基于机器视觉技术的马铃薯分级控制装置

1.一种基于机器视觉技术的马铃薯分级控制装置，其特征在于：包括低速输送带（1）、加速滑槽（2）、毛刷辊（3）、摄像机（4）、控制处理单元（8）、高速输送带（14）、出料斜槽（16）、机架（17）和分选执行机构（28）；加速滑槽（2）上端位于低速输送带（1）输出端的下部，加速滑槽（2）下端位于高速输送带（14）输入端的上部，从左至右低速输送带（1）、加速滑槽（2）和高速输送带（14）均依次固定在机架（17）上，在高速输送带（14）机架（17）的两侧之间安装有毛刷辊（3），毛刷辊（3）位于高速输送带（14）上方；分选执行机构（28）包括空气喷射器（7）和导向机构（15），分选执行机构（28）位于高速输送带（14）和出料斜槽（16）之间，空气喷射器（7）通过机架（17）安装在高速输送带（14）和导向机构（15）之间，空气喷射器（7）位于高速输送带（14）出口的上方，导向机构（15）位于高速输送带（14）出口的下方；在毛刷辊（3）和空气喷射器（7）之间的机架（17）上安装有光照箱，光照箱内装有摄像机（4），摄像机视场（33）宽度与导向机构（15）宽度以及高速输送带（14）宽度相一致，摄像机（4）、空气喷射器（7）和导向机构（15）与控制处理单元（8）连接；所述控制处理单元（8）包括计算机和程序控制器；
所述导向机构（15），包括多根凹曲面的导向拨杆（11）、与导向拨杆（11）相同数目的摆尾型气缸（18）和支撑板（19）；每根导向拨杆（11）的一端插入各自第三U型联接件（23c）的第二销孔（25b）中，通过各自第三销钉（22c）铰接，第三U型联接件（23c）的另一端通过各自导向拨杆紧固螺钉（24）与机架（17）连接；多根导向拨杆（11）中间部分插入各自第二U型联接件（23b）的第一销孔（25a）中，通过各自第二销钉（22b）铰接，第二U型联接件（23b）的另一端与各自摆尾型气缸（18）的活塞杆上端连接；每个摆尾型气缸（18）的下端插入各自第一U型联接件（23a）中，通过各自第一销钉（22a）铰接，第一U型联接件（23a）的另一端通过各自气缸紧固螺钉（20）固定在支撑板（19）上，支撑板（19）通过支撑板紧固螺钉（21）与机架（17）连接；所述的多根凹曲面导向拨杆（11），其曲率半径大于马铃薯的曲率半径；
所述出料斜槽（16），包括上出料斜槽（9）和下出料斜槽（10），当检测到待分级马铃薯（6）时，摆尾型气缸（18）将导向拨杆（11）向上推出，待分级马铃薯（6）与导向拨杆（11）发生碰撞，且与导向拨杆（11）之间形成碰撞角度（27），使马铃薯在导向拨杆（11）曲面上滑动并飞出到上出料斜槽（9）；当检出到合格马铃薯（5）时，导向拨杆（11）不向上推出，合格马铃薯（6）直接进入下出料斜槽（10）；上出料斜槽（9）和下出料斜槽（10）分别与各自的皮带输送系统相连。

基于机器视觉技术的马铃薯分级控制装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种马铃薯分级控制方法及装置，尤其是涉及一种基于机器视觉技术的马铃薯分级控制装置。\n背景技术\n[0002] 马铃薯富含碳水化合物，以及蛋白质、矿物质（磷、钙等）、维生素等多种营养成分，有“地下苹果”之称。\n[0003] 目前，我国马铃薯的产量和收获面积均位居世界首位，但马铃薯加工转化率仅在\n15%左右，其发展水平明显滞后于发达国家。我国虽是马铃薯生产大国，却不是马铃薯产业强国；马铃薯深加工对马铃薯质量要求较高，如何获得高商品性的马铃薯成为制约我国马铃薯产业进一步发展的重要因素。\n[0004] 传统的马铃薯分选方法包括人工分选和机械分选，人工分选耗时耗力、准确率低，而传统的机械分选虽说分选效率有所提升，但其分级指标单一，容易引起马铃薯损伤。现如今，随着科学技术的不断发展，利用先进的检测技术进行农产品的分选已经成为未来的发展趋势。\n[0005] 公告号为CN202539096U的专利公开了一种果蔬分选剔除机构，尤其是适用于大型果蔬的分选剔除机构，可将混在果蔬之中的土块、石头及玻璃等剔除，也可将不成熟的果实进行剔除。该专利采用迎面击打果蔬的方式，且分选后的果蔬直接跌落到物料仓中，容易对果蔬造成损害；采用单一的剔除方式，不能十分有效地去除各类杂质。\n发明内容\n[0006] 为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉技术的马铃薯分级控制装置，利用机器视觉技术实现杂质、不同品质马铃薯的快速检测；根据检测结果，利用空气喷射器剔除马铃薯中的杂质，控制导向机构以合适的导向拨杆数目来剔除待分级马铃薯，而合格马铃薯直接进入下出料斜槽，进而完成马铃薯的分选。\n[0007] 本发明采用的技术方案如下：\n[0008] 一、一种基于机器视觉技术的马铃薯分级控制方法：\n[0009] 摄像机的视场宽度与导向机构宽度相一致；在图像检测时，根据导向机构中导向拨杆的数目将摄像机视场划分成相同个数的虚拟通道，每个导向拨杆对应一个虚拟通道；\n用逻辑值来表示每个虚拟通道上是否存在待分级马铃薯，0表示该虚拟通道中不存在待分级马铃薯，1表示该虚拟通道内存在待分级马铃薯；控制处理单元根据检测得到的逻辑值来控制导向拨杆是否动作，只有当逻辑值为1时，其所对应的导向拨杆才由气缸向上推出，马铃薯与导向拨杆接触而改变运行轨迹，分离到对应的出料斜槽中；由于马铃薯物料在高速输送带上呈无序状态排列，而且马铃薯的大小也不同，所占据的虚拟通道数可能是一个或多个；根据图像检测结果，以马铃薯检测横径为直径画一个虚拟圆，根据虚拟圆所占据的虚拟通道来确定采用一个或多个导向拨杆来分离马铃薯，从而准确地实现不同等级马铃薯的有效分选。\n[0010] 二、一种基于机器视觉技术的马铃薯分级装置：\n[0011] 本发明包括低速输送带、加速滑槽、毛刷辊、摄像机、控制处理单元、高速输送带、出料斜槽、机架和分选执行机构；加速滑槽上端位于低速输送带输出端的下部，加速滑槽下端位于高速输送带输入端的上部，从左至右低速输送带、加速滑槽和高速输送带均依次固定在机架上，在高速输送带机架的两侧之间安装有毛刷辊，毛刷辊位于高速输送带上方；分选执行机构包括空气喷射器和导向机构，分选执行机构位于高速输送带和出料斜槽之间，空气喷射器通过机架安装在高速输送带和导向机构之间，空气喷射器位于高速输送带出口的上方，导向机构位于高速输送带出口的下方；在毛刷辊和空气喷射器之间的机架上安装有光照箱，光照箱内装有摄像机，摄像机视场宽度与导向机构宽度以及高速输送带宽度相一致，摄像机、空气喷射器和导向机构与控制处理单元连接；所述控制处理单元包括计算机和程序控制器。\n[0012] 所述导向机构，包括多根凹曲面的导向拨杆、与导向拨杆相同数目的摆尾型气缸和支撑板；每根导向拨杆的一端插入各自第三U型联接件的第二销孔中，通过各自第三销钉铰接，多根第三U型联接件的另一端通过各自导向拨杆紧固螺钉与机架连接；多根导向拨杆中间部分插入各自第二U型联接件的各自第一销孔中，通过各自第二销钉铰接，第二U型联接件的另一端与各自摆尾型气缸的活塞杆上端连接；每个摆尾型气缸的下端插入各自第一U型联接件中，通过各自第一销钉铰接，第一U型联接件的另一端通过各自气缸紧固螺钉固定在支撑板上，支撑板通过支撑板紧固螺钉与机架连接；所述的多根凹曲面导向拨杆，其曲率半径大于马铃薯的曲率半径。\n[0013] 所述出料斜槽，包括上出料斜槽和下出料斜槽，当检测到待分级马铃薯时，摆尾型气缸将导向拨杆向上推出，待分级马铃薯与导向拨杆发生碰撞，且与导向拨杆之间形成碰撞角度，使马铃薯在导向拨杆曲面上滑动并飞出到上出料斜槽；当检出到合格马铃薯时，导向拨杆不向上推出，合格马铃薯直接进入下出料斜槽；上出料斜槽和下出料斜槽分别与各自的皮带输送系统相连。\n[0014] 本发明具有的有益效果是：\n[0015] 本发明可以实现杂质、不同品质马铃薯的快速检测分选，利用空气喷射器剔除杂质，控制马铃薯与导向拨杆之间的碰撞角度来降低碰撞力，减少马铃薯的机械损伤；根据马铃薯的检测横径采用一个或多个导向机构对马铃薯进行剔除，准确地实现待分级马铃薯的有效分选；本发明可用于马铃薯、西红柿、洋葱等体积较大果蔬的分选。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明工作原理的示意图。\n[0017] 图2是本发明的等轴测图。\n[0018] 图3是导向机构的等轴测图。\n[0019] 图4是导向拨杆的等轴测图。\n[0020] 图5是杂质运动轨迹和合格马铃薯运动轨迹的示意图。\n[0021] 图6是杂质运动轨迹和待分级马铃薯运动轨迹的示意图。\n[0022] 图7是摄像机视场的示意图。\n[0023] 图8是逻辑值表。\n[0024] 图9是导向机构的俯视图。\n[0025] 图10是导向拨杆分级工作的等轴测图。\n[0026] 图中：1、低速输送带；2、加速滑槽；3、毛刷辊；4、摄像机；5、合格马铃薯；6、待分级马铃薯；7、空气喷射器；8、控制处理单元；9、上出料斜槽；10、下出料斜槽；11、导向拨杆；12、导向机构壳体；13、杂质；14、高速输送带；15、导向机构；16、出料斜槽；17、机架；18、摆尾型气缸；19、支撑板；20、气缸紧固螺钉；21、支撑板紧固螺钉；22a、第一销钉；22b、第二销钉；\n22c、第三销钉；23a、第一U型联接件；23b、第二U型联接件；23c、第三U型联接件；24、导向拨杆紧固螺钉；25a、第一销孔；25b、第二销孔；26、马铃薯正常运动轨迹；27、碰撞角度；28、分选执行机构；29、杂质运动轨迹；30、待分级马铃薯运动轨迹；31、虚拟圆；32、虚拟通道；33、摄像机视场；34、逻辑值。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。\n[0028] 如图1、图2所示，本发明包括低速输送带1、加速滑槽2、毛刷辊3、摄像机4（型号为DFK 23GM021）、控制处理单元8、高速输送带14、出料斜槽16、机架17和分选执行机构28；加速滑槽2上端位于低速输送带1输出端的下部，加速滑槽2下端位于高速输送带14输入端的上部，加速滑槽2用来加速马铃薯物料的前进速度，增大输送通道上前后马铃薯物料之间的距离；从左至右低速输送带1、加速滑槽2和高速输送带14均依次固定在机架17上，机架17两侧之间安装毛刷辊3，毛刷辊3位于高速输送带14上方；分选执行机构28包括空气喷射器7和导向机构15，分选执行机构28位于高速输送带14和出料斜槽16之间，空气喷射器7通过机架\n17安装在高速输送带14和导向机构15之间，空气喷射器7位于高速输送带14的上方，导向机构15位于高速输送带14的下方，导向机构15安装在导向机构壳体12中；在毛刷辊3和空气喷射器7之间的机架17上安装有光照箱（未示出），光照箱（未示出）内装有摄像机4，摄像机4、空气喷射器7、导向机构15与控制处理单元8连接，其中摄像机4与计算机（型号为DELL OPTIPLEX 3010）通过千兆网连接，计算机（未示出）与程序控制器（型号为TPC16-16TDB）通过USB连接，程序控制器（未示出）通过电磁阀控制摆尾型气缸18的运动；出料斜槽16，包括上出料斜槽9和下出料斜槽10，出料斜槽16安装在机架17上。\n[0029] 毛刷辊3与高速输送带14的输入端保持一定的距离，毛刷辊3与高速输送带14之间的间距可根据马铃薯物料的大小进行调整；通过毛刷辊3一方面使相同通道上马铃薯物料之间保持合适的距离，另一方面保证从加速滑槽2中滑下的马铃薯物料在高速输送带14上单层平稳输送，便于摄像机4进行马铃薯图像的采集；高速输送带14的带速不小于1.5m/s，以保证马铃薯物料能从输出端抛出足够远的距离，便于进行分选，同时也可提高分选速度。\n[0030] 如图1所示，马铃薯物料输送到摄像机4的视场内时，由控制处理单元8触发摄像机\n4采集图像，控制处理单元8完成图像分割与处理，以及形状、颜色和大小的提取（未示出，如国内专利ZL 200510049489.2、ZL200710071415.8、ZL 200510049488.8已公开的技术所述），根据形状特征检测出杂质13，根据颜色、大小和形状特征将马铃薯物料分为合格马铃薯5和待分级马铃薯6；在实际生产中，杂质13可以是石头、茎杆、叶片以及烂马铃薯等，待分级马铃薯6可以是其他等级的马铃薯、表面有绿斑的马铃薯、破损的马铃薯、畸形的马铃薯以及发芽的马铃薯等。\n[0031] 如图3、图4所示，所述导向机构15，包括多根凹曲面的导向拨杆11、与导向拨杆11相同数目的摆尾型气缸18和支撑板19；每根导向拨杆11的一端插入各自第三U型联接件23c的第二销孔25b中，通过各自第三销钉22c铰接，第三U型联接件23c的另一端通过各自导向拨杆紧固螺钉24与机架17连接；多根导向拨杆11中间部分插入各自第二U型联接件23b的第一销孔25a中，通过各自第二销钉22b铰接，第二U型联接件23b的另一端与各自摆尾型气缸\n18的活塞杆上端连接；每个摆尾型气缸18的下端插入各自第一U型联接件23a中，通过各自第一销钉22a铰接，第一U型联接件23a的另一端通过各自气缸紧固螺钉20固定在支撑板19上，支撑板19通过支撑板紧固螺钉21与机架17连接；所述的多根凹曲面导向拨杆11，其曲率半径大于马铃薯的曲率半径。\n[0032] 如图5、图6所示，经检测后的马铃薯物料从高速输送带14抛出，做平抛运动，马铃薯物料在空气喷射器7和导向机构15的作用下分别形成了马铃薯正常运动轨迹26、杂质运动轨迹29、待分级马铃薯运动轨迹30；对于杂质13，由控制处理单元8触发空气喷射器7产生高速气流，将杂质13剔除；对于待分级马铃薯6，由控制处理单元8触发导向机构15，控制摆尾型气缸18将一定数目的导向拨杆11向上推动到合适位置，待分级马铃薯6与导向拨杆11发生碰撞后，运动轨迹发生改变，待分级马铃薯6进入上出料斜槽9；对于合格马铃薯5，空气喷射器7和导向机构15均不触发，合格马铃薯5一直做平抛运动，沿着马铃薯正常运动轨迹\n26进入下出料斜槽10，完成马铃薯的分级，上出料斜槽9和下出料斜槽10分别与各自的皮带输送系统（未示出）相连。\n[0033] 如图5、图6所示，碰撞角度27表示马铃薯的速度与所接触平面之间的夹角；由接触力学原理可得，碰撞角度27越小，马铃薯所受的碰撞力也会越小，压缩变形量越小、损伤的可能性也会降低，同时减少对摆尾型气缸18的冲击力，延长工作寿命。\n[0034] 如图4、图6、图10所示，导向拨杆11的接触表面为凹曲面，其曲率半径大于马铃薯的曲率半径；保证马铃薯与导向拨杆11之间形成合适的碰撞角度27，碰撞角度27控制在0°～15°；通过控制碰撞角度27的大小，待分级马铃薯6与导向拨杆11碰撞后，在导向拨杆11曲面上快速滑动并飞出，进入上出料斜槽9，完成待分级马铃薯6的准确分选。\n[0035] 所述的摄像机视场33宽度(如图7所示)与导向机构15宽度(如图9所示)相一致，在图像检测时，根据导向机构15中导向拨杆11的数目将摄像机视场33划分成相同个数的虚拟通道32，其中每个导向拨杆11对应一个虚拟通道32；如图8所示，用逻辑值34来表示每个虚拟通道32上是否存在待分级马铃薯6的检测处理结果，0表示该虚拟通道32中不存在待分级马铃薯6，1表示虚拟通道32内存在待分级马铃薯6；控制处理单元8根据检测得到的逻辑值\n34来控制导向拨杆11是否动作，只有当逻辑值34为1时，其所对应的导向拨杆11才向上推出，对待分级马铃薯6进行剔除。由于马铃薯物料在高速输送带14上呈无序状态排列，而且马铃薯的大小也不同，所占据的虚拟通道32数可能是一个或多个，具体实施时可以根据图像检测结果，以马铃薯检测横径为直径画一个虚拟圆31，根据虚拟圆31所占据的虚拟通道\n32来确定采用一个或多个导向拨杆11剔除马铃薯，从而准确地实现待分级马铃薯6的有效分选。\n[0036] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。