CN102217559A - 孵化蛋品质在线自动检测分选设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孵化蛋品质在线自动检测分选设备及其方法，涉及禽蛋检测技术领域。本设备包括送蛋装置（100）、照蛋装置（200）、吸蛋装置（300）、出蛋装置（400）、感知模块（500）、视觉模块（600）、控制模块（700）及执行模块（800）；送蛋装置（100）、照蛋装置（200）、吸蛋装置（300）和出蛋装置（400）依次连接。本方法运用计算机视觉技术和机械执行机构相配合，通过一系列的图像处理及模式识别，实现对整盘孵化蛋品质的智能、无损检测并自动分选。本发明设计合理可行、操作简便，效果明显，适用于蛋品孵化及品质检测行业，还可应用到其他的农产品检测中，具有良好的应用推广前景。

Description

孵化蛋品质在线自动检测分选设备及其方法

技术领域

本发明涉及禽蛋检测技术领域，尤其涉及一种孵化蛋品质在线自动检测分选设备及其方法。具体地说，本发明是一种包括孵化蛋品传送、照蛋、吸蛋和出蛋的软硬件于一体的设备与方法，实现快速准确地识别孵化蛋的成活性并自动分选，为孵化企业提供了一种绿色检测设备及其方法。

背景技术

我国是禽蛋生产与消费大国，而孵化产业是禽蛋市场供应的有力后盾。据统计数据表明，种蛋孵化成功率约为82-90%，若能尽早挑选出不能孵化的蛋，将可大大节省时间、空间、能源和劳动力。

有关孵化蛋品质检测技术一直是研究热点，大多采用光电法及计算机视觉法：

1、光电法

隋吉东（1999）和于景滨（2002）分别在“孵化早期用光电法一次鉴别无精蛋 ”和“孵化早期用光电法剔除无精蛋的两种方法”的文章里介绍了，利用自制的光电装置检测无精蛋的方法，相关专利未见报道。

2、计算机视觉法

杨秀坤（1997）、陈佳娟（2000）及郁志宏（2006）分别在博士论文“农产品品质检测中的人工智能方法研究”、“采用计算机视觉进行孵化鸡蛋成活可能性的自动检测”及“自适应粒子群神经网络识别种蛋成活性”里介绍了基于视觉的种蛋检测方法的研究，方法大同小异，均采用视觉技术采集图像，用神经网络技术建模。但都只针对单枚孵化蛋的静态分析。

专利“对家鸡的胚蛋孵化早期判断性别的方法及设备”（CN1742569A）、“对家鸡的胚蛋孵化早期判断性别的方法及设备”（CN1742569A）和“一种基于计算机视觉的种蛋孵化品质检测装置和方法”（CN101672839A）分别公开了利用视觉图像技术检测孵化蛋性别及品质的方法及装置，以上装置均只能针对单个孵化蛋静态检测，效率低，无法满足在线检测的需要。“一种禽蛋表面品质检测的方法及装置”（CN1804620）利用计算机视觉技术和声学技术，检测禽蛋裂纹、污斑、畸形等表面品质，该发明只是在传送线上采集禽蛋的动态信号，最后仅显示出等级的判别结果，未能真正实现蛋品的机械自动分选。

上述对孵化蛋品质的检测，要么技术单一，要么检测对象限定为单枚蛋，且无一例外地具有不能在线整盘检测并分选的缺陷。经检索，国内尚未发现有关检测群体孵化蛋品质的在线检测技术及分选设备应用于生产实际。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种整盘孵化蛋品质在线自动检测分选设备及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

运用计算机视觉技术和机械执行机构相配合，通过一系列的图像处理及模式识别，实现对孵化蛋品质及成活性的智能、无损检测并自动分选，即采集群体孵化蛋的群体图像，对图像分析处理后提取差异大的表征不同品质孵化蛋的特征参数，通过人工神经网络等方法建立判别模式，以此模式作为模板来判别孵化蛋的品质及成活性。

具体地说，本发明的技术方案如下：

一、孵化蛋品质在线自动检测分选设备（简称设备）

本设备包括送蛋装置、照蛋装置、吸蛋装置、出蛋装置、感知模块、视觉模块、控制模块及执行模块；

送蛋装置、照蛋装置、吸蛋装置和出蛋装置依次连接；

送蛋装置通过感知模块受控制模块与执行模块制约，控制传送带的运动与停止；

照蛋装置与视觉模块相连，同时受控制控制模块与执行模块制约，控制光源架的上升与下降；

吸蛋装置受控制控制模块与执行模块制约，控制机械手的水平方向运动及上下方向运动。

二、孵化蛋品质在线自动检测分选方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①由孵化场经验丰富的工人师傅通过人工照蛋精心挑选各种品质的孵化蛋若干枚；

②把各类孵化蛋放在蛋盘上，计算机视觉模块每次采集整盘的孵化蛋的群体图像，分类建立图像库，进行图像处理与分析，提取各类蛋的特征参数，建立判别模式，并进行模式检验与修正，最后将优化的模式保存于控制模块的计算机；

③另外再挑选与建模样品蛋同样的几类孵化蛋各若干枚，每类孵化蛋用铅笔做好数字标记；

④把各类孵化蛋随机混合，放置于蛋盘里，让蛋盘随送蛋装置的传送带向前运动；

⑤感知模块感应到第一个蛋盘到达的信号，立即触发执行模块的第二伺服电机动作，使光源架在设定时间内上升到刚好与蛋盘正对时，执行模块的第一伺服电机受控制停止，此时光源架与送蛋装置受控制模块控制同时停止，视觉模块的摄像头采集图像，并送入控制模块的计算机分析处理，用步骤②建立的模式进行判别，控制模块的计算机将判别结果暂存；

⑥受控制模块控制，执行模块的第二伺服电机动作，光源架下降回复原位，第一伺服电机动作，送蛋装置载蛋盘继续前行；

⑦感知模块感应到第二个蛋盘到达信号，重复步骤⑤；与此同时，送蛋装置载第一盘蛋盘运动到接近吸蛋装置，控制模块按照设定时间控制第三伺服电机动作，使机械手带动吸盘运动，根据控制模块的判别结果抓取需要挑选的蛋；

⑧机械手带动真空吸盘上升然后做水平运动，与此同时重复步骤⑥；

⑨机械手吸盘水平运动到出蛋装置的集蛋平带上方，停止运动，放蛋使蛋落入集蛋平带上而被运走；

⑩其他蛋盘的检测与分选重复步骤④～步骤⑨的操作。

本发明的工作原理：

本发明利用工业摄像头拍摄传送带上的整盘孵化蛋群体图像并进行模式识别，将判别结果反馈给执行机构并动作，从而把各种蛋分级检出。

将孵化蛋蛋盘置于送蛋装置的传送带上，由感知模块的光电传感器感应孵化蛋盘到达的信号，计算机分别给第二服电机和第一伺服电机的动作指令，触发光源架上升使光源与蛋盘正对，送蛋装置及光源架停止，摄像头摄像，计算机对图像进行模式识别后将结果暂存，当蛋盘运动到吸蛋装置处，此时正好第二个蛋盘采集图像，送蛋装置再次停止，控制与执行模块制约机械手带动真空吸盘做吸蛋动作，把蛋选出放入另一条集蛋平带上，达到分选的目的。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、通过电控机械传动，实现对要分选的孵化蛋蛋盘的准确定位；

2、把蛋品群体图像的高效处理及模式判别与机械自动分选有效结合；

3、设计合理可行、操作简便，效果明显；

4、用机器代替人眼，实现孵化蛋品质及成活性的无损自动检测并分选，适用于蛋品孵化及品质检测行业，还可应用到其他的农产品检测中，具有良好的应用推广前景。

附图说明

图1是本设备的结构方框图；

图2是本设备主要硬件分布示意图（俯视）；

图3是送蛋装置的结构示意图（主视）；

图4是照蛋装置和视觉模块的结构示意图（左视）；

图5是吸蛋装置的结构示意图（主视）；

图6是出蛋装置的结构示意图（左视）；

图7是感应视觉模块流程图；

图8是控制执行模块流程图。

其中：

000—蛋盘；

100—送蛋装置，

110—主机架，120—传送带，130—链轮，140—托板，150—链，

160—减速器，170—联轴器；

200—照蛋装置，

210—光源架，220—光源，230—光室；

300—吸蛋装置

310—真空吸蛋盘，315—气压活塞杆，320—气压缸，325—吸蛋支架，

330—光滑杆轨道，340—长齿条，345—气压管道，350—空气压缩机；

400—出蛋装置，

410—支架，420--集蛋平带，430—大带轮，440—小带轮，450—皮带；

500—感应模块，

510—传感器；

600—视觉模块，

610—摄像头，620—图像采集卡；

700—控制模块，

710—计算机，720—延时控制器；

800—执行模块，

810—第一伺服电机，820—第二伺服电机，830—第三伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

本实施例的试验样品蛋由华农养鸡场提供，将孵化蛋分为3类：活胚蛋、死胚蛋和无精蛋，在孵化后期进行检测与分选。

一、设备

1、总体

如图1、2，本设备包括送蛋装置100、照蛋装置200、吸蛋装置300、出蛋装置400、感知模块500、视觉模块600、控制模块700及执行模块800；

送蛋装置100、照蛋装置200、吸蛋装置300和出蛋装置400依次连接；

送蛋装置100通过感知模块500受控制模块700与执行模块800制约，控制传送带120的运动与停止；

照蛋装置200与视觉模块600相连，同时受控制控制模块700与执行模块800制约，控制光源架210的上升与下降；

吸蛋装置300受控制控制模块700与执行模块800制约，控制机械手的水平方向运动及上下方向运动。

2、功能块

1）送蛋装置100

如图3，送蛋装置100为一种链传动机械，包括主机架110、传动带120、链轮130、托板140、减速链150、减速器160和联轴器170；

在主机架110上下的左右支点上设置有链轮130，传送带120包裹链轮130，在传送带120上设置有托板140；

第一伺服电机810、联轴器170、减速器160、减速链150和链轮130依次连接；

蛋盘000架在送蛋装置100两侧的传送带120上。

工作原理：

运行时，第一伺服电机810通过联轴器170、减速器160和减速链150带动链轮130转动，链轮130带动传送带120作循环运动，托板140托着传送带120起支承作用；蛋盘000随传送带120一起运动。

蛋盘000选用6*7型的42枚蛋盘。

2）照蛋装置200

如图4，照蛋装置200包括自下而上依次连接的光源架210、光源220和密闭光室230；

光室230是一方形盒，其顶面中间设置有一小圆孔；

光源架210和第二伺服电机820连接。

工作原理：

光源220置于光源架210之上，光向朝上；送蛋装置100运动时，光源架210及光源220在传送带120下方且保持一段距离，以保证蛋盘000运行不受阻；当照蛋时，光源架210及光源220上升到离传送带120很近且正对孵化蛋蛋孔，保证照蛋时不漏光；光源架210的升降运动受第二伺服电机820控制。

3）吸蛋装置300

如图5，吸蛋装置300包括真空吸蛋盘310、气压活塞杆315、气压缸320、吸蛋支架325、光滑杆轨道330、长齿条340、气压管道345、空气压缩机350；

吸蛋装置300设置在照蛋装置100与出蛋装置400之间，吸蛋支架325设置在送蛋主机架110上方；

吸蛋支架325内上方设置有光滑杆轨道330和长齿条340，由真空吸蛋盘310、气压活塞杆315和气压缸320组成的的机械手套在光滑杆轨道330上，第三伺服电机623固定在机械手上，第三伺服电机623的主轴齿轮与长齿条340啮合；

空气压缩机350通过气压管道345与气压缸320相连；

真空吸蛋盘310与气压活塞杆315固定在一起。

工作原理：

机械手的水平往返运动是通过长齿条340传动实现的，当第三伺服电机623正反转时，第三伺服电机623沿长齿条340运动，机械手也就沿着长齿条340水平往返运动；

机械手的垂直往返运动运用气压传动，通过空气压缩机350来驱动气压活塞；而机械手的真空吸蛋盘310与气压活塞杆315固定在一起，这样就使机械手的真空吸蛋盘310随着气压活塞杆315上下往复运动。

4）出蛋装置400

如图6，出蛋装置400包括支架410、集蛋平带420、大带轮430、小带轮440和皮带450；

大带轮430和小带轮440固定在支架410上，集蛋平带420包裹在两个大带轮430上，传动带450连接大带轮430与一个小带轮440，通过一个普通电机传递动力。

工作原理：

普通电机带动大带轮430运转，从而带动集蛋平带420的循环运动，将真空吸蛋盘310放下的蛋运走。

5）感知模块500

如图1，感知模块500由光电传感器510构成。

如图2、3、4，光电传感器510安装在送蛋装置100的主机架110两侧，靠近光室230方向，用来感应快进入光室230的蛋盘000的位置。

光电传感器510为常用功能部件。

6）视觉模块600

如图1、4，视觉模块600包括依次连接的摄像头610和图像采集卡620；

摄像头610固定在光室230上方，摄像头610的镜头伸进到光室230顶上的小孔中。

摄像头610采集群体孵化蛋图像，经图像采集卡620送入计算机710处理，并将结果暂存。

摄像头610和图像采集卡620均为常用功能部件。

7）控制模块700

如图1，控制模块700包括相互连接的计算机710和延时控制器720。

当计算机710收到感知模块500发出的信号，控制执行模块800的第一伺服电机810和第二伺服电机820动作，然后处理图像及模式判别，再将结果反馈给执行模块800，控制第三伺服电机830动作及吸蛋机械手动作。

计算机710选用常规工业计算机，其功能是接收传感信号、图像处理及模式判别、控制执行模块电机动作等。

8）执行模块800

如图1，执行模块800主要包括第一伺服电机810、第二伺服电机820和第三伺服电机830；

第一伺服电机810和送蛋装置100连接，控制送蛋装置100的运动与停止；

第二伺服电机820和照蛋装置200连接，控制照蛋装置200的光源架210的升降运动；

第三伺服电机830和吸蛋装置300连接，控制吸蛋装置300的机械手的水平方向运动。

伺服电机选用130机座交流伺服电机，其功能是通过其正转及反转，使对应装置运动、停止或改变运动方向。

二、方法

1、感知模块和视觉模块流程

如图7，感知模块和视觉模块流程是：

①传感器510感应到蛋盘000到达信号-11；

②摄像头610采集整盘孵化蛋图像-12；

③图像采集卡620传输数据给计算机710-13；

④计算机710分析处理图像-14；

⑤计算机710进行模式识别-15。

2、控制模块和执行模块流程

如图8，控制模块和执行模块流程是：

开始-21；

①传感器510感应蛋盘000到达信号-22；

②触发第二伺服电机820启动，同时控制第一伺服电机810停止-23；

③送蛋传送带120停止，光源架210上升-24；

④摄像头610采集整盘孵化蛋图像-25；

⑤计算机710控制第一伺服电机810及第二伺服电机520反转-26；

⑥光源架210下降回复到原位，送蛋装置100继续前行；同时，图像处理及特征提取、模式识别-27；

⑦传感器510感应下一蛋盘000到达，一是跳转到步骤②；二是进入下一步骤⑧-28；

⑧控制第三伺服电机830工作，机械手后行然后下降-29；

⑨机械手的真空吸蛋盘310根据计算机710指令吸取第一个蛋盘000里需挑选的蛋-30；

⑩第三伺服电机830反转，机械手上升然后前行，放蛋于集蛋平带420上-31；

跳转到步骤⑧。

三、检测结果

对实验图像进行一系列的分析处理后，提取并分析实验样本蛋的颜色参数r、g、b、H、S、I，发现三种蛋的S和r参数差异较明显，建立检测关系。

其中S为：颜色参数（饱和度）

其中r为：颜色参数（三原色之一）

无精蛋的判定是：S>0.8且r≥0.045；

死胚蛋的判定是：0.6≤S≤0.8；

活胚蛋的判定是：r<0.045且S>0.8。

检测结果为：其中活胚蛋的鉴别正确率为93%，死胚蛋鉴别正确率为91%，无精蛋鉴别正确率为95%，平均鉴别正确率为93%，达到蛋品企业生产要求。

Claims (8)

1.一种孵化蛋品质在线自动检测分选设备，其特征在于：

本设备包括送蛋装置（100）、照蛋装置（200）、吸蛋装置（300）、出蛋装置（400）、感知模块（500）、视觉模块（600）、控制模块（700）及执行模块（800）；

送蛋装置（100）、照蛋装置（200）、吸蛋装置（300）和出蛋装置（400）依次连接；

所述的感知模块（500）由光电传感器（510）构成；

所述的视觉模块（600）包括依次连接的摄像头（610）和图像采集卡（620）；

所述的控制模块（700）包括相互连接的计算机（710）和延时控制器（720）；

所述的执行模块（800）包括第一伺服电机（810）、第二伺服电机（820）和第三伺服电机（830）；

第一伺服电机（810）和送蛋装置(100)连接，第二伺服电机(820)和照蛋装置(200)连接，第三伺服电机(830)和吸蛋装置(300)连接；

送蛋装置(100)通过感知模块(500)受控制模块(700)与执行模块(800)制约，控制传送带(120)的运动与停止；

照蛋装置(200)与视觉模块(600)相连，同时受控制控制模块(700)与执行模块(800)制约，控制光源架(210)的上升与下降；

吸蛋装置（300）受控制控制模块(700)与执行模块(800)制约，控制机械手的水平方向运动及上下方向运动。

2.按权利要求1所述的孵化蛋品质在线自动检测分选设备，其特征在于：所述的送蛋装置(100)为一种链传动机械，包括主机架(110)、传动带(120)、链轮(130)、托板(140)、减速链(150)、减速器(160)和联轴器(170)；

在主机架(110)上下的左右支点上设置有链轮(130)，传送带(120)包裹链轮(130)，在传送带(120)上设置有托板(140)；

第一伺服电机(810)、联轴器(170)、减速器(160)、减速链(150)和链轮(130)依次连接；

蛋盘(000)架在送蛋装置(100)两侧的传送带(120)上。

3.按权利要求1所述的孵化蛋品质在线自动检测分选设备，其特征在于：

所述的照蛋装置(200)包括自下而上依次连接的光源架(210)、光源(220)和光室(230)；

光室(230)是一方形盒，其顶面中间设置有一小圆孔；

光源架(210)和第二伺服电机(820)连接。

4.按权利要求1所述的孵化蛋品质在线自动检测分选设备，其特征在于：所述的吸蛋装置(300)包括真空吸蛋盘(310)、气压活塞杆(315)、气压缸

(320)、吸蛋支架(325)、光滑杆轨道(330)、长齿条(340)、气压管道(345)、空气压缩机(350)；

吸蛋装置(300)设置在照蛋装置(100)与出蛋装置(400)之间，吸蛋支架(325)设置在送蛋主机架(110)上方；

吸蛋支架(325)内上方设置有光滑杆轨道(330)和长齿条(340)，由真空吸蛋盘(310)、气压活塞杆(315)和气压缸(320)组成的的机械手套在光滑杆轨道(330)上，第三伺服电机(623)固定在机械手上，第三伺服电机(623)的主轴齿轮与长齿条(340)啮合；

空气压缩机(350)通过气压管道(345)与气压缸(320)相连；

真空吸蛋盘(310)与气压活塞杆(315)固定在一起。

5.按权利要求1所述的孵化蛋品质在线自动检测分选设备，其特征在于：

所述的出蛋装置(400)包括支架(410)、集蛋平带(420)、大带轮(430)、小带轮(440)和皮带(450)；

大带轮(430)和小带轮(440)固定在支架(410)上，集蛋平带(420)包裹在两个大带轮(430)上，传动带(450)连接大带轮(430)与一个小带轮(440)，通过一个普通电机传递动力。

6.按权利要求1所述设备的在线自动检测分选方法，其特征在于本方法包括下列步骤：

①由孵化场经验丰富的工人师傅通过人工照蛋精心挑选各种品质的孵化蛋若干枚；

②把各类孵化蛋放在蛋盘上，视觉模块（600）每次采集整盘的孵化蛋的群体图像，分类建立图像库，进行图像处理与分析，提取各类蛋的特征参数，建立判别模式，并进行模式检验与修正，最后将优化的模式保存于控制模块（700）的计算机（710）；

③另外再挑选与建模样品蛋同样的几类孵化蛋各若干枚，每类孵化蛋用铅笔做好数字标记；

④把各类孵化蛋随机混合，放置于蛋盘里，让蛋盘（000）随送蛋装置（100）的传送带（120）向前运动；

⑤感知模块（500）感应到第一个蛋盘到达的信号，立即触发执行模块（800）的第二伺服电机（820）动作，使光源架（210）在设定时间内上升到刚好与蛋盘正对时，执行模块（800）的第一伺服电机（810）受控制停止，此时光源架（210）与送蛋装置（100）受控制模块（700）控制同时停止，视觉模块（600）的摄像头（610）采集图像，并送入控制模块（700）的计算机（710）分析处理，用步骤②建立的模式进行判别，控制模块(700)的计算机(710)将判别结果暂存；

⑥受控制模块(700)控制，执行模块(800)的第二伺服电机(820)动作，光源架(210)下降回复原位，第一伺服电机(810)动作，送蛋装置(100)载蛋盘继续前行；

⑦感知模块(500)感应到第二个蛋盘到达信号，重复步骤⑤；与此同时，送蛋装置(100)载第一盘蛋盘运动到接近吸蛋装置(300)，控制模块(700)按照设定时间控制第三伺服电机(830)动作，使机械手带动吸盘(310)运动，根据控制模块(700)的判别结果抓取需要选出的蛋；

⑧机械手带动真空吸盘(310)上升然后做水平运动，与此同时重复步骤⑥；

⑨机械手吸盘水平运动到出蛋装置(400)的集蛋平带(420)上方，停止运动，放蛋使蛋落入集蛋平带（420）上而被运走；

⑩其他蛋盘的检测与分选重复步骤④～步骤⑨的操作。

7.按权利要求6所述的在线自动检测分选方法，其特征在于感知模块和视觉模块流程是：

①传感器（510）感应到蛋盘（000）到达信号-（11）；

②摄像头（610）采集整盘孵化蛋图像-（12）；

③图像采集卡（620）传输数据给计算机（710）-（13）；

④计算机（710）分析处理图像-（14）；

⑤计算机（710）进行模式识别-（15）。

8.按权利要求6所述的在线自动检测分选方法，其特征在于控制模块和执行模块流程是：

开始-（21）；

①传感器(510)感应蛋盘(000)到达信号-（22）；

②触发第二伺服电机(820)启动，同时控制第一伺服电机(810)停止-（23）；

③送蛋传送带(120)停止，光源架(210)上升-（24）；

④摄像头(610)采集整盘孵化蛋图像-（25）；

⑤计算机(710)控制第一伺服电机(810)及第二伺服电机(520)反转-（26）；

⑥光源架(210)下降回复到原位，送蛋装置(100)继续前行；同时，图像处理及特征提取、模式识别（27）；

⑦传感器(510)感应下一蛋盘(000)到达，一是跳转到步骤②；二是进入下一步骤⑧-（28）；

⑧控制第三伺服电机(830)工作，机械手后行然后下降-（29）；

⑨机械手的真空吸蛋盘(310)根据计算机(710)指令吸取第一个蛋盘(000)里需挑选的蛋-（30）；

⑩第三伺服电机(830)反转，机械手上升然后前行，放蛋于集蛋平带(420)上-（31）；

跳转到步骤⑧。

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