基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鮮棗分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

康寧波，強(qiáng) 鋒，吳龍國(guó)，王松磊,，何建國(guó),※

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鮮棗分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

康寧波1，強(qiáng) 鋒2，吳龍國(guó)1，王松磊1,2，何建國(guó)1,2※

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

為了提高鮮棗機(jī)器視覺(jué)分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度和速度，該文研究設(shè)計(jì)基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鮮棗機(jī)器視覺(jué)分級(jí)機(jī)，整機(jī)由輥輪輸送鏈、撥板鏈條、電磁鐵、同步傳動(dòng)鏈輪、STM32F407圖像處理器和STM32F103控制動(dòng)作執(zhí)行的協(xié)處理器等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元撥板與輥輪輸送同步，采用靈敏度高的電磁鐵吸附硅鋼開(kāi)關(guān)扣板執(zhí)行動(dòng)作。圖像處理流程為圖像顏色分量、Sobel算子濾波、大津法二值化、橢圓擬合提取顏色和大小特征值。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果：撥板鏈同步位差為0.413 mm，單元撥板擊撞力為2.57 N，紅棗表皮瞬間承受最大力為12.69 N；每幀圖像處理時(shí)間為50 ms，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間為40 ms，輥輪輸送速度為320 mm/s，紅棗分級(jí)速度達(dá)20個(gè)/s，實(shí)現(xiàn)鮮棗5個(gè)大小等級(jí)和1個(gè)綠色等級(jí)的分級(jí)，分級(jí)準(zhǔn)確率為93.7%，無(wú)損率為100%，最大產(chǎn)能達(dá)1 400 kg/h。設(shè)計(jì)的基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鮮棗機(jī)器視覺(jué)分級(jí)機(jī)實(shí)現(xiàn)了鮮棗的高準(zhǔn)確率、高速度、無(wú)損分級(jí)要求，為機(jī)器視覺(jué)紅棗快速分級(jí)設(shè)備的發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐和理論參考。

機(jī)器視覺(jué)；圖像處理；設(shè)計(jì)；電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)；鮮棗；分級(jí)機(jī)

康寧波，強(qiáng) 鋒，吳龍國(guó)，王松磊，何建國(guó). 基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鮮棗分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：254－260.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.033 http://www.tcsae.org

Kang Ningbo, Qiang Feng, Wu Longguo, Wang Songlei, He Jianguo. Design and experiment of synchronization actuator system based on electromagnetism for fresh jujube classifier[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 254－260. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.033 http://www.tcsae.org

0 引 言

利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)果品外部品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)，快速、準(zhǔn)確的分級(jí)，而提高果品自動(dòng)化分級(jí)機(jī)分級(jí)精度和分級(jí)速度是果品機(jī)器視覺(jué)分級(jí)技術(shù)的主要趨勢(shì)和發(fā)展方向[1-5]。果品分級(jí)執(zhí)行方法和圖像處理速度是影響機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵因素，其分級(jí)精度與速度的時(shí)效性相匹配，而且最大限度的保證果品的零損傷[6-10]。

目前國(guó)內(nèi)外根據(jù)果品質(zhì)量、尺寸特點(diǎn)、輸送方式等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制的分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有重量分級(jí)卸料機(jī)構(gòu)、杠桿式卸料機(jī)構(gòu)、推挽式機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)式分級(jí)機(jī)構(gòu)[4-15]。重量分級(jí)卸料機(jī)構(gòu)主體是由電子稱(chēng)重系統(tǒng)控制的平衡杠桿機(jī)構(gòu)組成，適合個(gè)體質(zhì)量較大的果品分級(jí)，廣泛應(yīng)用于蘋(píng)果、柑橘、柚子等水果的分級(jí)，分級(jí)速度高，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重參數(shù)信號(hào)抖動(dòng)影響分級(jí)精度[16]。美國(guó)Tao教授團(tuán)隊(duì)研制了 Merling高速高頻機(jī)器視覺(jué)水果分級(jí)系統(tǒng)，研究了包括頻譜增強(qiáng)、彩色圖像分析、噪聲過(guò)濾與變換技術(shù)，該機(jī)生產(chǎn)率為44 t/h,可用于蘋(píng)果、桔子、桃子等果品分級(jí)[17]。應(yīng)義斌團(tuán)隊(duì)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)黃花梨果面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，確定圖像處理窗口，利用 Sobel算子提取圖像的邊緣信息，然后利用Hilditch法對(duì)邊緣進(jìn)行細(xì)化處理，并提出利用R分量與G分量求受損區(qū)域面積[18]。東南大學(xué)研制的一種杠桿式卸料機(jī)構(gòu)，可直接安裝在水果自動(dòng)分選機(jī)的滾子式水果輸送裝置上，輸送過(guò)程不影響水果的輸送和翻轉(zhuǎn)，輸送速度為616 mm/s，可實(shí)現(xiàn)大型果品的快速分級(jí)[19]。石河子大學(xué)設(shè)計(jì)的干棗機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)機(jī)裝置，輸送速度為150 mm/s，采用氣噴式分級(jí)方式，單通道分級(jí)速度是4個(gè)/s[20]。寧夏大學(xué)研制的紅棗機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)機(jī)采用氣動(dòng)分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸送速度為160 mm/s，單通道分級(jí)速度5個(gè)/s，分級(jí)效果良好，實(shí)現(xiàn)了小型果品的無(wú)損分級(jí)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型果品的分級(jí)方法和分級(jí)執(zhí)行技術(shù)比較成熟，但小型果品如紅棗、金桔、小番茄等由于尺寸小、質(zhì)量輕、易破損等特點(diǎn)不適用現(xiàn)有成熟的杠桿式和質(zhì)量式分級(jí)方法進(jìn)行精準(zhǔn)分級(jí)。目前采用氣噴式分級(jí)方式實(shí)現(xiàn)了鮮棗的無(wú)損、準(zhǔn)確分級(jí)，但分級(jí)速度受限于控制氣噴動(dòng)作的電磁閥觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度，分級(jí)速度提高空間較小[20-23]。因此本文在前期鮮棗分級(jí)機(jī)研究的的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種基于電磁式同步執(zhí)行分級(jí)系統(tǒng)，其電磁鐵直接觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動(dòng)作速度遠(yuǎn)高于電磁閥控制氣噴的執(zhí)行速度，研制的鮮棗分級(jí)機(jī)以期達(dá)到高速、準(zhǔn)確、無(wú)損分級(jí)效果。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)要求

本文主要針對(duì)鮮棗進(jìn)行分級(jí)，試驗(yàn)選用寧夏靈武瑪棗，橫徑15～35 mm，長(zhǎng)徑25～60 mm，個(gè)體質(zhì)量范圍15～40 g?，敆棾蕶E圓形，大小、顏色和質(zhì)量差異明顯，要求分級(jí)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和圖像處理系統(tǒng)能夠滿足不同大小和顏色的紅棗準(zhǔn)確檢測(cè)和分級(jí)。鮮食瑪棗皮薄易受損傷，通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定果皮強(qiáng)度為3.7 kg/cm2，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分級(jí)動(dòng)作不能對(duì)紅棗造成損傷。如表1，根據(jù)寧夏靈武鮮食瑪棗等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按大小和綠色指標(biāo)分為 6個(gè)等級(jí)，大小等級(jí)為 1～5等，等級(jí)越高棗尺寸越大，棗色的綠色區(qū)域面積占75%以上的為綠棗等級(jí)。

表1 寧夏鮮食瑪棗等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table1 Grade standard of fresh jujube of Ningxia

本文采用已研究的輥輪鏈條輸送上料，其機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)紅棗的個(gè)體橫向排布，而圖像處理系統(tǒng)需要在輥輪鏈條快速輸送的狀態(tài)下采集信息，實(shí)現(xiàn)分級(jí)速度要高于已有的氣動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)分級(jí)機(jī)的10個(gè)/s的分級(jí)速度。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)技術(shù)要求本文研究設(shè)計(jì)了電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的紅棗分級(jí)機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和圖像處理系統(tǒng)。其中執(zhí)行結(jié)構(gòu)由撥板鏈條、電磁鐵、同步傳動(dòng)鏈條組成，圖像處理系統(tǒng)由 STM32F407圖像處理器、STM32F103協(xié)處理器和滬工LJ12A3-4-Z/BX三線NPN傳感器組成，如圖 1所示。整機(jī)的工序區(qū)域包括上料區(qū)、拍照區(qū)、分級(jí)區(qū)，工作原理是紅棗通過(guò)輥輪鏈條實(shí)現(xiàn)個(gè)體排布輸送，通過(guò)拍照區(qū)由STM32F407圖像處理器拍照采集信息，帶等級(jí)信息的紅棗通過(guò)分級(jí)區(qū)時(shí)，協(xié)處理系統(tǒng)接收到傳感信息，觸發(fā)電磁鐵瞬間吸附執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單元撥板的扣板，撥板彈出完成分級(jí)動(dòng)作。同步循環(huán)的撥板鏈條的每個(gè)撥板與輥輪上紅棗同步，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位分級(jí)。

圖1 電磁式分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of electromagnetic grading actuator

2 關(guān)鍵部件原理與分析

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

同步撥板鏈條分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖 1中包括不銹鋼鏈條、撥板單元、電磁鐵、撥板復(fù)位裝置、傳動(dòng)輪和傳動(dòng)鏈條。撥板鏈條和輥輪輸送鏈條一樣，由2條304材質(zhì)的不銹鋼鏈條構(gòu)成，鏈節(jié)距為15.875 mm，鏈節(jié)側(cè)板中間用軸安裝撥板單元形成循環(huán)撥板鏈，置于輥輪輸送鏈的上方，通過(guò)傳動(dòng)鏈條鏈接輥輪輸送鏈傳動(dòng)輪和撥板鏈傳動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)帶有等級(jí)信息的紅棗輸送到出料口時(shí)，協(xié)處理器觸發(fā)料口位置的電磁鐵，瞬間產(chǎn)生磁力吸附撥板單元的開(kāi)關(guān)扣板，由彈性連接的撥板彈出，撥落紅棗到出料口中。執(zhí)行分級(jí)后電磁鐵瞬間釋放磁力以待執(zhí)行后面分級(jí)動(dòng)作，同時(shí)彈出的撥板轉(zhuǎn)動(dòng)到前方，由歸位裝置進(jìn)行撥板歸位，扣板開(kāi)關(guān)扣住撥板，撥板單元完成一次分級(jí)。

2.1.1 撥板單元機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和紅棗受力分析

根據(jù)電磁式分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理及動(dòng)作完成要求，分級(jí)裝置的單元撥板位置與輥輪上個(gè)體紅棗位置一一對(duì)應(yīng)，分級(jí)動(dòng)作通過(guò)電磁鐵吸附撥板單元，撥板彈出完成分級(jí)動(dòng)作。紅棗高速輸送過(guò)程中，要求撥板動(dòng)作快速和準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)撥板為L(zhǎng)型的杠桿結(jié)構(gòu)，撥板底板采用彈性連接，扣板扣住底板蓄勢(shì)待撥，觸發(fā)磁力瞬間吸附扣板開(kāi)關(guān)，撥板脫扣彈出瞬時(shí)撥落紅棗。帶等級(jí)信息的紅棗在高速輸送到出料口，同步的分級(jí)裝置撥板彈出撥落紅棗，紅棗撥出的速度不影響輥輪鏈條輸送速度，但撥出距離至少大于輥輪鏈條的邊側(cè)寬度。作為鮮紅棗的分級(jí)機(jī)構(gòu)要考慮撥板對(duì)紅棗的撞擊力度小于鮮棗的破損硬度，保證紅棗的無(wú)損分級(jí)。紅棗輸送方式采用已試驗(yàn)成功的鏈?zhǔn)捷佪嗇斔?，輥輪的尺寸已?jīng)確定，如圖2。撥板單元主要根據(jù)輥輪尺寸、輥輪間距及紅棗尺寸設(shè)計(jì)。正常棗果長(zhǎng)徑為25～60 mm，橫徑為15～35 mm，兩端橫徑為5～20 mm。兩輥輪間距32 mm，撥板寬度要小于輥輪間距，大于兩端橫徑，設(shè)計(jì)為 21 mm。設(shè)計(jì)撥板長(zhǎng)度為100 mm，底板長(zhǎng)度為36 mm。

圖2 撥板單元結(jié)構(gòu)示意圖及紅棗的受力分析Fig.2 Diagram of dialing plate unit and force analysis of jujubes

試驗(yàn)撥落質(zhì)量m=40 g的紅棗在掉落高度為h=14 mm時(shí)間內(nèi)，位移Sb=120 mm，通過(guò)動(dòng)能關(guān)系得出作用在紅棗上的力，受力分析如圖2。根據(jù)尺寸限位關(guān)系，撥板擊撞力對(duì)紅棗作用的位移為Sc=25 mm。

式中g(shù)為重力加速度m/s2，t為下落時(shí)間s，v為位移初速度m/s，F(xiàn)1為撥板擊撞力N，Sc為擊撞力對(duì)紅棗作用位移m。

根據(jù)式（3）得出撥板擊撞力F1=2.57 N，而紅棗的果皮強(qiáng)度為 3.7 kg/cm2，撥板擊撞紅棗的接觸有效面積為 0.35 cm2，瞬間能夠承受的最大力為F=12.69 N，撥板對(duì)紅棗的擊撞力度遠(yuǎn)小于紅棗果皮強(qiáng)度?？紤]到紅棗擊撞面受力不均勻，在撥板擊撞面貼彈性的緩沖墊，因此在滿足撥板擊撞力度時(shí)，保證分級(jí)裝置的無(wú)損分級(jí)。

2.1.2 扣板開(kāi)關(guān)的磁力強(qiáng)度和磁滯性質(zhì)分析

電磁鐵的磁力是分級(jí)裝置的執(zhí)行動(dòng)力，安裝在分級(jí)裝置的兩側(cè)，每個(gè)分級(jí)料斗對(duì)應(yīng)一個(gè)電磁鐵。電磁鐵的磁力吸附面與撥板單元的扣板面相對(duì)，安裝距離在磁力的有效范圍內(nèi)。分級(jí)撥板與輸送輥輪以320 mm/s速度同步移動(dòng)，等級(jí)信號(hào)觸發(fā)電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)吸附扣板，撥板脫扣彈出完成分級(jí)動(dòng)作。扣板為磁性材料，在變化磁場(chǎng)中扣板會(huì)不斷被磁化和退磁，最終使得材質(zhì)自身剩有一定磁力，稱(chēng)為該材料的最大剩磁。其磁性會(huì)影響到分級(jí)動(dòng)作的準(zhǔn)確性和裝置穩(wěn)定性，通過(guò)研究磁滯回線和計(jì)算出扣板所選材質(zhì)的最大剩磁Br范圍[24]。上述已設(shè)計(jì)的整個(gè)撥板單元的寬度 21 mm，輥輪輸送的設(shè)計(jì)速度為320 mm/s，撥板脫扣位移Sk=3 mm。在設(shè)計(jì)的速度下，撥板單元的扣板通過(guò)電磁鐵磁力面的時(shí)間為t=21/320= 0.065 s，根據(jù)式（4）、（5）在此時(shí)間內(nèi)，通過(guò)吸附扣板脫扣的最小磁性吸力Fmin可確定選定扣板材質(zhì)最大的剩磁Br。

扣板質(zhì)量為 30 g，尺寸幾何對(duì)稱(chēng)，重心處于幾何中心，扣板小角度的偏轉(zhuǎn)等效為重心的平移，其位移量是脫扣位移的一半。

式中mk為撥板質(zhì)量kg，ak為撥板彈出加速度m/s2，F(xiàn)f為扣板彈簧拉力，通過(guò)拉力計(jì)測(cè)得為3.1 N。

計(jì)算得：Fmin=3.122 N

扣板材質(zhì)的最大剩磁磁性吸力Fr(N)應(yīng)小于

式中μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10- 7H/m，Br為最大剩磁，T；A為電磁鐵吸附扣板的面積，計(jì)算得315 mm2。

根據(jù)式（6）、（7）得：Br＜0.5 T

扣板的磁性材質(zhì)可選擇剩磁強(qiáng)度小于 0.5 T軟磁材料。通過(guò)分析硅鋼的磁滯性質(zhì)，當(dāng)磁通密度為1.5 T時(shí)，硅鋼的最大剩磁為0.3 T[25]。本研究選擇硅鋼材料制作扣板開(kāi)關(guān)。

2.1.3 同步關(guān)系分析

輥輪鏈條與撥板鏈條同步是該分級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)高速準(zhǔn)確分級(jí)的關(guān)鍵。根據(jù)分級(jí)裝置的設(shè)計(jì)原理，撥板單元與輥輪凹槽位置一一對(duì)應(yīng)，同步高速移動(dòng)時(shí)，帶等級(jí)信息的紅棗移動(dòng)到相應(yīng)的等級(jí)料斗口處，撥板彈出撥落紅棗完成分級(jí)。在同步運(yùn)轉(zhuǎn)的速度下，分級(jí)速度不受撥板單元的執(zhí)行動(dòng)作速度的限制，關(guān)鍵取決于電磁鐵磁力激發(fā)的速度。由此，同步的準(zhǔn)確性決定了分級(jí)的準(zhǔn)確性，本研究采用鏈傳動(dòng)。

輥輪鏈條的傳動(dòng)輪作為主動(dòng)輪，分級(jí)裝置鏈條的傳動(dòng)齒輪為從動(dòng)輪，上面是 2個(gè)是活動(dòng)輪。為了減弱滾子鏈條的多邊形效應(yīng)，主從動(dòng)輪、活動(dòng)輪設(shè)計(jì)為相同規(guī)格的齒輪。所用傳動(dòng)齒輪齒數(shù)為 19，平均傳動(dòng)比為 1。在傳動(dòng)相位不一致的情況下，瞬間傳動(dòng)比會(huì)大于1，根據(jù)式（8）得出最大瞬間傳動(dòng)比[26]。

式中Z1，Z2分別是主動(dòng)輪和從動(dòng)輪齒數(shù)，當(dāng)Z1=Z2=19時(shí)，ismax=1.013。

輥輪中心距r=31.75 mm，與撥板鏈節(jié)距相同，撥板單元同步位差x= (1.013?1)r=0.413 mm，同步位差遠(yuǎn)小于撥板相對(duì)紅棗橫徑寬度，撥板擊撞紅棗的有效著力點(diǎn)位置偏差很小，保證了分級(jí)準(zhǔn)確度。

2.2 圖像處理系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅棗機(jī)器視覺(jué)分級(jí)機(jī)的分級(jí)速度取決于圖像處理速度和分級(jí)裝置的動(dòng)作執(zhí)行速度，要求圖像分級(jí)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合[27]。本文采用的圖像分級(jí)控制系統(tǒng)整體分為兩部分，主處理器和協(xié)處理器，主處理器主要實(shí)現(xiàn)圖像的采集和處理，協(xié)處理器負(fù)責(zé)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成執(zhí)行動(dòng)作。主處理系統(tǒng)的處理器采用STM32F407作為處理芯片，設(shè)計(jì)電源、RS232接口、JTAG調(diào)試接口、串口、攝像頭等外圍電路，通過(guò)外部觸發(fā)后處理器控制攝像頭采集圖像，采集到的圖像進(jìn)行獲取顏色G分量、濾波、二值化、橢圓擬合等處理，并將處理結(jié)果通過(guò)串口通信的方式發(fā)送給協(xié)處理器。協(xié)處理器采用STM32F103作為處理芯片，控制8路固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)輸出。STM32F407是基ARMCortex-M4F內(nèi)核，具有1 MB 閃存，192 kB RAM，其主頻168 MHz，整合了微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的功能與特性，攝像頭采用30萬(wàn)像素的OV7670。STM32F103協(xié)理器是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置128 kB字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20 kB字節(jié)的SRAM，以及通用的I/O端口。工作原理是：接近開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)STM32F407，通過(guò)SCCB總線控制OV7670攝像頭進(jìn)行拍照，拍照后進(jìn)行圖像處理，將分級(jí)結(jié)果發(fā)送給STM32F103協(xié)處理器，進(jìn)而命令繼電器控制電磁鐵執(zhí)行分級(jí)動(dòng)作。該系統(tǒng)圖像處理速度20幀/s，即50 ms/幀，每幀圖像的處理并排2個(gè)紅棗的等級(jí)信息，觸發(fā)電磁鐵通斷時(shí)間為40 ms。圖像處理時(shí)間與分級(jí)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間都小于本研究的分級(jí)裝置的撥板單元相對(duì)電磁鐵的位移時(shí)間65 ms。

2.2.2 圖像處理和提取特征值

圖像處理和提取特征值目標(biāo)是滿足嵌入式系統(tǒng)快速檢測(cè)的要求，實(shí)現(xiàn)鮮棗的顏色和大小指標(biāo)的分級(jí)，圖像處理流程圖如圖3所示。

圖3 圖像處理流程Fig.3 Image processing flow

鮮棗圖像經(jīng)過(guò)獲取顏色G分量、二值化、橢圓擬合的步驟進(jìn)行處理，如圖4，根據(jù)擬合橢圓一般方程計(jì)算長(zhǎng)軸和短軸值，通過(guò)像素點(diǎn)值與實(shí)際長(zhǎng)度的比例標(biāo)定將得到的長(zhǎng)軸、短軸值轉(zhuǎn)化成鮮棗實(shí)際的縱經(jīng)和橫徑。

1）圖像G通道分量獲取，根據(jù)鮮紅棗、鮮綠棗RGB值對(duì)應(yīng)的直方圖分析，G通道分量差異比較大，因此本文選取圖像的G通道分量值作為顏色分級(jí)主要依據(jù)。

2）Sobel算子濾波，容易在空間上實(shí)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生很好的邊緣檢測(cè)效果，受噪音影響小，本文采取3×3的濾波窗口[28]。

3）二值化，鮮棗的表面顏色由暗紅、紅色和綠色摻雜，若采用固定閾值分割時(shí)，背投光源影響二值化，因此本文選擇使用大津算法確定閾值，進(jìn)行圖像的二值化較為理想[29]。

4）橢圓擬合，鮮棗邊緣與橢圓相似，本文采用最小二乘法對(duì)鮮棗邊緣曲線進(jìn)行擬合。在橢圓擬合之前，首先要對(duì)棗進(jìn)行輪廓的提取，要分別逐行和逐列來(lái)掃描二值圖保證輪廓的完整性[30-31]。

圖4 紅棗圖像處理過(guò)程Fig.4 Image processing of jujube

在二維坐標(biāo)系中，式（9）為橢圓的一般方程，再根據(jù)式（10）進(jìn)一步把橢圓表示為2個(gè)向量乘積的隱性方程，利用最小二乘法原理，可以通過(guò)代數(shù)距離平方和最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)曲線擬合。通過(guò)求解線性方程組式（11），求得（A，B，C，D，E，F(xiàn)）的值可以得到擬合的橢圓方程[23]。

式中e為（A，B，C，D，E，F(xiàn)）系數(shù)向量，Xi=(xi2，xi，yi，yi2，xi，yi，1)，根據(jù)最小二乘原理，曲線擬合可通過(guò)將代數(shù)距離平方和最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5）大小形狀特征提取，本文采用鮮棗的縱徑和橫徑來(lái)綜合判斷鮮棗的大小，通過(guò)橢圓擬合得到了一般方程，由式（12）、（13）可以計(jì)算得到擬合橢圓的長(zhǎng)軸a和短軸b。

式中a，b分別是擬合橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，mm。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)鮮棗像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，利用刻度尺長(zhǎng)度作為參考做圖像標(biāo)定，得到像素與實(shí)際長(zhǎng)度的標(biāo)定比例。式（15）、（16）通過(guò)標(biāo)定的比例將擬合橢圓的長(zhǎng)軸和短軸轉(zhuǎn)化成鮮棗的實(shí)際尺寸的縱經(jīng)和橫徑。

式中k為標(biāo)定比例，n為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，la、lb分別是紅棗實(shí)際縱徑和橫徑，mm。

根據(jù)紅棗等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算比較紅棗縱經(jīng)或橫徑對(duì)應(yīng)等級(jí)的范圍進(jìn)行大小分級(jí)。

6）顏色特征值提取

分別拍攝輥輪上無(wú)棗、紅棗、綠棗的圖像，繪制分析對(duì)應(yīng)圖像的R、G、B通道的直方圖，分析發(fā)現(xiàn)背景部分的G通道像素值大于25，鮮棗的紅色區(qū)域G通道像素值在3～8之間，而綠色部分的G通道像素值在13～16之間，背景部分、紅棗的紅色區(qū)域和綠色區(qū)域G通道的像素值有明顯的不同，因此選取圖像的G通道分量值作為顏色分級(jí)主要依據(jù)。將背景區(qū)域進(jìn)行分割，選擇像素值10作為固定閾值進(jìn)行二值化處理，統(tǒng)計(jì)白色像素點(diǎn)數(shù)量對(duì)小于像素值16的所有像素點(diǎn)數(shù)量的占比，當(dāng)占比高于或等于75%時(shí)，判斷為綠棗，占比低于75%時(shí)判斷為紅棗。

3 樣機(jī)試驗(yàn)及性能分析

3.1 試驗(yàn)方法

紅棗機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)機(jī)的分級(jí)區(qū)的長(zhǎng)度為700 mm，設(shè)計(jì)撥板鏈執(zhí)行機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為600 mm，設(shè)有5個(gè)等級(jí)出料口，對(duì)應(yīng)的 6個(gè)電磁鐵置于撥板單元扣板面的兩側(cè)，有 6個(gè)等級(jí)的出料口分別置于左右兩側(cè)，輥輪輸送鏈運(yùn)行速度為 320 mm/s，設(shè)計(jì)實(shí)例照片如圖 5。根據(jù)表 1寧夏靈武鮮食瑪棗等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，先經(jīng)人工使用卡尺確定大小等級(jí)，挑選700顆無(wú)損傷全紅色瑪棗樣品和80 顆75%以上綠色區(qū)域的瑪棗，其中五星棗140顆，四星棗140顆，三星棗140顆，二星棗140顆，一星棗140顆，完成分級(jí)的時(shí)間為40 s，分級(jí)速度達(dá)20個(gè)/s。從紅棗自動(dòng)分級(jí)機(jī)的上料區(qū)自動(dòng)上料，由設(shè)備分級(jí)，確定分級(jí)準(zhǔn)確率、無(wú)損率和生產(chǎn)能力，重復(fù) 6次，自動(dòng)分級(jí)重復(fù)結(jié)果取最低值。根據(jù)公式（17）、（18）定義自動(dòng)分級(jí)機(jī)的分級(jí)準(zhǔn)確率和無(wú)損率。

圖5 紅棗機(jī)器視覺(jué)電磁式高速分級(jí)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical map of high-speed electromagnetic grading actuator system with machine vision for jujube

3.2 結(jié)果及分析

如表2，自動(dòng)分級(jí)機(jī)分級(jí)試驗(yàn)中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最少656顆紅棗等級(jí)和人工等級(jí)一致，75顆綠色棗被選出。自動(dòng)分級(jí)機(jī)大小和顏色分級(jí)準(zhǔn)確率為93.7%。棗果按操作規(guī)程多次試驗(yàn)，分級(jí)過(guò)程中無(wú)損傷發(fā)生，無(wú)損率為100%。按照20個(gè)/s的最大分級(jí)速度，鮮棗的平均質(zhì)量20 g計(jì)算，此試驗(yàn)設(shè)計(jì)的紅棗機(jī)器視覺(jué)電磁式分級(jí)設(shè)備的最大生產(chǎn)能力約為1 400 kg/h。

在試驗(yàn)過(guò)程中影響分級(jí)準(zhǔn)確率的因素主要包括三方面。1）圖像信息處理誤判，紅棗通過(guò)輥輪自動(dòng)上料時(shí)，小概率出現(xiàn)了 2個(gè)小棗擠在一個(gè)輥輪凹面中，圖像采集后誤判為大棗導(dǎo)致分級(jí)錯(cuò)誤，可以通過(guò)限制上料流量避免擁堆來(lái)解決重棗上料。2）撥板未完全彈出，執(zhí)行動(dòng)作的撥板由拉簧連接蓄勢(shì)，由扣板開(kāi)關(guān)扣住待發(fā)，其中一個(gè)撥板拉簧彈性系數(shù)不達(dá)要求，導(dǎo)致彈出力度不足，未能將紅棗撥落到料斗處，在輸送過(guò)程中誤入到其他料口中，可以通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化可以避免撥板性能差異化的問(wèn)題。3）綠色棗的中紅棗區(qū)域正好是圖像采集面，算法上計(jì)算的綠色面積小于 75%，所以導(dǎo)致誤判，將綠棗歸類(lèi)到紅棗等級(jí)?？傮w效果分析表明，該分級(jí)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，分級(jí)準(zhǔn)確率高，生產(chǎn)能力高，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的高速、無(wú)損、準(zhǔn)確分級(jí)目的。

表2 自動(dòng)分級(jí)機(jī)與人工分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table2 Comparison of automatic classifier and manual grading test results

4 結(jié) 論

1）本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)的紅棗分級(jí)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果為撥板鏈同步位差為0.413 mm，單元撥板擊撞力為 2.57 N，小于紅棗表皮瞬間承受最大力12.69 N，圖像處理速度為50 ms/幀，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間為40 ms，輥輪輸送速度為320 mm/s，紅棗分級(jí)速度達(dá)20個(gè)/s，實(shí)現(xiàn)鮮棗5個(gè)大小等級(jí)和1個(gè)綠色等級(jí)的分級(jí)，分級(jí)準(zhǔn)確率為93.7%，無(wú)損率為100%，最大生產(chǎn)能力達(dá)1 400 kg/h。

2）電磁式同步執(zhí)行機(jī)構(gòu)瞬間觸發(fā)，動(dòng)作反應(yīng)靈敏，提高了分級(jí)速度。撥板彈出擊撞紅棗的力度小于紅棗果皮強(qiáng)度，達(dá)到了快速、無(wú)損、準(zhǔn)確分級(jí)的目的。但撥板單元結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，降低了穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。圖像處理方法和特征值提取算法適合STM32F407主理器和 STM32F103協(xié)處理器的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速圖像處理和檢測(cè)的目的。由于紅棗種植區(qū)域和采收時(shí)間不同，鮮棗的個(gè)體差異和顏色區(qū)別比較大，圖像處理信息量大和復(fù)雜，因此圖像處理系統(tǒng)對(duì)重疊棗的識(shí)別和顏色精度需要提高，今后需進(jìn)一步研究細(xì)化算法。

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Design and experiment of synchronization actuator system based on electromagnetism for fresh jujube classifier

Kang Ningbo1, Qiang Feng2, Wu Longguo1, Wang Songlei1,2, He Jianguo1,2※
(1.School of Construction and Hydraulic Engineering,Ningxia University, Yinchuan750021,China; 2.School of Agriculture, Ningxia University,Yinchuan750021, China)

The production of the machine, which classifies small-sized fruits according to their images, depends on the speed of the image classification and the actuator. The existing classifier for fresh jujube has the issue that the efficiency of image processing doesn’t match the timeliness of executive mechanism. And the speed of the actuator and the accuracy of positioning restrict the efficiency of classification. In order to improve the speed of classification of the image classifier for fresh jujube, an image classifier for fresh jujube is designed based on electromagnetic synchronous executor in this paper. The machine is composed of roller conveyor chain, dialing plate chain, electromagnets, synchronous drive sprocket, STM32F407 image processor and STM32F103 co-processor. The dialing plate chain of the actuator consists of 60 unit dialing plates. Chain transmission was adopted to ensure the synchronous precision with the roller conveyor chain. The dialing plate tension spring was buckled by the switch of the buckle. The material of the buckle was silicon steel, of which the hysteresis loop was narrow, which can enhance the sensitivity of electromagnetic triggering, and made the dialing action finished instantly. The location of fresh jujube corresponding to the unit plate, which would guarantee the alignment accuracy between the head of the dialing plates and fresh jujube. Pop-up strength of the unit dialing plate was designed according to the peel hardness, the size and the weight of jujube. In image processing, G channel component, Sobel operator filtering, Otsu binaryzation, and eigenvalues extracted by ellipse fitting were adopted. A threshold value was used to calculate the percentage of the color of green, extract the size of feature value of the color and classify the image of green jujube. The algorithm was suitable for fast processing embedded system. The theory of algorithms and the test of image classification show that the synchronization error of chain transmission was 0.413 mm, the pop-up force of unit dial plate was 2.57 N, which was less than the damage strength (12.69 N) of the peel of red jujube, the time of each image processing was 50 ms, the time of the actuator for acting was 40 ms, the speed of roller conveying was 320 mm/s, the speed of classifying was 20 jujubes per second, the accuracy rate of classification was 93.7%, the intact rate was 100%, and the maximum capacity was 1 400 kg/h. Results indicated that the sensitive trigger and the synchronous mechanism of synchronous electromagnet ensured the classification precision, and the touch force of dial plate was less than the damage stress of the red jujube skin. Also, the hardware design of image processing was an embedded system, which met the requirements of fast calculation through the algorithm of image processing and feature extraction. The running effect of the prototype achieves the purpose of fast, accurate and nondestructive classification.

computer vision; image processing ; design; electromagnetic actuator; fresh jujube; classifier

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.033

S24; S226.9; S665.1

A

1002-6819(2017)-07-0254-07

2016-09-28

2017-03-27

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014G30000045）；國(guó)家自然科學(xué)基金

資助項(xiàng)目（31560481）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAF07B06）

康寧波，男（漢族），寧夏人，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)，節(jié)水灌溉方面研究。銀川 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，750021。

Email：109438847@qq.com

※通信作者：何建國(guó)，男（回族），山東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)和食品物性學(xué)方面的研究。銀川 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，750021。

Email：hejg@nxu.edu.cn