王文超 葛鳳麗 徐文凱 趙魯海 李 娟

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 青島 266109；3. 山東省煙臺蘋果大數(shù)據(jù)有限公司，山東 煙臺 264003)

中國市場上銷售的水果大多依靠機(jī)械配合人工實(shí)現(xiàn)分級。然而人工分級具有勞動量大、效率低、主觀性強(qiáng)且分選精度不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。目前的分選裝置主要是根據(jù)水果的大小和重量進(jìn)行分選，分選方式主要分為機(jī)械式和電子式[1]。機(jī)械式分選機(jī)主要通過調(diào)整不同間隙來實(shí)現(xiàn)水果的分選，因此對于非球形水果，極易出現(xiàn)誤分現(xiàn)象。同時，機(jī)械式水果分選機(jī)只能區(qū)分水果的大小，并不能區(qū)分水果品質(zhì)差異，是一種相對粗糙的分選裝置。電子式分選機(jī)則利用壓力傳感器，獲取水果的重量信息，并對其進(jìn)行判斷，完成水果大小和重量的分類[2-4]。與機(jī)械式分選機(jī)相比，電子式分選機(jī)更加快速準(zhǔn)確，已經(jīng)能夠滿足對水果大小和重量的分選需求。

然而，除了重量和大小外，水果的品質(zhì)指標(biāo)還包括顏色、光澤、表面損傷等外部品質(zhì)指標(biāo)和糖度、酸度、可溶性固形物、內(nèi)部缺陷、病蟲害等內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)[5-7]。目前這些指標(biāo)研究多停留在理論上[5]或者實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段[6-7]，而實(shí)用化的產(chǎn)品較少。隨著人工智能的廣泛應(yīng)用[8-11]，人工智能也被應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分級[12-16]等領(lǐng)域，如利用人工智能對水果大小[17-18]、缺陷[19-20]等方面進(jìn)行檢測和分選。然而，目前國內(nèi)自主研發(fā)的水果品質(zhì)分選機(jī)主要是根據(jù)水果的重量進(jìn)行分選，能根據(jù)損傷、糖度等內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行分選的分選機(jī)基本靠國外進(jìn)口或者是與國外廠商進(jìn)行合作的產(chǎn)品。而且，目前的分選裝置無水果清洗環(huán)節(jié)，同時在分選時常會出現(xiàn)掉果現(xiàn)象。試驗(yàn)擬研發(fā)一種新型帶預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水果品質(zhì)分選機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)水果品質(zhì)分級的同時解決水果清洗問題和掉果問題，為水果生產(chǎn)過程全自動化提供依據(jù)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

水果品質(zhì)分選機(jī)由機(jī)械部分和電氣控制部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由預(yù)處理機(jī)械部分和分選機(jī)械部分組成。

1.1 預(yù)處理機(jī)械部分

預(yù)處理裝置總體結(jié)構(gòu)及局部圖如圖1所示，分為4個模塊：水洗模塊、上果模塊、風(fēng)干擦拭模塊和輸送模塊，其中，水洗模塊的作用是對水果進(jìn)行初步清洗。為節(jié)約縱向占地面積和提高單次處理水果數(shù)目，水槽設(shè)計成U型。在U型水槽的末端和深水槽區(qū)設(shè)置管道，利用離心泵帶動水流循環(huán)，保證水果逐步移向上果模塊。水果在移動至上果模塊前，經(jīng)毛刷輥4完成表面清洗工作。

1. 減速齒輪箱 2. 上果鏈電機(jī) 3. 鉸鏈 4. 清洗毛刷輥 5. 風(fēng)扇 6. 擦拭毛刷輥 7. 雜物槽 8. 梯形口 9. U型槽 10. 輸送帶 a. 水洗模塊 b. 上果模塊 c. 風(fēng)干擦拭模塊 d. 輸送模塊

上果模塊由減速齒輪箱1、上果鏈電機(jī)2以及帶等間隔鋼管的鉸鏈3組成，該部分的作用是將水洗模塊中的水果輸送到后續(xù)模塊。其中，鋼管等間隔排列，作用是固定水果且進(jìn)行一定程度的瀝干。風(fēng)干擦拭模塊的頂部安裝兩臺0.73 kW的風(fēng)扇5對水果表面進(jìn)行風(fēng)干。為在對水果表面進(jìn)行進(jìn)一步清潔的同時避免水果因擠壓而造成損傷，設(shè)置了一排傾斜10°向下的擦拭毛刷輥6，擦拭毛刷輥沿水果運(yùn)輸方向順勢針旋轉(zhuǎn)，使水果在其旋轉(zhuǎn)及自身重力作用下勻速移向皮帶輸送模塊。在擦拭毛刷輥排下設(shè)置雜物槽7，用來盛放由毛刷輥清潔下來的水果表面雜物。為達(dá)成水果單列排布的目的，同時避免在該過程中對水果造成損傷，在風(fēng)干擦拭模塊與皮帶輸送模塊的連接處設(shè)計一種帶U型槽9的梯形口8，利用輸送帶10和風(fēng)干擦拭模塊之間的速度差，將多列水果從U型槽處傳輸?shù)捷斔蛶鲜蛊渥優(yōu)閱瘟小Ｍ瑫r在傳送帶兩端設(shè)置兩塊斜擋板。這些結(jié)構(gòu)避免了多個水果同時送上傳送帶的現(xiàn)象，進(jìn)一步避免了掉果現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 分選機(jī)械部分

分選機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，該部分是完成水果品質(zhì)檢測及分選工作。按照功能和分選流程順序，分選部分可以分為3個區(qū)域：上果區(qū)、品質(zhì)檢測區(qū)和分果區(qū)。

a. 上果區(qū) b. 品質(zhì)檢測區(qū) c. 分果區(qū) d. 果盤計數(shù)模塊

該部分使用果盤作為運(yùn)輸鏈輸送水果，并在上果區(qū)將已清洗、單列化的水果平穩(wěn)地送入果盤。輸送鏈上設(shè)有暗箱，按照水果的分選需求在暗箱中設(shè)置對應(yīng)環(huán)形光源、高精度相機(jī)和近紅外糖度檢測裝置，利用計算機(jī)視覺和近紅外光譜進(jìn)行水果品質(zhì)圖像的采集工作。在暗箱前方4個果盤距離的位置處，設(shè)置果盤計數(shù)模塊，模塊由激光發(fā)射器和光電傳感器構(gòu)成，在兩者之間的導(dǎo)軌處設(shè)有小孔。分果區(qū)主要由分果槽和電磁彈出裝置構(gòu)成，利用電磁彈出裝置將水果從運(yùn)輸鏈上分選至分選槽中，實(shí)現(xiàn)水果的分選。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

電氣控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、品質(zhì)檢測、計數(shù)、顯示、復(fù)位和驅(qū)動7個模塊。

圖3 電氣控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)經(jīng)初始化復(fù)位后，通過品質(zhì)檢測模塊獲取水果信息，將這些信息送給上位機(jī)進(jìn)行處理，給出水果的品質(zhì)分類，并將分類結(jié)果送給下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)接收的上位機(jī)信息，利用計數(shù)模塊將水果分等級計數(shù)并獲取位置信息，經(jīng)由下位機(jī)控制器控制電磁驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)的水果分選，并將水果輸送到對應(yīng)的儲存區(qū)域。下位機(jī)還負(fù)責(zé)對分選結(jié)果進(jìn)行顯示，以及對分選的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

選用STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為下位機(jī)控制器，選用Jetson Xavier NX工控機(jī)作為上位機(jī)控制器。品質(zhì)檢測模塊獲取的水果品質(zhì)圖像經(jīng)交換機(jī)發(fā)送到上位機(jī)上，在上位機(jī)上進(jìn)行人工智能識別后，通過RS232通訊模塊連接下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，通訊模塊硬件電路圖如圖4所示。顯示模塊選用迪文DGUS觸摸顯示屏，主要負(fù)責(zé)分選機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和分選結(jié)果的顯示。觸摸屏中設(shè)有虛擬按鍵，可以完成水果品質(zhì)分類區(qū)間的設(shè)置工作。

圖4 RS232通訊模塊硬件電路圖

分選驅(qū)動電路如圖5所示，K1連接下位機(jī)，當(dāng)K1獲高電平信號時，電磁鐵電路導(dǎo)通。下位機(jī)共設(shè)有K1～K16引腳連接分選驅(qū)動電路，可完成16個等級的水果品質(zhì)分選任務(wù)。

圖5 分選驅(qū)動電路圖

水果傳感計數(shù)電路圖如圖6所示，工作狀態(tài)下，LED3燈常亮，根據(jù)果盤經(jīng)過小孔時導(dǎo)致光電傳感器電平的變化實(shí)現(xiàn)對果盤的計數(shù)功能。

圖6 傳感計數(shù)電路圖

2.3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。該部分僅對水果分選、水果品質(zhì)分析和顯示3個主要模塊進(jìn)行介紹。

圖7 主程序流程圖

(1) 顯示模塊：該模塊流程圖如圖8所示，在觸摸屏上，除顯示分選結(jié)果的界面外，還設(shè)有2個按鍵及數(shù)字鍵盤?！扒辶恪辨I按下后將對所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)清零，“調(diào)試”鍵按下后系統(tǒng)進(jìn)入?yún)^(qū)間設(shè)置模式，修改對應(yīng)分選區(qū)域的分類區(qū)間范圍，實(shí)現(xiàn)水果品質(zhì)分類區(qū)間的設(shè)置工作。

圖8 顯示模塊流程圖

(2) 水果品質(zhì)分析模塊：該模塊流程圖如圖9所示，先對人工采集的水果品質(zhì)圖像進(jìn)行人工智能模型訓(xùn)練，獲取人工智能模型，并保存到工控機(jī)中。利用品質(zhì)檢測模塊獲取水果品質(zhì)圖像，并實(shí)時地將圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)，通過已訓(xùn)練的模型完成對水果品質(zhì)的分類，并將結(jié)果返回到下位機(jī)單片機(jī)中并對不同品質(zhì)水果計數(shù)，由下位機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)將不同類別的水果送至相應(yīng)的儲存區(qū)。

圖9 水果品質(zhì)分析流程圖

(3) 分選控制模塊：該模塊流程圖如圖10所示。根據(jù)分選需求設(shè)置各分選區(qū)間設(shè)定值，在單片機(jī)中將水果品質(zhì)信息m依次與設(shè)定值a0、a1、a2、…、an(n≤15)進(jìn)行比較，如果判定為是，將控制對應(yīng)的繼電器令電磁驅(qū)動電路導(dǎo)通，使對應(yīng)的電磁彈出裝置彈起，令水果在對應(yīng)位置彈出。

圖10 分選控制流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分選機(jī)的有效性，選用11 500個蘋果進(jìn)行試驗(yàn)，其中包括有損傷蘋果500個，無損傷健康蘋果11 000個。分選用時96 min，所有損傷蘋果均被分選到了壞果區(qū)中，但有4個無損傷蘋果被誤選到壞果區(qū)中。試驗(yàn)結(jié)果表明：蘋果的外觀損傷和糖度分選工作效率為7 200個/h；外觀損傷分選的準(zhǔn)確率達(dá)99%；糖度檢測分選的分辨率為0.1%。分選機(jī)在分選過程中未造成蘋果損傷且未發(fā)生掉果現(xiàn)象。

4 結(jié)論

將工控機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，研發(fā)了一種水果品質(zhì)分選機(jī)。結(jié)果表明，該分選機(jī)能實(shí)現(xiàn)對水果的損傷、糖度等內(nèi)外部品質(zhì)的檢測要求，蘋果的外觀損傷和糖度分選工作效率為7 200個/h；外觀損傷分選的準(zhǔn)確率達(dá)99%；糖度檢測分選的分辨率為0.1%，且具有水果清洗功能，在分選后可直接包裝銷售。該水果品質(zhì)分選機(jī)的研究尚處于起步階段，目前只達(dá)成了水果損傷和糖度的品質(zhì)檢測，后續(xù)將進(jìn)行其他品質(zhì)如成熟度、病蟲害等的檢測與分選研究，進(jìn)一步擴(kuò)大檢測對象以增強(qiáng)其適用性。