馬鈴薯種薯自動切塊機及其關(guān)鍵部件設(shè)計與研究

殷 喬，成 娟*，貢 軍

（1.合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 230036；2.中聯(lián)農(nóng)業(yè)機械股份有限公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

馬鈴薯是由塊莖繁殖的作物，為了增加種薯與外界的接觸面積，通常會對種薯進行切割，以促進種薯與種薯內(nèi)部的氧交換，從而使種薯提前打破休眠并發(fā)芽[1]。

當前對于馬鈴薯的切塊主要通過視覺識別并設(shè)計切塊刀具切塊，Han等[2]嚴研制了一款小型馬鈴薯種薯切塊機，多組不同切刀對應(yīng)多組切割板，種薯固定在切割板的切割刀上，壓板向下移動，可以在一次切分動作中，一次性縱向切分多個種薯，該機結(jié)構(gòu)簡單，適合小型種植戶，但操作繁瑣，仍需人工排列種薯。楊添璽[3]設(shè)計了一款帶有芽眼識別功能的馬鈴薯種薯智能切塊機，該機器首先對機械部分進行了設(shè)計，然后進行芽眼的識別，最后根據(jù)芽眼的分布情況實現(xiàn)對種薯的切塊，并提出了一種切種決策機制，芽眼的綜合識別率達到97.33%，但也具有裝載過程需要手動進行、耗時費力等問題。祝珊[4]設(shè)計了一款定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機，這款切塊機有效提升了切塊效率，在機器上綜合實現(xiàn)了輸送、清洗、分類、排列、消毒、除雜等多種功能，但該設(shè)備同樣沒有芽眼識別功能。

以上幾種方法多是根據(jù)圖像對種薯幾何特征進行測量切塊，對芽眼的研究相對較少，因此本文設(shè)計一種馬鈴薯自動切塊機，可以自動完成對種薯的進料、穩(wěn)定中心、芽眼監(jiān)測、切割及消毒分類等操作，以促進馬鈴薯種植的全程機械化。

1 自動切塊機總體設(shè)計

根據(jù)切塊機結(jié)構(gòu)特點、傳動要求以及對傳動方式的選擇等方面綜合考慮，將馬鈴薯種薯切塊機的結(jié)構(gòu)部分分為六個子模塊進行設(shè)計[5-6]，分別是種薯進料裝置、穩(wěn)定中心裝置、檢測識別裝置、切割裝置、分類機構(gòu)、薯塊收集裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動切塊機整體結(jié)構(gòu)

工作原理：工作人員將馬鈴薯種薯放置進料斗中，料斗設(shè)計為棱錐體結(jié)構(gòu)，受重力作用種薯通過下方出料口落入進料板內(nèi)，棘輪安裝在料斗支架上，并設(shè)計成六齒結(jié)構(gòu)，通過棘輪實現(xiàn)進料板的反復(fù)運動，進而控制出薯頻率，種薯從料斗出來后進入篩選定位輥輪，由于輥輪中存在空隙，所以篩選出體積較小，不需要切塊的種薯，使得滿足切塊大小的種薯經(jīng)輥輪滾落后，可以平穩(wěn)放置于輸送帶中間供下一步視覺識別。隨著輸送帶的傳輸，種薯首先經(jīng)過芽眼檢測裝置對種薯上的芽眼進行檢測，并輸出控制指令到切割刀具，切割刀具檢測到種薯到達刀具下方位置后，根據(jù)識別的控制信號選擇三種刀具中的某一種進行切割，切割完成后，到達振動下料板進入第二級輸送帶，第二級輸送帶上的芽眼識別裝置首先對切塊的質(zhì)量進行識別劃分，當識別出薯種的生命力較低或切割出的薯種不合格，便輸出信號來控制撥動裝置將薯種撥到輸送帶的另一側(cè)，并且落入收集器中，通過此種方式實現(xiàn)對薯種的分類。最后通過自動噴藥裝置對合格的薯種進行噴藥處理，并落入末端合格薯種的收集器中。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

切割裝置包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、傳動機構(gòu)及切刀三部分，如圖2所示。其中，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用中空旋轉(zhuǎn)分度盤，由步進電機轉(zhuǎn)動并通過蝸輪蝸桿的方式驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺的中軸進行旋轉(zhuǎn)，該裝置內(nèi)置角度閉環(huán)，通過RS485通信方式進行控制旋轉(zhuǎn)中軸在360°內(nèi)進行精確旋轉(zhuǎn)，精度可達0.002°；傳動機構(gòu)用來控制切刀的上下伸縮，為刀具提高切削力，完成對馬鈴薯的切割。本設(shè)計采用常見的氣缸作為馬鈴薯種薯切塊的傳動部件，最大行程100 mm，滿足對土豆的切割工作，并通過底部螺紋與旋轉(zhuǎn)平臺的中空軸連接在一起，當旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，可帶動傳動機構(gòu)及刀具的旋轉(zhuǎn)從而達到目標切割角度。

圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)圖

種薯切刀結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括刀杯、刀刃，其中圓筒型刀杯主要對刀刃起到支撐作用，直徑為100 mm，遠大于種薯的直徑，防止馬鈴薯切塊后卡進杯壁內(nèi)無法掉落，采用鋼絲作為刀刃，取代了傳統(tǒng)的刀片，可有效解決粘刀的問題。根據(jù)馬鈴薯的大小、形狀等因素，將刀具分為3組，第一組刀具形狀呈一字狀排列，第二組刀具形狀呈120°圓周排列，第三組刀具形狀呈90°圓周排列。切割裝置將根據(jù)檢測識別裝置傳來的切割信號選擇合適的刀具，對馬鈴薯種薯進行切塊，分別將其切成兩塊、三塊和四塊。

3 種薯芽眼視覺識別系統(tǒng)設(shè)計

3.1 檢測識別裝置

種薯檢測識別裝置包括圖像采集裝置和圖像分析裝置[6-7]，圖像采集裝置的攝像頭采用邁迪微視USB 2.0接口的工業(yè)相機，相機最大分辨率為1280×960，幀率為27FPS。圖像分析裝置由工業(yè)控制計算機實現(xiàn)，其輸入端與種薯檢測相機連接，接收來自相機采集的種薯圖像信息，并進行圖像處理，包括芽眼檢測、種薯大小檢測、切刀選擇以及切刀旋轉(zhuǎn)角度計算，最后傳送至切割控制器[5]執(zhí)行切割種薯操作，保證切割完成后的薯塊至少保留一個芽眼。

3.2 檢測原理

利用HALCON軟件進行目標識別實現(xiàn)對馬鈴薯芽眼的檢測，檢測流程如圖3所示。其檢測過程主要包括兩個變量，即圖像變量和控制變量，其中圖像變量包括Image、GrayImage、Regions、RegionOpening、ConnectedRegions、ImaAmp、ImaDir，即實現(xiàn)讀取圖片、圖像灰度化、閾值調(diào)節(jié)、區(qū)域合并、提取質(zhì)心、提取輪廓；控制變量包括Area，Row，Column，即芽眼的面積和橫縱坐標。

圖3 芽眼識別流程圖

在馬鈴薯種薯的切塊決策中，需要通過馬鈴薯的質(zhì)心與芽眼質(zhì)心相連來確定刀具是否需要旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)的角度，所以需要對馬鈴薯芽眼的質(zhì)心進行提取。利用connection算子計算并運算處理后的圖像中所有連通的區(qū)域，在利用area_center算子計算所有區(qū)域的質(zhì)心，即為各芽眼質(zhì)心，得到芽眼面積、橫坐標、縱坐標，同樣利用area_center算子計算閾值分割后Regions中的圖像，即可得到種薯的質(zhì)心位置。

4 種薯切種策略

4.1 切刀轉(zhuǎn)動方案設(shè)計

根據(jù)識別后的馬鈴薯芽眼數(shù)與要分割的區(qū)域塊數(shù)的多少，可將切刀的轉(zhuǎn)動方案分為如下三種：

方案一：種薯芽眼數(shù)小于要分割的區(qū)域塊數(shù)時，為了盡可能使更多的馬鈴薯種塊上含有芽眼，則對能檢測到的馬鈴薯芽眼進行分散切塊。

方案二：種薯芽眼數(shù)等于要分割的區(qū)域塊數(shù)時，芽眼會均勻地落在各分割區(qū)域內(nèi)，為了盡可能保證每一塊芽眼的養(yǎng)分均衡，每一種薯種切刀需要旋轉(zhuǎn)的角度都不同。

方案三：種薯芽眼數(shù)大于要分割的區(qū)域塊數(shù)時，需要選取圖像中與分割區(qū)域一樣數(shù)目的優(yōu)質(zhì)較大芽眼，進行分割切塊，因為較大的芽眼需要消耗較大的養(yǎng)分。

4.2 切刀旋轉(zhuǎn)角度

設(shè)種薯圖像中每個芽眼的面積為Ai，每個芽眼質(zhì)心的位置為P（xi，yi），i=1，2，3，……n，i為每一個馬鈴薯種上被標記的馬鈴薯芽眼的數(shù)目，則每個馬鈴薯芽眼的信息為R（Ai，P）。

當切刀需要根據(jù)最大的兩顆芽眼的質(zhì)心確定中心點的位置進行旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)心中點坐標（a，b）的計算公式為：

式中，a—最大兩顆芽眼中心點的橫坐標；

b—最大兩顆芽眼中心點的縱坐標；

xmax1—第一顆芽眼質(zhì)心的橫坐標；

xmax2—第二顆芽眼質(zhì)心的橫坐標；

ymax1—第一顆芽眼質(zhì)心的縱坐標；

ymax2—第二顆芽眼質(zhì)心的縱坐標。

轉(zhuǎn)角θ的計算方式為：

式中，θ—切刀需要轉(zhuǎn)動的角度。

5 試驗分析

5.1 試驗方案

為了驗證本設(shè)計的馬鈴薯種薯自動切塊機的性能，首先搭建馬鈴薯種薯切塊平臺，如圖4所示，分別放置大小質(zhì)量及芽眼數(shù)不一樣的種薯，通過相機識別后，自動選擇刀具并計算旋轉(zhuǎn)角度進行切塊，然后觀察薯種的切塊質(zhì)量。

圖4 馬鈴薯種薯自動識別切塊機實物圖

5.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如表1所示，可以看出：對于200個大小質(zhì)量及芽眼數(shù)不一樣的種薯，人工判別實際芽眼數(shù)目為621個，通過本設(shè)計的馬鈴薯自動切塊機的圖像識別系統(tǒng)識別出597個，識別準確率達96.14%，識別后發(fā)送切塊指令到種薯切割裝置進行切塊操作，切塊合格率為93.54%。以上數(shù)據(jù)表明該種薯切塊機可較好地完成對種薯的芽眼識別及切塊操作，滿足種薯切塊作業(yè)要求。

表1 種薯芽眼識別切塊試驗參數(shù)

6 結(jié)論

本文通過對機械結(jié)構(gòu)、芽眼識別、切種決策三個部分的綜合考慮，經(jīng)設(shè)計計算，設(shè)計了一種馬鈴薯種薯切塊機，能夠完成對馬鈴薯種薯的分類、識別、切塊、消毒等功能，實現(xiàn)了馬鈴薯切塊機械化，該切塊機芽眼識別率達96.14%、切塊合格率達93.54%，可以提高切塊效率、保證種薯切塊質(zhì)量、減少人工的投入、降低制種成本、促進馬鈴薯種植的全程機械化。