机的设计，使水果分选精度有了很大 提高，更好的满足了消费者的利益和市场需求。有利于加快我国水果加工 的现代化、产业化、国际化进程，使果品产业成为新的经济增长点，对于 推进农业的技术进步，促进农村经济的全面发展，及满足各消费阶层的需 求，增加我国水果的出口竞争能力等都具有十分重要的经济和现实意义。 1 2 国内外研究现状 综合国内外现有水果分选机，大致可分为大小分选机、重量分选机、 外观品质分选机和内部品质分选机。随着现代科学技术的进步，以上各种 分选机都有了较大程度的发展，尤其是机器视觉技术的广泛应用，使水果 分选机的发展进入了一个新的阶段。 1 2 1 大小分选机的研究现状 大小分选机是按照水果大小进行分选，在水果分选机中应用最为广 泛。目前可用于苹果类圆形水果分选的方法有筛子分选法、回转带分选法、 辊轴分选法、滚筒式分选法等( 沈林生，1 9 8 8 ；沈再春，1 9 9 3 ) 。 1 2 1 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 大小由分选尺寸确定，主要是通过筛体的振动使筛面水果以一定速度向卸 料端移动，小于第一层的水果落到第二层筛面，依次类推，各层筛上的水 2 山东农业大学硕士学位论文 果均可从一侧分别排出，从而获得不同等级的苹果。由于筛子分选采用的 是振动原理，果品易损坏，因此不宜采用。 1 2 1 2 回转带分选法 该分选方法的工作方式是将水果置于两条分离带之间，若果径小于两 带之间的距离，水果便从中落下。由于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下方相应的输送带上，该方法从结 构上容易实现、简单、故障少，但分选精度不高。 1 2 1 3 辊轴分选法 分选作业是在一条由许多辊轴组成的输送带上完成的。辊轴有一定长 度，在轴上开有梯形槽，具有输导水果的作用。相邻两辊轴间装有一个能 升降的中间辊轴，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，由于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自转而转动，使其可 能以最小直径对准分选口。当最小直径小于分选口时，水果便由此口落下； 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下落。这样，在出料输送带的不同位置上可获得不 同等级的水果。中间辊轴上升到最大位置时，分选便到此结束，以后便下 降至最低位置，继而回转至进料斗再重复上述过程。该法分选较为准确， 但从结构上实现较复杂，机器成本较高。 1 2 1 4 滚筒式分选法 其分选装置主要由喂料机构、v 型槽导果板、分选滚筒、接果盘及传 动系统组成。工作时，水果由倾斜输送器提升后，先经手选装置由人工剔 除伤残果，然后通过输送带送入果箱，打开料门，输送至导果板。在此水 果自然分行滚动，不会出现水果堆积和阻碍现象。分选滚筒开有孔径逐级 增大的圆孔，水果从v 型导果板流至滚筒外边进行自动校径的分选。小 于分选孔的水果先从第一滚筒分选孔落入接果盘，大于分选孔的则经v 型导果板继续向前滚动，直至遇到相应分选孔落下，于是在不同的接果盘 可得到不同等级的水果。此分选装置结构简单，对水果损伤小，成本较低， 分选精度和效率较高，适应于球形和近似球形物料的分选，在国外应用较 为广泛。 水果机器砚觉董盘综台丹选机机械系统及称荤模块的设计 由上可知，水果大小机械式分选法中，滚筒式分选法是最优的一种。 另外，随着电子技术和计算机图像技术的芨展，采用光电传感器或c c d 摄像机对水果的大小进行测量判别己成为此类分选机的研究热点。因为它 们是对水果的大小进行不损伤的非接触性计量适用任何种类的水果。冯 斌，汪懋华( 2 0 0 3 ) 研究了一种基于计算机视觉的水果大小检测方法，试 验袁明，该方法检测速度快，币确率高，适用范围宽，能够满足水果自动 检测要求。 1 22 重量分选机的研究现状 按重量进行分选的分选机械早期主要是机械式重量分选机是利用杠 杆原理进行分选的。设备工作时，杠杆的一端装有盛果斗，盛果斗与杠杆 间是铰链连接，杠杆的另一端上部由平衡重压住，下部有支撑导杆以保证 水平状态，杠杆中自j 由铰链点支撑，当盛果斗的水果重量超过平衡重时， 杠杆倾斜，盛果斗翻倒，抛出水果。承载较轻水果的杠杆越过此平衡重的 位置沿着导杆继续前移，当遇到小于水果重量的平衡重时，杠杆才倾斜， 盛果斗翻例在新的位置抛出较轻的水粜，由此，水果可按重量不同被分成 若干等绂。目前，机械式重量分选机主要有固定衡量秤体、运动输送盘式 和固定限位装置、运动衡量秤体式两种机型( 王莉，1 9 9 7 ) 。机械式重量 分选对水果的损伤较小，而且具有较广的通用性，但是由于各种误差及摩 擦影响等使得分选精度不高。目前我国许多地方已经批量生产出天平型重 量分选机。如图1 1 所示为烟台丰州的重量分选机。 圈1 - 1 烟台丰州天平型重量分选机 f i 9 1 - 1b a l a n c e t y p eg r a d e rb y w e i g k t o f y a n l - a if e n g z h o u 山东农业大学硕= l 学位论文 近年来，随着计算机和称重传感技术的迅速发展和现代科学技术的相 互渗透，电子称重技术及应用有了新的发展。由称重传感器制作的电子衡 器已广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、准确的称量，特别是 随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感 器己成为过程控制中的一种必需的装置。基于此，国内外已开始研制电子 称重式分选机。电子称重式分选机采用称重传感器称量水果，微机系统对 传感器输出信号进行采样、放大、滤波、模数转换、运算和处理，并控制 机械执行机构进行分选。王新亭等( 2 0 0 3 ) 在现有电子称重式水果分选台 的基础上，对其测控系统进行了重新研制，将原有的p c 机控制替代为单 片机控制。由于系统采用微机控制，可按需选择准确的分选基准，具有更 高精度和更高的控制灵活度，在实际中有更广的应用前景。在国外，f r a n c e s 等( 2 0 0 0 ) 提出了一种在高速状态下精确检测水果重量的方法，在分选速 度和准确率上都有了很大的提高。以色列e s h e te i l o n 公司、美国 a u t o l i n e 公司生产的电子称重式分选机，在分选检测技术上已经很成 熟，工作效率高，并具有较高的分选精度。但该设备操作较为复杂，而且 设备成本较高，难以在我国推广使用。我国对该类型水果分选机的研制尚 处于起步阶段。 1 2 3 外观品质分选机的研究现状 外观品质分选机是按水果的大小、表面缺陷、色泽、形状、成熟度等 进行分选的分选机。其分选方法包括：光电式色泽分选法和计算机图像处 理分选法。色泽分选法是根据颜色不同反射光的波长就不同的原理对水果 颜色进行区分。而计算机图像处理分选法是利用计算机视觉技术一次性完 成果梗完整性、果形、水果尺寸、果面损伤、成熟度等检测，可以测得水 果大小、果面损伤面积等具体数值，并根据其数值大小进行分类( 应义斌 等，2 0 0 0 ；应义斌等，2 0 0 4 ；蒋焕煜等，2 0 0 2 ) 。 国内外学者在利用计算机视觉技术对水果外观品质检测方面进行了 大量研究，取得了重大进展( 应义斌等，2 0 0 0 ；何东键等，2 0 0 2 ) 。在缺 陷检测方面( m i l l e re ta l ，1 9 9 1 ；y a n g ，1 9 9 5 ) ，y a n g 等( y a n g 1 9 9 4 ；y a n g ， 1 9 9 6 ；w e ne ta l ，1 9 9 9 ) 研制出的基于计算机视觉的苹果缺陷检测系统， 达到了快速和全面检测的效果。l e e m a n s 等( l e e m a n se ta l ，1 9 9 8 ；l e e m a n s 水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计 e ta l ，2 0 0 4 ) 研究了一种基于缺陷特征的水果实时分级方法。该方法的准 确率可达7 3 ，其中错误发生的一半情况是良性的，而另一半则由于缺陷 是晒伤或撞伤，或者缺陷太靠近果梗和花萼很难被检测到。在颜色检测( 杨 秀坤等，1 9 9 7 ；何东健等，1 9 9 8 ；冯斌等，2 0 0 2 ；应义斌等，2 0 0 4 ) 方面， 目前普遍采用色度直方图计算各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。k a z u h i r o ( 1 9 9 7 ) 采用二级神经网络来对苹 果进行颜色分级，通过将苹果果面沿花萼梗方向分区并分别进行处理， 解决了因苹果果面曲率不同而引起的反射梯度不同的问题。在国内，为实 现苹果颜色的在线检测，李庆中等( 2 0 0 0 ) 设计了苹果颜色自动分级系统， 基本上实现了实时分级的要求。在果形检测方面( m o r i m o t oe ta l ，2 0 0 0 ) ， 目前描述苹果形状的方法有多种，包括编码法、统计法、几何结构法和光 谱法等。边界编码法虽然能够准确地描述苹果的形状，但数据量大而且压 缩困难。统计学方法虽然效率较高，但描述形状不规则的苹果时精度较低。 采用边界半径和傅立叶变换对苹果的形状进行描述，不仅准确性高而且速 度快( 籍保平等，2 0 0 0 ) 。i n g f i d 等( 1 9 9 9 ) 的研究表明，苹果的形状可 以由前1 2 个正弦值和1 2 个余弦值表达，此时，相关性( r 2 ) 超过0 9 8 。 另外，在果梗检测方面，应义斌等( 1 9 9 8 ) 通过计算机视觉系统摄取黄花 梨图象，判别图象中是否存在果梗，并对果梗的完好性进行判断。试验结 果表明，该算法可以1 0 0 判断果梗是否存在，判断果梗是否完好的正确 率达到9 3 ，判别速度提高4 - 6 倍。而且该算法具有一定的鲁棒性，对旋 转、移位不敏感。b e n n e d s e n 等( 2 0 0 5 ) 则对同一水果连续采集多幅图像， 并利用疑似缺陷在各幅图像中的位置和形状信息来判定是真正的缺陷还 是果梗花萼部位。徐娟( 1 9 9 9 ) 等提出了利用图像形态学可以更好地进行 果梗判别，同时还能检测边缘，并为提高处理速度进行了改进。章文英 ( 2 0 0 1 ) 等研究了苹果果梗与果体的识别方法和果面缺陷的查找方法。根 据节果果梗的特性，提出用分块扫描判断果梗是否存在。总之，在水果外 观品质检测方面，国内外学者己取得了重大进展，尤其是在水果的尺寸和 颜色检测方面。而果面的缺陷检测仍是研究过程中需要解决的难题。 美国俄勒冈州的a l l ee l e c t r o n i c s 公司生产的水果分选机能分选水果、 蔬菜、果仁及各种小食品。该分选设备能按产品的色泽和大小进行分选， 6 山东农业大学硕士学位论文 并能将特定产品分选内容参数编成程序预先存储在存储器内，是一种较为 先进的分选机。近几年来，我国在利用机器视觉技术对水果的品质检测方 面取得了较大的进展，并且已有实用的产品。我国杭州已自主生产出集计 算机视觉、模式识别、数字图像处理、人工智能和自动控制等高新技术的 智能化水果分选设备。产品由计算机视觉系统、高速分级系统、机械输送 系统和自动控制系统等几部分组成，能对水果重量大小、缺陷、果形、 色泽进行动态检测与分级。同时，可根据用户要求，配套对水果的清洗、 喷蜡、抛光等辅助设备。只需对软件程序作相应的调整，本产品即可完成 柑桔、苹果、梨、桃子、西红柿和土豆等多种水果及农产品的实时检测与 分级。每小时可分级处理2 3 万个水果，并可以根据用户需求，实现多线 并轨作业，形成每小时分级处理5 5 0 万个水果的不同生产规模。水果品 质多表面检测技术和多指标检测技术居于国际领先水平。 1 2 4 内部品质分选机的研究现状 内部品质包括水果的糖度、硬度、酸度和内部缺陷等指标。通常，水 果内部品质主要依靠破坏性检验方法。随着科学技术的进步，无损伤检测 技术逐渐应用到水果检测中( 郭文川等，2 0 0 1 ；a l e i x o s ，2 0 0 2 ) 。目前用 于水果硬度的检测方法主要有变形法和声学法。但由于变形法只能测量水 果的局部硬度，声学法易受噪音和机械振动等的影响而限制了它们的应 用。而近红外法和核磁共振法可用于水果糖度、硬度的检测。近红外光谱 技术在农产品内部品质检测方面发展较快，具有检测速度快、可同时检测 多种内部成分等优点。其基本原理是当用近红外光照射水果时，不同的水 果内部成分对于不同波长的光学吸收和散射程度不同，而内部光谱也会随 着水果内部成分质量分数的不同而发生变化。利用这一特性，即可根据近 红外光谱特征分析水果中的主要成分及其质量分数( 林涛等，2 0 0 4 ) 。何 东健等( 2 0 0 1 ) 人利用近红外分光法检测水果内部品质，结果表明，近红 外分光法不但能检测水果糖度、酸度，而且能检测内部缺陷，完全满足在 线检测水果内部品质的要求。刘燕德等( 2 0 0 6 ) 应用近红外漫反射光谱分 析技术设计了一种近红外光谱水果内部品质自动检测系统，该系统能快速 用于水果内部品质的无损检测和分级。核磁共振技术作为一项新的检测技 术在水果内部品质检测方面也有着较大的发展潜力。k i m 等( 1 9 9 9 ) 设计 7 水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计 了一台n m r 在线分级设备并进行- j n 试，发现鳄梨在带速5 0m l t l s 的状 态下，所得油水的共振峰值比值与成熟度的相关系数高达0 9 7 0 。 c h a u g h u l e 等( 2 0 0 2 ) 使用自由感应衰减( f i d ) 谱的方法对人心果中的可溶 性碳水化合物进行了测定。z i o n 等( 1 9 9 5 ) 提出一种基于m r i 进行计算 机检测的快速方法，并对不同品种的苹果进行损伤检测，取得了较好的实 验结果。另外，西瓜的内部空心用超声波检测已比较成熟。其他缺陷的检 测目前有x 射线分析法、计算机视觉检测方法、介电特性检测方法、电 子鼻技术等。随着嗅觉传感技术的不断发展，电子鼻技术也得到了广泛的 研究与应用。l a k s h m i p 等( 2 0 0 6 ) 通过对变化的电子鼻传感器数据进行 多元分析，把苹果按成熟度分成未成熟、成熟和过成熟三种等级。通过判 别式分析法，电子鼻技术的正确分级率达8 3 。利用计算机视觉技术对农 产品的内部品质进行无损检测( 应义斌等，2 0 0 4 ；b r o s n a ne ta l ，2 0 0 4 ) 也是近几年研究的一个热门课题，到目前该技术已比较成熟，应用也日趋 广泛。 总之，计算机技术、数据处理技术、无损伤检测技术以及自动化控制 技术的发展为现代及未来的分级检测技术提供了广阔的空间( 张立彬等， 2 0 0 5 ) 。机器视觉技术的应用已成为实现果蔬产品品质自动识别和分级的 最有效的方法( p l ae ta l ，2 0 0 1 ) 。同时，现在的水果分选技术已不局限于 利用机械装备按照单一标准进行，开发高速、高精度、高效的集传感器、 光电元件、计算机为一体的分选装备，对水果各特性进行综合全面的分选， 是水果分选技术发展的必然趋势( 李光梅等，2 0 0 7 ) 。 1 3 存在的问题 水果分选机从称重方面来讲，实际上主要是通过称重传感器对被分选 对象进行重量数据采集，并根据分选标准及对数据的判断结果，移动被分 选对象位置的装置。但是，与工业自动化检测设备相比，分选机要具有一 定的柔软性，即不能损伤被分选对象。同时，水果分选标准也很难用具体 的数据和逻辑关系公式来表达，而且目前传感器技术和计算机技术也达不 到像人一样具备的智能判断要求( 王新亭等，2 0 0 3 ) 。在动态称重过程中， 由冲击载荷造成的采集数据的变化较大，要选择合理的数据处理方法，以 减少这种不稳定因素的影响。因此，目前水果分选机的研制主要是通过增 山东农业大学硕- 上学位论文 加分选参数及机械系统的改进设计和选择合理的数据处理算法等来提高 分选精度。同时，目前的水果分选机大多侧重于机器视觉或重量等单一方 面的研究，对水果多个品质参数进行综合研究的还较少。 1 4 主要研究内容 针对目前水果分选机械研究方面存在的问题，本论文主要研究设计了 水果机器视觉重量综合分选机，对水果的外观品质及重量进行综合检测和 分级，以提高水果分级精度。主要包括机械系统、称重模块、同步控制系 统的设计及研制。具体研究内容如下： 1 ) 水果机器视觉重量综合分选机机械系统的设计。主要包括机体框 架、传动系统、水果输送翻转机构、分级卸料装置、称重试验台等的设计 及研制。 2 ) 称重模块的硬件设计，主要包括低通滤波电路、d 转换电路、 键盘显示接口电路、系统存储电路和复位电路的设计。 3 ) 同步控制系统的设计。以完成输送线上水果动态位置的实时检测 和连续跟踪，及水果重量、水果等级和水果位置信息的正确配准。 4 ) 在充分了解硬件电路设计原理的基础上，利用p r o t e l 软件绘制出 电路原理图及p c b 图( 李东生等，2 0 0 3 ；及力，2 0 0 4 ；陈爱弟，2 0 0 0 ) ， 并将各元器件焊接在制作完成的印刷电路板上。 5 ) 利用c 语言进行整个系统的软件设计。主程序主要包括a d 转换 子程序、中断服务子程序、数据存储子程序、数据处理子程序、键盘显 示子程序及c a n 总线程序等。在实验室中对应制作完成的电路板进行调 试和试运行。 6 ) 将设计完成的各硬件模块安装到水果分选机上，构成整机。用大 小不等的苹果进行试验，并对试验结果进行分析，找出水果重量与a d 转换值之间的对应关系。 本课题拟解决的关键问题是设计称重模块硬件电路及水果分选机同 步控制系统，完成水果同步称重过程的实现及水果等级信息与其实时位置 的动态配准；通过试验找出水果重量与a d 转换值之间的对应关系。 9 水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计 2 水果分选机的主要组成及工作原理 该分选机主要由机械系统、称重模块、同步控制系统和图像处理系统 组成。分选水果的重量范围为5 0g - 5 0 0g ，直径范围为5 0m n l 1 0 0m i l ， 水果输送速度为0 6 1m s 。分选机的结构如图2 1 所示。 水果支承滚子和水果分选杠杆都安装在循环输送链上，并随输送链一 起向前运动。输送链的链节距为5 0 8m m ，相邻滚子之间的间距为两个链 节距，即为1 0 1 6m m 。滚子呈双锥凹形，水果支承在两个相邻滚子之间， 分选杠杆则正好处于水果的正下方。在图像采集区域设置有光照箱，滚子 下面还设置有摩擦带。当滚子在摩擦带上滚动时，水果就一面在滚子上翻 转滚动，一面随滚子和输送链一起向前输送，从而将其不同表面都先后呈 现在摄像机前( 徐惠荣等，2 0 0 3 ；李庆中等，2 0 0 0 ) 。图像处理系统( 郭 峰等，2 0 0 4 ) 接收到摄像机所采集的每个水果的图像之后，提取其品质参 数，对其进行图像处理和等级判定。在称重区域滚子下面设有一称台，称 台下面两端各安装一称重传感器。传感器检测水果重量，并通过称重模块 控制器将水果重量信息上报给水果分选机主控制器，以实现水果重量信息 与外观品质评定结果的实时融合，确定最终的水果分选等级。分级执行机 构安装在水果输送线上方，主要由分选凸轮和步进电机组成。在步进电机 的驱动下，分选凸轮可在“分选和“通过两个工作位置之间来回切换。 在“分选 位置，凸轮工作表面的最高点正好与分选杠杆的上表面齐平。 当杠杆在输送链的带动下沿凸轮工作表面向前滑动时，凸轮升程将杠杆的 一端压下，另一端则将水果从滚子上撬起并滚入相应的水果收集箱，从而 完成水果的分级卸料。在“通过”位置，凸轮工作表面的最低点高于分选 杠杆的上表面，分选杠杆自由通过。当带有等级信息的水果到达对应的卸 料出1 2 1 时，同步控制系统控制分级执行机构动作，完成水果的自动分级卸 料。剩余的所有等级外水果则在最后一个卸料出口，由剩果收集凸轮全部 分离出输送线( 魏新华等，2 0 0 7 ) 。 1 0 山东农业人学硕士学位论文 图2 - l 水果机器视觉重量综合分选机结构示意图 f i g 2 1s c h e m eo ft h ef r u i tg r a d