李 山，鄧?yán)^忠，任高生，何明昊

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

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小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)的控制系統(tǒng)與控制方法

李 山，鄧?yán)^忠，任高生，何明昊

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

為減小基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)的體積、降低設(shè)備成本，提出了一種以DSP為視覺(jué)核心、ARM為控制核心的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)。為此，詳細(xì)介紹了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的小型農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法，并以圣女果、金桔及桂圓干等3種物料作為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和工作效率。結(jié)果表明：針對(duì)家庭農(nóng)場(chǎng)及小規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的處理和營(yíng)銷，在基于機(jī)器視覺(jué)的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)中采用ARM與DSP相結(jié)合的方法進(jìn)行分選是可行的，能夠替代PC機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)分選機(jī)的低成本和小型化。

農(nóng)產(chǎn)品；分選機(jī)；機(jī)器視覺(jué)；控制系統(tǒng)

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)重要農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)分選，可以優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，增加農(nóng)產(chǎn)品的附加值，提高農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著圖像處理技術(shù)的日益成熟、處理器性能提升和成本下降，以圖像分析為核心的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已逐步應(yīng)用于水果、干果、雞蛋等各類農(nóng)產(chǎn)品的分級(jí)或分選中[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外的各類基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分選機(jī)主要以PC機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，計(jì)算機(jī)需要完成圖像處理與分析、物料位置的確定、缺陷的查找及分類等工作。該類型設(shè)備分選功能齊全、生產(chǎn)規(guī)模大、分選效率較高，較好地解決了大規(guī)模流水線上農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)分選問(wèn)題[4]；但其體積龐大，價(jià)格較為昂貴，一般適用于大中型果品加工企業(yè)。在我國(guó)小規(guī)模的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)模式仍保有相當(dāng)數(shù)量的情況下，因體積與價(jià)格因素，以PC為核心的機(jī)器視覺(jué)分選系統(tǒng)在我國(guó)的推廣與普及受到限制。

針對(duì)家庭農(nóng)場(chǎng)及小規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的處理和營(yíng)銷，本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)[5]。該分選機(jī)基于低成本、輕簡(jiǎn)化原則，采用DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像輸出、觸發(fā)式判別，使用ARM實(shí)現(xiàn)分選品種更換、控制信號(hào)輸出；同時(shí)，輸送帶采用多通道方式，攝像機(jī)一次可以采集4個(gè)通道的農(nóng)產(chǎn)品圖像并進(jìn)行處理與分析，在確保能對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的顏色、形狀及缺陷等主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分選的前提下，減小了分選系統(tǒng)的體積，降低了系統(tǒng)的成本，有利于基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的分選機(jī)的推廣和應(yīng)用。

1 小型分選機(jī)工作原理

圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖反映了小型分選機(jī)的工作原理[5]。

1.水平傳送帶 2.ARM控制系統(tǒng) 3.攝像機(jī) 4.圖像采集光室 5.光電傳感器2 6.翻板 7.電磁繼電器 8.合格物料箱 9.不合格物料箱 10.電機(jī) 11.光電傳感器1

該系統(tǒng)由傳輸系統(tǒng)、控制單元、視覺(jué)系統(tǒng)及剔除裝置(包括電磁繼電器、電磁閥、翻板等)組成。工作時(shí)，物料首先從送料箱落入傳送帶上各個(gè)分選槽中，然后依靠電機(jī)控制傳送速度，將物料傳送進(jìn)入圖像采集室。DSP對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理和分類識(shí)別處理，識(shí)別結(jié)束后將結(jié)果發(fā)送給ARM。若判別結(jié)果為次品，則由ARM將觸發(fā)信號(hào)送給電磁繼電器，電磁繼電器控制啟動(dòng)電磁閥拉動(dòng)翻板，將次品導(dǎo)入到不合格的物料箱；若判別結(jié)果為合格品，則不啟動(dòng)剔除裝置，不合格物料將自由滑落到合格的物料箱中，完成一次分選動(dòng)作。

1.1 視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

視覺(jué)系統(tǒng)以DSP為視覺(jué)核心，結(jié)合視頻采集模塊、視頻輸出模塊、光電觸發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和圖像識(shí)別。CCD攝像機(jī)位于傳送帶正上方，鏡頭朝下，實(shí)時(shí)采集傳送帶的輸送物料，視頻信息通過(guò)BNC接口傳輸?shù)紻SP芯片。本文采用的DSP型號(hào)為TI公司的DM642芯片，攝像機(jī)采集到的是25幀/s的PAL制式視頻數(shù)據(jù)流，DSP接收后對(duì)視頻流進(jìn)行解碼，將每一幀圖像數(shù)據(jù)重復(fù)存儲(chǔ)在SDRAM某一固定位置中，再將當(dāng)前存儲(chǔ)的每一幀圖像數(shù)據(jù)不斷輸出到LCD顯示屏上。

當(dāng)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中時(shí)，可以提取出來(lái)對(duì)其進(jìn)行判別處理。但是，如果對(duì)每一幀圖像都進(jìn)行判別處理，將給系統(tǒng)帶來(lái)巨大負(fù)荷。因此，本文采用了光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)判別處理的方式，即當(dāng)傳送帶上有物料通過(guò)光電開(kāi)光檢測(cè)區(qū)域時(shí)，光電開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，信號(hào)下降沿通過(guò)GPIO口被讀入DM642，觸發(fā)DM642中斷，提取當(dāng)前SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分選處理，而在無(wú)物料通過(guò)時(shí)則不進(jìn)行判別處理。因此，對(duì)于每排物料系統(tǒng)只需處理一張圖像即可得到判別結(jié)果，從而減輕了系統(tǒng)的負(fù)荷，提高了處理的效率。DSP處理完圖像后，立即將所得分類結(jié)果通過(guò)串行口發(fā)送給ARM，并等待下一次中斷信號(hào)。視覺(jué)系統(tǒng)處理工作流程如圖2所示。

圖2 視覺(jué)系統(tǒng)處理流程

1.2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

控制系統(tǒng)以ARM為核心，結(jié)合人機(jī)交互模塊、控制信號(hào)輸出模塊、光電觸發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)分選模式切換、翻板閉合控制。本文中ARM采用三星公司的S5PV210芯片，為Cortex-A8架構(gòu)，主頻1G Hz，可以流暢地運(yùn)行Linux系統(tǒng)。

實(shí)際分選中，ARM接收從DSP發(fā)來(lái)的每次處理結(jié)果，依次存入存儲(chǔ)隊(duì)列中。當(dāng)物料傳送到水平傳送帶末端時(shí)，觸發(fā)光電傳感器，光電傳感器即發(fā)送信號(hào)給ARM的GPIO口，產(chǎn)生低電平中斷。ARM進(jìn)入中斷后，根據(jù)“先進(jìn)先出”原則，從隊(duì)列中提取出最早的處理結(jié)果，根據(jù)結(jié)果通過(guò)GPIO給相應(yīng)的電磁繼電器發(fā)送控制信號(hào)，電磁繼電器的通/斷帶動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)，以控制翻板的打開(kāi)或閉合。

同時(shí)，ARM將每次合格數(shù)和不合格數(shù)不斷地累加，并保存至對(duì)應(yīng)的結(jié)果中，將新的結(jié)果顯示在觸摸顯示屏上，以提示用戶農(nóng)產(chǎn)品分選狀況；而如果用戶需要更換分選的農(nóng)產(chǎn)品種類時(shí)，只需要點(diǎn)擊觸摸屏選擇相應(yīng)的種類，ARM會(huì)根據(jù)用戶的選擇通過(guò)串口發(fā)送信號(hào)給DSP，DSP接收到信號(hào)后，會(huì)更換分選程序以適應(yīng)不同種類的分選。ARM控制模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 ARM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 控制方法

2.1 控制系統(tǒng)中光電開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

本文采用的ARM提供了30個(gè)通用I/O口，DSP提供了16個(gè)通用I/O口，輸入/輸出電壓為3.3V，可以通過(guò)編程設(shè)置引腳的輸入/輸出方向。其中,部分引腳為復(fù)用引腳，可以作為I/O引腳，也可以作為其他功能引腳。在本文中根據(jù)實(shí)際情況需要，在ARM和DSP中各使用1個(gè)GPIO引腳，供光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)的接入使用。

本文使用的是滬工集團(tuán)的E3F3系列NPN型的光電開(kāi)關(guān)，屬于偏光鏡反射型光電開(kāi)關(guān)，投光部與受光部一體化，通過(guò)偏光鏡反射光光向的變化來(lái)檢測(cè)，這類光電開(kāi)關(guān)能解決物體鏡面反射的問(wèn)題。投光體射出的橫向(或者縱向)光波照射到反射板上，反射板將橫向(或者縱向)光波改變?yōu)榭v向(或者橫向)光波反射回來(lái)，受光部接收到縱向(或者橫向)光波認(rèn)為沒(méi)有物體遮擋。

光電開(kāi)關(guān)的工作電壓為6～36V之間(此處選擇6V電壓)，當(dāng)輸送帶上的物料通過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)的輸出電壓由6V變?yōu)?V。由于GPIO的輸入/輸出電壓為3.3V，此處使用夏普公司的PC817型號(hào)光耦開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)6V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)變。如圖4所示，默認(rèn)狀態(tài)下黑色導(dǎo)線輸出電壓為6V，光耦開(kāi)關(guān)左側(cè)沒(méi)有電流通過(guò)，右邊斷開(kāi)，GPIO輸入電壓為0V。當(dāng)有物料通過(guò)時(shí)，黑色導(dǎo)線輸出電壓由6V降至0V，左側(cè)產(chǎn)生電流，右邊導(dǎo)通，GPIO輸入電壓上升至3.3V。因此，本文中斷觸發(fā)方式采用上升沿觸發(fā)。

圖4 控制系統(tǒng)中光電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理圖

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了4路并行處理，每路都有相應(yīng)的剔除裝置對(duì)該路物體進(jìn)行操作，剔出裝置使用電磁閥拉動(dòng)翻板的方式將物體剔除。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的作用是：在GPIO口有3.3V信號(hào)輸出時(shí)，將信號(hào)放大成24V電壓，驅(qū)動(dòng)電磁閥拉動(dòng)翻板。

2.2 控制系統(tǒng)中電磁開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

本文針對(duì)4通道的需要采用了4個(gè)單獨(dú)的電磁繼電器，分別由ARM開(kāi)發(fā)板的4個(gè)GPIO口進(jìn)行控制,電磁繼電器和ARM開(kāi)發(fā)板的GPIO之間同樣采用PC817光耦開(kāi)關(guān)芯片進(jìn)行控制。當(dāng)GPIO口輸出高電平時(shí)，光耦開(kāi)關(guān)左側(cè)有電流通過(guò)，右側(cè)導(dǎo)通；電磁繼電器閉合，電磁開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，在兩端附加的24V電壓的作用下，將翻板彈起。其電路示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)中電磁開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理圖

為了確定翻板打開(kāi)的時(shí)機(jī)，需要提前確定物料所在的位置。因此，在水平輸送帶的末端安裝一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)物料經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，觸發(fā)高電平信號(hào)通過(guò)GPIO口傳送給ARM，ARM獲得有物料通過(guò)的信息；隨后物料通過(guò)傾斜導(dǎo)軌下滑，假設(shè)翻板和傾斜導(dǎo)軌最高點(diǎn)距離為s、導(dǎo)軌傾角為θ、重力加速度為g、導(dǎo)軌摩擦因數(shù)為μ，則物料到達(dá)翻板處的時(shí)間為

(1)

由t的表達(dá)式可知：物料從觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)到到達(dá)翻板位置的時(shí)間是一個(gè)固定值，與物體的大小質(zhì)量無(wú)關(guān)。因此，可以通過(guò)多次測(cè)試，選定一個(gè)合適的翻板開(kāi)啟時(shí)間。

2.3 ARM控制系統(tǒng)中界面的設(shè)計(jì)

本文控制系統(tǒng)中用戶操控界面由Qt編寫，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)的分選結(jié)果，以及為用戶提供切換分選品種的功能。每次開(kāi)機(jī)啟動(dòng)Linux系統(tǒng)時(shí)，默認(rèn)自啟動(dòng)用戶界面程序，如圖6所示。圖6中，左側(cè)為種類選擇區(qū)，已開(kāi)發(fā)圣女果、金桔、桂圓、紅棗、核桃、栗子等多種果品分選程序；右下方為狀態(tài)結(jié)果顯示區(qū)，可以顯示好的個(gè)數(shù)、壞的個(gè)數(shù)、處理總數(shù)、傳送帶速度和處理速度；正中間顯示當(dāng)前分選品種的圖片；右上方為“開(kāi)始”和“結(jié)束”控制按鈕。

當(dāng)用戶通過(guò)觸摸屏點(diǎn)擊界面左側(cè)品種名進(jìn)行分選品種切換時(shí)，觸發(fā)Qt中Button的Click信號(hào)，通過(guò)配置好的信號(hào)與槽的關(guān)系，執(zhí)行相應(yīng)的槽函數(shù)，在槽函數(shù)中實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送，通知DSP切換對(duì)應(yīng)的分選函數(shù)。

圖6 用戶界面

2.4 控制系統(tǒng)的ARM與DSP的通信

本文中ARM與DSP之間采用RS-232串行口通信，其中RS-232是美國(guó)工業(yè)電子聯(lián)盟制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被廣泛地用于計(jì)算機(jī)串行接口外設(shè)連接。通信內(nèi)容如表1所示。

表1 ARM與DSP通信內(nèi)容

因?yàn)楸疚臑?通道并行分選，因此DSP發(fā)送的結(jié)果需要同時(shí)涵蓋4個(gè)通道的狀態(tài)。本文采用十六進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示，如某次分選結(jié)果為“0110”(0表示合格，1表示不合格)，即第1、4通道的農(nóng)產(chǎn)品是合格的，第2、3通道的農(nóng)產(chǎn)品不合格。DSP只需要發(fā)送“0x6”即可，因?yàn)椤?x6”是“0110”的十六進(jìn)制表示；而ARM檢測(cè)到發(fā)送來(lái)的“0x”字符后，隨即讀取后一位字符，根據(jù)該字符的內(nèi)容控制相應(yīng)的電磁繼電器通斷。

ARM發(fā)送給DSP的內(nèi)容不止一項(xiàng)，所以本文采用兩類字符分別表示，以便于區(qū)別。其中,阿拉伯?dāng)?shù)字表示分選種類，小寫字母表示功能選項(xiàng)。比如“0”代表核桃，“1”代表紅棗，“2”代表栗子；“a”表示分選開(kāi)始，“b”表示分選結(jié)束。若DSP從串口讀取到“a”，則啟動(dòng)分選程序，默認(rèn)為核桃模式。若DSP從串口讀取到“1”，則將分選代碼替換為紅棗類。如果后期需要添加新的種類或功能，按數(shù)字或字母順序依次添加即可。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 材料與方法

采用市售的圣女果、金桔及桂圓干等3種農(nóng)產(chǎn)品作為分選物料，對(duì)圣女果按大小分選，對(duì)金桔和桂圓干按顏色分別進(jìn)行成熟度與破損度分選。

采用不同的物料間距和輸送帶速率分別進(jìn)行測(cè)試，參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。在物料間隔方面，為了防止相鄰的物料互相越界干擾，物料間距必須隔1排(約55mm)以上；在輸送帶速率方面，調(diào)速電機(jī)有9個(gè)不同速度檔位(從10到90)可供選擇，過(guò)低速度影響分選效率，過(guò)高速度則剔除裝置無(wú)法及時(shí)反映。通過(guò)測(cè)試，選擇30、40、50等3檔進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)分選的可靠性。對(duì)所有物料測(cè)試了圖像分析耗時(shí)、翻板控制耗時(shí)，以及翻板在不同傳送帶輸送速度和不同物料間距下動(dòng)作的可靠性。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的測(cè)試與統(tǒng)計(jì)，在平均每次分選中，圖像處理與分析耗時(shí)約0.206 2s；翻板控制中，至少需要持續(xù)向電磁開(kāi)關(guān)輸出約0.3s的電壓，才可實(shí)現(xiàn)翻板的完全打開(kāi)。表2所示為物料間距與傳輸速度對(duì)剔除裝置是否可靠動(dòng)作(即翻板是否打開(kāi))的影響。由表2可知：當(dāng)速率為40檔(約18cm/s)、物料間隔2排(同一通道排隊(duì)分選物料的平均間距約160mm)時(shí)，在保證可靠性的前提下，分選效率(單位時(shí)間的分選數(shù)量)最高。

表2 不同傳送速率和物料間距對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響

Table 2 Effect on system reliability of different transmission speed and material spacing

物料間距30檔40檔50檔隔1排翻板未打開(kāi)圖像已處理翻板未打開(kāi)圖像已處理翻板未打開(kāi)圖像未處理隔2排翻板打開(kāi)圖像已處理翻板打開(kāi)圖像已處理翻板未打開(kāi)圖像已處理隔3排翻板打開(kāi)圖像已處理翻板打開(kāi)圖像已處理翻板打開(kāi)圖像已處理

2)分選效率。3種物料各150個(gè)，圣女果按大小分選，金桔與桂圓干分別按顏色測(cè)試成熟度和破損度。試驗(yàn)表明：①圣女果、金桔和桂圓干的分選準(zhǔn)確性分別為93.91%、97.19%和86.11%；②當(dāng)電機(jī)速度設(shè)定為40檔(約18cm/s)時(shí)，可以進(jìn)行可靠處理的分選效率最高，4通道每小時(shí)處理個(gè)數(shù)約為16 000顆。按所處理物料的平均單粒重推算，3種物料的最大處理效率分別為：圣女果337kg/h，金桔311kg/h，桂圓干228kg/h。

4 結(jié)論

采用DSP作為視覺(jué)處理核心、ARM作為控制核心，開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)的控制系統(tǒng)與控制方法，可以根據(jù)系統(tǒng)圖像識(shí)別的結(jié)果，控制傳送帶末端農(nóng)產(chǎn)品的篩選。同時(shí)，用戶可以根據(jù)需要，無(wú)需專業(yè)人員指導(dǎo)，點(diǎn)擊觸摸屏即可更換分選種類，實(shí)現(xiàn)了在不更換設(shè)備的情況下多種類農(nóng)產(chǎn)品的分選功能。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定的分選速度下，分選系統(tǒng)動(dòng)作可靠，表明采用ARM與DSP相結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)是可行的，可替代PC機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)分選機(jī)的低成本和小型化。其中，基于ARM的嵌入式linux系統(tǒng)具有良好的可移植性、穩(wěn)定性及低功耗等特點(diǎn)，且具有豐富的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具和成熟的開(kāi)發(fā)環(huán)境，很適合作為基于機(jī)器視覺(jué)的分選機(jī)控制系統(tǒng)核心。

本文考慮到DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力及高度的靈活性和可編程性，因此圖像識(shí)別部分在獨(dú)立的DSP中執(zhí)行。隨著ARM芯片性能不斷的提高，內(nèi)部也集成了DSP、存儲(chǔ)器、各種接口控制模塊等部件，構(gòu)成了一個(gè)完整的片上系統(tǒng)。后續(xù)研究可以將圖像識(shí)別部分也并入ARM模塊中，省去獨(dú)立的DSP芯片，進(jìn)一步降低成本，使系統(tǒng)更集成化、小型化。

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The Control System and Control Methods of a Small-scale Agricultural Products Sorting Machine

Li Shan, Deng Jizhong, Ren Gaosheng, He Minghao

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In the aims of lowering the size and cost of agricultural products sorting machine, we raised an small-scale sorting machine with DSP-based vision kernel and ARM-based controlling kernel. The control system and the control method of the machine vision-based agricultural product sorting machine were introduced in this paper, and cherry tomatos,cumquats and dried longans were used to estimate the reliability and working efficiency of the system. The results showed feasibilities of machine vision-based agricultural product sorting machine featured with ARM and DSP in the aim of the processing and merchandising of small-size agricultural products, together with replacing PC and industrial computers in order to achieve lower size and cost of sorting machine.

agricultural products; sorting machine; machine vision; control system

2016-07-05

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B020313003) ；國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2011GA780026)

李 山(1992-),男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，(E-mail) 597330918@qq.com。

鄧?yán)^忠(1963-)，男，新疆烏蘇人，副教授，博士，(E-mail)jz-deng@scau.edu.cn。

TS255;S126

A

1003-188X(2017)08-0112-05