荔枝自動分級機(jī)的設(shè)計研究

李嘉威，陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

荔枝自動分級機(jī)的設(shè)計研究

李嘉威，*陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣東廣州510642）

為實現(xiàn)采后荔枝的快速低損自動分級，對荔枝自動分級機(jī)進(jìn)行了設(shè)計。該荔枝分級機(jī)由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統(tǒng)、分級執(zhí)行裝置組成。荔枝的單行等距排布輸送采用轉(zhuǎn)盤孔框法，圖像采集采用網(wǎng)口工業(yè)相機(jī)，圖像處理采用荔枝品質(zhì)分級視覺分級系統(tǒng)進(jìn)行多特征提取和融合分級，通過控制移動凸輪改變分級平臺的傾角完成荔枝分級。在線試驗結(jié)果表明，分級系統(tǒng)對荔枝的分級準(zhǔn)確率為93.75%。

荔枝；自動分級機(jī)；分級平臺；圖像采集與處理系統(tǒng)

0 引言

荔枝是廣東特色佳果，其分選分級是其采后商品化處理的一個重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價、提高市場競爭力的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的人工分級方法，不但效率低下且難以做到客觀準(zhǔn)確，無法適應(yīng)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求；采用機(jī)械分級，如滾筒孔框分級法[1]和間距變換法[2]雖然效率高，但是分級指標(biāo)單一，且容易對荔枝造成損傷?；跈C(jī)器視覺的無損檢測分級方法，可依據(jù)水果的多個外部品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行快速智能判別分級，對水果的分級更加客觀和全面。目前，相關(guān)學(xué)者對獼猴桃、紅棗、李子和葡萄等水果的機(jī)器視覺無損檢測自動分級設(shè)備進(jìn)行研究[3-6]，但是關(guān)于基于機(jī)器視覺的荔枝自動分級機(jī)研究國內(nèi)外未見文獻(xiàn)報道。

為此，研究提出一種基于機(jī)器視覺的荔枝自動分級機(jī)，通過對荔枝進(jìn)行多指標(biāo)綜合視覺檢測分級，實現(xiàn)無損檢測和快速分級。

1 自動分級機(jī)總體結(jié)構(gòu)和工件原理

荔枝自動分級機(jī)主要由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統(tǒng)、分級執(zhí)行裝置組成。

荔枝分級機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 荔枝分級機(jī)結(jié)構(gòu)

分級時，由人工將荔枝倒入圓筒，圓筒底部裝有孔框轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，荔枝將會落入孔框轉(zhuǎn)盤，隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)等距排列。荔枝等距排列后隨轉(zhuǎn)盤運動進(jìn)入圖像采集區(qū)檢測，圖像采集區(qū)設(shè)有光源和網(wǎng)口相機(jī)系統(tǒng)采集荔枝圖像，采集后的荔枝圖像信息輸送給計算機(jī)，經(jīng)分級軟件分析，得到荔枝的等級。圖像采集檢測后的荔枝進(jìn)入分級平臺，根據(jù)分級信息，電機(jī)控制移動凸輪運動，移動凸輪的3個輪廓面同時控制3個推桿的升程，從而改變分級平臺的姿態(tài)，向相應(yīng)等級出口傾斜，最終使荔枝滾動至分級通道，完成分級。

荔枝自動分級機(jī)的2個工作狀態(tài)見圖2。

圖2 荔枝自動分級機(jī)的2個工作狀態(tài)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計分析

2.1 分級平臺設(shè)計分析

荔枝的分級執(zhí)行，主要通過移動凸輪驅(qū)動分級平臺的傾斜來實現(xiàn)。分級平臺的姿態(tài)可以由其所屬平面的法向量表示，建立分級平臺坐標(biāo)系，記3個推桿頂點的坐標(biāo)為P1（x1，y1，z1）T，P2（x2，y2，z2）T，P3（x3，y3，z3）T，則分級平臺的法向方向向量n（nx，ny，nz）T可以由公式（1）表示：

式中：norm（）——對向量標(biāo)準(zhǔn)化。

由于推桿在x和y方向的位置已經(jīng)確定，可視為常數(shù)，式中只有z1，z2，z33個變量，故式（1）可化簡為式（2）：

式中：Ci——常數(shù)項，i=1，2，3，4，5；

Ni——向量長度，i=1，2；

zi——函數(shù)，i=1，2，3。

分級平臺坐標(biāo)系見圖3。

分級平臺的傾斜方向可以使用測量的方法得出大致值，根據(jù)式（2）使用數(shù)值方法可以求出各個推桿的升程。求取3個分級姿態(tài)和初始姿態(tài)下相應(yīng)的3個推桿升程參數(shù)即可分別設(shè)計出3個推桿的凸輪廓線。

圖3 分級平臺坐標(biāo)系

2.2 圖像采集與處理系統(tǒng)

荔枝的圖像采集主要通過1套光源、千兆網(wǎng)卡和網(wǎng)口相機(jī)系統(tǒng)完成，采集后的圖像經(jīng)自行開發(fā)的荔枝品質(zhì)視覺檢測融合分級系統(tǒng)[7]進(jìn)行圖像預(yù)處理、分級特征參數(shù)提取和融合分級，圖像處理過程如下。2.2.1圖像預(yù)處理

提取荔枝分級特征參數(shù)前，需對采集的荔枝圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像預(yù)處理包括圖像分割、噪聲去除等。分級系統(tǒng)在YCrCb模式下對圖像Cr通道進(jìn)行了k均值聚類分割和輪廓查找。

2.2.2 分級特征參數(shù)提取

荔枝的外觀品質(zhì)等級指標(biāo)主要包括荔枝大小、果形、缺陷（褐變、裂口等）等，該分級機(jī)暫只對荔枝大小和果皮褐變?nèi)毕葸M(jìn)行綜合分級。

分級系統(tǒng)采用橫徑表示荔枝的大小，由于荔枝近似于圓形，所以對分割后的荔枝圖像使用圓擬合，求得擬合圓的直徑作為荔枝橫徑大小的近似值。

由于荔枝近似于球狀，邊緣的光照不足，圖像分割時邊緣部分易被誤認(rèn)為是褐斑（如圖4（b）所示）。分級系統(tǒng)為防止邊緣誤檢測，對荔枝圖像進(jìn)行邊緣光照補(bǔ)償和增強(qiáng)對比。

帶褐斑荔枝圖像分割見圖4。

圖4 帶褐斑荔枝圖像分割

2.3 融合分級

開發(fā)的荔枝品質(zhì)分級視覺分級系統(tǒng)，融合了荔枝橫徑大小和果皮褐變?nèi)毕?個特征進(jìn)行分級。

荔枝分級軟件界面見圖5。

應(yīng)用該系統(tǒng)，在試驗臺上對80個荔枝進(jìn)行了視覺檢測分級。

圖5 荔枝分級軟件界面

分級試驗結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 分級試驗結(jié)果統(tǒng)計

3 結(jié)語

針對目前荔枝分級存在的問題，對基于機(jī)器視覺的荔枝自動分級機(jī)進(jìn)行了設(shè)計。分級機(jī)通過帶孔圓盤實現(xiàn)荔枝的單行等距輸送，經(jīng)圖像采集與處理系統(tǒng)對荔枝進(jìn)行品質(zhì)融合分級，最后通過控制移動凸輪改變分級平臺的傾角，讓荔枝進(jìn)入相應(yīng)的收集通道，從而實現(xiàn)荔枝的快速低損分級。在線試驗結(jié)果表明，分級系統(tǒng)對荔枝的分級準(zhǔn)確率為93.75%。參考文獻(xiàn)：

[1]梁健，梁材.荔枝保鮮分級處理工藝及設(shè)備[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2008（7）：61-63.

[2]蒙必勝，梁兆新，朱其崇.鏈板式間距可調(diào)果類分選機(jī)的原理及設(shè)計[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2004（8）：35-37.

[3]王松磊，劉民法，何建國，等.紅棗自動快速無損檢測分級機(jī)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014（9）：79-83，95.

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[5]王麗麗.基于計算機(jī)視覺的哈密大棗無損檢測分級技術(shù)及分級裝置研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2013.

[6]陳英，廖濤，林初靠，等.基于計算機(jī)視覺的葡萄檢測分級系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010（3）：169-172.

[7]陳石榕.國際鮮荔枝標(biāo)準(zhǔn)[J].福建標(biāo)準(zhǔn)化信息，1997（4）：11-12.◇

Design and Research of Litchi Automatic Grading Machine

LIJiawei，*CHEN Yan，WANG Jiasheng，NIEYuping，LIUWeiwei，ZENG Zeqin
（Key Laboratory of Key Technology on AgriculturalMachine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong 510642，China）

Litchiautomatic gradingmachine is designed to realize the fastautomatic grading with low loss to litchiafter its harvesting.Thismachine consists of single row isometry conveyor，image acquiring and processing system and grading execution device.The litchi is conveyed in a single row equidistantly with perforated turntable.The image of litchi is acquired with network industrial camera.The procession of the image is to extractmulti-features and grading generally with the litchi visual quality grading system.The grading of litchi is executed by the different inclinations of grading platform with controlling the moving cam.The resultof online testing shown that the accuracy of grading litchiwith grading system is 93.75%.

litchi；automatic gradingmachine；grading platform；image acquiring and processing system

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.06.038

1671-9646（2017）06b-0029-02

2017-05-13

廣東省科技計劃資助項目（2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111）；廣東省自然基金項目（2015A030310258）。

李嘉威（1993—），男，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)器人、智能設(shè)計與制造。

*通訊作者：陳燕（1964—），女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)智能裝備。