基于圖像識別技術(shù)的智能化產(chǎn)品分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王 壯 劉志豪 劉建華 武發(fā)展 李 楊

（青島理工大學(xué)，山東 臨沂 273400）

0 引言

我國是水果生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2021年我國水果總產(chǎn)量已達(dá)2.9億t。在我國，水果產(chǎn)業(yè)是南方地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。雖然我國水果產(chǎn)值日漸升高，但是水果總體價格較低，“賣果難”等一系列問題經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致水果行業(yè)快速發(fā)展的勢頭受到壓制。同時，我國水果以國內(nèi)封閉式消費(fèi)為主，參與國際貿(mào)易的比例一直不高，年總出口量未達(dá)國際水果貿(mào)易的5%，這一現(xiàn)狀難以推動我國水果產(chǎn)業(yè)走向世界。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是水果收獲后銷售加工延遲，水果外觀品質(zhì)較差，導(dǎo)致其在國際市場上的競爭力較低。根據(jù)水果生產(chǎn)和銷售趨勢可知，水果生產(chǎn)的大部分價值是通過產(chǎn)后處理和產(chǎn)后加工創(chuàng)造的。產(chǎn)后水果的商業(yè)處理包括清洗、打蠟、分類和包裝等。分類是水果銷售處理中的一個重要環(huán)節(jié)，但我國存在水果等級分揀能力低、人工分揀占比大和分揀成本高、精度低、效率低等問題，因此，需要積極研制適用的水果分揀裝備。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

外國一些相關(guān)公司很早就開始將水果自動分揀的研究商業(yè)化。例如，Merling高速高頻計(jì)算機(jī)視覺水果分級系統(tǒng)是美國一家企業(yè)于1995年開發(fā)的，生產(chǎn)率約為40 t/h，美國每年有超過50%的蘋果通過該設(shè)備進(jìn)行處理。美國Penwalt公司研發(fā)的Decco型分級機(jī)具有速度快、性能好、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，其是根據(jù)質(zhì)量對水果進(jìn)行分級的，利用杠桿原理進(jìn)行工作，采用最新電子儀器測定質(zhì)量，可根據(jù)需求選擇準(zhǔn)確的分級基準(zhǔn)，分級精度高。但是，現(xiàn)有產(chǎn)品都是為大農(nóng)場設(shè)計(jì)的，而且維修費(fèi)用較高，占地面積較大。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國生產(chǎn)的水果分級設(shè)備主要局限于機(jī)械分級，主要用于大小和質(zhì)量分級。例如，山東省棲霞茂源機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的GXJ-W系列臥式果蔬分選機(jī)是將類似球形的水果或蔬菜（梨、蘋果、柿子、桃子、檸檬、石榴、番茄和柑橘等）按質(zhì)量分級的一種高效自選設(shè)備。我國水果質(zhì)量檢測中使用的水果品質(zhì)自動檢測生產(chǎn)線多為進(jìn)口設(shè)備，這種進(jìn)口設(shè)備是針對大農(nóng)場生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的，在我國小農(nóng)戶產(chǎn)品的檢測中并不實(shí)用。

1.3 國內(nèi)外同類技術(shù)比較

機(jī)械分揀基于對水果的品質(zhì)鑒定和分級研究，主要涉及農(nóng)產(chǎn)品的大小、形狀、表面損傷與缺陷檢測等方面。最早的機(jī)械分揀采用多變識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對蘋果和馬鈴薯的顏色識別，識別準(zhǔn)確率高但效率較低，其后Blanc設(shè)計(jì)的分級系統(tǒng)提高了分級效率。再后來Baigvand 設(shè)計(jì)出完整的分級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對個別水果的等級劃分。國內(nèi)水果機(jī)械分揀研究工作也取得了卓越的成果，葉晉濤的基于 SVM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與哈密瓜圖像特征的分級方法及魏康麗的利用機(jī)器視覺方法，都為水果機(jī)械分揀開拓了新的思路。

目前，國內(nèi)外對水果的分級主要有2種方式。一種是采用純機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)，主要是利用機(jī)械自身的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和水果特征進(jìn)行分級，但這種方式一般由大型機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)，且需要消耗大量能源。另一種方式是將水果分在某一個區(qū)間值內(nèi)，無法做到更加精確的分級，同樣做不到對水果表面品質(zhì)進(jìn)行分級，且機(jī)器運(yùn)行過程中易對水果造成損傷，影響水果的經(jīng)濟(jì)價值，甚至需要人工進(jìn)行二次分揀，費(fèi)時費(fèi)力。

目前，我國大部分地區(qū)的水果罐頭產(chǎn)品加工廠、水果經(jīng)銷商、冷鮮水果加工廠商對水果的需求量與日俱增，但我國水果分揀方式仍以人工分揀為主。

2 水果自動分揀機(jī)設(shè)計(jì)意義

2.1 解決水果分揀問題，提高生產(chǎn)效率

目前，我國水果的分揀方式可分為兩種：人工分揀和機(jī)械分揀。人工分揀效率低，易損傷水果，準(zhǔn)確率低，需要大量勞動力，分揀成本極大。但由于我國部分地區(qū)現(xiàn)代化程度不高，人工分揀在水果分揀方式的占比依然不低。由于人工分揀的資源消耗及分揀品質(zhì)難以滿足水果商品化市場的擴(kuò)張需要，具有分揀精度與效率低的弊端，阻礙了我國水果行業(yè)的發(fā)展。智能化水果產(chǎn)品分揀系統(tǒng)的問世能有效解決這一問題。

2.2 積極響應(yīng)機(jī)械工業(yè)相關(guān)政策

《中國制造2025》提出，要想實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，必須堅(jiān)持問題導(dǎo)向，統(tǒng)籌謀劃，突出重點(diǎn)；必須凝聚社會共識，加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，全面提高發(fā)展質(zhì)量和核心競爭力。筆者積極響應(yīng)國家政策，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)際，設(shè)計(jì)并制造更有效、可靠的自動化機(jī)器，助力我國機(jī)械工業(yè)和農(nóng)業(yè)共同 轉(zhuǎn)型發(fā)展。

3 自動分揀機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

①該分揀裝置需要符合水果、食品相關(guān)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并確保符合機(jī)械設(shè)備制造、安全使用等原則。②裝置中所包含的機(jī)構(gòu)部件盡量采用國家標(biāo)準(zhǔn)件和通用設(shè)備；所涉及的生產(chǎn)、制造、加工和裝配連接環(huán)節(jié)盡量簡單，對相關(guān)輔助制造設(shè)備要求不高，操作簡單；相關(guān)部件互換性好，便于設(shè)備部件的更換和維護(hù)，為設(shè)備的后期升級和改造提供方便，同時保證設(shè)備易于推向市場使用。③操作簡單原則。該設(shè)備是為農(nóng)業(yè)從業(yè)者設(shè)計(jì)的，因此，要求設(shè)備的操作盡可能簡單、高效，顯示的界面標(biāo)簽盡量使用簡潔易懂的描述，避免使用專業(yè)術(shù)語。

3.2 設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)流程

筆者的研究思路如圖1所示，基于圖像識別技術(shù)的智能化產(chǎn)品分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖1 研究思路

圖2 基于圖像識別技術(shù)智能化產(chǎn)品分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用攝像頭拍攝水果的圖像，獲取果徑和表面品質(zhì)信息，傳送系統(tǒng)中的分揀導(dǎo)軌收到電信號后將送出的水果進(jìn)行初步分級。之后通過傳感器控制氣壓缸推動水果進(jìn)入分揀裝置，通過分揀裝置進(jìn)入不同品質(zhì)等級的收集箱。重力傳感器會檢測收集箱的質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到閾值時，控制氣壓缸推動收集箱進(jìn)入傳送裝置，至此完成一系列分揀工作。

3.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對同類型機(jī)器的研究、團(tuán)隊(duì)討論及查閱豐富的資料，初步確定了智能化產(chǎn)品分揀系統(tǒng)由表面識別系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、氣缸運(yùn)動系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)4部分組成。該分揀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 水果分揀機(jī)整體結(jié)構(gòu)模型

該分揀系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中主要包括三大區(qū)域——電子分類區(qū)、傳動分揀區(qū)、商品傳送區(qū)，包括識別裝置、傳動裝置、氣缸裝置、分揀裝置，四大裝置之間合理搭配運(yùn)作。在電子分類區(qū)，需將水果放在分揀導(dǎo)軌的接收水果源上，隨后水果由于分揀設(shè)備的坡度原因依次向前滾落運(yùn)動。通過提前設(shè)定的參照，使傳感器支配分揀導(dǎo)軌根據(jù)果徑大小來回擺動，將水果輸送至相應(yīng)的4個分軌道，完成初步分揀。之后水果進(jìn)入傳動分揀區(qū)，攝像頭通過圖像識別功能采集到設(shè)定的信息后，會產(chǎn)生相應(yīng)的電子信號，并通過傳感器發(fā)出，使靠近攝像頭一側(cè)的氣壓缸工作，將符合設(shè)定信息的水果推送到氣壓缸前方的分揀裝置。通過前后不平行的傳送帶進(jìn)行二級分揀（傳送帶根據(jù)水果大小可調(diào)）。之后將符合第2個氣壓缸所設(shè)定信息的水果通過傳感器傳輸?shù)綒鈮焊?，將其傳送到對?yīng)的分揀裝置來進(jìn)行三級分揀。不符合這兩級分揀的水果將會傳送到傳送帶另一側(cè)便于收集。水果分揀收集結(jié)束后進(jìn)入商品傳送區(qū)，通過導(dǎo)管傳送到收集箱，而收集箱下方具有重力傳感器，當(dāng)傳感器達(dá)到設(shè)定的參數(shù)值后，通過電磁閥控制的氣壓缸將對應(yīng)的收集箱推出，隨后被傳送帶送離機(jī)體，分揀機(jī)工作程序全部完成。

4 自動分揀機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 表面識別系統(tǒng)

采用該設(shè)備進(jìn)行水果分級時，位于傳送帶上方的雙攝像頭會以對角線的方式對水果表面進(jìn)行檢測，從而產(chǎn)生電子信號，通過傳感器傳輸?shù)綄?yīng)的氣壓缸使之工作。該設(shè)備利用光電檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)等可以對果實(shí)外觀品質(zhì)進(jìn)行快速綜合分析和判斷。表面受損的水果和沒有受損的水果之間會有很大的差異，系統(tǒng)會自動進(jìn)行快速分析，并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而快速得到檢測結(jié)果。

4.2 傳送系統(tǒng)

該設(shè)備的主傳送帶是運(yùn)輸水果的主要通道，可與多個分揀系統(tǒng)相連。傳送帶的長短高低可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，增加了系統(tǒng)的能動性，顯著提高了工作效率。當(dāng)接收裝置達(dá)到一定質(zhì)量后，氣缸把紙箱由輥式傳送器上推到底部傳送帶，使其被傳送到指定的級別區(qū)域，便于收納。

4.3 氣缸運(yùn)動系統(tǒng)

為便于將水果推入分揀裝置，根據(jù)水果的尺寸、滑動摩擦力，參考手工分級經(jīng)驗(yàn)，通過三維建模軟件SolidWorks繪制不同的氣缸用來推動物體，同時進(jìn)行了動畫仿真模擬。氣缸運(yùn)動過程是利用圖像識別技術(shù)對水果進(jìn)行初步分級，產(chǎn)生電子信號將水果推入分揀裝置，當(dāng)重力傳感器接收信號時產(chǎn)生電子信號控制氣缸運(yùn)動，將接收裝置傳入底部傳送帶。同時，由電磁閥控制氣缸，使設(shè)備更加高效與安全。

4.4 分揀系統(tǒng)

通過分揀導(dǎo)軌上的傳感器使分揀導(dǎo)軌來回擺動，根據(jù)提前設(shè)定的水果表面品質(zhì)信息，將水果以最小誤差送入相應(yīng)的4個分軌道。同時，分揀導(dǎo)軌上的傳感器數(shù)值調(diào)節(jié)與分軌道的寬度相對應(yīng)，從而將符合導(dǎo)軌寬度果徑大小的水果準(zhǔn)確地輸送到分導(dǎo)軌。

5 設(shè)備對水果分揀指標(biāo)的研究

5.1 對果徑分揀研究的實(shí)施

分揀系統(tǒng)是整個系統(tǒng)對水果果徑的初級分揀，并提高后續(xù)分揀效率。通過分揀導(dǎo)軌上的圖像識別傳感器檢測通過水果的果徑，根據(jù)提前設(shè)定的不同導(dǎo)軌果徑參數(shù)，將水果分為多個果徑等級。通過分揀導(dǎo)軌來回擺動，使得分揀導(dǎo)軌上的傳感器的數(shù)值調(diào)節(jié)與分軌道的寬度相對應(yīng)，從而將符合導(dǎo)軌寬度的果徑大小的水果輸送到分導(dǎo)軌，確保了水果流量的穩(wěn)定性與可控性，實(shí)現(xiàn)初步分揀。

5.2 對表皮品質(zhì)分揀研究的實(shí)施

水果通過分揀導(dǎo)軌的初步分揀后，在主傳送帶中，位于傳送帶上方的雙攝像頭會以對角線的方式對水果表面進(jìn)行檢測，從而產(chǎn)生電子信號，通過傳感器傳輸?shù)綄?yīng)的氣壓缸使之工作。當(dāng)水果傳送至與氣壓缸彈射同一水平處，氣壓缸進(jìn)行工作，將水果彈出主傳送帶進(jìn)入傳送系統(tǒng)，運(yùn)用圖像識別技術(shù)、光電傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等可實(shí)現(xiàn)對水果外觀品質(zhì)的快速綜合分析判斷。表面受損的水果與表皮質(zhì)量良好的水果存在顯著差異，系統(tǒng)會自動進(jìn)行快速分析并與電腦數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比對，從而快速得出檢測結(jié)果，運(yùn)用PLC技術(shù)向后續(xù)裝置傳輸信息，完成水果果徑及表皮質(zhì)量的最終分揀。為了避免新設(shè)備在使用中由于環(huán)境、溫度及水果外形差異等因素對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，該研究團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的電子計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正和彌補(bǔ)，并建立了一定規(guī)模的數(shù)值對比數(shù)據(jù)庫，從而最大限度地保證了檢測的準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確率接近 100%。

6 結(jié)語

基于圖像識別技術(shù)的智能化產(chǎn)品分揀系統(tǒng)具備以下6個創(chuàng)新點(diǎn)：①分揀裝置的傳送帶尺寸可調(diào)，適用于分揀多種不同種類水果；②主傳送帶可連接多個分級系統(tǒng)，提高了工作效率；③利用傳感器控制技術(shù)，使得設(shè)備操作更加方便，并且基本實(shí)現(xiàn)自動化，效率更高，且可節(jié)省人工；④采用圖像識別系統(tǒng)來判斷水果表面品質(zhì)信息，為分揀提供第一步保障，提高了分揀質(zhì)量；⑤設(shè)備體積小，接通電源即可使用，更便于中小型產(chǎn)品加工廠與小型農(nóng)產(chǎn)品廠商使用，且操作簡便、易上手，極大地提升了設(shè)備的實(shí)用性；⑥產(chǎn)品由多級電機(jī)與機(jī)械構(gòu)件組成，精準(zhǔn)巧妙地運(yùn)用了不同的新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不易出現(xiàn)故障，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。

但該系統(tǒng)也存在需要改進(jìn)和完善的地方，如優(yōu)化且細(xì)化傳送帶尺寸設(shè)計(jì)，以提高水果分級精度及分級寬度；優(yōu)化設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)各部件受力情況選取不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì) 要求。