CN104070016B - 一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，包括单粒化送料装置、取样通道、图像采集与处理装置和分级装置；单粒化送料装置包括振动盘，振动盘内装有螺旋上升的输出通道，输出通道包括主轨道和与主轨道衔接的多个子轨道；取样通道为与各子轨道衔接的下滑通道；图像采集与处理装置包括位于下滑通道的上下两侧且错位布置的第一图像传感器和第二图像传感器，并对图像进行处理将小颗粒农业物料分级；分级装置包括衔接下滑通道的分级通道，分级通道的侧边安装有多级喷气嘴，喷气嘴用于吹动小颗粒农业物料落入相应的接料槽内，且喷气嘴受控于小颗粒农业物料分级结果。本发明还公开了一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级方法。

Description

一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置及方法。

背景技术

小颗粒农业物料(谷物、种子等)需要对其质量检测与分级，来提高小颗粒农业物料的经济价值与食用价值。传统小颗粒农业物料分级方法包括利用小颗粒农业物料的外部形状和尺寸大小进行筛选，利用小颗粒农业物料与气流相对运动进行气流清选，利用小颗粒农业物料的种类、饱满程度、含水量和受病虫害程度差异进行比重清选，利用小颗粒农业物料表面颜色不同进行色选。但这些方法不能综合利用小颗粒农业物料表面形态学、颜色和纹理特征对小颗粒农业物料进行全面分析，进而不能对小颗粒农业物料进行精选。相对于人工肉眼检测，由于操作者的经验差异和主观因素的影响，造成检测结果具有很大的差异性，而机器视觉具有检测的客观性、快速性、无损性、高效率性，更加适用于小颗粒农业物料在线检测与自动分级。目前在国内市场上没出现大规模化的小颗粒农业物料视觉分级装备，相比国外已有商品化的小颗粒农业物料视觉分级装备，例如BoMill公司IQ种子分级机1002、SeQso公司iXeed Visual种子分级机、美国Thomas C.Pearson研制小麦分级机。

经大量文献检索，申请号为CN200710067204.7和CN201110122572.3的专利文献、BoMill公司IQ种子分级机1002和文献《Design and development of a grain kernelsingulation device》均采用带有可旋转圆盘的种子单粒化装置，该圆盘端面圆周上均匀分布凹槽来盛放种子，每个凹槽存放一颗，实现小颗粒农业物料之间的分开。该单粒化装置检测速度慢、效率低，不适用于大批量小颗粒农业物料精选处理，更无法获取小颗粒农 业物料的正反两面图像，造成小颗粒农业物料质量检测精度下降。

申请号为CN200410078033.4、CN200910148225.0、CN201010237646.3的专利均采用传送带的种子单粒化装置，传送带的上表面设有多个长方形孔穴来盛放种子，在传送带的下表面粘有透气丝网，待系统采集和处理图像后，种子进入卸料区域，孔穴下的气嘴打开将种子吹入指定的槽中。这种装置能够实现大批量小颗粒农业物料精选处理、处理效率和速度都较高，一张图片可以获取多个互不接触且排列整齐小颗粒农业物料，且能够获取小颗粒农业物料正反两面的清晰图像，但是卸料过程，是由气嘴向斜面或者竖直向上吹，可能由于小颗粒农业物料自身的重力而无法将陷在孔穴中小颗粒农业物料吹走，造成卸料困难。而专利申请号为CN201010237646.3的专利采用机械手进行吸取卸料，显然这种方式结构复杂、成本较高。

Next Instruments公司的便携式种子分析仪SeedCount SC5000R图像分析仪、SeedCount SC5000TR图像分析仪和SeedCount SC5000TR玉米分析仪，SeQso公司的便携式种子分析仪iXeed CF Analyzer(Mobile)、种子分级机iXeed^TM Visual Sorter和iXeed^TMCF Sorter，这些装置均采用托盘式种子单粒化装置，托盘上表面设有多个排列整齐椭圆形凹槽用来盛放种子。在使用便携式种子视觉检测仪，操作者将种子平铺到托盘中，然后将托盘放入分析仪，通过相关软件提取种子的形态学、颜色、纹理特征，再进行分类，并以图形和表格的形式显示在PC屏幕上。这种便携式种子视觉检测仪仅适用于少量种子的抽样检测。而种子分级机iXeed^TM Visual Sorter将多个托盘依次固定在运动的链条上，通过上料机构将种子填充到托盘的凹槽内，通过链条的左右移动回收多余种子，以黄瓜种子为例，该分级机检测速度达到40粒/秒，可实现无人操作时间达68小时。但是该分级机只能分成三级(接受、剔除、回收)，且卸料不易。iXeed^TM CF Sorter能基于叶绿素含量来判别种子的成熟度进而实现分级，以胡椒种子、卷心菜种子、茴香种子为例，该分级机检测速度可达100～200粒/秒。这些装置，一张图像可以得到整个托盘种子，但是只能获取种子一面的图像，通过从托盘中吸料来达到分级，这能造成有些凹槽种子没有吸取干净。

Pearson致力于种子在线检测与分级装备的研究，在《Color image based sorterfor separating red and white wheat》中，作者利用V型截面下滑槽实现小麦在加速下滑过程中，使得麦粒与麦粒之间分离，在下滑槽的末端设有两面成45度的镜子，用来反射麦粒背部图像，故可用一个相机来获取麦粒整个表面图像，再由PC处理图像并将处理结果的信号发送到电磁阀气嘴，实现麦粒的剔除与接收。该装置在检测速度为30粒/秒能达到较好的分级精度。利用PC进行图像处理时，首先图像保存在PC中的存储器中，然后再向存储器中调用图像进行处理，这会造成图像处理的时间延迟，从而影响高速在线检测，在《Hardware-based image processing for high-speed inspection of grains》中，作者将FPGA代替PC和CMOS组装一起形成一个整体，3个这样的整体互成120°安装在圆形环，以实现对爆米花玉米种子的三面图像的实现并行处理，这极大促进检测效率与精度，检测速度达到75粒/秒。在《High-speed sorting of grains by color and surface texture》中，作者利用一个FPGA+CMOS整体检测三通道下滑槽的麦粒，检测速度达到255粒/秒，红白麦粒、大麦和硬质小麦、红黄亚麻种子的分级精度分别为96％，93％，92％。但是这些装置也存在较大气吹误判率，即有些好种子也被吹入次品槽内，其次装置相机获取图像与喷嘴开始喷气之间的时间间隔非常短，这也造成较大气吹误判率，而且分级数目较少。

发明内容

针对现有的带凹槽圆盘式小颗粒农业物料分级装置的处理效率低、不能同时获取小颗粒农业物料正反两面图像，带孔穴传送带式小颗粒农业物料分级装置的卸料困难，带凹槽托盘式小颗粒农业物料分级装置的分级等级数目较少和卸料不易，下滑式小颗粒农业物料分级装置的较大气吹误判率和分级数目较少。本发明提出一种结构简单、多输出通道并行处理、检测速度快、分级数目多、自动化程度高的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置。

一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，包括单粒化送料装置，承接单粒化送料装置的取样通道，安装在取样通道上下的图像采集与处理装置，以及与所述取样通道衔接的分级装置；

所述的单粒化送料装置包括振动盘，振动盘内装有螺旋上升的输出通道，所述的输出通道包括主轨道和与主轨道衔接的多个子轨道；

所述的取样通道为与各子轨道衔接的下滑通道；

所述的图像采集与处理装置包括位于下滑通道的上下两侧且错位布置的第一图像传感器和第二图像传感器，并对图像进行处理将小颗粒农业物料分级；

所述的分级装置包括衔接下滑通道的分级通道，分级通道的侧边安装有多级喷气嘴，喷气嘴用于吹动小颗粒农业物料落入相应的接料槽内，且喷气嘴受控于小颗粒农业物料分级结果。

在本发明中，单粒化送料装置具有多路输出的子轨道，并可同时采集各子轨道输出小颗粒农业物料的正反两面图像，然后对正反两面图像进行分析，得出小颗粒农业物料的分级结果，分级装置上的喷气嘴将属于同一级的小颗粒农业物料吹入相同的接料槽内，实现自动分级。

振动盘通过电线与控制器相连，控制器通过电线与电源相连，控制器具有自动稳压的功能，消除因电源电压不稳定而影响振动盘的输出速度，也可通过调节控制器上的电压输入旋钮，来改变振动盘输送小颗粒农业物料的速度。

单粒化送料装置还包括与各子轨道连接的出料通道，用于承接各子轨道输出的小颗粒农业物料，出料通道和下滑通道均相对水平面向下具有一定的倾角，出料通道相对平缓，下滑通道的倾角较大，由于在下滑过程中需要采集小颗粒农业物料的图像，应合理控制小颗粒农业物料的滑行速度，设置一段较为平缓的出料通道，防止小颗粒农业物料直接落入下滑通道内，减缓小颗粒农业物料的滑行速度，提高成像质量。在本发明中，出料通道相对水平面具有8度的倾角，下滑通道也相对水平面向下倾斜，可根据不同小颗粒农业物料调节合适角度；从振动盘出来的小颗粒农业物料紧密排列，小颗粒农业物料在下滑通道滑行时，由于自身的加速，实现颗粒间距分开，这样可保证一幅图像只拍摄一颗小颗粒农业物料。

出料通道为环振动盘间隔90度布置的四个，所述的取样通道、图像采集与处理装置和分级装置为分别与四个出料通道对应的四组。根据设备 的占地，操作与维修的便捷，本发明可同时对四路输出的小颗粒农业物料进行成像分级，四组装置相互间隔较大，便于操作、取料和装料。还可以根据实际情况对出料通道进行增加，提高小颗粒农业物料的分级速度。

振动盘的侧边固定有支撑架，取样通道和分级装置安装该支撑架上，所述的支撑架上设有相对水平面向下倾斜的导向板，导向板上装有两块可调宽度的限位板，所述的下滑通道位于两限位板之间。小颗粒农业物料在下滑通道内单排通过，根据小颗粒农业物料的大小，调节两限位板之间的宽度，保持小颗粒农业物料的下滑顺畅，也能减少对小颗粒农业物料的摩擦损伤。所述导向板和限位板的材质为无色透明聚甲基丙烯酸甲酯，便于相机透明导向板拍取小颗粒农业物料的背面图像。针对不同的小颗粒农业物料对象，通过改变下滑通道的倾角，使小颗粒农业物料滑动而不产生滚动，这样获取的两幅图像为小颗粒农业物料的全表面图像。

下滑通道上下两侧设有错开布置的两个环形光照箱，所述第一图像传感器和第二图像传感器的镜头分别伸入两个环形光照箱内，光照箱内壁安装有照明灯，且与每个光照箱对应下滑通道的上方或者下方设有白色背景板；所述下滑通道两边的限位板内设有凹槽，用来安放条形的LED灯带。第一图像传感器和第二图像传感器上下错位布置，能够防止两个图像传感器相互干扰，设置的白色背景板用于阻挡外界环境对成像的影响，使得到的图像具有单一干净的背景，便于后续的处理分析，同时，由于是在小颗粒农业物料下滑过程中高速在线检测，因电子快门速度过快会引起光亮不足，可在下滑通道两边的限位板中开设凹槽，凹槽内插入条形LED灯带，用于增加光照强度，提高图像的成像质量。

所述下滑通道的输入端设有第一传感器和第二传感器，分别发出控制第一图像传感器和第二图像传感器进行图像采集的信号；所述下滑通道的输出端设有用于小颗粒农业物料计数的第三传感器。输入端设置的传感器，用于控制图像传感器进行图像采集，使得拍摄的小颗粒农业物料恰好位于图像的中间区域。第三传感器用于统计小颗粒农业物料的数目，并通过电路与红色警报系统相连，当其数目不再发生改变时，提示要向振动盘中添加小颗粒农业物料。

同时，所述的分级装置包括安装在支撑架上的传送带，传送带上部固定有两块平行布置的定位板，两定位板之间为所述的分级通道；所述的喷气嘴嵌设在分级通道一侧的定位板内，另一侧的定位板内设有引导小颗粒农业物料落入接料槽的管道；在所述的多级喷气嘴中，相邻两级喷气嘴等间距设置，且每个喷气嘴的前方均设有小颗粒农业物料传感器，该小颗粒农业物料传感器用于发出控制喷气嘴的信号。

传送带用于输送小颗粒农业物料在分级通道内移动，两定位板之间的距离可调，可满足不同大小的小颗粒农业物料单排通行；管道与喷气嘴的位置一一对应，在小颗粒农业物料等级确定后，当小颗粒农业物料滑动至该等级对应的喷气嘴时，触发位于喷气嘴前方的小颗粒农业物料传感器，喷气嘴接收信号启动，将小颗粒农业物料吹入对应的管道，并滑落至对应的接料槽内，完成自动分级。

针对上述的小颗粒农业物料质量检测与分级装置，本发明还提供了一种小颗粒农业物料质量检测与分级的方法，具体步骤如下：

1)单粒化装置将小颗粒农业物料从四个互成90度的出料通道单粒输出至对应的下滑通道，在每个下滑通道中，小颗粒农业物料利用自身重力加速滑行并隔开，同时图像采集装置获取小颗粒农业物料的正反两面图像；

2)根据小颗粒农业物料的正反两面图像中形态学特征、颜色特征和纹理特征，对小颗粒农业物料进行分级；

3)分级装置根据步骤2)的分级结果，控制喷气嘴将传送带上的小颗粒农业物料吹入到指定的管道，再滑落至相应的接料槽中，完成小颗粒农业物料的自动分级。

与现有小颗粒农业物料分级装置相比具有以下有益效果：

引入多输出通道的振动盘作为小颗粒农业物料分级设备的单粒化装置，可同时进行多通道分级处理；用控制器调节振动盘的出料速度；振动盘与机架之间设有减震缓冲装置，以提高振动盘摆放的稳定性；采用无色透明聚甲基丙烯酸甲酯板构成的下滑通道，可以同时获取小颗粒农业物料正反两面图像，避免只拍小颗粒农业物料正面而忽略其背面造成的盲区，提高分级的准确度；多个下滑通道的小颗粒农业物料图像实现并行处理， 互不干扰，可实现大批量小颗粒农业物料的在线质量检测与分级，效率高；可根据不同分类指标，实现较多质量等级数目的分级；装置结构简单、自动化程度高、可适应于不同类型的小颗粒农业物料，具有较好的商业前景。

附图说明

图1为本发明中小颗粒农业物料质量检测与分级装置的结构示意图；

图2为单粒化送料装置的结构示意图；

图3为取样通道的结构示意图；

图4为分级装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，包括单粒化送料装置1，承接单粒化送料装置1的取样通道3，安装在取样通道3上下的图像采集与处理装置4，以及与取样通道3衔接的分级装置6。

如图2所示，单粒化送料装置1包括振动盘和控制器，振动盘由脉冲电磁铁、料斗、弹簧片和底盘组成，料斗内具有螺旋上升的输出通道，输出通道包括主轨道11和与主轨道11衔接的四个子轨道12；脉冲电磁铁嵌入底盘中心轴线上，底盘与机架2之间设有减震装置，用于缓冲振动盘对机架2的振动，料斗通过四个弹簧片上螺丝与底盘相连，在脉冲电磁铁的振动下，料斗本应做上下垂直振动，但是由于倾斜的弹簧片，使料斗绕其中心轴作扭摆运动。料斗中无序的小颗粒农业物料受到这种振动，会沿着料斗内壁的主轨道11逐渐上升至一定的高度，再分别进入四个子轨道12，每个子轨道12连接一个相对水平面向下倾斜8度的出料通道13(四个出料通道互成90度)，最终实现有序定向排列整齐的输送，控制器通过电线与振动盘相连，调节控制器的旋钮可改变振动盘的出料速度。

如图3所示，取样通道3为与各子轨道12衔接的下滑通道，振动盘的外侧固定有支撑架7，取样通道3和分级装置6安装支撑架7上，支撑架7上设有相对水平面向下倾斜的导向板，导向板上装有两块可调宽度的位板8，两限位板8之间为上述的下滑通道。导向板和限位板8均为无色透明的聚甲基丙烯酸甲酯板，限位板8通过螺栓固定在导向板上，两限位 板之间的宽度可调，防止小颗粒农业物料并排通过，保持固定的滑行姿态。

图像采集与处理装置4包括位于下滑通道上下且错开布置的两个光照箱15，光照箱15安装在限位板8上，两个光照箱15均为圆柱形，箱内壁上并排贴有多个白色12VLED5050贴片灯带(深圳市晶能照明有限公司生产)，两个相机的镜头部分分别伸入光照箱内。为实现高速在线检测，由于电子快门速度过快会引起光亮不足的现象，在限位板8上开设与下滑通道平行的凹槽，并在凹槽内安装白色12V LED5050贴片灯带，两条灯带的光均打向物料表面，以增加光照强度。

在下滑通道的上方和下方，设有与两个光照相15对应的白色背景板，用于阻挡外界环境对小颗粒农业物料成像的影响，使得到的图像具有单一干净的背景，便于后续的处理分析。

下滑通道的输入端设有两个传感器9，分别发出控制上下两个相机进行图像采集的信号，使拍摄的小颗粒农业物料恰好位于图像的中间区域，下滑通道的输出端设有用于小颗粒农业物料计数的第三传感器10，用于统计数量。

如图4所示，分级装置6包括安装在支撑架7上的传送带19，传送带19上部固定有两平行布置的定位板18，两定位板18之间为供小颗粒农业物料滑行的分级通道16，分级通道16一侧的定位板内嵌设有喷气嘴17，另一侧的定位板内设有引导小颗粒农业物料落入接料槽5的管道20，且相邻两个喷气嘴17等间距设置，每个喷气嘴的前方均设有受小颗粒农业物料触动的传感器，用于发出控制各喷气嘴的信号。传送带19用于输送小颗粒农业物料在分级通道16内移动，两定位板18之间的距离可调，可满足不同大小的小颗粒农业物料通行；管道20与喷气嘴17的位置一一对应，在小颗粒农业物料等级确定后，当小颗粒农业物料滑动至该等级对应的喷气嘴时，首先触发位于该喷气嘴前方的传感器，喷气嘴根据传感器的信号启动，将小颗粒农业物料吹入对应的管道，使其沿管道滑入相应的接料槽5内，完成自动分级。

在本实施例中，小颗粒农业物料质量检测与分级装置的工作过程如下：

打开电源，调节控制器的旋钮确定小颗粒农业物料的出料速度，料仓 内小颗粒农业物料受到脉冲电磁铁的振动，沿着料仓内壁上的螺旋轨道逐渐上升，待其上升到一定高度，小颗粒农业物料分别进入4个独立的子轨道，每个子轨道内小颗粒农业物料再进入倾斜8度的出料通道，然后滑入下滑通道中。

下面以一个下滑通道进行过程描述，从出料通道出来后的小颗粒农业物料进入下滑通道中，第一传感器触发下滑通道上方的相机拍取小颗粒农业物料正面图像，第二传感器触发下滑通道下方的相机拍取小颗粒农业物料背面图像，两幅图像再经计算机进行预处理、提取相应的特征、运用相应的算法对其进行分级，并将分级的结果发送到下位机。假设下滑过程中的是第N颗小颗粒农业物料，根据分级结果假设其质量为第二等级，经过一定的时间，该小颗粒农业物料到达第二等级口，则第二等级口的传感器触发喷嘴进行喷气，则将小颗粒农业物料吹入管道中再落入对应的接料槽内，实现对不同质量等级的小颗粒农业物料进行分级。下滑通道底端的第三传感器用于统计小颗粒农业物料的数目，并通过电路与红色警报系统相连，当其数目不再发生改变时，提示要向振动盘中添加小颗粒农业物料。

在本实施例中，图像采集与处理装置中的计算机通过网线接口与相机连接，计算机接口RS-233通过USB转换器与控制喷嘴吹气的多个电磁阀相连接。其中以实验稻种为例，相机采用德国imaging公司生产的23系列DMK-23G618面阵相机；镜头为中国微图视觉科技有限公司生产的型号为VT-LEM0618-MP3；加有2个5mm的近摄接圈；下滑通道相对水平面向下倾斜27度；物距为67mm；光圈系数为f16；曝光时间为1/20000秒；增益为5.84dB；帧率为120fps；单粒化装置为多输出通道振动盘；下滑通道的材质为无色透明聚甲基丙烯酸甲酯，下滑通道的宽度为5mm；电磁阀控制系统为AVR；分级通道为多等级口的传送带；考虑到传感器的感应头离稻种的表面十分近(1mm)，故选用光纤传感器，具体采用深圳市瑞科自动化设备有限公司的对射式FT-320光纤和日本Omron公司的E3X-NA11光纤放大器；在图像处理过程中，采用成芳博士论文《稻种质量的机器视觉无损检测研究》所提到的图像处理方法，提取图像中稻种的轮廓、颜色特征，运用哈夫变换、Parzen窗函数法、马氏距离线性判别方 法分别对裂颖、霉变、芽谷的稻种进行识别与分类，实验结果表明有较好的分类效果。

Claims (8)

1.一种小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，包括单粒化送料装置，承接单粒化送料装置的取样通道，安装在取样通道上下的图像采集与处理装置，以及与所述取样通道衔接的分级装置；

所述的单粒化送料装置包括振动盘，振动盘内装有螺旋上升的输出通道，所述的输出通道包括主轨道和与主轨道衔接的多个子轨道；

所述的取样通道为与各子轨道衔接的下滑通道；

所述的取样通道和分级装置安装在振动盘侧边的支撑架上；所述的支撑架上设有相对水平面向下倾斜的导向板，导向板上装有两块可调宽度的限位板，所述的下滑通道位于两限位板之间；

所述的图像采集与处理装置包括位于下滑通道的上下两侧且错位布置的第一图像传感器和第二图像传感器，并对图像进行处理将小颗粒农业物料分级；

所述的分级装置包括衔接下滑通道的分级通道，分级通道的侧边安装有多级喷气嘴，喷气嘴用于吹动小颗粒农业物料落入相应的接料槽内，且喷气嘴受控于小颗粒农业物料分级结果。

2.如权利要求1所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述的振动盘安装在机架上，机架与振动盘之间设有减震装置。

3.如权利要求1所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述的单粒化送料装置还包括与各子轨道连接的出料通道，所述的出料通道相对水平面向下倾斜8度。

4.如权利要求3所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述的出料通道为环振动盘间隔90度布置的四个，所述的取样通道、图像采集与处理装置和分级装置为分别与四个出料通道对应的四组。

5.如权利要求1所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述导向板和限位板的材质为无色透明聚甲基丙烯酸甲酯。

6.如权利要求5所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述下滑通道上下两侧设有错开布置的两个环形光照箱，所述第一图像传感器和第二图像传感器的镜头分别伸入两个环形光照箱内，光照箱内壁安装有照明灯；

与上方光照箱对应设置的白色背景板位于下滑通道的下方，与下方光照箱对应设置的白色背景板位于下滑通道的上方；

所述下滑通道两边的限位板内设有凹槽，用来安放条形的LED灯带。

7.如权利要求1所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述下滑通道的输入端设有第一传感器和第二传感器，分别发出控制第一图像传感器和第二图像传感器进行图像采集的信号；

所述下滑通道的输出端设有用于小颗粒农业物料计数的第三传感器。

8.如权利要求7所述的小颗粒农业物料质量实时检测与分级装置，其特征在于，所述的分级装置包括安装在支撑架上的传送带，传送带上部固定有两块平行布置的定位板，两定位板之间为所述的分级通道；

所述的喷气嘴嵌设在分级通道一侧的定位板内，另一侧的定位板内设有引导小颗粒农业物料落入接料槽的管道；

在多级喷气嘴中，相邻两级喷气嘴等间距设置，且每个喷气嘴的前方均设有物料传感器，该物料传感器用于发出控制喷气嘴的信号。