水果自動分級系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要：到圖像信息進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可以在人機界面上對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對分級狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，控制系統(tǒng)各部件動作，完成系統(tǒng)的信號采集、通信、判斷、控制等功能，實現(xiàn)水果的自動分級。

關(guān)鍵詞：計算機視覺；圖像采集；LabVIEW；自動分級系統(tǒng)

中國作為世界上最大的水果生產(chǎn)大國，水果產(chǎn)量和種植面積逐年提升，2019年我國的水果產(chǎn)量為2.84億噸，通過測算，我國果園面積今后還會進(jìn)一步增大，供應(yīng)規(guī)模將繼續(xù)擴大。但總體上看，我國的水果產(chǎn)業(yè)并不能稱之為強，其中最大的痛點是缺乏產(chǎn)業(yè)鏈整合，尤其是各類水果的篩選分級技術(shù)還相對落后，嚴(yán)重阻礙了我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，實現(xiàn)水果的快速有效的分級，以提升我國水果品質(zhì)和競爭力已經(jīng)勢在必行[1-2]。本文介紹了一種基于計算機視覺技術(shù)的水果自動分級系統(tǒng)，將計算機視覺技術(shù)用于水果品質(zhì)分級具有潛在的應(yīng)用價值和很好的發(fā)展前景，也最適合走工業(yè)化的發(fā)展軌道。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

目前，水果篩選分級主要有人工水果分級和機械自動化分級兩種形式，其中人工分級方式需要大量的勞動力，效率低，難以滿足大批量分級需求。機械自動化分級可以分為純機械裝置分級、基于光電檢測技術(shù)分級和基于圖像/視覺技術(shù)分級三種。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于圖像/視覺技術(shù)的水果分級簡化了圖像分類和處理的流程，在很大程度上提升了產(chǎn)品品質(zhì)檢測的速度和精度，降低了成本。因此，利用計算機視覺技術(shù)進(jìn)行分級是自動化分級發(fā)展的必然趨勢。本系統(tǒng)將綜合采用傳感器技術(shù)、電氣控制技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等多種技術(shù)，應(yīng)用智能化的控制方式實現(xiàn)水果的自動分級。系統(tǒng)的核心是以工控機為核心的控制系統(tǒng)，通過工業(yè)相機采集水果圖像，通過各種傳感器采集各項指標(biāo)，通過LabVIEW和LabVIEWVisionAssistant軟件搭建人機界面，并進(jìn)行圖像分析和處理，控制執(zhí)行機構(gòu)，監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)水果的分級。

1.1系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)、信號采集裝置、檢測與執(zhí)行裝置、控制系統(tǒng)以及人機界面等五部分組成。系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)支架、進(jìn)料機構(gòu)、傳送機構(gòu)、物料臺、卸料機構(gòu)以及與系統(tǒng)配套的托盤機構(gòu)、擋板等。其中，系統(tǒng)支架為其他所有部件提供支撐，決定了分級系統(tǒng)的整體大小。進(jìn)料機構(gòu)和傳送裝置用于水果的在線運輸，傳送機構(gòu)由電機等動力裝置帶動運行，卸料機構(gòu)負(fù)責(zé)把經(jīng)過檢測的水果從傳送機構(gòu)上卸下，將其集中到對應(yīng)等級的收集裝置中。本系統(tǒng)采用機械損傷小的氣動式水果分級卸料機構(gòu)。分級后的水果進(jìn)行卸料時，繼電器將儲氣罐閥門打開，通過高壓氣體將水果吹落，從而達(dá)到自動化卸料的目的。信號采集裝置包括光源、工業(yè)相機、采集卡等設(shè)備組成，檢測與執(zhí)行裝置包括編碼器、傳感器、電磁閥、電動機等組成。信號采集裝置可以采集圖像以及各種傳感器等信息，把采集到的信號發(fā)送給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是水果自動分級系統(tǒng)的重要組成部分，也是實現(xiàn)水果分級的核心部分。本系統(tǒng)以工控機為核心，采用LabVIEW和LabVIEWVisionAssistant軟件對各種信息進(jìn)行信息信號處理，并可通過人機界面對系統(tǒng)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括運動控制功能、圖像采集與數(shù)據(jù)處理功能以及通過人機界面對各種環(huán)境參數(shù)、運行參數(shù)等進(jìn)行控制調(diào)節(jié)等功能。

1.2系統(tǒng)硬件選擇及功能

1.2.1工業(yè)相機完成水果的圖像采集，要求像素高一些，但要考慮成本以及計算機對圖像處理速度。1.2.2編碼器編碼器的功能是確定每個料斗的實際位置，選擇時要兼顧編程方便。1.2.3各種傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等，用于測量氣壓、溫度以及檢測物料有無等。1.2.4電機包括用于傳送帶傳輸?shù)碾姍C、氣泵電機、振動電機等。

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于NI公司的LabVIEW和LabVIEWAssistant，包括數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理程序、控制和輸出程序、人機界面三個部分。其中，數(shù)據(jù)采集與處理程序主要包括：相機的數(shù)據(jù)采集與處理、編碼器的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換以及對各種傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理等。控制和輸出程序包括對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制、對經(jīng)處理的采集信息進(jìn)行輸出以及環(huán)境、系統(tǒng)運行情況進(jìn)行報警、提示等信息輸出。人機界面主要包括通訊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、圖像處理過程顯示等[3-4]。

2結(jié)果及分析

系統(tǒng)的工作過程為設(shè)備上電后，工控機啟動，此時，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。通過人機界面，點擊啟動指令后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序，先判斷物料入口是否有料，如果沒有則繼續(xù)等待，如果有則啟動氣泵，達(dá)到預(yù)定的壓強后再進(jìn)行下一步，即進(jìn)料機構(gòu)啟動，同時，相機實時進(jìn)行拍照識別，并調(diào)用圖像采集與處理程序，進(jìn)行圖像處理分析，把信息傳輸給到各動作控制元件，控制何時把水果送到預(yù)定軌道，實現(xiàn)水果的分級。以蘋果為例，將計算機視覺技術(shù)用于蘋果的自動檢測和自動分級，通過提取蘋果的大小、顏色、表面缺陷等特征，從而實現(xiàn)蘋果的自動分級。系統(tǒng)的工作界面如圖1所示。

3結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于計算機視覺的水果自動分級系統(tǒng)，采用LabVIEW和LabVIEWVisionAssistant軟件，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，并以蘋果為例進(jìn)行了試驗分析，包括水果的成熟度及大小等。實驗報名，該系統(tǒng)實用性強，可根據(jù)不同需求，設(shè)置不同參數(shù)，進(jìn)行多種水果的分級，可以拓展到大批量、多種水果分級處理。

參考文獻(xiàn)

[1]產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng).2019年中國水果市場規(guī)模、供需情況及水果產(chǎn)值規(guī)模趨勢分析[圖],2020(1).

[2]李倩倩.基于計算機視覺的獼猴桃無損檢測與自動分級研究[M].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2020.

[3]毛瓊,王敏.LabVIEW2018虛擬儀器程序設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2018．

[4]基于LabVIEW的番茄果實雙目視覺識別與定位技術(shù)研究[M].佳木斯大學(xué),2016.

作者：楊鵬仙 王惠玲 宗強 陳琳 單位：南京科技職業(yè)學(xué)院