CN102284428B - 谷物实时检测与分级的机器视觉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谷物实时检测与分级的机器视觉系统。本系统由动力和传动机构、计算机视觉识别机构、单粒化装置、自动分级机构组成。谷粒从进料口进去后先由动力和传动机构控制好速度，再经由单粒化装置使得谷粒一个个的向前输送，单粒化的谷粒再由计算机视觉识别机构采集图像，采集到的图像通过图像处理后得到每个谷粒的形状、色泽、大小、表面光滑度、表面缺陷等特征信息，再通过模式识别来确定谷粒的等级。整个过程中对每个谷粒进行跟踪，当标定等级后的谷粒到达出料区时经由计算机视觉识别机构的控制模块，来控制谷粒的自动分级机构，把识别好的谷粒经由出料口自动落入收集箱中。从而提高对谷物的自动化检测与分级水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器视觉系统，尤其是涉及一种谷物实时检测与分级的机器视觉系统。
背景技术
加强谷物的质量检验监测工作，对区域试验中的谷物品系进行品质测定，为筛选确定新品种提供品质依据；对审定后的优质专用谷物品种进行跟踪鉴定，检测谷物品种的品质稳定性；定期对大面积推广的谷物品种进行质量抽查、品质检验和综合评价，编制全国和各优势区谷物质量年度报告，提供有关检验检测信息；研究新的检验技术和方法，制修订有关标准，提高谷物品质检测的质量和水平等，都有非常重要的意义。
谷物等级检测主要涉及到谷物的大小形状、表面的缺陷、杂质等方面的内容，为谷物分级的重要依据之一，在世界各国的谷物评级标准中有严格的规定。以往的谷物分级主要人为来完成的，这样需要大量的劳动力，不但劳动强度大，而且还受主观的影响，例如个人视力、鉴别力、情绪、疲劳、光线等因素的影响，这样效率低，准确性也差。色选机虽然在速度上有较大的优势，然而不能保证高精度，尤其是与颜色无关的杂质无法去除。国外也有一些厂家研制了一些谷物分级仪器，然而受当地品种的影响比较大，并不太适合我国的谷物品种，以往虽然也有学者研究过分级方法，但大多停留在理论研究上。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种谷物实时检测与分级的机器视觉系统，实现谷粒的快速和自动的输送，且将谷物依次通过计算机的视场，能准确，有效的获取谷粒的颜色、纹理和形状特征信息，实现谷粒的检测和分级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
它包括动力和传动机构、计算机视觉识别机构、单粒化装置和自动分级机构；其中：
1)动力和传动机构：包括步进电机、电机上的主动齿轮、内齿轮、环形边框和中心轴；步进电机通过其轴上的主动齿轮与内齿轮啮合，内齿轮安装在环形边框的下端面，内齿轮和环形边框同轴安装在中心轴上；
2)计算机视觉识别机构：包括相机、采集卡、环形光源、支架、计算机、位置传感器、定位传感器、定位盘和控制模块；支架固定在机构箱体上，支架从上往下依次安装有相机和环形光源，相机安放在盛放谷物槽一侧的正上方，环形光源的中心与相机的中心同轴安装，相机经采集卡与计算机连接，定位盘安装在位于内齿轮下方的中心轴上，定位盘与托盘保持同步旋转，定位盘上分布着与托盘上谷粒槽相同个数的位置孔，定位盘上还设有一个定位孔，定位孔位于与其中一个位置孔和中心轴同一直线上，定位传感器与位置传感器分别位于定位孔和位置孔正上方，计算机通过串口与控制模块相连；
3)单粒化装置：包括圆锥体、托盘、四块挡板、两个电动刷子；圆锥体和托盘，从上而下依次同轴安装在环形边框的上端面的中心轴上，托盘端面圆周均布有能盛放谷物的谷粒槽，托盘外圆与环形边框内孔为转动配合，四块挡板分别斜向分布在未通过所述相机视场的环形边框的半圆体上，每块挡板的一端与圆锥体下边缘相接，每块挡板的另一端与环形边框相接，四块挡板中心角为90°～120°，两个电动刷子分别安装在靠近所述相机一侧的三块挡板间的环形边框边缘；
4)自动分级机构：包括与托盘上谷粒槽相同个数的弹簧铰链托片、三块电磁铁和三个收集箱；每片弹簧铰链托片的一端等分安装在托盘的销轴中，每片弹簧铰链托片伸出托盘外的一端均有挡片，每片弹簧铰链托片与谷粒槽宽度相同，三块电磁铁固定在环形边框的边缘上，与弹簧铰链托片的位置相对应，三块电磁铁的拨片能与弹簧铰链托片相接触，三个收集箱分别放在各自电磁铁对应槽的正下方，每个等级对应一个收集箱，控制模块与三块电磁铁相连，控制模块发出信号控制电磁铁，电磁铁的拨片拨住弹簧铰链托片挡片边缘，随着托盘的旋转，托盘上的谷粒槽中谷粒能掉入到下面对应的收集箱里。
所述的控制模块27由ATMEGA128单片机与外围电路以及RS-232组成，谷物等级信息、位置信息以及旋转机构的速度信息通过RS-232与计算机主板连接，完成信息的接收和发送。
本发明具有的有益效果是：
本发明在快速运动的谷粒中提取出有效的图像信息，并且对图像信息进行矫正和分析处理，快速且有效的完成对动态谷粒的形状、颜色、大小、表面光滑度以及表面缺陷等外观品质指标的检测，并通过自动分级机构实现分级。从而可以提升谷粒的质量检测与分级的自动化水平，应用于实际生产后，可以优化我国粮食的资源配置。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明的单粒化装置的俯视示意图。
图3是本发明的圆盘机构左视图。
图4是本发明的圆盘机构仰视图。
图5是本发明的4个挡板的结构简图。
图6是本发明的定位盘三维图。
图7是本发明的环形边框三维图。
图8是本发明的分级结构仰视示意图。
图9是本发明的控制结构框图。
图中：1、计算机，2、圆锥体，3、箱体，4、托盘，5、弹簧铰链托片，6、电磁铁，7、环形边框，8、内齿轮，9、收集箱，10、位置传感器，11、定位传感器，12、中心轴，13、定位盘，14、步进电机，15、支架，16、电机上的主动齿轮，18、谷粒，19、环形光源，20、相机，21、采集卡，22、23、25、26、挡板，24、电动刷子，27、控制模块，28、谷粒槽，29、销轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4、图7、图8所示，本发明它包括动力和传动机构、计算机视觉识别机构、单粒化装置和自动分级机构；其中：
1)动力和传动机构：包括步进电机14、电机上的主动齿轮16、内齿轮8、环形边框7和中心轴12；步进电机14通过其轴上的主动齿轮16与内齿轮8啮合，内齿轮8安装在环形边框7的下端面，内齿轮8和环形边框7同轴安装在中心轴12上；
2)计算机视觉识别机构：包括相机20、采集卡21、环形光源19、支架15、计算机1、位置传感器10、定位传感器11、定位盘13和控制模块27；支架15固定在机构箱体上，支架15从上往下依次安装有相机20和环形光源19，相机安放在盛放谷物槽一侧的正上方，环形光源19的中心与相机20的中心同轴安装，相机20经采集卡21与计算机1连接，定位盘13安装在位于内齿轮8下方的中心轴12上，定位盘13与托盘4保持同步旋转，定位盘13上分布着与托盘4上谷粒槽28相同个数的位置孔，定位盘13上还设有一个定位孔，定位孔位于与其中一个位置孔和中心轴12同一直线上，定位传感器11与位置传感器10分别位于定位孔和位置孔正上方，计算机1通过串口与控制模块27相连；
3)单粒化装置：包括圆锥体2、托盘4、四块挡板22、23、25、26、两个电动刷子24；圆锥体2和托盘4，从上而下依次同轴安装在环形边框7的上端面的中心轴12上，托盘4端面圆周均布有能盛放谷物的谷粒槽28(图中为30个槽)，托盘4外圆与环形边框7内孔为转动配合，四块挡板分别斜向分布在未通过所述相机20视场的环形边框7的半圆体上，每块挡板的一端与圆锥体2下边缘相接，每块挡板的另一端与环形边框7相接，四块挡板22、23、25、26中心角为90°～120°，两个电动刷子24分别安装在靠近所述相机20一侧的三块挡板间的环形边框7边缘；
4)自动分级机构：包括与托盘4上谷粒槽28相同个数的弹簧铰链托片5、三块电磁铁6和三个收集箱9；每片弹簧铰链托片的一端等分安装在托盘4的销轴29中，每片弹簧铰链托片伸出托盘4外的一端均有挡片，每片弹簧铰链托片与谷粒槽28宽度相同，三块电磁铁6固定在环形边框7的边缘上，与弹簧铰链托片5的位置相对应，三块电磁铁6的拨片能与弹簧铰链托片相接触，三个收集箱9分别放在各自电磁铁对应槽的正下方，每个等级对应一个收集箱，控制模块27与三块电磁铁6相连，控制模块27发出信号控制电磁铁6，电磁铁6的拨片拨住弹簧铰链托片5挡片边缘，随着托盘的旋转，托盘上的谷粒槽中谷粒能掉入到下面对应的收集箱里。
如图9所示，所述的控制模块27由ATMEGA128单片机与外围电路以及RS-232组成，谷物等级信息、位置信息以及旋转机构的速度信息通过RS-232与计算机主板连接，完成信息的接收和发送。
如图1、图2、图7所示，动力和传动机构，包括步进电机14、电机上的主动齿轮16、内齿轮8、环形边框7、中心轴12；整个装置由步进电机14带动。步进电机上的主动齿轮16与内齿轮8相内啮合，内齿8轮与中心轴12连接，中心轴通过轴承与环形边框7连接，中心轴带动托盘4旋转，中心轴、托盘与内齿轮保持同轴旋转。谷物从箱体3上方倒入，倒入的谷粒经由圆锥体滑入边缘，使得谷粒更接近托盘4旁边的孔位。
如图2、图5所示，图2为整个机构的单粒化装置俯视简图，包括圆锥体2、托盘4、四块挡板22、23、25、26、电动刷子24，随着步进电机14的旋转，经圆锥体滑入到托盘边缘的谷粒随着托盘的旋转分别通过4个挡板以及两个直流电机带动的电动刷子24，挡板22、23、25、26和电动刷子24，挡板的形状如图5所示，挡板在靠近环形边框处有一个槽，其功能是使谷粒进入，进入后的谷粒在通过挡板25与26处时有可能在此处积压，为了防止卡盘，在此设置了两个电动刷子24；从而实现了谷粒的单粒化，谷粒18为单粒化后的位置。
如图1、图6所示，计算机视觉识别机构包括相机20、采集卡21、环形光源19、支架15、计算机1、位置传感器10、定位传感器11、定位盘13，控制模块27，为了抓取清晰的图像，必须使相机20、环形光源19与谷粒18之间达到最佳位置。相机20通过采集卡21用USB接口与计算机1相连，抓取的谷粒图像在处理以及模式识别后把其结果通过RS232以通信的形式发给控制模块27，控制模块27根据所发出的指令来控制步进电机14转速以及自动分级机构。在抓取到的谷粒图像的同时还要对每一个谷粒进行跟踪，定位盘13(如图6所示)上有定位孔与位置孔，位置孔的个数与托盘4边缘盛放谷粒槽的个数和分布位置均匀性相同，定位传感器11设置初始位置，定位传感器10对谷粒进行跟踪。
如图8所示，自动分级机构包括弹簧铰链托片5、电磁铁6和收集箱9；图8中的电磁铁个数对应所需要分谷粒的等级，当计算机1发出判断好的信号后，谷粒旋转到电磁铁6的位置时会触发，电磁铁6的拨片伸长，伸长后的电磁铁6将会拨到托盘4上的相应等级位置的弹簧铰链托片5的挡片，随着托盘4的旋转，弹簧铰链托片5将会沿着固定铀旋转，直到谷粒从谷粒槽中掉落下来，谷粒掉落到相应等级的收集箱9中，弹簧铰链托片5在弹簧的作用下回复原状，电磁铁6的拨片也回复到原来位置，从而完成分级的整个过程。
本发明的实施流程：
首先启动电源开关，上电后一切操作都通过计算机来进行控制。先通过软件设定一个初始旋转速度，此速度可设置为通过事先测试好的最佳速度，旋转装置在步进电机的带动下旋转。谷粒从进料口倒入，倒入后的谷物随着动力与传动装置的转动通过单粒化装置上面的挡板进入到托盘边缘的谷粒槽中。为了防止多个谷粒在此积聚后而卡住转盘，需在单粒化装置上加两个电机带动的电动刷子。当单粒化的谷粒进入到相机的视场范围时，触发相机采集谷粒图像，再经过图像处理以及模式识别判定谷粒的等级。托盘中的每个槽都有编码，以便对每一个谷粒进行跟踪，判断好等级的谷粒旋转到卸料口时，通过RS-232把信号发送给控制模块，控制模块将在对应的等级出口打开托盘边缘盛装谷粒槽底下的弹簧铰链托片，使里面的谷粒掉落到下面对应的收集箱里面，从而完成对谷物的检测与分级。图9为控制示意图。
Claims (2)
1.一种谷物实时检测与分级的机器视觉系统，其特征在于它包括动力和传动机构、计算机视觉识别机构、单粒化装置和自动分级机构；其中：
1)动力和传动机构：包括步进电机(14)、电机上的主动齿轮(16)、内齿轮(8)、环形边框(7)和中心轴(12)；步进电机(14)通过其轴上的主动齿轮(16)与内齿轮(8)啮合，内齿轮(8)安装在环形边框(7)的下端面，内齿轮(8)和环形边框(7)同轴安装在中心轴(12)上；
2)计算机视觉识别机构：包括相机(20)、采集卡(21)、环形光源(19)、支架(15)、计算机(1)、位置传感器(10)、定位传感器(11)、定位盘(13)和控制模块(27)；支架(15)固定在机构箱体上，支架(15)从上往下依次安装有相机(20)和环形光源(19)，相机安放在盛放谷物槽一侧的正上方，环形光源(19)的中心与相机(20)的中心同轴安装，相机(20)经采集卡(21)与计算机(1)连接，定位盘(13)安装在位于内齿轮(8)下方的中心轴(12)上，定位盘(13)与托盘(4)保持同步旋转，定位盘(13)上分布着与托盘(4)上谷粒槽(28)相同个数的位置孔，定位盘(13)上还设有一个定位孔，定位孔位于与其中一个位置孔和中心轴孔同一直线上，定位传感器(11)与位置传感器(10)分别位于定位孔和位置孔正上方，计算机(1)通过串口与控制模块(27)相连；
3)单粒化装置：包括圆锥体(2)、托盘(4)、四块挡板(22、23、25、26)、两个电动刷子(24)；圆锥体(2)和托盘(4)，从上而下依次同轴安装在环形边框(7)的上端面的中心轴(12)上，托盘(4)端面圆周均布有能盛放谷物的谷粒槽(28)，托盘(4)外圆与环形边框(7)内孔为转动配合，四块挡板分别斜向分布在未通过所述相机(20)视场的环形边框(7)的半圆体上，每块挡板的一端与圆锥体(2)下边缘相接，每块挡板的另一端与环形边框(7)相接，两个电动刷子(24)分别安装在靠近所述相机(20)一侧的三块挡板间的环形边框(7)边缘；
4)自动分级机构：包括与托盘(4)上谷粒槽(28)相同个数的弹簧铰链托片(5)、三块电磁铁(6)和三个收集箱(9)；每片弹簧铰链托片的一端等分安装在托盘(4)的销轴(29)中，每片弹簧铰链托片伸出托盘(4)外的一端均有挡片，每片弹簧铰链托片与谷粒槽(28)宽度相同，三块电磁铁(6)固定在环形边框(7)的边缘上，与弹簧铰链托片(5)的位置相对应，三块电磁铁(6)的拨片能与弹簧铰链托片相接触，三个收集箱(9)分别放在各自电磁铁对应槽的正下方，每个等级对应一个收集箱，控制模块(27)与三块电磁铁(6)相连，控制模块(27)发出信号控制电磁铁(6)，电磁铁(6)的拨片拨住弹簧铰链托片(5)挡片边缘，随着托盘的旋转，托盘上的谷粒槽中谷粒能掉入到下面对应的收集箱里。
2.根据权利要求1所述的一种谷物实时检测与分级的机器视觉系统，其特征在于：所述的控制模块(27)由ATMEGA128单片机与外围电路以及RS-232组成，谷物等级信息、位置信息以及旋转机构的速度信息通过RS-232与计算机主板连接，完成信息的接收和发送。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130417 |