CN103143508B - 基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，由传输装置、分级装置、清洗保鲜装置和包装设备组成，分级装置和清洗保鲜装置通过传输装置与包装设备连接。通过分级装置中的计算机视觉系统可以检测经清洗吹干后的香蕉形状、尺寸、颜色和缺陷等外观品质。此外，更换光照箱内的光源(如采用激光和紫外线等)，还能实现香蕉质构、pH和可溶性固形物等常规理化指标的检测。工控机可以综合外观及理化指标判定香蕉等级，等级信息和由位置传感器获得的位置信息由无线模块传输到分级执行模块。不同级别的香蕉通过执行模块分选到对应的卸果滑道，进入包装设备进行装箱。该装置能够对香蕉进行采后批量检测分级和包装，提高香蕉工业的自动化水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种香蕉在线分级包装流水线，尤其是一种适用于对整把香蕉进行在线实时检测分级和包装。
背景技术
香蕉是世界上的四大水果之一，是热带地区超过40亿人的重要营养来源，在国际鲜果市场上占有很重要的地位。中国是香蕉生产大国，2006年中国香蕉产量为689.94万吨，排名世界第三，仅次于印度和巴西，到2010年我国的香蕉产量达到了810万吨。但是，中国的香蕉产业自动化水平较低，采后处理操作基本采用人工手动的方式完成，这极大地阻碍了中国香蕉工业的发展。
在果品分级领域，目前已有间隙式分级装置 (专利申请号: 200910028948.7; 200520081227.X; 200420051012.9)和孔径式分级装置 (专利申请号: 201120222895.5; 200920049609.2)等机械分级装置；也有光电检测喷气式装置(专利申请号：03273524.3)。但机械式和光电式的分级装置仅能对水果的大小和重量进行分级。机器视觉技术能够弥补以上不足之处，它可以模拟人眼视觉来实现水果形状，颜色和缺陷等方面的检测，因此产生了很多基于图像处理技术的分级装置 (专利申请号: 200620023204.8; 200920277331.4; 02295073.7; 02136377.3; 201010247587.8; 200410065216.2)。但是，这些已有的机器视觉分级装置都是针对果形为圆形和近圆形的水果。对于不规则果形的水果，目前已有穗状水果分级的分级装置 (专利申请号: 200710120255.1)。对于香蕉而言，虽有一些静态的机器视觉检测装置(专利申请号: 201220059147.4)可以适用，但由于其采后处理操作的特殊性和果形的不规则，在国内至今未有香蕉检测分级的动态装置，也未有相关的文献报道。在国外可查的资料当中，有两个专利(申请号: PCT/AU2008/00538; PCT/AU2010/001218)描述了针对香蕉检测分级装置，不过专利PCT/AU2008/00538中所涉及的装置仅能实现整把香蕉的尺寸度量，未能实现其他指标的测量和香蕉的包装操作；专利PCT/AU2010/001218虽涉及了香蕉的包装操作，但其装置只对香蕉果指适用，并不适合于整把香蕉。另外，以上两个国际专利中的检测分级部分都没能与采后的清洗保鲜防腐操作相融合。此外，有很多学者通过更换机器视觉系统中的光源，实现了水果常规理化指标的检测(Romano et al, 2011；Intaravanne et al, 2012)。
由于香蕉形状及包装形式的特殊性，以上所很多涉及到的关于圆形或近圆形水果的自动包装设备也就不能够适用于香蕉的包装，虽然国外专利PCT/AU2010/001218描述了一种香蕉果指的包装设备，但是其并不适用于一把香蕉的包装。
发明内容
为了解决以上的问题，填补国内外香蕉工业在线分级包装生产线的研究空白，本发明提供了一种基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，该生产流水线可以实现香蕉清洗防腐保鲜操作和实时在线的品质检测与分级，检测指标包括：尺寸、形状、颜色、缺陷和常规理化指标等，同时也可以根据所分等级实现香蕉的自动化包装。
本发明的技术方案如下： 一种基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，由传输装置、分级装置、清洗保鲜装置和包装设备组成，分级装置和清洗保鲜装置通过传输装置与包装设备连接，其特点是：
1) 分级装置：包括配有压力传感器的斜滑道、光照箱、摄像机、光源、位置传感器、装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机和分级执行模块，配有压力传感器的斜滑道将香蕉的重量信号通过传输路径传输给PLC控制模块的计算机，PLC控制模块的计算机输出起动信号给风机和喷洒器，触发给风机和喷洒器工作；位置传感器与摄像机连接，摄像机 将位置传感器获取的香蕉位置拍摄成图像，并通过传输路径将图像信号传输给PLC控制模块的计算机；PLC控制模块的计算机将图像处理分析得到的等级信息信号与位置信息信号通过传输路径传输给分级执行模块；
2) 清洗保鲜装置由清洗装置和保鲜装置组成，清洗装置包括清洗水槽、带网孔的托果盘、旋转卸果轴、风干箱、风机、保鲜装置包括喷洒防腐保鲜箱、喷洒器、带网孔的传输带、废液槽；清洗水槽置于分级装置之前，清洗水槽内装有带网孔的托果盘，带网孔的托果盘内装有旋转卸果轴，且带网孔的托果盘和旋转卸果轴分别与小型电机连接，风干箱和喷洒防腐保鲜箱分别设置在分级装置的前、后端部上面，风干箱下面装有带网孔的传输带，带网孔的传输带放置废液槽，风干箱内装风机，喷洒防腐保鲜箱内装有喷洒器；
3) 香蕉包装设备：包括泡膜包装机和瓦楞纸箱台；
4）传输装置由电动机、输送皮带、斜滑道、纵向传输分选区、分选区域、卸果斜滑道、纵向控制电机、泡膜覆盖平台和包装卸果滑道组成；纵向传输分选区 后面依次连接分选区域、卸果斜滑道，纵向传输分选区中的分选传输装置与分级执行模块和纵向控制电机连接，用于对应等级的香蕉传输至相应等级的分选区域，卸果斜滑道后端连接泡膜覆盖平台，泡膜覆盖平台上装有用于触发泡膜包装机落下泡膜覆盖于香蕉表面的感应器，泡膜覆盖平台后面装有包装卸果滑道。
传输路径为无线或有线传输路径。光源为激光或紫外线。清洗装置为悬挂式清洗装置，悬挂式清洗装置由机架、滚动轴承支架、滚动轴承、吊耳、钝金属弯钩、斜坡、清洗水槽和弹簧组成，机架上部装有滚动轴承支架及滚动轴承，滚动轴承上装有吊耳及用于悬挂香蕉的钝金属弯钩，滚动轴承支架中间两边设有斜坡，连接两个斜坡底部的滚动轴承支架上面设有弹簧，下面置有清洗水槽。
本发明的有益效果是：1）一种基于机器视觉的香蕉在线分级包装生产线为不规则形状、采后处理操作较为特殊和商品表现形式特别的水果的采后检测分级包装提供了一种解决思路，这是以往科技报道和相关文献中没有涉及的；2) 本发明采用先让分级完毕的香蕉装箱，再折叠带有密封塑料膜的瓦楞纸箱，然后进行之后的包装操作，可以较大程度地节省包装时间，提高自动化水平；3）本发明提供的装置可以根据实际要求配置光照箱内的光学元件和光源，从而能够全面检测香蕉形状、尺寸、颜色和缺陷等外观品质与香蕉质构、pH和可溶性固形物等常规理化指标；4）本发明主要针对的是香蕉工业，如能做相关改进，也同样适用于其他形状不规则或采后处理操作较为特殊和商品表现形式特别的水果。
附图说明
图1是本发明结构布置图；
图2是图1的俯视图；
图3是香蕉包装设备的主视图；
图4是图3的俯视图；
图5是悬挂式清洗装置的结构示意图；
图6是本发明中流水线可实现的工艺流程图；
图7是图像处理分析流程图；
图8是最终箱内香蕉叠放形式示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，由传输装置、分级装置、清洗保鲜装置和包装设备组成。
由图2可知，本具体实施方式以香蕉尺寸指标为例，根据实际情况将尺寸等级分为“小”、“中”和“大”三类别进行说明阐释。此外，图2将生产线的宽度扩展为大约四个香蕉果把的宽度大小进行说明。
如图1，2所示，传输装置包括移动滑轮2、电动机3、输送皮带4、链轮5、斜滑道12、带网孔的传输带24、纵向传输分选区28、分选区域29、卸果斜滑道30、纵向控制电机31、泡膜覆盖平台34和包装卸果滑道35。除纵向传输分选区28的动力由纵向控制电机31提供外，带网孔的传输带24和其他输送皮带都由电动机3驱动。
分级装置包括配有压力传感器的斜滑道13、光照箱16、带有无线网卡的摄像机17、光源18、位置传感器19、装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机20和分级执行模块27。光源18为激光或紫外线。
配有压力传感器的斜滑道13将香蕉的重量信号通过传输路径21传输给PLC控制模块的计算机20，PLC控制模块的计算机20输出起动信号给风机15和喷洒器23 ，触发给风机15和喷洒器23工作；位置传感器19与摄像机17连接，摄像机17将位置传感器19获取的香蕉位置拍摄成图像，并通过传输路径21将图像信号传输给PLC控制模块的计算机20；PLC控制模块的计算机20将图像处理分析得到的等级信息信号与位置信息信号通过传输路径21传输给分级执行模块27；传输路径21为无线或有线传输路径。
落梳修整后的香蕉经传输装置输送至配有压力传感器的斜滑道13，此时，香蕉的重量信息通过无线传输路径21传输给工控机20，并触发风机15及喷洒器23工作；位置传感器19获取香蕉的位置信息并触发带有无线网卡的摄像机17拍摄图像，图像通过无线传输路径21传输给PLC控制模块的计算机20；PLC控制模块的计算机20将图像处理分析得到的等级信息和位置信息通过无线传输路径21传输给分级执行模块27。
清洗保鲜装置由清洗水槽7、带网孔的托果盘9、旋转卸果轴(10)、风干箱14、风机15、喷洒防腐保鲜箱22、喷洒器23、带网孔的传输带24、废液槽25和水泵26组成。
清洗水槽7置于分级装置之间，清洗水槽7内装有带网孔的托果盘9，带网孔的托果盘9内装有旋转卸果轴10，且带网孔的托果盘9和旋转卸果轴10分别与小型电机连接，风干箱14和喷洒防腐保鲜箱22分别设置在分级装置的前、后端部上面，风干箱14下面装有带网孔的传输带24，带网孔的传输带24放置废液槽25，风干箱14内装风机15，喷洒防腐保鲜箱22内装有喷洒器23。
带网孔的托果盘9和旋转卸果轴10由小型电机驱动，香蕉通过斜滑道12落在带网孔的托果盘9，再沿着托果盘移动路径11进行移动，然后旋转卸果轴10被触发，香蕉滑到配有压力传感器的斜滑道13；清洗水槽7中的水在带网孔的托果盘9的移动过程中经由带网孔的托果盘9上的网孔落回清洗水槽7；带网孔的传输带24不同于输送皮带4，其表面带有网孔并且其为难腐蚀材料；清洗水槽7和风干箱14位于光照箱16之前，喷洒防腐保鲜箱22则位于光照箱16之后。
由图3， 4可知，香蕉包装设备包括泡膜包装机33和瓦楞纸箱台36，其通过传输装置与分级和清洗保鲜装置衔接。与包装设备衔接的传输装置由纵向传输分选区28、分选区域29、卸果斜滑道30、泡膜覆盖平台34和包装卸果滑道35组成。纵向传输分选区28后面依次连接分选区域29、卸果斜滑道30，纵向传输分选区28中的分选传输装置与分级执行模块27和纵向控制电机31连接，用于对应等级的香蕉传输至相应等级的分选区域29，卸果斜滑道(30)后端连接泡膜覆盖平台34，泡膜覆盖平台34上装有用于触发泡膜包装机33落下泡膜覆盖于香蕉表面的感应器，泡膜覆盖平台34后面装有包装卸果滑道35。
纵向传输分选区28由分级执行模块27和纵向控制电机31控制，将对应等级的香蕉传输至相应等级的分选区域29，再经卸果斜滑道30落于泡膜覆盖平台34，泡膜覆盖平台34装有感应器(未画出)，感应器感应到传感信号变化后，触发泡膜包装机33落下泡膜38，覆盖于香蕉表面，然后香蕉经过包装卸果滑道35进入瓦楞纸箱台36进行包装；包装时，瓦楞纸箱台36上放置有未折叠的带有塑料密封膜的瓦楞纸箱37，瓦楞纸箱台36可以由电机驱动并根据香蕉的落点进行前后左右移动，使香蕉能够落于瓦楞纸箱台36上正确的位置。当分级完毕的香蕉放置满未折叠的带有塑料密封膜的瓦楞纸箱37时，再进行后续的瓦楞箱折叠、抽真空和贴标签等操作。包装完毕箱内香蕉的叠放形式如图8所示，即香蕉果把以“小”、“中”、“大”的顺序以叠罗汉的形式摆放，这样可以大大减少香蕉在贮运过程中的损伤并能较大程度地利用提高包装效率。
图5为悬挂式清洗装置的结构示意图，如扩展至整个生产线则可以作为链轮皮带式传输装置(图1和图2)的替代，两种传输方式各有优缺点，可以根据实际情况进行选择。由图5可知，悬挂式清洗装置由机架1、滚动轴承支架40、滚动轴承41、吊耳42、钝金属弯钩43、斜坡44、清洗水槽7和弹簧45组成。机架1上部装有滚动轴承支架40及滚动轴承41 ，滚动轴承41上装有吊耳42及用于悬挂香蕉的钝金属弯钩43，滚动轴承支架40中间两边设有斜坡44 ，连接两个斜坡44底部的滚动轴承支架40上面设有弹簧45，下面置有清洗水槽7。
滚动轴承41的动力由电机提供，将悬挂着香蕉的钝金属弯钩43沿着滚动轴承支架40移动，移动至两个斜坡44中间区域，香蕉由于弹簧45被拉长而浸没到清洗水槽7，清洗完毕后再由电机驱动沿斜坡44离开清洗水槽7。
PLC控制模块的计算机20内所安装的图像处理分析软件的处理步骤如图7所示。其中图像压缩和图像格式转换步骤为可选择步骤，由所选择的相机的属性和软件内置程序代码的性质所决定。标准数据库为在线流水线搭建之前由专家制定，图像处理后所获取的指标值或提取的特征值需要与专家数据值进行对比才能做出分级决策，此后分级决策结合位置信息传输给分级执行模块27，由它控制纵向传输分选区28将相应等级的香蕉送入相应等级的分选区域29。分级执行模块27可以根据流水线设计的要求选择不同种类的下位机。
本发明所涉及的香蕉在线分级包装流水线能够实现的采后操作如图6所示。
本技术领域中的技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明权利要求书的相当含义和实质范围内作任何改变，及对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (2)
1.一种基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，由传输装置、分级装置、清洗保鲜装置和包装设备组成，分级装置和清洗保鲜装置通过传输装置与包装设备连接，其特征在于：
1) 分级装置：包括配有压力传感器的斜滑道(13)、光照箱（16）、摄像机(17)、光源（18）、位置传感器(19)、装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机(20)和分级执行模块(27)，配有压力传感器的斜滑道(13)将香蕉的重量信号通过传输路径(21)传输给装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机(20)，装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机(20)输出起动信号给风机(15)和喷洒器(23) ，触发给风机(15)和喷洒器(23)工作；位置传感器(19)与摄像机(17)连接，摄像机(17) 将位置传感器(19)获取的香蕉位置拍摄成图像，并通过传输路径(21)将图像信号传输给装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机(20)；装配图像采集卡及PLC控制模块的计算机(20)将图像处理分析得到的等级信息信号与位置信息信号通过传输路径(21)传输给分级执行模块(27)；
2) 清洗保鲜装置由清洗装置和保鲜装置组成，清洗装置包括清洗水槽(7)、带网孔的托果盘(9)、旋转卸果轴(10)、风干箱(14)、风机(15)，保鲜装置包括喷洒防腐保鲜箱(22)、喷洒器(23)、带网孔的传输带(24)、废液槽(25)；清洗水槽(7)置于分级装置之前，清洗水槽(7)内装有带网孔的托果盘(9)，带网孔的托果盘(9)内装有旋转卸果轴(10)，且带网孔的托果盘(9)和旋转卸果轴(10)分别与小型电机连接，风干箱(14)和喷洒防腐保鲜箱(22)分别设置在分级装置的前、后端部上面，风干箱(14)下面装有带网孔的传输带(24)，带网孔的传输带(24)放置废液槽(25)，风干箱(14)内装风机(15)，喷洒防腐保鲜箱(22)内装有喷洒器(23)；
3) 包装设备：包括泡膜包装机(33)和瓦楞纸箱台(36)；
4）传输装置由电动机(3)、输送皮带(4)、斜滑道(12)、纵向传输分选区(28)、分选区域(29)、卸果斜滑道(30)、纵向控制电机(31)、
泡膜覆盖平台(34)和包装卸果滑道(35)组成；纵向传输分选区(28) 后面依次连接分选区域(29)、卸果斜滑道(30)，纵向传输分选区(28)中的分选传输装置与分级执行模块(27)和纵向控制电机(31)连接，用于对应等级的香蕉（6）传输至相应等级的分选区域(29)，卸果斜滑道(30)后端连接泡膜覆盖平台(34)，泡膜覆盖平台(34)上装有用于触发泡膜包装机(33)落下泡膜覆盖于香蕉表面的感应器，泡膜覆盖平台(34)后面装有包装卸果滑道(35)；所述传输路径(21)为无线或有线传输路径；所述光源（18）为激光或紫外线。
2.根据权利1所述的基于机器视觉的香蕉在线分级包装流水线，其特征在于：所述清洗装置为悬挂式清洗装置，悬挂式清洗装置由机架(1)、滚动轴承支架(40)、滚动轴承(41)、吊耳(42)、钝金属弯钩(43)、斜坡(44)、清洗水槽(7)和弹簧(45)组成，机架(1)上部装有滚动轴承支架(40)及滚动轴承(41) ，滚动轴承(41)上装有吊耳(42)及用于悬挂香蕉的钝金属弯钩(43)，滚动轴承支架(40)中间两边设有斜坡(44) ，连接两个斜坡(44)底部的滚动轴承支架(40)上面设有弹簧(45)，下面置有清洗水槽(7)。
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