屈 婷，齊康康，劉亞?wèn)|，張莎莎，高建敏，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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獼猴桃外觀尺寸在線檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

屈 婷，齊康康，劉亞?wèn)|，張莎莎，高建敏，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

目前市場(chǎng)上存在的獼猴桃分級(jí)機(jī)械主要是針對(duì)質(zhì)量特征進(jìn)行分級(jí)的大型機(jī)械，而消費(fèi)者在購(gòu)買獼猴桃時(shí)往往更注重它的外觀品質(zhì)，且大型設(shè)備難以在以農(nóng)戶小規(guī)模營(yíng)銷為主的市場(chǎng)環(huán)境下得到普及。為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃外觀品質(zhì)的自動(dòng)分選，適應(yīng)廣大獼猴桃種植農(nóng)戶的需求，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的小型移動(dòng)式獼猴桃外觀尺寸在線檢測(cè)與分級(jí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由輸送機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。輸送機(jī)構(gòu)采用傾斜式輸送帶方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)獼猴桃的輸送和分級(jí)；檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用圖像處理的方法得出獼猴桃的大小等級(jí)信息；分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)借助獼猴桃的重力與旋轉(zhuǎn)磁鐵的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)獼猴桃的分離。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試制和驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)的平均分級(jí)成功率為96.3%，單個(gè)獼猴桃分級(jí)時(shí)間約為2.5s。該獼猴桃檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為今后完成多特征指標(biāo)的融合分級(jí)提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

獼猴桃；機(jī)器視覺(jué)；分級(jí)系統(tǒng)；在線檢測(cè)

0 引言

我國(guó)作為世界上獼猴桃種植面積最大的國(guó)家，卻面臨著出口份額極低的尷尬境地。其主要原因是：隨著人們生活水平的提高，對(duì)于獼猴桃品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，而我國(guó)大多數(shù)企業(yè)仍主要依靠人工感官實(shí)現(xiàn)獼猴桃的品質(zhì)檢測(cè)與分級(jí)，不僅勞動(dòng)量大、成本高，而且檢測(cè)結(jié)果存在人為因素的影響，誤差大。因此，如何發(fā)揮我國(guó)獼猴桃的資源優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，擴(kuò)大獼猴桃出口，已成為我國(guó)獼猴桃產(chǎn)業(yè)面臨的一個(gè)重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，研究獼猴桃檢測(cè)分級(jí)機(jī)械具有重要意義[1-3]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)存獼猴桃分級(jí)裝置的調(diào)研分析可知[4]：目前我國(guó)市場(chǎng)上存在的獼猴桃分選機(jī)械大都是針對(duì)質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)的大型機(jī)械，且大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不適合于廣大農(nóng)戶的需求。因此，伴隨著計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的高速發(fā)展，利用該技術(shù)檢測(cè)果品的外觀品質(zhì)已成為一種趨勢(shì)[5]。

國(guó)外自動(dòng)化分級(jí)生產(chǎn)線已經(jīng)相當(dāng)完備，早在20世紀(jì)70年代左右就將基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的分級(jí)方法應(yīng)用于水果的分級(jí)[6]。例如，美國(guó)的OSCARTM型和MERLIN 型高速水果分級(jí)生產(chǎn)線，廣泛用于對(duì)蘋果、梨、橘子、桃等水果的分等定級(jí)和品質(zhì)檢測(cè)[7]。由于獼猴桃的區(qū)域性特征，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺(jué)的獼猴桃外觀大小檢測(cè)與分級(jí)的設(shè)備至今在國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)研發(fā)階段。在水果品質(zhì)檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究：葛紀(jì)帥等設(shè)計(jì)了一種基于智能稱重的球型水果實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)的分級(jí)生產(chǎn)線[8]；任杰等完成了基于PLC的水果大小連續(xù)分級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)，以水果高度特征作為評(píng)價(jià)其大小等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[9]；王松磊對(duì)紅棗自動(dòng)分級(jí)機(jī)搓動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸送系統(tǒng)進(jìn)行了研制[10]；談?dòng)⒌然陬伾唾|(zhì)量設(shè)計(jì)了蘋果在線分級(jí)系統(tǒng)[11]；鄧?yán)^忠等進(jìn)行了小型農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[12]；彩玉對(duì)機(jī)械拋擲式水果分級(jí)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，按質(zhì)量品質(zhì)對(duì)水果進(jìn)行分級(jí)[13]。上述水果分級(jí)系統(tǒng)大多還是采用機(jī)械方式進(jìn)行分級(jí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易對(duì)果實(shí)造成損傷，且目前國(guó)內(nèi)針對(duì)獼猴桃分級(jí)設(shè)備的研究較少。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本文研制了基于機(jī)器視覺(jué)的小型移動(dòng)式獼猴桃在線檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)，具有體積小、運(yùn)輸和分級(jí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及不易損傷果實(shí)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了獼猴桃果實(shí)檢測(cè)分級(jí)的機(jī)械化、自動(dòng)化，迎合了農(nóng)戶小規(guī)模營(yíng)銷的需要[14]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的小型移動(dòng)式獼猴桃在線檢測(cè)與分級(jí)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此裝置由傾斜式輸送機(jī)構(gòu)、外觀尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)、分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)組成。

工作原理如圖2所示。獼猴桃在傳送帶上運(yùn)輸，進(jìn)入檢測(cè)箱后經(jīng)過(guò)外觀尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)，完成對(duì)獼猴桃外觀尺寸的檢測(cè)，并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得出獼猴桃大小等級(jí)信息，等級(jí)信息傳遞給分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；當(dāng)獼猴桃到達(dá)對(duì)應(yīng)等級(jí)的分級(jí)槽處時(shí)，相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)分離擋板打開(kāi)，使水果在對(duì)應(yīng)等級(jí)的出口卸下，完成水果按外觀尺寸的準(zhǔn)確分級(jí)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各獼猴桃的分級(jí)執(zhí)行操作并行進(jìn)行，保證了分級(jí)的效率。

1.輸送機(jī)構(gòu) 2.外觀品質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)

圖2 獼猴桃檢測(cè)分級(jí)工作原理圖

2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

水果輸送機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、電機(jī)調(diào)速器、輸送帶、輸送帶擋條、輸送帶側(cè)擋板和角度調(diào)整桿等機(jī)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使獼猴桃在自身的重力作用下落入分級(jí)槽，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離，輸送帶設(shè)計(jì)成傾斜式。該傾斜式輸送帶由電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶擋條、輸送機(jī)側(cè)面擋板及分離擋板的限位作用，實(shí)現(xiàn)獼猴桃運(yùn)輸。輸送帶的傾斜角度由角度調(diào)整桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，角度調(diào)整桿位于輸送帶的后方。圖3所示為角度調(diào)整桿放大圖，其主要由固定板、調(diào)節(jié)螺栓和調(diào)整螺母組成。

1.調(diào)節(jié)螺母 2.調(diào)節(jié)螺桿 3.固定板 4.電機(jī) 5.調(diào)速器

2.2 相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

為了給果實(shí)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)及整個(gè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)加工提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)，進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)性試驗(yàn)。

2.2.1 獼猴桃果實(shí)物理參數(shù)研究

通過(guò)對(duì)西北農(nóng)林科技大學(xué)眉縣獼猴桃試驗(yàn)站和陜西省齊峰果業(yè)有限公司隨機(jī)選取的932個(gè)海沃德品種獼猴桃的外形尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量, 得出了獼猴桃果實(shí)的長(zhǎng)軸、短軸和質(zhì)量等尺寸參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表1所示。

表1 獼猴桃物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.2 獼猴桃果實(shí)滑動(dòng)摩擦角實(shí)驗(yàn)

以“臍紅”、“海沃德”、“金艷”、“金香”和“徐香”5個(gè)品種的獼猴桃為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。將各品種的獼猴桃按照一定的軸向順序擺放在盛果盒中，滑動(dòng)摩擦角實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

1.表面PU材料木板 2.角度調(diào)節(jié)桿 3.獼猴桃果實(shí)軸向位置

從倉(cāng)庫(kù)中隨機(jī)選取每種獼猴桃10組，每組重復(fù)做6次實(shí)驗(yàn)，分別取6次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值、最大值、最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 5種獼猴桃摩擦傾角數(shù)據(jù)(α)

由上表得到5個(gè)品種摩擦傾角的數(shù)據(jù)處理結(jié)果：“金艷”品種獼猴桃的摩擦傾角是5個(gè)品種中最大的，最大摩擦傾角為30°。

2.3 電功機(jī)選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定獼猴桃的物理參數(shù)范圍：長(zhǎng)軸40～100mm，短軸20 ～80mm，獼猴桃輸送速度為0.5 m/s，傳送帶的半徑0.35 m；傳送帶上獼猴桃的最大個(gè)數(shù)為14個(gè)，獼猴桃的單個(gè)果質(zhì)量在50 ～140g之間。

電機(jī)功率計(jì)算公式為

(1)

其中，m1、m2分別為傳送帶上所有獼猴桃的總質(zhì)量和輸送帶的質(zhì)量。在此輸送帶的質(zhì)量設(shè)定為10 kg，實(shí)際質(zhì)量小于10 kg。取單個(gè)獼猴桃的最大質(zhì)量和最大個(gè)數(shù)的乘積作為m1，獼猴桃輸送速度選最大速度，電動(dòng)機(jī)的工作效率μ=0.8，將上述數(shù)值代入公式，計(jì)算得到輸送機(jī)所需要的功率為74.8 W。結(jié)合實(shí)際情況，最終選擇成鋼5IK90RGN-C型電機(jī)。其具體參數(shù)如下：電機(jī)功率90W，電源50 Hz、單相220 V，輸出轉(zhuǎn)速0.1～1 450r/min，輸出扭矩0.1～2 N·m，減速比1/3～1/1800。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和皮帶的輸送要求，選擇AUS22-90型號(hào)的調(diào)速器，輸送速度0.13～4.52 m/min；選擇減速箱型號(hào)為5GN100K，減速比為1：100。電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪和鏈條與輸送帶輪轂連接，帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 輸送機(jī)皮帶選擇

皮帶是與獼猴桃果實(shí)直接接觸的部件，是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為獼猴桃前進(jìn)動(dòng)力的裝置。根據(jù)研究要求，皮帶要符合實(shí)用、價(jià)格低廉、耐磨等設(shè)計(jì)要求。綜合分析各種材料皮帶的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇綠色PU材料的皮帶。根據(jù)前文中獼猴桃物理尺寸參數(shù)和整體分級(jí)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，輸送機(jī)皮帶具體設(shè)計(jì)如下：皮帶周長(zhǎng)4 650 mm，寬315mm；皮帶上均勻熔接擋條，擋條為透明材料，寬225mm，高20mm，厚3mm，間隔150mm。

2.5 側(cè)擋板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了防止獼猴桃在輸送的過(guò)程中滾落，設(shè)計(jì)輸送機(jī)側(cè)擋板(見(jiàn)圖5)，該側(cè)擋板與其他機(jī)構(gòu)配合，輔助獼猴桃運(yùn)輸?？紤]到部分側(cè)擋板裝在檢測(cè)箱中，避免影響圖像提取效果，選用亞克力板(透明材料)制作側(cè)擋板機(jī)構(gòu)。亞克力板具有高透明度，透光率達(dá)92%，且有極佳的耐候性，表面強(qiáng)度高，與果實(shí)間的摩擦因數(shù)極低，加工可塑性大，可制成各種所需要的形狀與產(chǎn)品。

圖5 側(cè)擋板機(jī)構(gòu)圖

根據(jù)表1獼猴桃的外形尺寸參數(shù)和皮帶的設(shè)計(jì)要求，選定總的擋板長(zhǎng)度為1 500mm、寬度30mm、厚度4mm，通過(guò)螺栓連接在輸送機(jī)側(cè)面。

2.6 角度調(diào)整桿的設(shè)計(jì)

根據(jù)獼猴桃果實(shí)滑動(dòng)摩擦角實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，可以得到摩擦傾角的最佳值，設(shè)計(jì)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整桿。角度調(diào)整桿由螺栓桿和調(diào)整螺母組成，綜合考慮到本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獼猴桃在重力作用下下滑實(shí)現(xiàn)分級(jí)的設(shè)計(jì)要求及未來(lái)的應(yīng)用拓展要求，角度調(diào)整桿總長(zhǎng)為300mm，有效調(diào)整長(zhǎng)度250mm，角度調(diào)整桿的角度調(diào)整范圍為0°～45°。

3 外觀尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

外觀檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括光電傳感器1、LED貼片燈帶、攝像頭固定支架和攝像頭。攝像頭采用Microsoft Life Cam Studio微軟攝像頭，選用像素為640×360，攝像頭拍攝端面距離傳送帶的垂直高度為12cm。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到獼猴桃的位置信息時(shí)，便通過(guò)控制系統(tǒng)控制攝像頭采集果實(shí)圖像，同時(shí)借助MatLab編寫的程序?qū)D像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得出獼猴桃大小等級(jí)信息。為了適應(yīng)輸送帶角度的調(diào)整，攝像頭固定支架也設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)角度的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)支架和光源如圖6所示。

1.調(diào)節(jié)開(kāi)槽 2.安裝板 3.固定孔

攝像頭支架上設(shè)計(jì)一個(gè)圓形開(kāi)孔，尺寸根據(jù)攝像頭外徑加工，便于安裝攝像頭。該支架通過(guò)環(huán)形圓筒內(nèi)開(kāi)槽及相應(yīng)的螺栓螺母的配合來(lái)調(diào)節(jié)傾斜角度(所用螺母為蝶形螺母，方便調(diào)節(jié))，使攝像頭端面配合傳送帶角度的調(diào)節(jié)能始終保持與傳送帶垂直；同時(shí)，在安裝板兩底部固定有4段成正方形排列的LED貼片燈帶，為攝像頭提供必須的光源條件，光源功率為12W，供電電壓為12V。

4 分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括分離擋板、旋轉(zhuǎn)電磁鐵、光電傳感器及集果槽等。單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)箱內(nèi)的等級(jí)判定結(jié)果，以及光電傳感器對(duì)果實(shí)的位置感應(yīng)，通過(guò)繼電器的作用，分別控制相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)相應(yīng)的分離擋板打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離。圖7為分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖，旋轉(zhuǎn)磁鐵和分離擋板之間通過(guò)固態(tài)膠進(jìn)行連接。根據(jù)獼猴桃外觀尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用分析，選擇旋轉(zhuǎn)磁鐵的型號(hào)為TAU7042X-35R，該旋轉(zhuǎn)磁鐵的通電電壓為24 V，旋轉(zhuǎn)角度為35°。經(jīng)試驗(yàn)，可以滿足獼猴桃穩(wěn)定落下的要求。

1.旋轉(zhuǎn)電磁鐵 2.光電傳感器 3.分離擋板 4.集果槽

5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、STC15單片機(jī)、光電開(kāi)關(guān)及繼電器等組成，其主要功能包括：獼猴桃在傳送帶上運(yùn)行，當(dāng)光電傳感器1檢測(cè)到獼猴桃的位置信息時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制攝像頭采集果實(shí)圖像，并通過(guò)與MatLab之間的串口通訊完成對(duì)圖像的實(shí)時(shí)處理，得出獼猴桃大小等級(jí)信息；隨后，獼猴桃繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)獼猴桃到達(dá)所判定等級(jí)的分級(jí)槽處時(shí)，對(duì)應(yīng)等級(jí)的光電傳感器檢測(cè)到獼猴桃的位置信息，通過(guò)單片機(jī)對(duì)繼電器的作用，控制相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使相應(yīng)的分離擋板打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

6.1 圖像處理

試驗(yàn)樣機(jī)如圖9(a)所示。其右側(cè)為外觀尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)部分，攝像頭拍攝端面距離傳送帶的垂直高度為12cm，燈帶接12V電源。系統(tǒng)工作時(shí)，攝像頭采集獼猴桃果實(shí)的圖像后，計(jì)算機(jī)通過(guò)MatLab算法對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)在線處理，依次進(jìn)行灰度化處理、二值化、最大類間方差法(OTSU)獲取閾值、中值濾波去除噪聲干擾及空洞填充等處理，最終通過(guò)計(jì)算面積圖像中的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)得出獼猴桃橫截面的像素面積。圖9(b)為部分圖像處理過(guò)程圖。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)與圖像處理

6.2 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定試驗(yàn)

選取100 個(gè)大小不一且形狀較規(guī)則的同品種、同批次的獼猴桃作為樣本，在傳送帶運(yùn)行速度為800r/min條件下，擬合獼猴桃像素面積與其實(shí)際質(zhì)量的關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)，得出獼猴桃圖像的像素面積S與其實(shí)際質(zhì)量M之間的近似關(guān)系為

M=-16.6224+0.00509S

(2)

參照獼猴桃等級(jí)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)[15]，并結(jié)合式(2)得出獼猴桃按像素面積分級(jí)的指標(biāo)，如表3所示。

表3 猴桃大小標(biāo)準(zhǔn)及像素閾值

6.3 分級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)獼猴桃在傳送帶上穩(wěn)定輸送狀況的試驗(yàn)結(jié)果，選定能使獼猴桃穩(wěn)定輸送的傳送帶運(yùn)行速度為800 r/min，將100個(gè)大小不一且形狀較規(guī)則的同品種、同批次的獼猴桃根據(jù)實(shí)際質(zhì)量分為大、中、小3個(gè)等級(jí)，包括大果11個(gè)、中果47個(gè)、小果42個(gè)，進(jìn)行在線大小分級(jí)試驗(yàn)。最終在線分級(jí)得到的1等果(即大果)為14個(gè)，其中有大果11個(gè)、中果3個(gè)；2等果共46個(gè)，其中有44個(gè)中果、2個(gè)小果；3等果共40個(gè)，其中有40個(gè)小果。數(shù)據(jù)整理中發(fā)現(xiàn)：分級(jí)錯(cuò)誤的果實(shí)都是在靠近等級(jí)劃分指標(biāo)的邊界處。試驗(yàn)結(jié)果整理如表4所示。由表4可知：該設(shè)備大小分級(jí)的平均準(zhǔn)確率為96.3%，平均單個(gè)獼猴桃分級(jí)時(shí)間約為2.5s。由上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知：在果實(shí)等級(jí)劃分指標(biāo)的分界處，容易造成分級(jí)的錯(cuò)誤。為了保證果實(shí)的優(yōu)先級(jí)別，可以對(duì)公式(2)進(jìn)行修正，將原有常數(shù)項(xiàng)-16.622 4改為-17.622 4，從而保證經(jīng)該裝置分級(jí)得出的大果和中果的品質(zhì)。

表4 大小分級(jí)結(jié)果

7 結(jié)論

1)分別對(duì)水果的輸送機(jī)構(gòu)、外觀尺寸檢測(cè)機(jī)構(gòu)、分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用傾斜式輸送帶平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，對(duì)水果損傷小。

2)對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行了樣機(jī)試制和性能驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)的平均分級(jí)成功率為96.3%，單個(gè)獼猴桃分級(jí)時(shí)間約為2.5 s。

3)該生產(chǎn)線具有很高的通用性，可以完成多種球型水果的分級(jí)，提高了我國(guó)水果的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。該檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為今后完成多特征指標(biāo)的融合分級(jí)提供基礎(chǔ)和依據(jù)。研究不同球型水果的大小分級(jí)模型，同時(shí)增加分級(jí)指標(biāo)，完成多指標(biāo)融合分級(jí)是下一步研究的主要目標(biāo)。

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Design and Experiment on Automatic Grading System of Appearance Size for Kiwi

Qu Ting, Qi Kangkang, Liu Yadong, Zhang Shasha, Gao Jianmin, Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electric Engineering, Northwest Agricultural and Forestry University, Yangling 712100, China)

Existing kiwi grading machine mainly classified fruits based on the weight, while consumers focus more on the appearance quality of fruit and the popularity of large equipment is quite difficult under this small-scale farmers oriented market environment. In order to achieve automatic sorting of kiwi and meet the needs of kiwi farmers, we designed a small online detection and classification systems of kiwi based on machine vision. This system is mainly composed of transport institutions, testing institutions, grading actuator and control system. The transport mechanism uses inclined conveyor which is with a simple structure and easy to deliver and grade kiwi. Detecting mechanism using image processing methods derives the kiwis’ size classify information. The classifying actuator achieves separation of kiwi through the kiwis’ gravity and the opening and closing of the rotating magnet. Finally, a prototype was made and the verification test results showed that, the system's average grading accuracy could reach to 96.3%, and a single kiwi classification time is about 2.5s. The design of this detection and grading system provide the basis for the completion of multi-feature fusion index rating in the future.

kiwi fruit; machine vision; classification system; online detection

2016-08-16

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTCQ02-12)

屈 婷(1990-)，女，山東泰安人，碩士研究生， (E-mail)quliting1234@163.com。

崔永杰(1971-)，男(朝鮮族)，吉林圖們?nèi)耍苯淌?，博士生?dǎo)師， (E-mail)cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

S126；TP278

A

1003-188X(2017)10-0098-06