吳曉強(qiáng) 黃云戰(zhàn) 趙永杰（.內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 08000；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 6500；.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 65008）

蘋果質(zhì)量分級(jí)是一項(xiàng)重要的加工環(huán)節(jié)，產(chǎn)后質(zhì)量分級(jí)技術(shù)落后是造成中國蘋果貿(mào)易水平低下的一個(gè)重要的原因，分級(jí)處理后的爛果率高達(dá)25%以上，對(duì)蘋果整體價(jià)值造成了重大的影響［1］。

常用的蘋果分級(jí)方法有人工分級(jí)和機(jī)械分級(jí)兩種［2］。目前中國應(yīng)用比較普遍的是人工分級(jí)。人工分級(jí)結(jié)果偏差較大，同時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低［3］；現(xiàn)階段的機(jī)械分級(jí)一般根據(jù)蘋果的直徑大小或者是蘋果的重量進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)。這種分級(jí)方式可以減少勞動(dòng)量，提高勞動(dòng)效率，但是這類機(jī)械通常采用孔或縫隙進(jìn)行篩選，很容易造成蘋果果皮擦傷、壓傷等［4］。

機(jī)器視覺技術(shù)是先采集到待測物的圖像信息，將待測物的圖像進(jìn)行處理，消除待測物表面反光帶來的影響，再對(duì)其進(jìn)行閾值處理，找到損壞點(diǎn)，建立分級(jí)模型［5］。機(jī)器視覺技術(shù)的特點(diǎn)是速度快、功能多、信息量大，可以進(jìn)行非接觸檢測［6］。早在20世紀(jì)90年代就有了基于視覺技術(shù)在紅棗分級(jí)方面的相關(guān)研究［7］，近年來，機(jī)器視覺系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用逐漸增加［8－10］，有著廣泛的前景。分級(jí)設(shè)備的控制系統(tǒng)是保證分級(jí)質(zhì)量的關(guān)鍵，傳統(tǒng)分級(jí)設(shè)備多采用單片機(jī)控制［11，12］，但是單片機(jī)抗干擾能力差、可靠性低、可擴(kuò)展性差，不能保證蘋果分級(jí)的質(zhì)量和精度。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以克服接觸式系統(tǒng)對(duì)蘋果造成的損害［13，14］，為了提高蘋果質(zhì)量分級(jí)的精度，保證分級(jí)后的蘋果的質(zhì)量，擬設(shè)計(jì)基于運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器視覺系統(tǒng)的自動(dòng)蘋果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)，通過圖像處理選擇合格的蘋果，由運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行分級(jí)的執(zhí)行控制。

1 工作原理

1.1 分級(jí)系統(tǒng)

蘋果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)主要由定向裝置、機(jī)器視覺系統(tǒng)、紅外檢測模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、稱重模塊、電機(jī)模塊、分級(jí)模塊幾部分組成，見圖1。V代表傳送帶運(yùn)動(dòng)方向，蘋果在傳送帶上勻速前進(jìn)，到達(dá)機(jī)器視覺系統(tǒng)之前觸發(fā)紅外檢測模塊1；機(jī)器視覺系統(tǒng)開始工作，對(duì)蘋果的狀況進(jìn)行反饋，并將結(jié)果輸入到運(yùn)動(dòng)控制器中，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制器分析后傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理的蘋果如果有缺陷則直接剔除；沒有缺陷的蘋果繼續(xù)前進(jìn)，觸發(fā)紅外檢測模塊2，運(yùn)行到稱重模塊進(jìn)行稱重，根據(jù)不同的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)控制器做出判斷，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)。從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效的蘋果質(zhì)量分級(jí)。

圖1 分級(jí)系統(tǒng)示意圖Figure 1 Classification system schematic diagram

1.2 控制方案

蘋果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)工作流程見圖2，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，采用以“PC機(jī)＋運(yùn)動(dòng)控制器”的方式對(duì)該分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用紅外傳感器對(duì)蘋果的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果傳遞到運(yùn)動(dòng)控制器中進(jìn)行分析，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)分析結(jié)果控制相應(yīng)裝置進(jìn)行工作。首先剔除不合格蘋果，再將合格蘋果進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，控制方案見圖3。

圖2 分級(jí)系統(tǒng)工作流程Figure 2 Grading system workflow

圖3 控制方案Figure 3 The control scheme

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)多以計(jì)算機(jī)為處理核心，主要由視覺傳感器、視覺采集和處理系統(tǒng)組成，見圖4。該分級(jí)系統(tǒng)由傳送帶、CCD攝像機(jī)、圖像采集室、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。在運(yùn)行過程中，蘋果經(jīng)過紅外檢測模塊1，觸發(fā)該模塊后的機(jī)器視覺系統(tǒng)工作，對(duì)每一個(gè)蘋果外表進(jìn)行檢測，CCD攝像機(jī)在傳送帶上方，有蘋果通過時(shí)就可以通過圖像采集卡將蘋果的圖形進(jìn)行采集并傳入計(jì)算機(jī)中。

圖4 機(jī)器視覺系統(tǒng)Figure 4 Machine vision system

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源背景的選擇和光源的布置對(duì)成像質(zhì)量和效率都有著重要的影響。光源的背景主要是要使蘋果的成像快速、清晰，經(jīng)過對(duì)比研究，本研究采用黑色背景。光源布置的合理性直接影響著圖像形成的質(zhì)量和效率。在實(shí)際應(yīng)用中，要求圖像采集室內(nèi)的光源均勻布置，這樣才能保證均勻的反射特性，光源布置見圖5。

圖5 光源布置Figure 5 Light source setting up

3 稱重和分級(jí)模塊

3.1 稱重模塊

系統(tǒng)根據(jù)稱重模塊的稱重結(jié)果對(duì)蘋果進(jìn)行分級(jí)，稱重模塊主要包括紅外傳感器、質(zhì)量傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于質(zhì)量傳感器的輸出電壓信號(hào)較小，在讀入運(yùn)動(dòng)控制器之前還需進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，還需通過A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)輸入到運(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)不同的信號(hào)控制執(zhí)行裝置將蘋果送到相應(yīng)的通道中。

紅外傳感器放置在質(zhì)量傳感器前端，輸出線與運(yùn)動(dòng)控制器的IN20引腳連接。蘋果經(jīng)過傳送帶的輸送首先觸發(fā)紅外傳感器，運(yùn)動(dòng)控制器接收到一個(gè)低電平信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器控制質(zhì)量傳感器開始工作。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果和更快的響應(yīng)速度，質(zhì)量傳感器的量程選擇為最大500g。由于質(zhì)量傳感器的輸出信號(hào)較小，本試驗(yàn)采用LFC2放大器對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)控制器可以接收的信號(hào)。需要注意的是，由于蘋果運(yùn)動(dòng)到質(zhì)量傳感器上時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的沖擊，如果此時(shí)對(duì)信息進(jìn)行采集會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，為了提高準(zhǔn)確率，需要對(duì)其進(jìn)行延時(shí)處理。

為了準(zhǔn)確直觀地觀察蘋果的質(zhì)量，稱重模塊的信息還可以通過PC進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.2 分級(jí)模塊

蘋果經(jīng)過稱重模塊后產(chǎn)生相關(guān)質(zhì)量信息，運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行分析，確定需要的通道，電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作，將蘋果移動(dòng)到相應(yīng)的通道中，實(shí)現(xiàn)分級(jí)功能。運(yùn)動(dòng)控制器軸0與電機(jī)1連接，用來將蘋果移動(dòng)到相應(yīng)的通道前。運(yùn)動(dòng)控制器軸1與電機(jī)2連接，用來將蘋果撥到相應(yīng)的通道中。

4 軟件設(shè)計(jì)

該蘋果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制器采用Trio MC206，其軟件由運(yùn)動(dòng)控制器自帶編程軟件“Motion Perfect”進(jìn)行編寫，軟件采用模塊化方式進(jìn)行程序的編寫，其中包括檢測模塊、采集與處理模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、運(yùn)動(dòng)模塊等。該軟件設(shè)計(jì)流程圖見圖6。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖Figure 6 The flow chart of software design

5 驗(yàn)證結(jié)果

本系統(tǒng)對(duì)山東煙臺(tái)某地區(qū)的蘋果進(jìn)行了分級(jí)驗(yàn)證，按照企業(yè)對(duì)蘋果的分級(jí)分為特優(yōu)級(jí)、優(yōu)級(jí)和良級(jí)3個(gè)等級(jí)，其中優(yōu)級(jí)所占比重最大，蘋果顏色主要以紅色為主，有部分是偏黃色的。隨機(jī)抽取該系統(tǒng)分級(jí)的和人工分級(jí)的蘋果各1箱（大約50個(gè)）進(jìn)行對(duì)比，誤差不超過3%，說明該系統(tǒng)可以替代人工進(jìn)行蘋果質(zhì)量分級(jí)。按照中國對(duì)蘋果分級(jí)的要求（GB/T 23616—2009）進(jìn)行工作該系統(tǒng)生產(chǎn)效率可達(dá)2～5t/h，并可根據(jù)實(shí)際需求使用多套系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)行工作，極大地提高了生產(chǎn)效率，還可以保證分級(jí)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

本試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)階段蘋果分級(jí)中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器視覺系統(tǒng)的蘋果質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)克服了以往機(jī)械式接觸對(duì)蘋果會(huì)造成損害這一缺點(diǎn)；運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心，調(diào)試方便，系統(tǒng)響應(yīng)快，可以克服單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心帶來的問題。通過機(jī)器視覺技術(shù)檢測蘋果信息，利用運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)分級(jí)設(shè)備進(jìn)行控制是蘋果質(zhì)量分級(jí)的一個(gè)新的發(fā)展方向，實(shí)驗(yàn)證明，分級(jí)誤差在允許范圍內(nèi)，效率可達(dá)到2～5t/h。系統(tǒng)具有開放性和擴(kuò)展性，未來可以通過對(duì)硬件的擴(kuò)展來拓展系統(tǒng)的工作范圍，可以將系統(tǒng)應(yīng)用于更多的農(nóng)產(chǎn)品中。

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