CN104084379A - 一种玉米种子图像精选装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器视觉检测技术领域，具体为一种玉米种子图像精选装置及其使用方法。其特点如下：提出了一种实用有效的玉米种子在线精选图像检测算法；设计了一套玉米种粒翻面机构，能够对玉米种子进行正、反两面的图像检测判断，保障了检测结果的准确性；设计了一种结构简单的机电式分拣执行机构；设计了一种新型的双列式喂料机构，可以连续均匀地对玉米种子进行双列投喂。本发明研制出既结构简单又精准高效的玉米种子图像精选装置，对保障玉米定向精密播种的实施，实现玉米种子的播前精选，促进我国玉米产业的优质、高产、稳产发展以及农产品检测的机械化、自动化和智能化水平的提高均具有重要意义。

Description

一种玉米种子图像精选装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及机器视觉检测技术领域，具体为一种玉米种子图像精选装置及其使用方法。

背景技术

玉米作为粮食、饲料、工业原料兼用型作物，其生产在我国粮食生产和粮食安全上占有极其重要的战略地位。种子质量的好坏直接影响后续的作物栽培以及收获产量的高低和品质的优劣，所以十分有必要对玉米种子进行播前精选。

目前对玉米种子进行检测主要依靠以下两类技术：(1)形态学鉴定、幼苗鉴定、田间种植鉴定等；(2)生化电泳、色谱分析、荧光检验及DNA分子标记等。前一类检测方法受人为和环境因素的影响较大，检测结果的准确性并不可靠，不利于推广；后一类方法在实验室环境条件下进行，虽然识别精度较高，但是检测设备昂贵、检测过程繁琐、检测成本高，也不适于对种子进行批量快速检验。因此，玉米种子检测方式目前还停留在传统的依靠种子外观形态进行鉴定的人工识别阶段或者采用精细识别程度较低的简单机械筛选方式，且已有的重力式、气选式或介电式等种子精选机，由于存在不能对破损、霉变、畸形等种子进行筛选的缺陷，均不能用于玉米定向播种的种子精选。

机器视觉检测技术是一种检测速度快、鉴别能力强、重复性高、可大批量检测、成本低、无疲劳且不易受外部因素影响的无损检测方法，为克服上述检测手段的不足提供了一条可行的途径。国内部分研究者已开展了基于机器视觉技术的玉米籽粒检测应用研究，相关研究主要包括：以玉米种子品质鉴定、玉米种类自动识别为主的纯算法研究以及玉米籽粒精选与分级装置系统的研究。

在算法方面，研究现状总结如下：(1)针对玉米籽粒的大小、形状、颜色、纹理、霉变、破损等外部特征参数进行了初步的探索分析，对于种粒胚芽部位的特征信息以及种粒内部品质特性的判断研究较少，对于如何精确测量玉米籽粒的有效特征以及如何建立玉米籽粒的特征信息与其品质种类的相关性等，尚未进行深入研究；(2)目前的研究多集中于算法的理论探讨，而欠缺算法的实用性研究。

虽然针对玉米籽粒在品质种类评价方面的算法研究较多，但是在精选与分级装置系统方面的研究较少，目前尚未出现专门用于玉米籽粒检测的商业化仪器设备。现有的玉米籽粒精选与分级装置，一般由机器视觉模块、籽粒下料输送模块和机电控制模块三部分组成。当玉米籽粒下料并输送至图像采集区域时，机器视觉模块进行图像采集和处理，并将处理结果信息发送至机电控制模块，控制分拣执行机构对玉米籽粒进行分拣处理。现有精选与分级装置的共性在于：(1)分拣执行机构多采用气吹式或者气吸式的气动执行方式；(2)只针对玉米籽粒的单一表面进行图像采集及处理，检测信息不全面。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明研制出一套基于机器视觉技术的既结构简单又精准、高效的玉米种子精选装置，以促进玉米产业的优质、高产、稳产发展以及提高农产品检测的机械化、自动化和智能化水平。其特点如下：

(1)提出了一种实用有效的玉米种子在线精选图像检测算法；

(2)设计了一套玉米种粒翻面机构，能够对玉米种子进行正、反两面的图像检测判断，保障了检测结果的准确性；

(3)设计了一种结构简单的机电式分拣执行机构；

(4)设计了一种新型的双列式喂料机构，可以连续均匀地对玉米种子进行双列投喂。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种玉米种子图像精选装置，其特征在于，所述玉米种子图像精选装置包括：双列式喂料机构、双柱升降调节系统、单柱升降调节系统、剔除分拣叶轮系统、图像采集系统、输送带系统、中间翻面导管装置、底架和控制系统；

所述输送带系统包括两个组成部分相同的输送带装置，分别为：上层输送带装置和下层输送带装置；所述输送带装置由：输送带16、主动滚筒17、步进电机b18和从动滚筒19组成；所述的主动滚筒17通过轴承装置和联轴器与所述的步进电机b18相连接并随同一起转动；

所述双列式喂料机构包括：喂料斗1和分粒转轮；所述分粒转轮包括两片分粒齿轮2、分隔圆筒3和转轴4；所述喂料斗1为不封底的V型槽口；底部安装有所述分粒转轮；安装所述分粒转轮后，底部仅露出两个所述分粒齿轮的底部齿槽口5；所述分隔圆筒3与所述喂料斗1间间隙小于玉米种子掉落所需的最小间隙；所述两片分粒齿轮2齿槽口空间仅能容纳一粒玉米种子32；所述两片分粒齿轮2在所述转轴4上紧固并同步转动；所述喂料斗1通过支撑杆7和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；所述转轴4通过轴承装置和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；由步进电机a6通过联轴器带动转动；两个所述底部齿槽口5正对着输送带16平面，沿输送带16方向对称分布在输送带16上方；

所述单柱升降调节系统包括四个相同的单柱升降调节机构，分别为：单柱升降调节机构a、单柱升降调节机构b、单柱升降调节机构c和单柱升降调节机构d；所述单柱升降调节机构上均设置有竖直方向的导轨8；所述导轨8通过紧固装置实现剔除分拣叶轮机构沿导轨方向在任意高度上与相应的单柱升降调节机构实现紧固连接；

所述双柱升降调节系统包括两个相同的双柱升降调节机构，分别为：双柱升降调节机构a和双柱升降调节机构b；所述双柱升降调节机构上设置有竖直方向的导轨柱9和横向方向的导轨梁10；所述导轨梁10通过紧固装置紧固在所述导轨柱9的任意高度；所述导轨梁10通过紧固装置将所述图像采集系统紧固在沿横向导轨方向的任意位置；

所述图像采集系统包括两组相同的图像采集装置，分别为：上层图像采集装置和下层图像采集装置；所述图像采集装置包括：摄像机11、光源12和光源托架13；所述摄像机11下方位于输送带上的摄像机可视区域成为图像采集区域；所述图像采集区域分为上层图像采集区域14和下层图像采集区域15；所述光源托架13为正方形中空托架；所述光源12为四个，与所述摄像机11的镜头位于同一平面并安置在所述光源托架13的四个角上；

所述剔除分拣叶轮系统包括四个剔除分拣叶轮机构，分别为：剔除分拣叶轮机构a、剔除分拣叶轮机构b、剔除分拣叶轮机构c和剔除分拣叶轮机构d；所述剔除分拣叶轮机构包括：叶片轮20、叶片轮拨片21和步进电机c22；所述叶片轮20为按角度等分的六片式叶片轮，中部开有小轴孔23；每一叶片的末端均设置有两个螺纹孔24，每一叶片末端均通过紧固装置将一片所述叶片轮拨片21紧固在所述两个螺纹孔24上；所述叶片轮拨片21为弹性材质，包括6片相同的拨片；位于最下方与传送带接触的相邻两片叶片轮拨片始终沿输送带方向对称放置在输送带16上方；所述步进电机c22通过所述小轴孔23和紧固装置将所述叶片轮20套固在所述步进电机c22轴上并随同一起转动；

所述中间翻面导管装置为半圆弧形双通道翻面导管；所述中间翻面导管装置的结构包括：上弧形曲面导板25、下弧形曲面导板26、左侧面环形平面挡板27、右侧面环形平面挡板28、内部中间环形平面挡板29和收口挡板30；所述上弧形曲面导板25和下弧形曲面导板27间的距离大于玉米种子平放时的厚度，小于玉米种子翻面所需的最小高度；所述上弧形曲面导板25、下弧形曲面导板26、左侧面环形平面挡板27、右侧面环形平面挡板28、内部中间环形平面挡板29和收口挡板30均采用光滑材料制成；所述下弧形曲面导板26的前端与上层输送带的尾端对接；所述上弧形曲面导板25的末端与下层输送带的尾端对接；在翻面导管两个通道的出口两侧均增设一段收口挡板30；

所述控制系统包括：上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统两部分；所述上位机图像采集与处理系统包括计算机硬件部分和图像采集与处理算法软件部分；所述下位机动力控制系统包括：PLC和步进电机驱动器硬件部分以及动力控制系统软件部分；所述图像采集系统与所述计算机实现信息单向传输；所述PLC与所述计算机实现信息双向传输；所述步进电机驱动器与所述PLC实现信息单向传输；

所述底座上端设置有所述下层输送带装置；所述底座上端紧固安置有相对错位的单柱升降调节机构a、单柱升降调节机构b、双柱升降调节机构a和一对用于支撑所述上层输送带系统的立柱31；所述单柱升降调节机构a上紧固有所述剔除分拣叶轮机构a；所述单柱升降调节机构b上紧固有所述剔除分拣叶轮机构b；所述双柱升降调节机构a上紧固有所述下层图像采集系统b；所述立柱31上紧固有所述上层输送带装置；所述上层输送带装置上端依次紧固有所述双列式喂料机构、所述双柱升降调节机构b、单柱升降调节机构c和单柱升降调节机构d；所述双柱升降调节机构b上紧固有所述上层图像采集系统a；所述单柱升降调节机构c上紧固有所述剔除分拣叶轮机构c；所述单柱升降调节机构d上紧固有所述剔除分拣叶轮机构d；所述下层输送带装置和上层输送带装置右端分别与所述中间翻面导管装置的下端口与上端口连接。

优选地，所述中间翻面导管装置所采用的光滑材料为透明材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用权利要求1～2任一项所述的玉米种子图像精选装置进行精选种子的方法，所述方法分为如下步骤：

双列式喂料机构随着上层输送带装置的运动，连续均匀的将待测玉米种子分两列喂入输送带上，两列玉米种子沿输送带方向均匀分布在输送带上的两侧对称位置上；

上层输送带装置逐一输送待测玉米种子通过上层图像采集区域14；

上层图像采集装置不断采集通过上层图像采集区域14中的玉米种子图像，并将图像信息传递给计算机；

计算机通过图像采集与处理算法对当前玉米种子的正面图像进行检测判断；

由计算机向PLC发出剔除不合格种子指令；

PLC根据计算机发出的指令控制剔除分拣叶轮机构c或剔除分拣叶轮机构d中的叶片轮向上层输送带装置外侧做60°步进旋转，通过叶片轮拨片将正面不合格的玉米种子拨除出去；

上层输送带装置将留下的正面合格的玉米种子送入中间翻面导管装置，经过中间翻面导管装置实现对所述玉米种子的翻面；

下层输送带装置逐一输送翻过面的玉米种子通过下层图像采集区域15；

下层图像采集装置不断采集通过下层图像采集区域15中的玉米种子图像，并将图像信息传递给计算机；

计算机通过图像采集与处理算法对当前玉米种子的反面图像进行检测判断；

由计算机向PLC发出剔除不合格种子指令；

PLC根据计算机发出的指令控制剔除分拣叶轮机构a或剔除分拣叶轮机构b中的叶片轮向下层输送带装置外侧做60°步进旋转，通过叶片轮拨片将正面不合格的玉米种子拨除出去；

收集正面和反面均合格的玉米种子，精选结束。

优选地，所述图像采集与处理算法对当前玉米种子的图像进行检测判断所需的方法为种子外形检测算法和种子霉变、破损及虫蚀检测算法。

优选地，所述种子外形检测算法分为如下步骤：

将采集到的原玉米种子图像进行二值化预处理，得到二值图像；

将二值图像代入二维运动测量分析系统MIAS中的几何参数测量函数获得种子的面积和周长；

同时将二值图像代入MIAS中的轮廓提取函数，得到种子区域轮廓线38坐标，计算轮廓坐标平均值作为种子轮廓形心坐标P_o；

对原玉米种子图像中的每个像素进行G-B的计算得到种子黄色区域41的灰度图像，存于内存区M1中；

对M1图像依次进行大津法二值化处理、200像素去躁、补洞、两次膨胀及两次腐蚀的预处理；

将预处理后的图像代入轮廓提取函数，计算轮廓坐标平均值作为种子黄色区域41形心坐标P_o1；

将种子B分量图像与预处理后的M1图像进行差分，结果图像为种子白色区域40灰度图像，将结果图像存于内存区M2中；

针对M2中所存放的种子白色区域40灰度图像，利用轮廓提取函数函数得到种子白色区域40轮廓线坐标存入数组C1[]。

根据种子黄色区域41形心坐标P_o1及数组C1[]中种子白色区域40轮廓线坐标确定种子白色区域40轮廓上点到种子黄色区域41形心P_o1的最大距离，距离最大点为P_a，点P_a即为种子顶点；

设P_a、P_o连线与种子轮廓线38的交点为P_b，过P_o点作P_aP_b的垂线，与种子轮廓线38的交点为P_c、P_d，由P_a、P_d、P_c、P_d点的坐标计算种子的长轴P_aP_b37的长度、短轴P_cP_d39的长度以及长轴长度/短轴长度；

计算种子长轴37相对于水平线的倾斜角度α；

将种子轮廓线38以点P_a为起点，绕形心P_o顺时针旋转α度，将旋转后轮廓点坐标存入数组C2[]，点P_b’、P_d’、P_e’为点P_b、P_d、P_e旋转后的新坐标，得到点P_b’、P_d’、P_e’在数组C2[]中的序号n_b、n_d、n_e，旋转前轮廓线数组C[]中序号为n_b、n_d、n_e的点即为P_b、P_d、P_e。

计算对称度E，E＝n_b/(L-n_b)；

确定数组C2[]所有成员中横纵坐标的最小值X1、Y1及最大值X2、Y2，计算占空比Rs，Rs＝|X2-X1|*|Y2-Y1|；由此，完成了种子的面积、周长、长轴长度、短轴长度、长宽比、对称度和占空比共七个外形特征参数的检测。

优选地，所述种子霉变、破损及虫蚀检测算法分为如下步骤：

通过种子外形检测剔除重度破损和重度虫蚀的外形不完整的种子；

将种子彩色图像的R、G、B信号转化为饱和度信号S；

利用公式将饱和度信号归一化，h(x,y)为(x,y)点处饱和度信号归一化的结果信号；

对归一化的结果图像进行50阈值二值处理，计算二值图像中白色像素个数N_w；

将N_w与种粒面积均值进行比较，若认为种粒发生重度霉变，以此完成种子重度霉变的检测工作；

对种子彩色图像像素进行如下变换：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3<T1\\ 0& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3>T1\end{array}\right.,$ 其中，g(x，y)为处理结果图像上(x，y)点处的像素值，T1为黑色区域霉变阈值；

计算g(x,y)图像上种子白色区域40的个数，若区域个数大于0则认为种粒发生轻度黑色霉变，以此完成种子轻度黑色霉变的检测工作；

对种子白色区域灰度图像补洞处理；

针对种子白色区域灰度图像中的白色区域位置，对彩色图像进行如下的二值化处理：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& (B(x,y)-R(x,y))<T2\\ 0& (B(x,y)-R(x,y))>T2\end{array}\right.$

其中f(x，y)表示处理结果图像上(x，y)点处的像素值,T2表示种子黄色区域41的白色霉变阈值；

计算f(x,y)图像上种子白色区域40的个数，若区域个数大于零，认为种粒发生轻度白色霉变或轻度破损或轻度虫蚀。

(三)有益效果

本发明研制出既结构简单又精准高效的玉米种子图像精选装置，对保障玉米定向精密播种的实施，实现玉米种子的播前精选，促进我国玉米产业的优质、高产、稳产发展以及农产品检测的机械化、自动化和智能化水平的提高均具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的装置结构示意图；

图2是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的输送带装置结构示意图；

图3是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的剔除分拣叶轮机构结构示意图；

图4是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的分拣叶轮结构示意图；

图5是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的双列式喂料机构结构示意图；

图6是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的双列式喂料机构分粒转轮结构示意图；

图7是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的中间翻面导管装置结构示意图；

图8是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的控制系统总体结构示意图；

图9是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的图像采集与处理系统工作流程；

图10是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的玉米种子示意图；

图11是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的胚芽面朝上和朝下时种子顶点确定示意图；

图12是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的种子长短轴端点确定示意图；

图13是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的剔除分拣延时时间确定示意图；

图14是根据本发明一种玉米种子图像精选装置一个实施例的喂料机构及输送机构控制部分调试程序梯形图。

图中：1、喂料斗；2、分粒齿轮；3、分隔圆筒；4、转轴；5、底部齿槽口；6、步进电机a；7、支撑杆；8、单柱升降调节机构导轨；9、双柱升降调节机构导轨柱；10、双柱升降调节机构导轨梁；11、摄像机；12、光源；13、光源托架；14、上层图像采集区域；15、下层图像采集区域；16、输送带；17、主动滚筒；18、步进电机b；19、从动滚筒；20、叶片轮；21、叶片轮拨片；22、步进电机c；23、小轴孔；24、螺纹孔；25、上弧形曲面导板；26、下弧形曲面导板；27、左侧面环形平面挡板；28、右侧面环形平面挡板；29、内部中间环形平面挡板；30、收口挡板；31、上层输送带系统支撑立柱；32、玉米种子；33、右列玉米种子中心线；34、输送带中心线；35、左列玉米种子中心线；36、种子长轴方向外接矩形；37、种子长轴；38、种子轮廓；39、种子短轴；40、种子白色区域；41、种子黄色区域。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

1玉米种子精选装置的机械结构设计

1.1主要机械结构及工作原理

图1所示，玉米种子图像精选装置包括：双列式喂料机构、双柱升降调节系统、单柱升降调节系统、剔除分拣叶轮系统、图像采集系统、输送带系统、中间翻面导管装置、底架和控制系统。

输送带系统包括两个组成部分相同的输送带装置，分别为：上层输送带装置和下层输送带装置；所述输送带装置如图2所示。所述输送带装置由：输送带16、主动滚筒17、步进电机b18和从动滚筒19组成；所述的主动滚筒17通过轴承装置和联轴器与所述的步进电机b18相连接并随同一起转动。

双列式喂料机构包括：喂料斗1和分粒转轮；所述分粒转轮包括两片分粒齿轮2、分隔圆筒3和转轴4；所述喂料斗1为不封底的V型槽口；底部安装有所述分粒转轮；安装所述分粒转轮后，底部仅露出两个所述分粒齿轮的底部齿槽口5；所述分隔圆筒3与所述喂料斗1间间隙小于玉米种子掉落所需的最小间隙；所述两片分粒齿轮2齿槽口空间仅能容纳一粒玉米种子32；所述两片分粒齿轮2在所述转轴4上紧固并同步转动；所述喂料斗1通过支撑杆7和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；所述转轴4通过轴承装置和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；由步进电机a6通过联轴器带动转动；两个所述底部齿槽口5正对着输送带16平面，沿输送带16方向对称分布在输送带16上方。双列式喂料机构随着输送带的运动，连续均匀地将待测玉米种子分两列洒落在输送带的中间对称位置上，完成下料工作。

上层输送带装置将喂入的两列玉米种子输送至上层图像采集区域14，图像采集与处理单元便对当前玉米种子的正面图像进行检测判断，并经过上方一对剔除分拣叶轮机构对正面不合格种子进行分拣处理。之后，上层输送带进一步将正面合格的两列玉米种子输送至跨接在上下两层输送带装置之间的中间翻面导管，中间翻面导管能够完成玉米种子顶面和底面的翻转工作，将顶面合格的玉米种子的底面翻转至朝上，然后送入下层输送带装置，经由下层输送带输送至下层图像采集区域，进一步完成对剩余玉米种子反面的检测判断工作，在检测到反面不合格种子时,启动下方一对剔除分拣叶轮机构对不合格种子进行分拣剔除，实现了玉米种子的两面精选作业。

图像采集系统包括两组相同的图像采集装置，分别为：上层图像采集装置和下层图像采集装置，并包含有上、下两层图像采集区域。图像采集装置包括光源、摄像机、光源托架，两摄像机均于输送带中心上方垂直放置，镜头朝下，光源与相机处于同一水平面上，且均匀地分布在相机的4个角上，相机与光源的高度可以通过双柱升降调节机构进行调整，上、下两相机先后完成输送带上玉米种子正、反两面图像的实时采集，并将获取的图像传送给计算机，由计算机进行实时检测判断并将处理的结果实时地传送给控制系统。

剔除分拣叶轮系统也分为上、下两部分，共包括四个剔除分拣叶轮机构，分别为：剔除分拣叶轮机构a、剔除分拣叶轮机构b、剔除分拣叶轮机构c和剔除分拣叶轮机构d，剔除分拣叶轮机构的结构如图3所示。剔除分拣叶轮为其直接执行部件，上、下两对剔除分拣叶轮依次完成对正面、反面检测不合格的种子的剔除工作，其中每对剔除分拣叶轮中的左、右叶轮分别负责左、右两列玉米种子的分拣剔除工作。

1.2关键部件设计

双列式喂料机构、中间翻面导管和剔除分拣叶轮机构为该玉米种子精选装置的关键结构部件。

1.2.1双列式喂料机构

双列式喂料机构可以实现连续均匀地将玉米种子分两列投喂到输送带上，其结构如图5所示，主要包括喂料斗和分粒转轮两部分。分粒转轮结构如图6所示，两端设计成六齿形结构，形成两个分粒齿轮，每个分粒齿轮两齿之间的槽口空间大小能顺利容纳单粒种子。喂料斗设计为一个不封底的V型槽口，上端开口较大，为喂料机构的入口，底部套在分粒转轮上，露出两个分粒齿轮的底部齿槽口，两处底部齿槽口即为喂料机构的出口。喂料斗和分粒转轮相互独立地固定在机架上，两部分呈结构分离、组合工作的模式，喂料斗不随分粒转轮旋转，分粒转轮可在喂料斗底部自由旋转。系统启动后，将待测玉米种子倒入V型喂料斗，随着转轴的连续旋转，分粒转轮两端的分粒齿轮不断将喂料斗内部的玉米种子填入齿槽内，并将各个齿槽内的种子逐一旋转至喂料斗底部顺次从齿槽内投落至输送带上，由此，通过两个分粒齿轮完成玉米种子的双列式投喂。分粒齿轮两齿之间槽口空间的大小应根据玉米种子的尺寸大小来合理确定。

1.2.2中间翻面导管

通过对玉米种子外形尺寸特点进行分析，两面扁平宽大、四侧窄小，设计了一种中间翻面导管装置，如图7所示。翻面导管入口和出口均为水平朝向。所述中间翻面导管装置为半圆弧形双通道翻面导管；所述中间翻面导管装置的结构包括：上弧形曲面导板25、下弧形曲面导板26、左侧面环形平面挡板27、右侧面环形平面挡板28、内部中间环形平面挡板29和收口挡板30；所述上弧形曲面导板25和下弧形曲面导板27间的距离大于玉米种子平放时的厚度，小于玉米种子翻面所需的最小高度；所述上弧形曲面导板25、下弧形曲面导板26、左侧面环形平面挡板27、右侧面环形平面挡板28、内部中间环形平面挡板29和收口挡板30均采用光滑材料制成。其中，下弧形曲面导板26的前端与上层输送带的尾端对接，上弧形曲面导板25的末端与下层输送带的尾端对接。上层输送带将两列玉米种子分别送进翻面导管的两个通道入口，两列玉米种子的底面紧贴各自通道中下弧形曲面导板的外侧面滑行，当通过中间翻转点时，玉米种子逐步脱离下弧形曲面导板，过渡至其顶面紧贴上弧形曲面导板的内侧面开始滑行，直至到达翻面导管的出口，进入下层输送带，此时，原玉米种子朝下的底面已变为朝上，由此实现了玉米种子的顶面和底面的翻转过程。

此外，为避免玉米种子在滑出翻面导管进入下层输送带时，发生较大的跳动，致使玉米种子在下层输送带上的分布范围过宽或者偏离下层输送带的中间对称位置过大，影响下对剔除分拣叶轮机构剔除工作的准确性，在翻面导管两个通道的出口两侧均增设一段收口挡板30，将玉米种子限定在一定的中间剔除区域范围内。

弧形翻面导管的弧形直径及其入、出口的高度(即上、下弧形曲面导板之间的平行距离)，为中间翻面导管的重要尺寸参数，根据玉米种子的尺寸大小来合理确定，既要保证单粒玉米种子能够顺利平躺通过，又要避免弧形曲面导板之间的平行距离过大,导致玉米种子在通过中间翻转点进入上弧形曲面导板的内侧滑行轨道开始平稳滑行之前,发生不可控的翻转运动，影响翻转结果。同时为了避免个别玉米种子体态异常畸形，在通过中间翻转点时造成堵塞现象，在设计时采取以下措施：

(1)在材料方面，上弧形曲面导板选择光滑的无色透明材料，以便能够观察到玉米种子在弧形曲面导管内的运行情况，及时发现异常堵塞状况，其他部分选择光滑的钢材；

(2)在安装方面，左、右侧面环形平面挡板可以方便地进行装拆，便于对翻面导管双通道内部堵塞的种子及时清除。

1.2.3剔除分拣机构

所述剔除分拣叶轮机构如图3所示，包括：叶片轮20、叶片轮拨片21和步进电机c22；如图4所示，所述叶片轮20为按角度等分的六片式叶片轮，中部开有小轴孔23；每一叶片的末端均设置有两个螺纹孔24，每一叶片末端均通过紧固装置将一片所述叶片轮拨片21紧固在所述两个螺纹孔24上；所述叶片轮拨片21为弹性材质，包括6片相同的拨片；位于最下方与传送带接触的相邻两片叶片轮拨片始终沿输送带方向对称放置在输送带16上方；所述步进电机c22通过所述小轴孔23和紧固装置将所述叶片轮20套固在所述步进电机c22轴上并随同一起转动。

常态下，剔除分拣叶轮的其中两个叶片(即为工作叶片)位于待剔除的玉米种子列的两边对称位置上，两工作叶片的拨片部分处于伸直状态，拨片末端靠近或轻触输送带，当系统发出剔除分拣信号后，剔除分拣叶轮开始转动，其中靠近输送带内侧的拨片末端紧贴输送带向外弯曲扫行，将不合格玉米种子向输送带外侧扫出。当剔除分拣叶轮转动60°时，即当内侧工作叶片旋转至外侧工作叶片的位置时，停止转动，等待下一次剔除分拣工作的到来。剔除分拣叶轮距离输送带的高度可通过单柱升降调节机构进行调节，当剔除分拣叶轮的叶片长度发生变化时，通过调节其高度，可以保证常态下工作叶片的拨片部分始终处于伸直状态，且其末端恰好靠近或轻触输送带，这样叶片在剔除分拣时，横扫输送带的区域宽度也随之发生变化，由此可配合翻面导管通道出口处的收口挡板，来保证不合格玉米种子被有效剔除出去。

2控制系统总体结构

控制系统主要由计算机、相机、PLC、步进电机驱动器、步进电机等组成，分为上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统两部分，其总体结构如图8所示。系统启动后，上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统同步进入工作状态，上位机图像采集与处理系统主要完成对玉米种子正、反两面图像的实时采集和检测判断工作，并将检测的结果通过串口通信实时地传送给下位机动力控制系统，而下位机动力控制系统除了接收来自于上位机的图像处理结果信息以外，主要完成对整个装置中运动机构即：喂料机构、输送机构以及剔除分拣机构的有序控制。

3上位机图像采集与处理系统

上位机图像采集与处理的硬件设备主要由计算机、相机、光源等组成。软件设计以北京现代富博科技有限公司的二维运动测量分析系统MIAS为开发平台。工作时，采取双线程的处理模式，采用定时触发的方式同时对上、下输送带上图像采集区域中的正、反面玉米种子进行图像采集，并独立地对种子图像进行实时处理。首先剔除形状不规则、矩形度低、大小不均匀等几何外观不合格的种子，再通过颜色特征剔除霉变、破损、虫蚀的种子，最后根据不合格种子的位置确定相应的工作叶轮以及剔除分拣的延迟时间。两个线程实时地将各自的检测结果通过串口传送给下位机控制器，完成精选工作。单个线程的工作流程如图9所示。

3.1种子外形检测算法

检测的种子几何特征参数主要包括面积S(种子轮廓以内包含像素个数)、周长L(轮廓上包含像素个数)、长轴长度La(长轴上包含像素个数)、短轴长度L_b(短轴上包含像素个数)、长宽比R_1w(长轴长度L_a/短轴长度L_b)、对称度E(长轴两侧轮廓上像素个数比)、占空比Rs(种子面积/长轴方向外接矩形的面积)共7个参数。种子的长轴37、短轴39、轮廓38及长轴方向外接矩形36如图10所示，图中P_a点为种子的顶点，P_o点为种子轮廓38的形心，P_a、P_o连线与轮廓线38的交点为P_b,过P_o点作P_aP_b的垂线，与轮廓线38的交点为P_c、P_d。

计算面积和周长时，将预处理后的二值图像代入二维运动测量分析系统MIAS自带的几何参数测量函数Measure_array(int inframe,intoutframe,MACOND cond,int item[],MEASUTEDATA*mData,int*count)。其中，inframe为输入帧号，outframe为输出帧号，cond为测定条件结构体(包括测量目标、单位、序号表示等)，item为测算项目，mData为测量结果的输出值，count为输出的测量目标物个数。在测定条件结构体中设定白色像素为测量对象，在测量项目中设定面积和周长，执行函数后获得目标对象的面积、周长。其他参数的计算关键需要确定顶点P_a的坐标。通过对种子图像进行观察和分析可知，种子尖端及胚乳部分颜色偏白，其余部分颜色偏黄，无论图像中种子的胚乳面朝上还是朝下，白色部分距离黄色中心最远的点均是种子的顶点，如图11所示，点P_o1为黄色部分形心。

依据此特点来设计玉米种子顶点的计算算法：

①对每个像素进行G-B的计算得到种子黄色区域41的灰度图像，存于内存区M1中。

②对M1图像依次进行大津法二值化处理、200像素去躁、补洞、两次膨胀及两次腐蚀的预处理。

③将预处理后的图像代入MIAS自带的轮廓提取函数Measure_outline(int inframe,int outframe,int object,int draw,longmax_data,int*no,int length[],struct XY_INT XYdata[])，其中inframe为输入帧，outframe为输出帧，object为对象物的亮度值，draw为是否画轮廓线和序号，max_data为length[]、XYdata[]的大小，no为测定的对象物的个数，length[]为各个轮廓线的像素数，XYdata[]为轮廓线的像素坐标。计算轮廓坐标平均值作为黄色区域形心坐标P_o1。

④将种子B分量图像与预处理后的M1图像进行差分，结果图像为种子白色区域灰度图像，将结果图像存于内存区M2中。利用函数Measure_outline得到种子白色区域40轮廓线坐标存入数组C1[]。按照公式(2)确定种子白色区域40轮廓上点到黄色区域形心P_o1的最大距离。

$\left|P_a{P}_{c1}\right|=\max \left(\sqrt{{(X_{P_{c1}}-X_{C1\left[i\right]})}^2+{(Y_{P_{c1}}-Y_{C1\left[i\right]})}^2}\right)0\&le;i<L---\left(1\right)$

其中，P_aP_o1为种子顶点P_a到黄色区域中心P_o1的距离。X_Po1、Y_Po1为点P_o1的x、y坐标。X_C1[i]、Y_C1[i]为轮廓线上i点的x、y坐标。

⑤点P_a为种子白色区域40轮廓上到黄色区域形心距离最远的点，点P_a即种子顶点。

种粒长轴相对于水平线的倾斜角度α的计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}=\arctan \frac{Y_{p_a}-Y_{P_c}}{X_{p_a}-X_{P_c}}---\left(2\right)$

将种粒预处理后的二值图像带入函数Measure_outline，得到轮廓点坐标。以点P_a为起点，绕形心P_o顺时针旋转α度，将旋转后轮廓点坐标存入数组C2[]。如图12所示，点P_b’、P_d’、P_e’为点P_b、P_d、P_e旋转后的新坐标，点P_b’的纵坐标等于点P_a’的纵坐标，点P_d’、P_e’的横坐标等于形心点P_o横坐标。以此得到点P_b’、P_d’、P_e’在数组C2[]中的序号n_b、n_d、n_e，旋转前轮廓线数组C[]中序号为n_b、n_d、n_e的点即为P_b、P_d、P_e。

长宽比可以反映种子的扁平面矩形度，该值大时种子呈细长状，该值小时，种子近似圆形。用长宽比可以剔除不利于胚芽定向的圆形种子。对称度E反映胚乳相对于胚芽的对称性，对称度高的种粒有利于定向播种，计算公式为：E＝n_b/(L-n_b)。占空比Rs也是种粒扁平面矩形度的评价参数，长轴方向外接矩形面积利用种粒旋转后轮廓C2[]计算，数组C2[]所有成员中横纵坐标的最小值X1、Y1及最大值X2、Y2，即可得到Rs＝|X2-X1|*|Y2-Y1|。占空比用于剔除圆形种粒。

将计算获得的特征参数，与标准种子进行比较，即获得符合定向精密播种需求的种子。

3.2种子霉变、破损及虫蚀检测算法

霉变、破损及虫蚀的种粒活力降低，不能用作定向精密播种。重度破损和重度虫蚀的种粒外形不完整，通过外形检测可以剔除。轻度霉变种粒表皮呈现白色或黑色块斑，颜色不均匀。轻度破损或轻度虫蚀的种粒，种粒表面露出白色胚乳，颜色特征同轻度白色霉变相似，可以根据轻度霉变检测方法处理。对于种粒霉变的检测，本发明针对重度霉变和轻度霉变分别提出检测算法。

(1)重度霉变检测

本发明定义重度霉变种粒是指霉变面积超过种粒面积一半的种粒。正常种粒表皮颜色鲜亮，重度霉变种粒表皮颜色晦暗。根据这一特征制定种粒重度霉变检测算法如下：

①按照公式(3)将种粒彩色图像的R、G、B信号转化为饱和度信号。

$\left\{\begin{array}{c}S(x,y)=\sqrt{{C_1}^2+C_2^2}\\ C_1=0.7R(x,y)-0.59G(x,y)-0.11B(x,y)\\ C_2=-0.3R(x,y)-0.59G(x,y)+0.89B(x,y)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，S(x,y)为彩色图像中(x，y)点处饱和度信号，R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)为像素点(x,y)处R、G、B信号。

②按照公式(4)将饱和度信号归一化。

$h(x,y)=\frac{S(x,y)}{180}\&times;255---\left(4\right)$

其中，h(x,y)为彩色图像中(x，y)点处饱和度信号归一化的结果信号。

③对归一化的结果图像进行50阈值二值处理，计算二值图像中白色像素个数N_w；

④将N_w与种粒面积均值进行比较。若认为种粒发生重度霉变。

(2)轻度霉变检测

a)轻度黑色霉变检测：

①黑色霉变区域像素的R、G、B均值远远小于黄色和白色的R、G、B均值，以此制定黑色霉变检测公式：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3<T1\\ 0& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3>T1\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，g(x，y)处理结果图像上(x，y)点处的像素值，T1为黑色区域霉变阈值，本研究取50。

②计算g(x,y)图像上种子白色区域个数，若区域个数大于0则认为种粒发生轻度黑色霉变。

b)轻度白色霉变检测：

白色霉变的判定受到种粒尖端白色和胚乳白色的干扰，因此进行白色霉变检测时，需要将种粒分为白色和黄色两部分。本发明对种粒黄色区域轻度白色霉变的制定如下检测算法：

①对内存区M2中图像补洞。

②将M2图像与种粒彩色图像对应的区域，对彩色图像按照公式(6)进行二值化处理。

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& (B(x,y)-R(x,y))<T2\\ 0& (B(x,y)-R(x,y))>T2\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，f(x，y)表示处理结果图像上(x，y)点处的像素值,T2表示黄色区域白色霉变阈值,本研究取50。

③计算f(x，y)图像上白色区域个数。若区域个数大于零，认为种粒发生轻度白色霉变。

3.3工作叶轮及剔除分拣延迟时间的确定方案

图13所示，上位机图像采集与处理系统需要将检测出的不合格种子的位置信息传送给下位机控制器，以便相应的剔除分拣叶轮在合适的时刻执行剔除分拣工作，玉米种子32、右列玉米种子中心线33、输送带中心线34、左列玉米种子中心线35如图所示。

具体的实现过程是：利用当前不合格种子的位置信息和输送带速度，确定工作的叶轮，并计算出剔除分拣的延迟时间△t。如图13所示，X_o点为相机在输送带平面上的投影中心，X_o1点为点X_o在右列待测玉米种子中心线上的投影，P_o点为图像采集区域中当前不合格种子的形心，T_o点为剔除工位。d1为T_o点到X_o1点的距离，即剔除工位到相机中心的距离(沿输送带输送方向)；d2为P_o点到X_o1点的距离，即不合格种子到相机中心的距离(沿输送带输送方向)；d3为T_o点到P_o点的距离，即不合格种子到剔除工位的距离，则d3＝d1-d2。其中d1为固定值，d2值可由P_o点、X_o点在图像采集区域中的像素坐标值以及图像采集区域的像素大小和实际大小来求得。同时可根据P_o点是位于X_o点的右侧或左侧来判断工作叶轮为右剔除分拣叶轮或左剔除分拣叶轮。若设当前输送带的速度为v,则可计算出剔除分拣的延迟时间为：△t＝d3/v。

4下位机动力控制系统设计

该装置的动力系统采用步进电机驱动方式，根据装置上下的结构对称性、功能相似性以及运行独立性，设计成上、下两套相同且独立的动力控制系统。其中，动力控制系统器件主要包括PLC、步进电机驱动器、喂料用或输送用和剔除用步进电机等，PLC作为下位机控制器，主要完成双列式喂料机构、输送机构和剔除分拣机构的控制以及与上位机之间的串口通信工作。系统启动后，输送机构和喂料机构便开始运行，并在整个系统工作的过程中一直处于运行的状态，当接收到来自于上位机的剔除分拣信息后，PLC控制剔除分拣机构动作完成当前剔除精选任务，随后等待下次剔除分拣通讯信息的到来，如此循环直至系统停止工作。相对传统的气动执行方式，采用步进电机驱动方式，可以方便地实现对剔除分拣叶轮旋转角度及速度的精确控制，更好地保证了执行机构动作的精度和准确性，同时也实现了输送带以及分拣执行机构工作速度的可调性，提高了系统的灵活性，有助于各机构的合理配合以及日后系统性能的升级。

4.1双列式喂料机构控制

双列式喂料机构中的运动部件为分粒转轮，PLC通过输出脉冲信号控制驱动器驱动喂料用步进电机，带动分粒转轮旋转，该控制过程采取硬件脉冲输出、软件调速的方式。PLC中常见的脉冲输出命令函数为PLSY S1 S2 D，能够产生指定频率及数量的脉冲信号，其中PLSY为指令码，S1指定脉冲的频率，S2指定产生的脉冲数量，D指定脉冲输出端口的Y编号。在装置结构固定的条件下，分粒转轮的运行速度取决于脉冲输出函数PLSY中的频率参数S1，通过程序调整该参数值可以达到调速的目的。为了使喂入输送带的玉米种子的前后距离能够较好地适应检测算法对玉米种子的间距分布要求，同时为了保证一定的精选速度，分粒转轮的工作速度应与输送带的输送速度相互协调配合。

4.2输送机构控制

同样地，PLC输出脉冲信号控制驱动器驱动输送用步进电机，带动对应的输送机构运行。上、下两层输送机构均由一套步进电机及驱动器来带动，各层单独运行，速度一致。系统启动后，各层输送带始终处于匀速运行的工作状态，其控制过程同样采取硬件脉冲输出、软件调速的方式，通过脉冲输出函数PLSY中的频率参数S1来进行调速。双列式喂料机构及输送机构控制部分调试程序梯形图如图14所示。

4.3剔除分拣机构控制

上、下两层输送机构上各安装一对剔除分拣叶轮，每个剔除分拣叶轮均由一套步进电机及驱动器来带动，PLC每次接收到来自于PC机的工作叶轮及延迟时间△t的确定信息后，便从当前时刻开始，于△t时间后输出脉冲信号驱动对应的剔除用步进电机，带动相应的剔除分拣工作叶轮对不合格的玉米种子进行剔除分拣，从而保留合格的玉米种子实现精选。对剔除分拣机构的控制，同样采用硬件脉冲输出、软件调速的方式，通过固定脉冲输出函数PLSY中的脉冲数量参数S2来保证剔除叶轮每次工作时旋转固定的60°角，同时也可以通过提高其中的脉冲频率参数S1来加快剔除叶轮的剔除速度。

5PC机与PLC之间通信

下位机中上、下两台PLC独立运行，分别接收来自于上位机的双线程图像处理结果信息。

PC机与PLC之间采用主从通信方式，PC机始终处于主导地位，定时发出命令传送剔除分拣的工作叶轮信息以及剔除分拣延迟时间的数据信息，该命令也作为握手信号。PLC一旦接收到命令，确认命令无误后，返回该命令作为应答信号，然后将传送过来的数据信息存入指定的数据缓冲区，为剔除分拣机构的控制程序备用。

本发明的工作过程

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例中玉米种子图像精选装置的结构如前述图1所示。主要机械结构包括双列式喂料机构、输送带系统、图像采集系统、中间翻面导管装置、剔除分拣叶轮系统等几部分，除去喂料机构，整体结构呈现上下对称性。

双列式喂料机构可以实现连续均匀地将玉米种子分两列投喂到输送带上，其结构如前述图5所示，主要包括喂料斗和分粒转轮两部分。分粒转轮结构如前述图6所示，两端设计成六齿形结构，形成两个分粒齿轮，每个分粒齿轮两齿之间的槽口(即齿槽)空间大小能顺利容纳单粒种子。喂料斗设计为一个不封底的V型槽口，上端开口较大，为喂料机构的入口，底部套在分粒转轮上，如图2所示，露出两个分粒齿轮的底部齿槽口，两处底部齿槽口即为喂料机构的出口。喂料斗和分粒转轮相互独立地固定在机架上，两部分呈结构分离、组合工作的模式，喂料斗不随分粒转轮旋转，分粒转轮可在喂料斗底部自由旋转。

输送带系统包括上层输送带装置和下层输送带装置两部分，输送带装置的结构如图2所示。中间翻面导管的结构如前述图7所示，跨接在上下两层输送机构之间，翻面导管入口和出口均为水平朝向，外部四侧管壁分别为：上、下弧形曲面导板和左、右侧面环形平面挡板，内部中间环形平面挡板将翻面导管分割成双通道形式。其中，翻面导管下弧形曲面导板的前端与上层输送带的尾端对接，上弧形曲面导板的末端与下层输送带的尾端对接，在翻面导管两个通道的出口两侧均增设一段收口挡板。同时，翻面导管上弧形曲面导板选择无色透明的有机玻璃，翻面导管其他部分选择光滑的钢材，左、右侧面环形平面挡板可以方便地进行装拆。

图像采集系统包括两组相同的图像采集装置，分别为：上层图像采集装置和下层图像采集装置，并包含有上、下两层图像采集区域。图像采集装置包括光源、摄相机、光源托架等，上、下两摄相机均于输送带中心上方垂直放置，镜头朝下，光源与摄相机处于同一水平面上，且均匀地分布在相机的4个角上，摄相机与光源的高度可以通过双柱升降调节机构进行调整。

剔除分拣机构的结构如前述图3所示。剔除分拣叶轮系统也分为上、下两部分，剔除分拣叶轮为其直接执行部件，上、下两对剔除分拣叶轮依次完成对正面、反面检测不合格的种子的剔除工作，其中每对剔除分拣叶轮中的左、右叶轮分别负责左、右两列玉米种子的分拣剔除工作。剔除分拣叶轮的结构6个叶片均匀分布其上，整个结构分为固定部分(叶片轮)和长度可变部分(叶片轮拨片)。固定部分由硬质塑料制成。长度可变部分由弹性体材料制成，位于叶片末侧一端，通过改变其长度可以改变叶片的长度。剔除分拣叶轮距离输送带的高度可通过单柱升降调节机构进行调节。

本实施例中装置的控制系统包括上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统两部分。对于上位机图像采集与处理系统，本实施例选用台式机1台，配置为：Pentium(R)Dual-Core CPU，主频2.6GHz，内存2GB。选用相机2部，型号为德国Basler A602fc高速彩色工业数字摄像机，最大分辨率为651×496，最大分辨率时的最大帧率为100帧/s，图像输出接口为IEEE1394。选用镜头2个，型号为ComputerM1214-MP，焦距为12mm，光圈为F1.4。光源采用自制的LED光源，选用4个1W的白光LED均匀地分布在每个相机的4个角上。输送带为黑色环形胶带。软件开发工具为Microsoft Visual Studio2010，以北京现代富博科技有限公司的二维运动测量分析系统MIAS为平台进行该研究的程序开发。对于下位机动力控制系统，本实施例所选用的PLC型号为台达DVP32ES200T，为晶体管输出型PLC。DVP32ES200T型PLC支持4点独立高速脉冲输出功能，4个高速脉冲输出端口分别为：Y0、Y1、Y2、Y3，其中Y0、Y2端口最高脉冲输出频率可达100KHZ，Y1、Y3端口最高脉冲输出频率可达10KHZ，由于对喂料机构中分粒转轮的速度以及输送机构中输送带的速度要求相对并不高，此处任选Y1、Y3口来输出脉冲信号控制两者的运转。喂料用步进电机型号选择23HS4610型步进电机，驱动器选择与之配套的DM542型驱动器；输送用步进电机选择23HS8630型步进电机，驱动器选择与之配套的DM542型驱动器。设计中将PLC输出端口Y4、Y10分别用作喂料机构运行驱动的方向信号控制端以及使能信号控制端。同时下位机动力控制系统采用2个独立的按键开关来分别控制系统的开启和停止，依次与PLC的输入端口X0、X1相连，此外PLC的输出端口Y5、Y11分别用作输送机构运行驱动的方向信号控制端以及使能信号控制端，则喂料机构及输送机构控制部分调试程序梯形图如图14所示。由于对剔除分拣叶轮运行的速度要求相对较高，此处选用Y0、Y2口来输出脉冲控制信号。其中，剔除用步进电机型号选择FL35ST26型步进电机，驱动器选择与之配套的AM-2H2A8型驱动器。

DVP32ES200T型PLC内置3个串行通讯COM口:1个RS-232(COM1)与2个RS-485(COM2/COM3)，其中COM1为程序通讯口，系统工作时通过COM2或者COM3数据通讯口与PC机实时通讯来获取种子图像处理结果信息。具体在连线时，需要通过RS232-485转换接口将PC机上的RS-232通信接口转换成RS-485之后再通过二根数据通信电缆与PLC相连接。

系统启动后，上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统同步进入工作状态。具体工作流程为：下位机动力控制系统驱动输送机构开始运行，并控制双列式喂料机构连续均匀地将待测玉米种子分两列洒落在输送带的中间对称位置上，同时上位机图像采集与处理系统开启双线程的工作模式，采用定时触发的方式同时对上、下输送带上图像采集区域中的玉米种子进行图像采集，并独立地对种子图像进行实时处理，然后将两个线程各自的剔除分拣工作叶轮的确定信息以及剔除分拣延迟时间的数据信息分别传送给上、下两台PLC，由上、下两台PLC控制对应的剔除分拣叶轮机构对不合格种子进行分拣处理。对于同一粒玉米种子，在经过上层图像采集区域时，上位机图像采集与处理系统完成对其正面的图像检测判断工作，对于正面合格的种子，通过中间翻面导管完成玉米种子顶面和底面的翻转工作之后，进入下层图像采集区域时，进一步由上位机图像采集与处理系统完成对玉米种子的反面检测判断工作，从而完成玉米种子的两面精选作业。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种玉米种子图像精选装置，其特征在于，所述玉米种子图像精选装置包括：双列式喂料机构、双柱升降调节系统、单柱升降调节系统、剔除分拣叶轮系统、图像采集系统、输送带系统、中间翻面导管装置、底架和控制系统；

所述输送带系统包括两个组成部分相同的输送带装置，分别为：上层输送带装置和下层输送带装置；所述输送带装置由：输送带(16)、主动滚筒(17)、步进电机b(18)和从动滚筒(19)组成；所述的主动滚筒(17)通过轴承装置和联轴器与所述的步进电机b(18)相连接并随同一起转动；

所述双列式喂料机构包括：喂料斗(1)和分粒转轮；所述分粒转轮包括两片分粒齿轮(2)、分隔圆筒(3)和转轴(4)；所述喂料斗(1)为不封底的V型槽口；底部安装有所述分粒转轮；安装所述分粒转轮后，底部仅露出两个所述分粒齿轮的底部齿槽口(5)；所述分隔圆筒(3)与所述喂料斗(1)间间隙小于玉米种子掉落所需的最小间隙；所述两片分粒齿轮(2)齿槽口空间仅能容纳一粒玉米种子(32)；所述两片分粒齿轮(2)在所述转轴(4)上紧固并同步转动；所述喂料斗(1)通过支撑杆(7)和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；所述转轴(4)通过轴承装置和紧固装置固定在所述上层输送带装置上；由步进电机a(6)通过联轴器带动转动；两个所述底部齿槽口(5)正对着输送带(16)平面，沿输送带(16)方向对称分布在输送带(16)上方；

所述单柱升降调节系统包括四个相同的单柱升降调节机构，分别为：单柱升降调节机构a、单柱升降调节机构b、单柱升降调节机构c和单柱升降调节机构d；所述单柱升降调节机构上均设置有竖直方向的导轨(8)；所述导轨(8)通过紧固装置实现剔除分拣叶轮机构沿导轨方向在任意高度上与相应的单柱升降调节机构实现紧固连接；

所述双柱升降调节系统包括两个相同的双柱升降调节机构，分别为：双柱升降调节机构a和双柱升降调节机构b；所述双柱升降调节机构上设置有竖直方向的导轨柱(9)和横向方向的导轨梁(10)；所述导轨梁(10)通过紧固装置紧固在所述导轨柱(9)的任意高度；所述导轨梁(10)通过紧固装置将所述图像采集系统紧固在沿横向导轨方向的任意位置；

所述图像采集系统包括两组相同的图像采集装置，分别为：上层图像采集装置和下层图像采集装置；所述图像采集装置包括：摄像机(11)、光源(12)和光源托架(13)；所述摄像机(11)下方位于输送带上的摄像机可视区域成为图像采集区域；所述图像采集区域分为上层图像采集区域(14)和下层图像采集区域(15)；所述光源托架(13)为正方形中空托架；所述光源(12)为四个，与所述摄像机(11)的镜头位于同一平面并安置在所述光源托架(13)的四个角上；

所述剔除分拣叶轮系统包括四个剔除分拣叶轮机构，分别为：剔除分拣叶轮机构a、剔除分拣叶轮机构b、剔除分拣叶轮机构c和剔除分拣叶轮机构d；所述剔除分拣叶轮机构包括：叶片轮(20)、叶片轮拨片(21)和步进电机c(22)；所述叶片轮(20)为按角度等分的六片式叶片轮，中部开有小轴孔(23)；每一叶片的末端均设置有两个螺纹孔(24)，每一叶片末端均通过紧固装置将一片所述叶片轮拨片(21)紧固在所述两个螺纹孔(24)上；所述叶片轮拨片(21)为弹性材质，包括6片相同的拨片；位于最下方与传送带接触的相邻两片叶片轮拨片始终沿输送带方向对称放置在输送带(16)上方；所述步进电机c(22)通过所述小轴孔(23)和紧固装置将所述叶片轮(20)套固在所述步进电机c(22)轴上并随同一起转动；

所述中间翻面导管装置为半圆弧形双通道翻面导管；所述中间翻面导管装置的结构包括：上弧形曲面导板(25)、下弧形曲面导板(26)、左侧面环形平面挡板(27)、右侧面环形平面挡板(28)、内部中间环形平面挡板(29)和收口挡板(30)；所述上弧形曲面导板(25)和下弧形曲面导板(27)间的距离大于玉米种子平放时的厚度，小于玉米种子翻面所需的最小高度；所述上弧形曲面导板(25)、下弧形曲面导板(26)、左侧面环形平面挡板(27)、右侧面环形平面挡板(28)、内部中间环形平面挡板(29)和收口挡板(30)均采用光滑材料制成；所述下弧形曲面导板(26)的前端与上层输送带的尾端对接；所述上弧形曲面导板(25)的末端与下层输送带的尾端对接；在翻面导管两个通道的出口两侧均增设一段收口挡板(30)；

所述控制系统包括：上位机图像采集与处理系统和下位机动力控制系统两部分；所述上位机图像采集与处理系统包括计算机硬件部分和图像采集与处理算法软件部分；所述下位机动力控制系统包括：PLC和步进电机驱动器硬件部分以及动力控制系统软件部分；所述图像采集系统与所述计算机实现信息单向传输；所述PLC与所述计算机实现信息双向传输；所述步进电机驱动器与所述PLC实现信息单向传输；

所述底座上端设置有所述下层输送带装置；所述底座上端紧固安置有相对错位的单柱升降调节机构a、单柱升降调节机构b、双柱升降调节机构a和一对用于支撑所述上层输送带系统的立柱(31)；所述单柱升降调节机构a上紧固有所述剔除分拣叶轮机构a；所述单柱升降调节机构b上紧固有所述剔除分拣叶轮机构b；所述双柱升降调节机构a上紧固有所述下层图像采集系统b；所述立柱(31)上紧固有所述上层输送带装置；所述上层输送带装置上端依次紧固有所述双列式喂料机构、所述双柱升降调节机构b、单柱升降调节机构c和单柱升降调节机构d；所述双柱升降调节机构b上紧固有所述上层图像采集系统a；所述单柱升降调节机构c上紧固有所述剔除分拣叶轮机构c；所述单柱升降调节机构d上紧固有所述剔除分拣叶轮机构d；所述下层输送带装置和上层输送带装置右端分别与所述中间翻面导管装置的下端口与上端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种玉米种子图像精选装置，其特征在于，所述中间翻面导管装置所采用的光滑材料为透明材料。

3.一种应用权利要求1～2任一项所述的玉米种子图像精选装置进行精选种子的方法，所述方法分为如下步骤：

双列式喂料机构随着上层输送带装置的运动，连续均匀的将待测玉米种子分两列喂入输送带上，两列玉米种子沿输送带方向均匀分布在输送带上的两侧对称位置上；

上层输送带装置逐一输送待测玉米种子通过上层图像采集区域(14)；

上层图像采集装置不断采集通过上层图像采集区域(14)中的玉米种子图像，并将图像信息传递给计算机；

计算机通过图像采集与处理算法对当前玉米种子的正面图像进行检测判断；

由计算机向PLC发出剔除不合格种子指令；

PLC根据计算机发出的指令控制剔除分拣叶轮机构c或剔除分拣叶轮机构d中的叶片轮向上层输送带装置外侧做60°步进旋转，通过叶片轮拨片将正面不合格的玉米种子拨除出去；

上层输送带装置将留下的正面合格的玉米种子送入中间翻面导管装置，经过中间翻面导管装置实现对所述玉米种子的翻面；

下层输送带装置逐一输送翻过面的玉米种子通过下层图像采集区域(15)；

下层图像采集装置不断采集通过下层图像采集区域(15)中的玉米种子图像，并将图像信息传递给计算机；

计算机通过图像采集与处理算法对当前玉米种子的反面图像进行检测判断；

由计算机向PLC发出剔除不合格种子指令；

PLC根据计算机发出的指令控制剔除分拣叶轮机构a或剔除分拣叶轮机构b中的叶片轮向下层输送带装置外侧做60°步进旋转，通过叶片轮拨片将正面不合格的玉米种子拨除出去；

收集正面和反面均合格的玉米种子，精选结束。

4.根据权利要求3所述的一种应用玉米种子图像精选装置进行精选种子的方法，其特征在于，所述图像采集与处理算法对当前玉米种子的图像进行检测判断所需的方法为种子外形检测算法和种子霉变、破损及虫蚀检测算法。

5.根据权利要求4所述的一种应用玉米种子图像精选装置进行精选种子的方法，其特征在于，所述种子外形检测算法分为如下步骤：

将采集到的原玉米种子图像进行二值化预处理，得到二值图像；

将二值图像代入二维运动测量分析系统MIAS中的几何参数测量函数获得种子的面积和周长；

同时将二值图像代入MIAS中的轮廓提取函数，得到种子区域轮廓线(38)坐标，计算轮廓坐标平均值作为种子轮廓形心坐标P_o；

对原玉米种子图像中的每个像素进行G-B的计算得到种子黄色区域(41)的灰度图像，存于内存区M1中；

对M1图像依次进行大津法二值化处理、200像素去躁、补洞、两次膨胀及两次腐蚀的预处理；

将预处理后的图像代入轮廓提取函数，计算轮廓坐标平均值作为种子黄色区域(41)形心坐标P_o1；

将种子B分量图像与预处理后的M1图像进行差分，结果图像为种子白色区域(40)灰度图像，将结果图像存于内存区M2中；

针对M2中所存放的种子白色区域(40)灰度图像，利用轮廓提取函数得到种子白色区域(40)轮廓线坐标存入数组C1[]。

根据种子黄色区域(41)形心坐标P_o1及数组C1[]中种子白色区域(40)轮廓线坐标确定种子白色区域(40)轮廓上点到种子黄色区域(41)形心P_o1的最大距离，距离最大点为P_a,点P_a即为种子顶点；

设P_a、P_o连线与种子轮廓线(38)的交点为P_b，过P_o点作P_aP_b的垂线，与种子轮廓线(38)的交点为P_c、P_d，由P_a、P_d、P_c、P_d点的坐标计算种子的长轴P_aP_b(37)的长度、短轴P_cP_d(39)的长度以及长轴长度/短轴长度；

计算种子长轴(37)相对于水平线的倾斜角度α；

将种子轮廓线(38)以点P_a为起点，绕形心P_o顺时针旋转α度，将旋转后轮廓点坐标存入数组C2[]，点P_b’、P_d’、P_e’为点P_b、P_d、P_e旋转后的新坐标，得到点P_b’、P_d’、P_e’在数组C2[]中的序号n_b、n_d、n_e，旋转前轮廓线数组C[]中序号为n_b、n_d、n_e的点即为P_b、P_d、P_e。

计算对称度E，E＝n_b/(L-n_b)；

确定数组C2[]所有成员中横纵坐标的最小值X1、Y1及最大值X2、Y2，计算占空比Rs，Rs＝|X2-X1|*|Y2-Y1|；由此，完成了种子的面积、周长、长轴长度、短轴长度、长宽比、对称度和占空比共七个外形特征参数的检测。

6.根据权利要求5所述的一种应用玉米种子图像精选装置进行精选种子的方法，其特征在于，所述种子霉变、破损及虫蚀检测算法分为如下步骤：

通过种子外形检测剔除重度破损和重度虫蚀的外形不完整的种子；

将种子彩色图像的R、G、B信号转化为饱和度信号S；

利用公式将饱和度信号归一化，h(x,y)为(x,y)点处饱和度信号归一化的结果信号；

对归一化的结果图像进行50阈值二值处理，计算二值图像中白色像素个数N_w；

将N_w与种粒面积均值进行比较，若认为种粒发生重度霉变，以此完成种子重度霉变的检测工作；

对种子彩色图像像素进行如下变换：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3<T1\\ 0& \left((R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)\right)/3>T1\end{array}\right.,$ 其中，g(x，y)为处理结果图像上(x，y)点处的像素值，T1为黑色区域霉变阈值；

计算g(x,y)图像上种子白色区域(40)个数，若区域个数大于0则认为种粒发生轻度黑色霉变，以此完成种子轻度黑色霉变的检测工作；

对种子白色区域(40)灰度图像补洞处理；

针对种子白色区域(40)灰度图像中的白色区域位置，对彩色图像进行如下的二值化处理：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& (B(x,y)-R(x,y))<T2\\ 0& (B(x,y)-R(x,y))>T2\end{array}\right.$

其中f(x，y)表示处理结果图像上(x，y)点处的像素值,T2表示种子黄色区域(41)白色霉变阈值；

计算f(x,y)图像上种子白色区域(40)个数，若区域个数大于零，认为种粒发生轻度白色霉变或轻度破损或轻度虫蚀。