CN101172274A - 一种枸杞子分级分选装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种枸杞子分级分选装置及其方法，其装置包括光学系统、嵌入式视觉控制系统和机械执行承载平台。光学系统由光源和电荷耦合器件组成；嵌入式视觉控制系统包括现场可编程门阵列和数字信号处理器；机械执行承载平台主要由物料传送与存储机构、供料系统、气路系统及电动执行机构组成。其方法包括建立枸杞子分级分选专家知识库；枸杞子图像的采集；枸杞子图像的特征信息的提取；图像特征信息的比对；特征信息相比较；电动执行机构控制各个部件的具体动作以及最后进行分级分选。本发明对枸杞子干果能同时进行分级分选，克服了现有技术准确率低、效率低下及易造成二次污染等弊病，使产品质量得到保证，实现了快速智能化、提高了效率。

Description

一种枸杞子分级分选装置及其方法

技术领域

本发明属于一种颗粒物料的分级分选装置和方法，具体涉及一种基于嵌入式视觉图像技术的枸杞子分级分选装置及其方法。

背景技术

枸杞子具有较高的药用和食用营养价值，对人的身体健康十分有利。其中以枸杞子干果的食用药用价值最高。枸杞子干果的加工生产是通过对采摘后的枸杞子进行烘干晾晒，然后借助人工依据枸杞子干果的大小、颜色等进行分级分选，实行优质优价，同时枸杞子干果的分级也是目前枸杞子干果出口加工的一道重要工序。

目前我国宁夏、新疆等地所产枸杞子，由于其生长气候条件、烘干晾晒过程中的温度差异及枸杞子内部条件的不同，在烘干晾晒之后常常出现黑红色的霉果、黑果或其它颜色的油果、青果等不同色泽及品质的枸杞子，致使枸杞子干果色泽混杂不一，严重影响了枸杞子的食用及药用价值。这种色泽不一、品质不一的枸杞子，在以品质等级论价的国内外流通市场上是不具有竞争力的。

为提高枸杞子干果的市场竞争力，长期以来人们通过人眼手工根据色泽的不同对枸杞子干果进行拣选，然后再通过平面网筛依据枸杞子干果的大小来进行分级，从而提高其品质价格。但是，通过人工拣选分级的枸杞子易受人为因素影响，难以保证枸杞子的颜色大小的一致性，同时人工拣选分级效率低，易造成“二次污染”，分级分选标准也难以控制。随着枸杞子产量的大幅增加，枸杞子干果人工分选分级耗时、耗力问题日益突出。

近年来，随着光电技术的发展，许多工业发达国家已广泛地使用光电分选设备来代替繁重的工农业产品的手工分选分级操作，如在大米精加工领域，基于光电池的色选机应用广泛，但其色选精度较差。针对枸杞子等颜色多样化，分级标准多样化的物料，基于光电池分选其精度等都达不到要求，近年来发展迅猛的机器视觉技术为解决这一问题提供了保证。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，目的是提供一种快速、准确、高效且成本低廉的枸杞子分级分选装置及其方法。

本发明的枸杞子分级分选装置的技术方案是：一种枸杞子分级分选装置，包括光学系统、嵌入式视觉控制系统和机械执行承载平台；光学系统由光源和电荷耦合器件组成，嵌入式视觉控制系统包括现场可编程门阵列和数字信号处理器，机械执行承载平台主要由物料传送与存储机构、供料系统、气路系统及电动执行机构组成。

在电荷耦合器件的前面安装有高速CCD镜头，在光学视场两侧均有一套高速CCD镜头，以滑槽为轴呈对称结构。现场可编程门阵列可以采用飓风III(Cyclone III)系列EP3C120芯片或者性能类似的器件构成。数字信号处理器由芯片TMS320DM64X或者性能类似的器件构成。电动执行机构由高速高频电动阀门及相应的驱动控制电路组成。

本发明的枸杞子分级分选方法的技术方案是：一种枸杞子分级分选方法，包括以下步骤：

第一、首先建立枸杞子分级分选专家知识库(S1)；

第二、然后进行枸杞子图像的采集(S2)；

第三、再进行枸杞子图像的特征信息的提取(S3)；

第四、再进行图像特征信息的比对(S4)；

第五、经过所得图像特征信息与专家知识库中的已有特征信息相比较，判定是否剔出，如果剔出进入下一步，如果不剔出则返回开始，重新进行(S5)；

第六、如果判定剔出，电动执行机构11接收DSP发出的控制信号，从而控制各个部件的具体动作，将不合格枸杞子剔出(S6)；

第七、最后，嵌入式视觉控制系统根据比对结论，控制分选机构对待选枸杞子进行颜色分选，进行分级，然后判定是否结束，如果不结束，则返回开始，重新进行(S7)。

本发明由于采用了嵌入式视觉图像识别技术对枸杞子干果同时进行分级分选，克服了传统的拣选方式准确率低、效率低下及易造成二次污染等弊病，使得枸杞子的产品质量得到保证，并且实现了快速智能化、提高了效率。

附图说明

图1是本发明的枸杞子分级分选装置的原理框图；

图2是本发明的枸杞子分级分选装置的结构示意图；

图3是本发明的枸杞子分级分选方法的程序图。

其中：

1光学系统            2嵌入式视觉控制系统

3机械执行承载平台    4光源

5电荷耦合器件        6现场可编程门阵列

7数字信号处理器      8物料传送与存储机构

9供料系统            10气路系统

11电动执行机构       12储料箱

13振动盘             14滑槽

15光学视场           16CCD镜头

17喷嘴               18收料口I

19收料口II

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明的一种枸杞子分级分选装置及其方法进行详细说明：

如图1、2所示，一种枸杞子分级分选装置，包括光学系统1、基于嵌入式DSP和FPGA逻辑控制器件构建的视觉图像采集处理的嵌入式视觉控制系统2和机械执行承载平台3。

光学系统1主要由光源4和电荷耦合器件5(高速CCD)组成，在电荷耦合器件5(高速CCD)的前面安装有高速CCD镜头16，在光学视场15两侧均有一套高速CCD镜头16，以滑槽14为轴呈对称结构。

其中，CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)：由一种高感光度的半导体材料制成，可将光子转换成电荷，具有分辨率高、识别精度高、可移植性强等特点。

嵌入式视觉控制系统2包括现场可编程门阵列6(FPGA)和数字信号处理器7(DSP)，实现物料图像的分析处理。

其中，FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)：是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种，内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。在本发明中，现场可编程门阵列6可以采用飓风III(Cyclone III)  系列EP3C120芯片或者性能类似的器件。

其中，DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。它采用多总线技术以及流水线结构，将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行。DSP依靠硬件乘法器可在单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，使计算速度有了较大的提高。在本发明中，数字信号处理器7由芯片TMS320DM64X或者性能类似的器件构成，用于数字图像的分析处理及信号的输出。

机械执行承载平台3主要由物料传送与存储机构8、供料系统9、气路系统10及电动执行机构11组成。

其中，物料传送与存储机构8由提升机组成，物料传送与存储机构8作为一个相对独立的结构将收料口II19与储料箱12连接，把从收料口II19分离出来的枸杞子物料提升并运送至储料箱12中。

供料系统9包括储料箱12、振动盘13、滑槽14，由上至下依次为：储料箱12，振动盘13，滑槽14。其中储料箱12与振动盘13相连接。

气路系统10由空压机、储气罐、电磁气压阀及喷嘴17组成。

电动执行机构11由高速高频电动阀门及相应的驱动控制电路组成。

收料口I18中为一次分选分级后的枸杞子，收料口II19中收集还要进行下一次分选分级的枸杞子。

如图3所示，一种枸杞子分级分选方法，包括以下步骤：

第一、首先建立枸杞子分级分选专家知识库(S1)

经过晾晒烘干的枸杞子根据其颜色可分为：霉果、黑果、油果、青果等几种颜色；根据枸杞子的外表皮面积、最大直径等大小参数分为：枸杞子王、180(表示每50克枸杞子干果的枸杞子个数，下同)、280、350及小红货等几类。在实际的分选分级加工生产中，往往要根据不同客户的需求确定多种不同的标准，且不同产地、不同时节的枸杞子其分级分选标准也不同。因此，首先收集所有尽可能多的分级分选标准，由相应的专业人员根据其色泽、大小等进行感官评定，建立枸杞子分选分级的专家知识经验库。

例如280油果在专家知识经验库中的主要参数包括外表皮面积及特定光谱范围内的表面光谱响应特征曲线等特征信息，其外表皮面积为7mm²～10mm²；其表面光谱响应特征曲线经线性拟合后在450nm～700nm时的值为0.42～0.78。

第二、然后进行枸杞子图像的采集(S2)

分选分级过程中，为保证分选分级系统的实时性和高效率，需要选用符合要求的高速CCD来完成图像的采集。根据分选系统的要求需要设计对应的光学系统和辅助的机械定位机构，并与嵌入式视觉控制系统进行匹配，其过程是：

①图像采集之前需要对包括光学镜头、机械结构在内的CCD视觉图像采集系统进行校正和标定。

②标定后，对处于高速度和规则运动状态下的代加工枸杞子，在由DSP及FPGA构成的嵌入式机器视觉系统中，采用2048像素的高速、高分辨率的CCD对高速枸杞子物料流图像进行采集

第三、再进行枸杞子图像的特征信息的提取(S3)

对采集到的图像进行分析处理，考虑到分选加工现场的工作环境等因素，采集到的图像存在畸变、各种干扰噪声，因此采用种子扩散填充图像算法和浮置实体删除背景噪声算法等算法对图像进行增强去噪等处理，然后再提取其大小颜色等特征

第四、再进行图像特征信息的比对(S4)

将上一步所得图像特征信息与专家知识库中的已有特征信息相比较，找出与之相对应的一组编码，并对其细节进行比对，从而找出待选目标枸杞子所处分级分选域值，最后得到其相应的图像信息特征参数值。

第五、经过所得图像特征信息参数与专家知识库中的已有特征信息参数相比较，判定是否剔出，如果剔出进入下一步，如果不剔出则返回开始，重新进行(S5)。

第六、如果判定剔出，电动执行机构11对接收到的控制信号进行分析，从而控制各个部件的具体动作，将不合格枸杞子剔出(S6)。

第七、最后，嵌入式视觉控制系统根据比对结论，控制分选机构对待选枸杞子进行颜色分选，进行分级，然后判定是否结束，如果不结束，则返回开始，重新进行(S7)。

本发明的工作过程：

装置工作时，待选枸杞子物料经由传送装置送至物料存储箱，储料箱内的物料经由振动盘和滑槽，使待选枸杞子物流精确均匀地喷射在CCD光学系统的摄像区，CCD捕获到高速枸杞子图像后，由嵌入式DSP处理平台，经过图像处理算法，实现对采集的图像的实时运算处理，输出处理结果，最终在FPGA中央控制系统的控制下由气路系统高速电磁气阀喷射剔出要分选出的枸杞子，完成一次分选分级。

收料口I中为一次分选分级后的枸杞子，根据需求，收料口II中收集的剩余的不符合分级标准的枸杞子如果还要进行下一次分选分级，则在FPGA的控制下，再次经由物料传送装置送至储料箱，进行下一次分选分级，直至符合要求。

本发明的有益效果：

a、采用嵌入式视觉图像识别技术对枸杞子干果进行分级分选，可以同时进行分选分级，克服了传统的拣选方式准确率低、效率低下及易造成二次污染等弊病，使得枸杞子的产品质量得到保证。

b.对枸杞子图像处理采用经过优化的先进算法，使得目标枸杞子的任何细节都能够得到有效地处理和识别，极大提高了准确性；而且本系统采用嵌入式高速DSP，使得计算的速度大大提高，保证了效率。

c.建立了分级分选专家知识数据库，并具有自学习能力，能够根据不同分级分选需求，建立相应选别分级标准。

d、与已有的分选检测装置相比，本系统采用专用的嵌入式处理系统，由DSP完成复杂的图像处理算法，而整个系统的分选分级逻辑控制等由FPGA来完成。因而整个系统能够整合且性能可以达到最优，同时由于采用专用采集与处理系统，其成本也可大大地降低，便于大规模的推广。

Claims (6)

1.一种枸杞子分级分选装置，包括光学系统(1)、嵌入式视觉控制系统(2)和机械执行承载平台(3)，其特征在于：光学系统(1)由光源(4)和电荷耦合器件(5)组成；嵌入式视觉控制系统(2)包括现场可编程门阵列(6)和数字信号处理器(7)；机械执行承载平台(3)由物料传送与存储机构(8)、供料系统(9)、气路系统(10)及电动执行机构(11)组成。

2.根据权利要求1所述的枸杞子分级分选装置，其特征在于：在电荷耦合器件(5)的前面安装有高速CCD镜头(16)，在光学视场(15)两侧均有一套高速CCD镜头(16)，以滑槽(14)为轴呈对称结构。

3.根据权利要求1所述的枸杞子分级分选装置，其特征在于：现场可编程门阵列(6)可以采用飓风III系列EP3C120芯片或者性能类似的器件构成。

4.根据权利要求1所述的枸杞子分级分选装置，其特征在于：数字信号处理器(7)由芯片TMS320DM64X或者性能类似的器件构成。

5.根据权利要求1所述的枸杞子分级分选装置，其特征在于：电动执行机构(11)由高速高频电动阀门及相应的驱动控制电路组成。

6.一种枸杞子分级分选方法，包括以下步骤：

首先建立枸杞子分级分选专家知识库(S1)；

然后进行枸杞子图像的采集(S2)；

再进行枸杞子图像的特征信息的提取(S3)；

再进行图像特征信息的比对(S4)；

经过所得图像特征信息与专家知识库中的已有特征信息相比较，判定是否剔出，如果剔出进入下一步，如果不剔出则返回开始，重新进行(S5)；

如果判定剔出，电动执行机构11接收DSP发出的控制信号，从而控制各个部件的具体动作，将不合格枸杞子剔出(S6)；

最后，嵌入式视觉控制系统根据比对结论，控制分选机构对待选枸杞子进行颜色分选，进行分级，然后判定是否结束，如果不结束，则返回开始，重新进行(S7)。

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