車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究

張應(yīng)龍,鄒小波

(江蘇大學(xué) 基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

臍橙脆嫩爽口、營(yíng)養(yǎng)豐富，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前的臍橙種植面積世界第一，年產(chǎn)量世界第三。但由于各種原因，我國(guó)果品市場(chǎng)上銷(xiāo)售的臍橙絕大部分都未進(jìn)行分級(jí)，或僅采用人工進(jìn)行簡(jiǎn)單的分級(jí)，極大降低了水果的附加值。我國(guó)只有極少數(shù)的臍橙進(jìn)行了分級(jí)，但分級(jí)設(shè)備大都來(lái)自西班牙、荷蘭和韓國(guó)等，一是整機(jī)進(jìn)口價(jià)格較高，二是配件更換困難，維修周期過(guò)長(zhǎng)，主要用于規(guī)模企業(yè)的臍橙生產(chǎn)。

這些進(jìn)口分選設(shè)備規(guī)模較大，安裝調(diào)試后在車(chē)間內(nèi)固定于某處，不能移動(dòng)，臍橙生產(chǎn)企業(yè)在車(chē)間內(nèi)利用這些固定分級(jí)設(shè)備[1]進(jìn)行分級(jí)，臍橙需要在采摘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行包裝、裝箱，運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)企業(yè)后，再開(kāi)箱，分級(jí)后二次包裝和裝箱，增加了臍橙的生產(chǎn)成本。

近年來(lái)，隨著電商的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大量的網(wǎng)上銷(xiāo)售渠道，一是設(shè)備價(jià)格因素，二是產(chǎn)能因素，采用固定分級(jí)設(shè)備進(jìn)行臍橙分級(jí)對(duì)廣大果農(nóng)來(lái)說(shuō)十分不經(jīng)濟(jì)。因此，廣大果農(nóng)寧愿采用人工進(jìn)行臍橙分級(jí)，憑經(jīng)驗(yàn)判別成熟度和大小，但分級(jí)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備采用帶式上料機(jī)構(gòu)自動(dòng)上料，將臍橙從地面提升至車(chē)上，大大降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度；通過(guò)電子視覺(jué)系統(tǒng)[2]來(lái)判別臍橙的等級(jí)，可以充分保證分級(jí)的精度，并成倍地提高分選效率，生產(chǎn)率高；采用回轉(zhuǎn)剔除分級(jí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，分級(jí)快速精確；采用觸摸屏式PLC技術(shù)[3]進(jìn)行控制，分級(jí)速度適時(shí)可調(diào)，操作、安裝調(diào)試與檢修方便。因此，采用車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備[4]進(jìn)行分級(jí)，在采摘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)器分級(jí)，采摘后直接分級(jí)、裝箱，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省了勞力，降低了臍橙的生產(chǎn)成本；并且設(shè)備緊湊，價(jià)格低廉，非常適合廣大果農(nóng)中小規(guī)模生產(chǎn)使用。

1 總體設(shè)計(jì)

車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備主要由帶式上料機(jī)構(gòu)、差速排列機(jī)構(gòu)、電子視覺(jué)光箱、齒條鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)剔除分級(jí)機(jī)構(gòu)、觸摸屏式PLC電氣控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組等組成，如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)采摘的臍橙倒入放置于地面的帶式上料機(jī)構(gòu)的料斗里，經(jīng)傳送帶自動(dòng)上料，將臍橙提升到車(chē)箱上的差速排列機(jī)構(gòu)上進(jìn)行有序排列，成一列輸送到齒條鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)上；齒條鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)的前端設(shè)有光箱，內(nèi)有智能相機(jī)；齒條鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將臍橙向前輸送至攝像工位時(shí)，每向前行走過(guò)一個(gè)工位，智能相機(jī)拍一次照，并將信息傳給計(jì)算機(jī)(圖中未示出)；計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，通過(guò)PLC電氣控制系統(tǒng)，發(fā)出控制信號(hào)給回轉(zhuǎn)剔除分級(jí)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，帶動(dòng)拔叉，將選定膠橙從輸送滾上撥出，滾落到相應(yīng)等級(jí)果品箱中，完成一次分級(jí)。

整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PLC控制，所有操作觸摸屏上進(jìn)行，如圖2所示。啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，PLC發(fā)出脈沖信號(hào)，上料機(jī)構(gòu)及排列機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行速度可通過(guò)手動(dòng)調(diào)整無(wú)級(jí)減速器的輸出速比來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器，啟動(dòng)輸送伺服電機(jī)，其運(yùn)行速度可任意調(diào)節(jié)。電子視覺(jué)系統(tǒng)由光箱、光源、觸發(fā)器、智能相機(jī)、計(jì)算機(jī)軟硬件及信號(hào)線(xiàn)等組成，對(duì)輸送線(xiàn)上的臍橙進(jìn)行大小和成熟度等信息的獲取、處理，發(fā)出剔除信號(hào)給PLC；PLC收到分級(jí)信號(hào)后，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器，啟動(dòng)分級(jí)伺服電機(jī)，將不同等級(jí)的臍橙從輸送線(xiàn)上剔除到相應(yīng)果品箱內(nèi)。

1.帶式上料機(jī)構(gòu) 2.差速排列機(jī)構(gòu) 3.電子視覺(jué)光箱 4.齒條鏈?zhǔn)捷斔蛶C(jī)構(gòu) 5.回轉(zhuǎn)剔除分級(jí)機(jī)構(gòu) 6.觸摸屏式PLC電氣控制系統(tǒng)

圖2 控制原理圖

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 載具及電源

由于該設(shè)備主要用于果園采摘現(xiàn)場(chǎng)的臍橙分選，果園可能位于遠(yuǎn)離公路的丘陵地帶，因此載具應(yīng)具有較好的越野性能，具有較大的離去角和接近角，適合在崎嶇不平的地面行駛，并具有較大的載重能力和較遠(yuǎn)的續(xù)航能力，可以搭載較多的人員及自主加油。經(jīng)綜合考慮，最終載具選擇載重為3t的越野型雙排座柴油卡車(chē)。由于載具要承載整套分選設(shè)備及采摘的臍橙，車(chē)廂長(zhǎng)度選擇4m的較為適宜，如圖3所示。

整個(gè)設(shè)備采用獨(dú)立電源供電。由于該設(shè)備的多個(gè)部件均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括上料、排列、輸送、分選等，總負(fù)荷約為3kW，負(fù)荷較大，不能從載具電源系統(tǒng)直接取電，必須另配電源。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，最終選擇負(fù)載性能較好、自重較輕、尺寸較小的開(kāi)普KDE12EA3型柴油發(fā)電機(jī)組，功率9.5kVA，自重245kg，并配有多個(gè)電源輸出插座，非常方便實(shí)用。

圖3 載具示意圖

2.2 自動(dòng)上料與差速排列

上料機(jī)構(gòu)的作用是將采摘的臍橙從地面提升至車(chē)箱上的差速排列機(jī)構(gòu)的始端。

為了減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，分選設(shè)備的大部分都放置于載具上，但上料機(jī)構(gòu)放置于地面。這主要是考慮到一筐臍橙要有15～20kg，要將整筐的臍橙從地面搬到載具上非常吃力，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)由可伸縮機(jī)架、料斗、輸送帶、調(diào)速電機(jī)和出料口組成，如圖4所示。

1.料斗 2.傳送帶 3.可伸縮機(jī)架 4.調(diào)速電機(jī) 5.出料口 6.臍橙 7.V形平帶 8.調(diào)速電機(jī)組 9.機(jī)架 10.底座 11.載具

為了適應(yīng)不同的地面，上料機(jī)構(gòu)的機(jī)架設(shè)計(jì)成可伸縮結(jié)構(gòu)，以保證出料口的高度剛好將臍橙送到排列機(jī)構(gòu)的入口處，又不至于太高而跌傷臍橙；或太低，臍橙進(jìn)入不了差速排列機(jī)構(gòu)內(nèi)。

為了防銹及滿(mǎn)足食品機(jī)械的衛(wèi)生材質(zhì)要求，料斗采用食品級(jí)不銹鋼制成，傳送帶采用食品級(jí)橡膠輸送帶。為了保證傳送帶的傳送速度與差速排列機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度相匹配，提升機(jī)構(gòu)的電機(jī)選用調(diào)速電機(jī)；為了節(jié)約成本及方便操作，調(diào)速電機(jī)采用手動(dòng)調(diào)速。

工作時(shí)，臍橙倒入料斗中，在調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)傳送帶將臍橙提升至車(chē)廂高度，經(jīng)過(guò)出料口，滑落到排列機(jī)構(gòu)的V形平帶上。

差速排列機(jī)構(gòu)由V形平帶、調(diào)速電機(jī)組和機(jī)架等組成，并固定于車(chē)廂內(nèi)的底座上。V形平帶由2條呈120°的輸送帶組成，并各由一個(gè)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于兩輸送帶的速度設(shè)計(jì)成一快一慢，導(dǎo)致滑落到V形平帶上的臍橙在向前行進(jìn)的同時(shí)，自身也旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)上料機(jī)構(gòu)的速度與V形平帶的輸送速度相匹配時(shí)，臍橙就自動(dòng)排列，呈一列整齊有序的向前行進(jìn)。

2.3 臍橙的輸送

經(jīng)過(guò)排列的臍橙通過(guò)輸送帶從差速排列機(jī)構(gòu)的出口輸送至分級(jí)機(jī)構(gòu)的攝像工位。輸送帶采用鏈輪鏈條傳送機(jī)構(gòu)：一是傳動(dòng)平穩(wěn)，工位準(zhǔn)確；二是可實(shí)現(xiàn)臍橙的翻轉(zhuǎn)。

為了保證所攝圖像反映整個(gè)臍橙的外觀(guān)，必須讓臍橙連續(xù)翻轉(zhuǎn)，因此輸送滾在采用鏈條傳動(dòng)的同時(shí)，增加一齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪與滾子的端面相連，齒條固定于托板上，這樣當(dāng)鏈條帶動(dòng)輸送滾向前行進(jìn)時(shí)，在齒輪的帶動(dòng)下，自身繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使得其上的臍橙也一同繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，鏈條導(dǎo)軌，可保證輸送鏈不因自身質(zhì)發(fā)生下垂。

1.空心銷(xiāo)軸鏈 2.軸 3.齒輪 4.齒條 5.臍橙 6.輸送滾 7.鏈條導(dǎo)軌 8.托架

齒輪、齒條及鏈條導(dǎo)軌均采用超高分子材料制成，在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，本身具有非常好的自潤(rùn)滑性能和抗磨性能。

2.4 檢測(cè)與自動(dòng)分選

電子視覺(jué)系統(tǒng)是一種基于由逐行掃描CCD彩色攝像頭、具有外觸發(fā)功能的圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成的攝像系統(tǒng)，是整個(gè)檢測(cè)與分選系統(tǒng)運(yùn)行的核心，主要包括光箱(光源)、智能逐行掃描彩色CCD相機(jī)、觸發(fā)器及計(jì)算機(jī)等幾大部分。

工作時(shí)，置于滾子之間的臍橙在輸送線(xiàn)上走過(guò)一個(gè)工位時(shí)，觸發(fā)器觸發(fā)攝像頭抓拍一次圖像；拍攝的圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理以后，給分級(jí)機(jī)構(gòu)發(fā)出分級(jí)信號(hào)進(jìn)行分級(jí)，為保證分級(jí)機(jī)構(gòu)分級(jí)的靈敏度和避免損傷臍橙，設(shè)計(jì)采用如圖6所示的伺服驅(qū)動(dòng)分級(jí)機(jī)構(gòu)。

1.伺服電機(jī) 2.固定支架 3.撥叉 4.臍橙 5.軸 6.撥叉軟墊 7.輸送輥

圖6中，分級(jí)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、固定支架、撥叉、軸和撥叉軟墊組成。撥叉有個(gè)撥叉，即4個(gè)工位，兩撥叉之間的空擋足夠容下直徑120mm的臍橙通過(guò)，在沒(méi)有分級(jí)動(dòng)作時(shí)，其空擋正對(duì)輸送輥。伺服電機(jī)的啟動(dòng)和停止由PLC控制，當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到分級(jí)信號(hào)后，啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°后停止，驅(qū)動(dòng)撥叉轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位，將待分選臍橙剔除到相應(yīng)果品箱內(nèi)，完成一次分級(jí)過(guò)程。

由于伺服電機(jī)具有響應(yīng)性能好、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的優(yōu)越性，可保證分級(jí)動(dòng)作的可靠、準(zhǔn)確。為防止撥叉損傷臍橙，在撥叉的頭部固定有軟墊。

與氣吹分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及撥叉分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，伺服驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)分級(jí)機(jī)構(gòu)具有力度可調(diào)、響應(yīng)速度快，不會(huì)造成分級(jí)遺漏和二次損傷等優(yōu)點(diǎn)。

圖像抓拍之后，抓拍到的圖像，傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)去背景、濾噪等預(yù)處理[5]。當(dāng)選別開(kāi)關(guān)設(shè)為“顏色”，對(duì)經(jīng)處理過(guò)的圖像計(jì)算出成熟度指標(biāo)：如成熟度指標(biāo)為橙紅時(shí)，該臍橙運(yùn)行至橙紅果品工位，分級(jí)機(jī)構(gòu)將其剔除至橙紅品箱內(nèi)；如成熟度指標(biāo)為橙黃至橙紅時(shí)，該臍橙運(yùn)行至橙黃至橙紅果品工位，分級(jí)機(jī)構(gòu)將其剔除至橙黃至橙紅品箱內(nèi)；如成熟度指標(biāo)為非橙紅、非橙黃至橙紅時(shí)，分級(jí)機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，臍橙沿著輸送線(xiàn)繼續(xù)前行，最后進(jìn)入未成熟果品箱內(nèi)。

當(dāng)選別開(kāi)關(guān)設(shè)為“大小”，則經(jīng)圖像處理之后，計(jì)算出臍橙大?。喝缒毘裙麑?shí)橫徑在70～75、75～80、80～85、85～90mm之中的某一范圍內(nèi)，則當(dāng)將臍橙運(yùn)行至相對(duì)應(yīng)的一、二、三、四工位時(shí)，分級(jí)機(jī)構(gòu)將其剔除至相應(yīng)級(jí)別的果品箱內(nèi)；如果臍橙的果實(shí)橫徑不在上述范圍之內(nèi)，分級(jí)機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，臍橙沿著輸送線(xiàn)繼續(xù)前行，最后進(jìn)入60～70mm果品箱內(nèi)。

3 分級(jí)試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本情況

車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：一是設(shè)備車(chē)輛的越野性能試驗(yàn)；二是設(shè)備的分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)。

1)設(shè)備車(chē)輛的越野性能試驗(yàn)。鎮(zhèn)江位于江南平原與丘陵山地之間的過(guò)渡地帶，地貌特征以丘陵崗地為主，具有得天獨(dú)厚的載具越野性能試驗(yàn)條件。載具越野性能試驗(yàn)就地選擇在鎮(zhèn)江郊區(qū)林場(chǎng)， 試驗(yàn)項(xiàng)目為設(shè)備車(chē)輛在有較大坡道路面及泥濘道路上的行駛、爬坡、下坡及倒車(chē)等。

2)分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)。分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)是將從批發(fā)市場(chǎng)采購(gòu)回來(lái)的大小不等、顏色各異的臍橙和桔子混合而成的水果進(jìn)行分選，時(shí)間安排在越野性能試驗(yàn)后進(jìn)行。

在分選之前通過(guò)人工測(cè)量、標(biāo)識(shí)臍橙的大小，橙紅色臍橙橫徑在70～75、75～80、80～85、85～90mm 的各20只，共計(jì)80只；橙黃色臍橙橫徑在70～75、 75～80、80～85、85～90mm 的各20只，共計(jì)80只；桔子的顏色全為青色，橫徑在60～70mm之間，數(shù)量為40個(gè)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，設(shè)備車(chē)輛在試驗(yàn)路面多趟來(lái)回行駛、爬坡、下坡、倒車(chē)，司機(jī)反映車(chē)輛動(dòng)力足，爬坡、下坡、倒車(chē)機(jī)動(dòng)靈活。設(shè)備經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間行駛、顛簸后，沒(méi)有發(fā)生零件脫落、變形等不良現(xiàn)象，經(jīng)簡(jiǎn)短安裝調(diào)試，可立刻投入到分選作業(yè)。

因分選試驗(yàn)樣本比較少，為保證試驗(yàn)的真實(shí)性，分選按大小和顏色各分5次重復(fù)進(jìn)行，設(shè)定分選速度1.5只/s，按大小分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 大小分級(jí)結(jié)果

Table 1 The results of size grading

橫徑/mm樣本數(shù)分選數(shù)差錯(cuò)率/%60～70400396170～752001971.575～80200204280～852002052.585～902001981

按顏色分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 顏色分級(jí)結(jié)果

試驗(yàn)表明：車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)設(shè)備具有性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、分級(jí)效率高、分選差錯(cuò)率及勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

將電子視覺(jué)系統(tǒng)、車(chē)載系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、PLC控制等技術(shù)集成應(yīng)用到臍橙的分級(jí)生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)制造了車(chē)載臍橙電子視覺(jué)智能分級(jí)機(jī)，突破了傳統(tǒng)的水果分選生產(chǎn)模式。該設(shè)計(jì)一改以往水果在車(chē)間進(jìn)行分級(jí)的方式，取而代之的是在采摘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分級(jí)的方式，不僅可以節(jié)約水果生產(chǎn)成本，而且大大縮短了水果的生產(chǎn)時(shí)間，如能加以推廣，應(yīng)用到蘋(píng)果、柑橘等水果的分級(jí)生產(chǎn)中，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和示范推廣效應(yīng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。