盆栽花卉分級(jí)旋向裝置開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

王躍文，初 麒，楊 意，呂亞軍，胡俊生，謝忠堅(jiān)，楊艷麗，辜 松

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工程學(xué)院;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642)

?

盆栽花卉分級(jí)旋向裝置開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

王躍文1a,1b，初 麒1a,1b，楊 意1a,1c，呂亞軍1a,1b，胡俊生1a,1b，謝忠堅(jiān)1a,1b，楊艷麗2，辜 松1a,1b

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工程學(xué)院;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)花卉的需求量不斷攀升。目前，在盆花規(guī)模化生產(chǎn)中大多采用人工分級(jí)，存在分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、分級(jí)效率不高及分級(jí)結(jié)果不準(zhǔn)確等問(wèn)題。為此，針對(duì)花盆口徑120mm、底徑90mm、高度90mm的盆栽花卉，開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的盆栽花卉分級(jí)旋向裝置。該裝置可以用單一相機(jī)在同一位置獲取盆栽花卉多方向的綜合信息；通過(guò)試驗(yàn)考察了在旋向裝置中盆栽花卉前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度與兩條旋向輸送帶速度的關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)旋轉(zhuǎn)180°獲取兩幅盆栽花卉圖像時(shí)，視窗的最小范圍在160mm。

盆栽花卉；分級(jí)；機(jī)器視覺(jué)；旋向裝置

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)盆栽花卉的需求量不斷提高，使得花卉產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]。為滿足市場(chǎng)需求，花卉生產(chǎn)企業(yè)多采用規(guī)?；⒐S化的生產(chǎn)模式，以提高生產(chǎn)效率。對(duì)盆花進(jìn)行分級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)勢(shì)盆花進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到盆栽花卉品質(zhì)均一化。目前，在盆花規(guī)?；a(chǎn)中采用人工分級(jí)[2]，存在分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、分級(jí)效率不高及分級(jí)結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題。

美國(guó)、荷蘭等園藝大國(guó)針對(duì)盆栽花卉已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于機(jī)器視覺(jué)的盆栽花卉自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)[3-4]，但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)企業(yè)難以承受。雖然國(guó)內(nèi)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出對(duì)蘋(píng)果[5-6]、馬鈴薯[7-8]、澳洲堅(jiān)果[9]、板栗[10]、雞蛋[11]及煙葉[12]等農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)與分級(jí)的裝置，但針對(duì)盆栽花卉分級(jí)還沒(méi)有完整的分級(jí)系統(tǒng)。

本研究主要開(kāi)發(fā)一套基于機(jī)器視覺(jué)的盆栽花卉分級(jí)旋向裝置，利用一個(gè)CCD相機(jī)從側(cè)面獲取盆栽花卉多方向綜合信息，構(gòu)建一套基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的盆栽花卉在線自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，有效提高盆栽花卉在規(guī)?；a(chǎn)分級(jí)環(huán)節(jié)的分級(jí)水平和生產(chǎn)效率。

1 工作原理

1.1 盆栽花卉自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)工作原理

盆栽花卉在線自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)主要由輸送機(jī)構(gòu)、旋向裝置、機(jī)器視覺(jué)部分、控制部分和分級(jí)機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。

1.輸送機(jī)構(gòu) 2.旋向裝置 3.機(jī)器視覺(jué)部分

該分級(jí)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行分級(jí)，依據(jù)盆栽花卉的不同形態(tài)特征進(jìn)行分類(lèi)，按照分出的等級(jí)將相應(yīng)盆花分別輸出。分級(jí)時(shí)，待分級(jí)盆栽花卉由輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶送入機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室，當(dāng)盆栽花卉進(jìn)入旋向裝置中，花盆脫離輸送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在旋向輸送帶驅(qū)動(dòng)下以一定角速度旋轉(zhuǎn)前進(jìn)；當(dāng)盆花運(yùn)動(dòng)至相機(jī)視場(chǎng)后，依次觸發(fā)幾個(gè)水平放置等間距的光電傳感器，機(jī)器視覺(jué)相機(jī)獲取不同旋轉(zhuǎn)方向的盆栽花卉綜合圖像信息；將獲取的圖像信息傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)圖像處理和邏輯分析之后，得到盆花的特征等級(jí)參數(shù)，并對(duì)盆栽花卉劃分等級(jí)；PLC根據(jù)每盆花卉的等級(jí)參數(shù)控制分級(jí)機(jī)構(gòu)分別輸出不同等級(jí)盆栽花卉。分級(jí)流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)作業(yè)流程

1.2 旋向裝置工作原理

由于盆栽花卉長(zhǎng)勢(shì)是不規(guī)則的，難以從一個(gè)方向的圖像中獲取到盆花的代表性信息，因此在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室內(nèi)增設(shè)一旋向裝置，如圖3所示。當(dāng)盆栽花卉進(jìn)入旋向裝置后，在旋向輸送帶的作用下，盆栽花卉旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)方向與速度主要取決于旋向輸送帶的驅(qū)動(dòng)，幾乎不受輸送機(jī)構(gòu)影響。兩條旋向輸送帶在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下以不同轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，旋向輸送帶與花盆接觸產(chǎn)生的摩擦力，在推動(dòng)花盆；花盆以一定的角速度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)勻速前進(jìn)，依次觸發(fā)設(shè)定好位置的光電傳感器，視覺(jué)相機(jī)多次從側(cè)面獲取盆栽花卉多方向的圖像，從而獲取盆栽花卉的綜合信息。

1.運(yùn)輸輸送帶 2.旋向輸送帶

2 旋向裝置的設(shè)計(jì)

本研究主要是針對(duì)花盆口徑120mm、底徑90mm、高度90mm的盆栽花卉，設(shè)計(jì)分級(jí)旋向裝置。

輸送機(jī)構(gòu)輸送帶選用臺(tái)達(dá)CEMA-C30604ES型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為VFD015M21A型,可有效保證輸送帶的啟停準(zhǔn)確穩(wěn)定，且運(yùn)行速度調(diào)節(jié)便利。依據(jù)90mm的花盆底徑，選取輸送帶寬度為150mm，輸送帶總長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際工作情況確定。

旋向裝置(見(jiàn)圖4)輸送帶由兩對(duì)稱(chēng)旋向輸送機(jī)構(gòu)組成，現(xiàn)以其中一機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明旋向裝置的設(shè)計(jì)。兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)型號(hào)選用63B14三相異步電動(dòng)機(jī)，減速器選用型號(hào)為NMRV30減速比為15的減速器。為使電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可調(diào)，選用歐姆龍OMRON 3G3JZ-A4007變頻器對(duì)三相電機(jī)調(diào)速。

1.主動(dòng)輪 2.從動(dòng)輪 3.皮帶擋板

根據(jù)花盆高度，旋向輸送帶寬度選為20mm，帶的形式選取5mm厚(花紋高2mm、底帶厚3mm)，表面有草型花紋PVC膠面輸送帶。該輸送帶最大的優(yōu)點(diǎn)是:表面摩擦因數(shù)大，使花盆和旋轉(zhuǎn)皮帶之間有足夠的摩擦力，在推動(dòng)盆花旋轉(zhuǎn)的同時(shí)以一定的速度前進(jìn)；彈性系數(shù)與其它種類(lèi)的皮帶相比相對(duì)較大，可以在增大摩擦的同時(shí)減少對(duì)花盆的損壞。

為保證花盆進(jìn)入旋向裝置以后皮帶與花盆之間有足夠的摩擦，使盆花成功地從旋向機(jī)構(gòu)通過(guò)，設(shè)計(jì)了皮帶擋板。為了使該裝置能夠適應(yīng)更多尺寸規(guī)格的花盆，皮帶擋板固定位置設(shè)計(jì)成可進(jìn)行微調(diào)的形式，因此皮帶擋板與旋向機(jī)構(gòu)擋板之間的連接采用螺栓連接，并在皮帶擋板上的固定孔設(shè)計(jì)出20mm的調(diào)節(jié)長(zhǎng)孔。

3 試驗(yàn)與討論

花盆在旋向裝置中的運(yùn)動(dòng)方式主要由旋向裝置決定，基本不受輸送部分的輸送帶影響。為了考察花盆在旋向裝置中旋轉(zhuǎn)速度、前進(jìn)速度與兩條旋向皮帶速度之間的關(guān)系，設(shè)兩條旋向皮帶速度分別為V1、V2。理論及實(shí)際試驗(yàn)證明：當(dāng)兩條旋向輸送帶的速度數(shù)值相同、旋向相反時(shí)，花盆在原地旋轉(zhuǎn)而不前進(jìn)。該情況在實(shí)際生產(chǎn)中是沒(méi)有實(shí)際意義的，所以在試驗(yàn)中只考慮當(dāng)兩條旋向輸送帶速度值不同的情況。試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

表1 旋向裝置試驗(yàn)性能試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述試驗(yàn)測(cè)得在實(shí)際工作情況下的花盆旋轉(zhuǎn)速度ω和花盆的前進(jìn)速度V，并且用試驗(yàn)證明了理論推算的正確性。

花盆理論前進(jìn)速度為

式中V1—其中一條旋向皮帶速度；

V2—另一條旋向皮帶速度。

花盆理論旋轉(zhuǎn)速度為

式中V1—其中一條旋向皮帶速度；

V2—另一條旋向皮帶速度；

D—花盆旋轉(zhuǎn)半徑。

在此，重點(diǎn)解釋說(shuō)明花盆的旋轉(zhuǎn)半徑D。由于盆花在旋向裝置中的運(yùn)動(dòng)形式是以旋向裝置中速度慢的一邊為圓心旋轉(zhuǎn)，此時(shí)理論上的旋轉(zhuǎn)半徑為花盆與旋轉(zhuǎn)裝置相互運(yùn)動(dòng)是所接觸圓的直徑。實(shí)際工作中，由于花盆在旋向裝置中受到來(lái)自旋向皮帶及皮帶擋板的擠壓，花盆在旋向裝置工作時(shí)的實(shí)際值小于理論值。本試驗(yàn)中，實(shí)際工作狀態(tài)下的D的值為90mm。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到V1、V2與花盆前進(jìn)速度關(guān)系(見(jiàn)圖5)：花盆的前進(jìn)速度與V1和V2的差成正比，由試驗(yàn)1、試驗(yàn)5、試驗(yàn)8、試驗(yàn)10與試驗(yàn)2、試驗(yàn)6、試驗(yàn)9，以及試驗(yàn)3、試驗(yàn)7分別進(jìn)行比較，可驗(yàn)證該結(jié)論的準(zhǔn)確性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到V1、V2與花盆旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系(見(jiàn)圖6)：花盆的旋轉(zhuǎn)速度與V1與V2大小的和成正比，由試驗(yàn)3、試驗(yàn)5、與試驗(yàn)4、試驗(yàn)6，以及試驗(yàn)7、試驗(yàn)8分別進(jìn)行比較，可驗(yàn)證該結(jié)論的準(zhǔn)確性。

圖5 V1、V2與花盆前進(jìn)速度關(guān)系

圖6 V1、V2與花盆前進(jìn)速度關(guān)系

分析盆花前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度的目的是為了考察盆花旋轉(zhuǎn)固定角度的前進(jìn)距離，以確定相機(jī)拍攝的視場(chǎng)寬度。盆花在旋轉(zhuǎn)180°范圍內(nèi)，基本可以獲取盆栽花卉的生長(zhǎng)勢(shì)態(tài)。因此，本文測(cè)算了表1條件下盆花旋轉(zhuǎn)180°的前進(jìn)距離，如圖7所示。根據(jù)圖7，盆花在不同試驗(yàn)結(jié)果下得到V1、V2與前進(jìn)距離關(guān)系：花盆的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)180°的前進(jìn)距離不僅受前進(jìn)速度的影響，同時(shí)還受花盆旋轉(zhuǎn)速度的影響，它與轉(zhuǎn)速成反比，與V1和V2的差成正比。由理論可知：當(dāng)在試驗(yàn)1的情況下，花盆旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，前進(jìn)距離最大。因此低速條件下，轉(zhuǎn)180°拍攝2幅圖像的拍攝視窗寬度別大于157mm。

圖7 V1、V2與花盆旋轉(zhuǎn)180°前進(jìn)距離關(guān)系

4 結(jié)論

1)旋向裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)花盆，利用單個(gè)相機(jī)可獲取盆栽花卉不同旋角方向的綜合圖像信息。

2)當(dāng)旋向裝置的兩旋向輸送帶速度差在0.1m/s范圍內(nèi)情況下，花盆旋轉(zhuǎn)180°獲取圖像的行走距離為160mm，即視覺(jué)相機(jī)的視場(chǎng)寬度需要160mm。

[1] 佚名.2010年全國(guó)花卉業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[J].中國(guó)花卉園藝,

2011(7):22.

[2] 劉嫻，蔣宏.淺析我國(guó)花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].現(xiàn)代園藝，2012(6):31-32.

[3] 辜松.設(shè)施園藝現(xiàn)代生產(chǎn)裝備與技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2015:52-54.

[4] 辜松,楊艷麗,張躍峰.荷蘭溫室盆花自動(dòng)化生產(chǎn)裝備系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(19):1-8.

[5] 陳艷軍，張俊雄，李偉，等.基于機(jī)器視覺(jué)的蘋(píng)果最大橫切面直徑分級(jí)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012(2):284-288.

[6] 安愛(ài)琴，余澤通.基于機(jī)器視覺(jué)的蘋(píng)果大小自動(dòng)分級(jí)方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(4)：163-166.

[7] 周竹，黃懿，李小昱，等.基于機(jī)器視覺(jué)的馬鈴薯自動(dòng)分級(jí)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012(7):178-183.

[8] 孔彥龍，高曉陽(yáng)，李紅玲，等.基于機(jī)器視覺(jué)的馬鈴薯質(zhì)量和形狀分選方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(17):143-148.

[9] 薛忠，鄧干然，崔振德，等.基于機(jī)器視覺(jué)的澳洲堅(jiān)果分級(jí)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(5):26-28.

[10] 展慧，李小昱，王為，等.基于機(jī)器視覺(jué)的板栗分級(jí)檢測(cè)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(4):327-331.

[11] 鄧海霞，劉友明，文友先，等.基于機(jī)器視覺(jué)群體雞蛋尺寸的檢測(cè)方法[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006, 25(4):452-454.

[12] 杜東亮，毛鵬軍，王俊，等.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的煙葉自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng), 2008(4):77-79.

Research and Implementation of Potted Flower Grading Rotary Device

Wang Yuewen1a,1b, Chu Qi1a,1b, Yang Yi1a,1c, Lv Yajun1a,1b,Hu Junsheng1a,1b, Xie Zhongjian1a,1b, Yang Yanli2, Gu Song1a,1b

(1.South China Agricultural University a．College of Engineering；b．Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education；c.College of Electronic Engineering, Guangzhou 510642，China; 2．Guangzhou Sky Electric & Machinery Technology Co．LTD，Guangzhou 510642，China)

With the improvement of people's living standard in our country, the demand of flower’s continue to rise. At present, the large-scale product of potted flowers grading by labor. The grading standard is not unified and the grading efficiency is low. The grading result is inaccuracy. Researching the potted flowers, its caliber diameter is 120 mm, the bottom diameter is 90 mm and the height is 90 mm. The potted flowers grading rotary device based on machine vision. The device can get more directions of the potted flower comprehensive picture information by using a single camera at the same position. Through the test get potted flower speed and rotating speed with the relationship of the rotary device’s two conveyor belt speed. And through the potted flower’s rotation speed, field of View’s minimum breadth is 160 mm when rotated 180 ° for getting two potted flower images.

potted flowers ; grading; machine vision; rotary device

2016-09-28

國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2013AA10240603)

王躍文(1991-),女，河北張家口人，碩士研究生，(E-mail) yuewen_wang@163.com。

辜 松(1963-)，男，廣東汕頭人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sgu666@sina.com。

S629.9

A

1003-188X(2017)10-0185-04