CN101013079B

CN101013079B - 小型物料数字化检测和分级装置

Info

Publication number: CN101013079B
Application number: CN2007100672047A
Authority: CN
Inventors: 成芳
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: CN101013079A

Abstract

本发明公开了一种小型物料数字化检测和分级装置。它由旋转式检测机、计算机视觉单元和自动分级卸料器组成。旋转式检测机自动输送多穴物料，使数字相机采集单粒化分布的物料群体图像用于质量信息检测。计算机视觉单元分别提取出物料群体图像中每粒物料的关键特征信息，识别完成物料外部质量指标的数字化检测，综合判断每一粒小型物料的等级。自动分级卸料器根据由计算机视觉单元的识别控制模块传输的等级指令，利用电磁力自动控制卸料阀门，使物料在对应的分级孔自动落入收集箱中。它可实时采集和处理动态多目标小型物料单面外部质量数字化信息，自动识别和分级为多个等级，对各类小型物料，尤其是种子、谷物等进行非接触式实时检测、精选和分级。

Description

小型物料数字化检测和分级装置

技术领域

本发明涉及一种小型物料数字化检测和分级装置。

背景技术

质量检测是加工过程中的重要环节，人工检测小型物料效率低，精度难以保证，尤其是农业物料的检测不像工业产品检测有严格的规律可循，农产品在其生产过程中由于受到人为和自然等复杂因素影响，产品品质差异很大，故在检测与分析时要有足够的应变能力来适应情况的变化。随着我国人民生活水平的提高，种子、谷物等小型农业物料在生产、收购、加工、贮藏、流通过程的自动检测成为急需解决的关键问题之一。

近年来，计算机及其衍生产业迅速发展，以视觉为基础的自动化检测系统在各行业的应用研究越来越普遍。建立在计算机图像处理技术基础上的机器视觉系统从单纯地模拟人眼的视觉响应，发展到与具体检测目标相适应的视觉延伸，具有人脑的部分功能，并强调精度和速度及现场环境下的可靠性，具有无损、高效等优点，已逐渐成为实现智能化、高效率途径中不可缺少的功能模块。随着计算机视觉技术的迅速发展，该技术已开始被应用到种子等小型农业物料的检测与分级中，但目前主要还集中在对静态物料的处理。利用计算机视觉技术可一次性完成基于形状、颜色等外部特征的数字化指标检测，使小型物料的实时无损检测分级成为可能，从而有效地提高其质量。

发明内容

本发明提供一种小型物料数字化检测和分级装置，能快速有效地实现对小型物料，进行逐粒动态实时数字化检测和分级。

本发明采用的技术方案如下：包括旋转式检测机、计算机视觉单元、自动分级卸料器；其中：

1)旋转式检测机：包括料斗、输送穴盘、物料分布与定位配件、穴孔开合活页、底板、联轴器、电机和基座。电机位于基座内，通过联轴器驱动位于基座上部的输送穴盘旋转；穴盘外围上设有沿圆周方向均匀分布、与物料大小和形状相符的穴孔；物料分布与定位配件：包括中空罩、护缘和三块挡板，圆柱形的中空罩固定在输送穴盘中上部，不与输送穴盘接触，护缘沿输送穴盘外缘固定在底板上，第一、第三块挡板的两端均分别与中空罩、护缘联结，第三块挡板一端与护缘联结，下边沿均不与输送穴盘接触；穴孔开合活页包括结构相同的多个，每个穴孔开合活页包括定位条、钢针和数个阀门，定位条上阀门的个数与输送穴盘上径向的穴孔数相同，钢针穿入定位条中固定，每个阀门松套在钢针上旋转，装配完成的每个穴孔开合活页分别沿径向固定在输送穴盘底部；底板位于输送穴盘下方，固定在基座上，并只在卸料区与输送穴盘上穴孔相应的位置设有扇形分布的圆型卸料孔，分别与各级收集箱相通，卸料孔个数取决于物料级数和输送穴盘上径向的穴孔数；

2)计算机视觉单元：包括摄像头、光路系统、计算机、软件模块和位置传感器；所述的摄像头和光路系统在取像区位于输送穴盘的穴孔视场上方，通过数据线与软件模块连接；软件模块的输出端分别与图像采集机构的控制端、自动分级卸料器的控制器连接，根据位置传感器获得的物料位置信息触发图像采集。

3)自动分级卸料器：包括电磁继电触发器、固定板、收集箱和可编程控制器；所述的电磁继电触发器由固定板支撑在卸料区上方，根据物料等级数和输送穴盘上穴孔设置的周数确定触点数目，每个触点与相应的卸料孔中心相对；所述的可编程控制器接收由计算机视觉单元的软件模块传输的等级信号，电磁继电控制阀门的动作。

所述的计算机视觉单元的摄像头为多通道，具有外触发功能，由位置传感器提供的物料位置信息触发计算机内的图像采集卡采集动态物料图像；所述的光路系统包括光照箱、光源、镜头和延长管，使采集的图像分辨率高。

旋转式检测机自动输送多穴物料，使数字相机采集单粒化分布的物料群体图像用于质量信息检测。计算机视觉单元分别提取出物料群体图像中每粒物料的关键特征信息，识别完成物料外部质量指标的数字化检测，综合判断每一粒小型物料的等级。自动分级卸料器根据由计算机视觉单元的识别控制模块传输的等级指令，电磁控制物料在对应的分级孔自动落入收集箱中。

本发明具有的有益效果是：它可以实时采集和处理动态多目标小型物料单面外部质量数字化信息，自动识别和分级为多个等级，检测速度快，分级准确率高。为各类小型物料，尤其是种子、谷物等农业物料的非接触式实时检测、精选和分级提供了高效率、高精度和高可靠性的解决方案，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的穴孔开合活页示意图；

图5是本发明的电磁继电触发器布置图。

图中：1、旋转式检测机，2、计算机视觉单元，3、自动分级卸料器，4、摄像头，5、光照箱，6、光源，7、镜头，8、延长管，9、计算机，10、料斗，11、输送穴盘，12、底板，13、联轴器，14、电机，15、基座，16、物料分布与定位配件，17、挡板，18、挡板，19、挡板，20、中空罩，21、护缘，22、穴孔开合活页，23、定位条，24、钢针，25、阀门，26、收集箱，27、可编程控制器，28、电磁继电触发器，29、固定板。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括旋转式检测机1、计算机视觉单元2和自动分级卸料器3；其中：

1)旋转式检测机1：包括料斗10、输送穴盘11、物料分布与定位配件16、穴孔开合活页22、底板12、联轴器13、电机14和基座15；电机14位于基座15内，通过联轴器13驱动位于基座15上部的输送穴盘11旋转；穴盘11外围上设有沿圆周方向均匀分布、与物料大小和形状相符的穴孔；物料分布与定位配件16：包括中空罩20、护缘21和三块挡板17、18和19，圆柱形的中空罩20固定在输送穴盘11中上部，不与输送穴盘11接触，护缘21沿输送穴盘11外缘固定在底板12上，第一、第三块挡板17、19的两端均分别与中空罩20、护缘21联结，第三块挡板18一端与护缘21联结，下边沿均不与输送穴盘11接触；穴孔开合活页22包括结构相同的多个，每个穴孔开合活页包括定位条23、钢针24和数个阀门25，定位条23上阀门25的个数与输送穴盘11上径向的穴孔数相同，钢针24穿入定位条23中固定，每个阀门25松套在钢针24上旋转，装配完成的每个穴孔开合活页22分别沿径向固定在输送穴盘11底部；底板12位于输送穴盘11下方，固定在基座15上，并只在卸料区与输送穴盘11上穴孔相应的位置设有扇形分布的圆型卸料孔，分别与各级收集箱26相通，卸料孔个数取决于物料级数和输送穴盘11上径向的穴孔数；

2)计算机视觉单元2：包括摄像头4、光路系统、计算机9、软件模块和位置传感器；所述的摄像头4和光路系统在取像区位于输送穴盘11的穴孔视场上方，通过数据线与软件模块连接；软件模块的输出端分别与图像采集机构的控制端、自动分级卸料器3的控制器27连接，根据位置传感器获得的物料位置信息触发图像采集。

3)自动分级卸料器3：包括电磁继电触发器28、固定板29、收集箱26和可编程控制器27；所述的电磁继电触发器28由固定板29支撑在卸料区上方，根据物料等级数和输送穴盘上穴孔设置的周数确定触点数目，每个触点与相应的卸料孔中心相对；所述的可编程控制器27接收由计算机视觉单元的软件模块传输的等级信号，电磁继电控制阀门的动作。

所述的计算机视觉单元2的摄像头4为多通道，具有外触发功能，由位置传感器提供的物料位置信息触发计算机内的图像采集卡采集动态物料图像；所述的光路系统包括光照箱5、光源6、镜头7和延长管8，使采集的图像分辨率高。

如图4所示，本发明中的电磁继电触发器28由固定板29近距离支撑在输送穴盘11的卸料区上方，与可编程控制器27相联接。可编程控制器27接收由计算机视觉单元2的控制模块传输的等级信号，电磁继电控制阀门25的动作。本发明中电磁继电触发器28包括16个触点，其中心分别与底板12上的4*4个卸料孔中心相对，位于底板12下相应位置的收集箱26分为4格，同径向的4个卸料孔对应的为同一格，即收集箱26沿周向的4格分别收集4个等级的物料。在正常工作时电磁继电触发器28处于常闭状态，触点产生电磁力作用在阀门25上，使磁性阀门25和其上的物料克服重力作用被触点吸住，物料顺利通过而不会落入卸料孔中。每粒水稻种子沿周向均通过分别代表4个物料等级的触点，当识别为特定等级的水稻种子通过标记为该类的触点时，该触点被控制器27激发处于断开状态，使阀门25受重力作用打开，其上的物料从所在的穴孔中掉落，进入收集箱26相应该等级的格中。

对于不同的物料，需要有不同的检测速度，旋转式检测机1可以与自动分级卸料器3进行同步的调整，而计算机视觉单元2的图像采样频率也根据速度变化进行自动调整。

如图1、图2、图3所示，水稻种子物料分为4个等级，输送穴盘11上穴孔设置为4周。本发明中的电机14为无级变速电机，在调速电机驱动下，输送穴盘11做匀速运动，沿转动方向依次分为喂入区、物料分布与定位区、取像区和卸料区。从料斗10下落的谷物随输送穴盘11在其表面运动，中空罩20和护缘21分别防止物料进入输送穴盘11的中部或从输送穴盘11的边缘落下，挡板17将喂入区和卸料区分开，穴盘的旋转与物料的滑动使部分物料分散落入物料分布与定位区的穴孔中，相对穴盘转动方向倾斜一定角度的挡板18使穴孔外的物料集中到输送穴盘11外周，提高穴孔的填充率，挡板19阻止过多的物料进入取像区。

本发明中的摄像头4为PULNiX TMC7DSP彩色CCD摄像机，可采用RGB复合信号或分量信号输出，带DSP彩色处理模块，分辨率为768H*494V，具有外触发功能。通过计算机9内的METROX彩色图像采集卡将CCD摄像机传来的图像信号放大并转换成数字形式，然后存于数字图像暂存区以便等候处理及分析，同时可控制同步或异步重置采集、定时采集等，该图像采集卡同时具有显示模块，负责高质量的图像实时显示，并有通讯接口，采集精度为8Bit。CCD相机可以通过滑轨上下移动改变物距，以获得水稻种子群体的清晰图像。由位置传感器提供的物料位置信息触发图像采集卡采集动态物料图像。

本发明中的光源6为可调卤素灯，在一个灯箱中发光，再由光纤导管将卤素灯所产生的强光，转向对被测物进行照明。为避免图像中被测物阴影引起的边缘检测误差，采用360°环型光纤环套在镜头上正面照明。纤维光环型灯内径为56mm，其光源为12V 100W色温3300K的冷光源。本实施例中的镜头7选用ANB84750mm镜头并配以ANB8485mm～20mm系列延长管8。为了减少环境光的影响，用一个黑色光箱将镜头、环形灯和样品台罩住。最终获得大小为640×480的8bit无阴影图像。镜头延长管长度一旦确定，将与镜头配套的延长管系列组合成需要的长度装在系统CCD相机与镜头之间，镜头焦距设在∞以补偿使用延长管带来的景深减小。根据光谱测定试验结果的提示合理选择照明光源的功率，配合调整镜头光圈F数来调节被观测对象的亮度值，获得所需的像面照度。摄像头和包括光照箱、光源、镜头和延长管的光路系统在取像区位于输送穴盘的穴孔视场上方，通过数据线与软件模块连接，软件模块的输出端分别与图像采集机构的控制端、自动分级卸料器的控制端连接。视觉系统的最终输出结果再通过I/O系统实现运动控制。

如图4所示，本发明中的穴孔开合活页22的定位条23由专用模具加工而成，阀门25为磁性材料，定位条23与钢针24和阀门25组装成部件后沿径向固定在输送穴盘底部，每个定位条23上阀门25的个数与输送穴盘11上径向的穴孔数相同，在输送穴盘11下方底板13的支持下使每个穴孔中的物料在阀门25上随输送穴盘11运动。本实施例中的底板12在与输送穴盘11卸料区对应位置与输送穴盘11上穴孔中心相对设有4*4个圆形卸料孔，当穴孔开合活页22的阀门25运动到与底板12上卸料孔相应的位置时，阀门25受重力作用自然下落打开，使相应物料落入各级收集箱26中。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种小型物料数字化检测和分级装置，其特征在于：包括旋转式检测机(1)、计算机视觉单元(2)和自动分级卸料器(3)；其中：

1)旋转式检测机(1)：包括料斗(10)、输送穴盘(11)、物料分布与定位配件(16)、穴孔开合活页(22)、底板(12)、联轴器(13)、电机(14)和基座(15)；电机(14)位于基座(15)内，通过联轴器(13)驱动位于基座(15)上部的输送穴盘(11)旋转；穴盘(11)外围上设有沿圆周方向均匀分布、与物料大小和形状相符的穴孔；物料分布与定位配件(16)：包括中空罩(20)、护缘(21)和三块挡板(17、18和19)，圆柱形的中空罩(20)固定在输送穴盘(11)中上部，不与输送穴盘(11)接触，护缘(21)沿输送穴盘(11)外缘固定在底板(12)上，第一、第三块挡板(17、19)的两端均分别与中空罩(20)、护缘(21)联结，第二块挡板(18)一端与护缘(21)联结，三块挡板下边沿均不与输送穴盘(11)接触；穴孔开合活页(22)包括结构相同的多个，每个穴孔开合活页包括定位条(23)、钢针(24)和数个阀门(25)，定位条(23)上阀门(25)的个数与输送穴盘(11)上径向的穴孔数相同，钢针(24)穿入定位条(23)中固定，每个阀门(25)松套在钢针(24)上旋转，装配完成的每个穴孔开合活页(22)分别沿径向固定在输送穴盘(11)底部；底板(12)位于输送穴盘(11)下方，固定在基座(15)上，并只在卸料区与输送穴盘(11)上穴孔相应的位置设有扇形分布的圆型卸料孔，分别与各级收集箱相通，卸料孔个数取决于物料级数和输送穴盘(11)上径向的穴孔数；

2)计算机视觉单元(2)：包括摄像头(4)、光路系统、计算机(9)、软件模块和位置传感器；所述的摄像头(4)和光路系统在取像区位于输送穴盘(11)的穴孔视场上方，通过数据线与软件模块连接；软件模块的输出端分别与图像采集机构的控制端、自动分级卸料器(3)的控制器(27)连接，根据位置传感器获得的物料位置信息触发图像采集；

3)自动分级卸料器(3)：包括电磁继电触发器(28)、固定板(29)、收集箱(26)和可编程控制器(27)；所述的电磁继电触发器(28)由固定板(29)支撑在卸料区上方，根据物料等级数和输送穴盘上穴孔设置的周数确定触点数目，每个触点与相应的卸料孔中心相对；所述的可编程控制器(27)接收由计算机视觉单元的软件模块传输的等级信号，电磁继电控制阀门的动作。

2.根据权利要求1所述的小型物料数字化检测和分级装置，其特征在于：所述的计算机视觉单元(2)的摄像头(4)为多通道，具有外触发功能，由位置传感器提供的物料位置信息触发计算机内的图像采集卡采集动态物料图像；所述的光路系统包括光照箱(5)、光源(6)、镜头(7)和延长管(8)，使采集的图像分辨率高。