李嘉威，陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

李嘉威，*陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642）

為實(shí)現(xiàn)采后荔枝的快速低損自動(dòng)分級(jí)，對(duì)荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該荔枝分級(jí)機(jī)由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統(tǒng)、分級(jí)執(zhí)行裝置組成。荔枝的單行等距排布輸送采用轉(zhuǎn)盤孔框法，圖像采集采用網(wǎng)口工業(yè)相機(jī)，圖像處理采用荔枝品質(zhì)分級(jí)視覺(jué)分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行多特征提取和融合分級(jí)，通過(guò)控制移動(dòng)凸輪改變分級(jí)平臺(tái)的傾角完成荔枝分級(jí)。在線試驗(yàn)結(jié)果表明，分級(jí)系統(tǒng)對(duì)荔枝的分級(jí)準(zhǔn)確率為93.75%。

荔枝；自動(dòng)分級(jí)機(jī)；分級(jí)平臺(tái)；圖像采集與處理系統(tǒng)

0 引言

荔枝是廣東特色佳果，其分選分級(jí)是其采后商品化處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的人工分級(jí)方法，不但效率低下且難以做到客觀準(zhǔn)確，無(wú)法適應(yīng)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求；采用機(jī)械分級(jí)，如滾筒孔框分級(jí)法[1]和間距變換法[2]雖然效率高，但是分級(jí)指標(biāo)單一，且容易對(duì)荔枝造成損傷?；跈C(jī)器視覺(jué)的無(wú)損檢測(cè)分級(jí)方法，可依據(jù)水果的多個(gè)外部品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行快速智能判別分級(jí)，對(duì)水果的分級(jí)更加客觀和全面。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)獼猴桃、紅棗、李子和葡萄等水果的機(jī)器視覺(jué)無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)分級(jí)設(shè)備進(jìn)行研究[3-6]，但是關(guān)于基于機(jī)器視覺(jué)的荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)研究國(guó)內(nèi)外未見文獻(xiàn)報(bào)道。

為此，研究提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)，通過(guò)對(duì)荔枝進(jìn)行多指標(biāo)綜合視覺(jué)檢測(cè)分級(jí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和快速分級(jí)。

1 自動(dòng)分級(jí)機(jī)總體結(jié)構(gòu)和工件原理

荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)主要由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統(tǒng)、分級(jí)執(zhí)行裝置組成。

荔枝分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 荔枝分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)

分級(jí)時(shí)，由人工將荔枝倒入圓筒，圓筒底部裝有孔框轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，荔枝將會(huì)落入孔框轉(zhuǎn)盤，隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)等距排列。荔枝等距排列后隨轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)進(jìn)入圖像采集區(qū)檢測(cè)，圖像采集區(qū)設(shè)有光源和網(wǎng)口相機(jī)系統(tǒng)采集荔枝圖像，采集后的荔枝圖像信息輸送給計(jì)算機(jī)，經(jīng)分級(jí)軟件分析，得到荔枝的等級(jí)。圖像采集檢測(cè)后的荔枝進(jìn)入分級(jí)平臺(tái)，根據(jù)分級(jí)信息，電機(jī)控制移動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)凸輪的3個(gè)輪廓面同時(shí)控制3個(gè)推桿的升程，從而改變分級(jí)平臺(tái)的姿態(tài)，向相應(yīng)等級(jí)出口傾斜，最終使荔枝滾動(dòng)至分級(jí)通道，完成分級(jí)。

荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)的2個(gè)工作狀態(tài)見圖2。

圖2 荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)的2個(gè)工作狀態(tài)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 分級(jí)平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

荔枝的分級(jí)執(zhí)行，主要通過(guò)移動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)分級(jí)平臺(tái)的傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)。分級(jí)平臺(tái)的姿態(tài)可以由其所屬平面的法向量表示，建立分級(jí)平臺(tái)坐標(biāo)系，記3個(gè)推桿頂點(diǎn)的坐標(biāo)為P1（x1，y1，z1）T，P2（x2，y2，z2）T，P3（x3，y3，z3）T，則分級(jí)平臺(tái)的法向方向向量n（nx，ny，nz）T可以由公式（1）表示：

式中：norm（）——對(duì)向量標(biāo)準(zhǔn)化。

由于推桿在x和y方向的位置已經(jīng)確定，可視為常數(shù)，式中只有z1，z2，z33個(gè)變量，故式（1）可化簡(jiǎn)為式（2）：

式中：Ci——常數(shù)項(xiàng)，i=1，2，3，4，5；

Ni——向量長(zhǎng)度，i=1，2；

zi——函數(shù)，i=1，2，3。

分級(jí)平臺(tái)坐標(biāo)系見圖3。

分級(jí)平臺(tái)的傾斜方向可以使用測(cè)量的方法得出大致值，根據(jù)式（2）使用數(shù)值方法可以求出各個(gè)推桿的升程。求取3個(gè)分級(jí)姿態(tài)和初始姿態(tài)下相應(yīng)的3個(gè)推桿升程參數(shù)即可分別設(shè)計(jì)出3個(gè)推桿的凸輪廓線。

圖3 分級(jí)平臺(tái)坐標(biāo)系

2.2 圖像采集與處理系統(tǒng)

荔枝的圖像采集主要通過(guò)1套光源、千兆網(wǎng)卡和網(wǎng)口相機(jī)系統(tǒng)完成，采集后的圖像經(jīng)自行開發(fā)的荔枝品質(zhì)視覺(jué)檢測(cè)融合分級(jí)系統(tǒng)[7]進(jìn)行圖像預(yù)處理、分級(jí)特征參數(shù)提取和融合分級(jí)，圖像處理過(guò)程如下。2.2.1圖像預(yù)處理

提取荔枝分級(jí)特征參數(shù)前，需對(duì)采集的荔枝圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像預(yù)處理包括圖像分割、噪聲去除等。分級(jí)系統(tǒng)在YCrCb模式下對(duì)圖像Cr通道進(jìn)行了k均值聚類分割和輪廓查找。

2.2.2 分級(jí)特征參數(shù)提取

荔枝的外觀品質(zhì)等級(jí)指標(biāo)主要包括荔枝大小、果形、缺陷（褐變、裂口等）等，該分級(jí)機(jī)暫只對(duì)荔枝大小和果皮褐變?nèi)毕葸M(jìn)行綜合分級(jí)。

分級(jí)系統(tǒng)采用橫徑表示荔枝的大小，由于荔枝近似于圓形，所以對(duì)分割后的荔枝圖像使用圓擬合，求得擬合圓的直徑作為荔枝橫徑大小的近似值。

由于荔枝近似于球狀，邊緣的光照不足，圖像分割時(shí)邊緣部分易被誤認(rèn)為是褐斑（如圖4（b）所示）。分級(jí)系統(tǒng)為防止邊緣誤檢測(cè)，對(duì)荔枝圖像進(jìn)行邊緣光照補(bǔ)償和增強(qiáng)對(duì)比。

帶褐斑荔枝圖像分割見圖4。

圖4 帶褐斑荔枝圖像分割

2.3 融合分級(jí)

開發(fā)的荔枝品質(zhì)分級(jí)視覺(jué)分級(jí)系統(tǒng)，融合了荔枝橫徑大小和果皮褐變?nèi)毕?個(gè)特征進(jìn)行分級(jí)。

荔枝分級(jí)軟件界面見圖5。

應(yīng)用該系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)80個(gè)荔枝進(jìn)行了視覺(jué)檢測(cè)分級(jí)。

圖5 荔枝分級(jí)軟件界面

分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前荔枝分級(jí)存在的問(wèn)題，對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的荔枝自動(dòng)分級(jí)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分級(jí)機(jī)通過(guò)帶孔圓盤實(shí)現(xiàn)荔枝的單行等距輸送，經(jīng)圖像采集與處理系統(tǒng)對(duì)荔枝進(jìn)行品質(zhì)融合分級(jí)，最后通過(guò)控制移動(dòng)凸輪改變分級(jí)平臺(tái)的傾角，讓荔枝進(jìn)入相應(yīng)的收集通道，從而實(shí)現(xiàn)荔枝的快速低損分級(jí)。在線試驗(yàn)結(jié)果表明，分級(jí)系統(tǒng)對(duì)荔枝的分級(jí)準(zhǔn)確率為93.75%。參考文獻(xiàn)：

[1]梁健，梁材.荔枝保鮮分級(jí)處理工藝及設(shè)備[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2008（7）：61-63.

[2]蒙必勝，梁兆新，朱其崇.鏈板式間距可調(diào)果類分選機(jī)的原理及設(shè)計(jì)[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2004（8）：35-37.

[3]王松磊，劉民法，何建國(guó)，等.紅棗自動(dòng)快速無(wú)損檢測(cè)分級(jí)機(jī)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014（9）：79-83，95.

[4]張小明.小型李子水果分級(jí)機(jī)的研制[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2014（8）：72-73.

[5]王麗麗.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的哈密大棗無(wú)損檢測(cè)分級(jí)技術(shù)及分級(jí)裝置研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2013.

[6]陳英，廖濤，林初靠，等.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的葡萄檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010（3）：169-172.

[7]陳石榕.國(guó)際鮮荔枝標(biāo)準(zhǔn)[J].福建標(biāo)準(zhǔn)化信息，1997（4）：11-12.◇

Design and Research of Litchi Automatic Grading Machine

LIJiawei，*CHEN Yan，WANG Jiasheng，NIEYuping，LIUWeiwei，ZENG Zeqin
（Key Laboratory of Key Technology on AgriculturalMachine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong 510642，China）

Litchiautomatic gradingmachine is designed to realize the fastautomatic grading with low loss to litchiafter its harvesting.Thismachine consists of single row isometry conveyor，image acquiring and processing system and grading execution device.The litchi is conveyed in a single row equidistantly with perforated turntable.The image of litchi is acquired with network industrial camera.The procession of the image is to extractmulti-features and grading generally with the litchi visual quality grading system.The grading of litchi is executed by the different inclinations of grading platform with controlling the moving cam.The resultof online testing shown that the accuracy of grading litchiwith grading system is 93.75%.

litchi；automatic gradingmachine；grading platform；image acquiring and processing system

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.06.038

1671-9646（2017）06b-0029-02

2017-05-13

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111）；廣東省自然基金項(xiàng)目（2015A030310258）。

李嘉威（1993—），男，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)器人、智能設(shè)計(jì)與制造。

*通訊作者：陳燕（1964—），女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)智能裝備。