CN104668199B - 基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置 - Google Patents

Abstract

基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，包括机架和上料机构；机架有输送带，输送带上有上料工位视觉检测工位和筛选工位和果杯，输送带有与果杯对位的通孔；上料工位有上料缓冲件和上料缓冲件支架，输送带每步进一步，上料缓冲件对准一个空的果杯；视觉检测工位具有视觉检测箱，输送带穿过视觉检测箱；视觉检测箱内有平面镜组，第一相机，光源，第二相机和激光发射器；筛选工位与出料通道连通，筛选工位包括筛选电机和分拣拨板；每个出料通道对应一个水果品级，分拣拨板使与被测水果的品级相同的出料通道的入口开启，其余出料通道的入口关闭。本发明具有能够从多个角度对水果的整体品质进行评价，且采集的图像清晰，分析准确性高的优点。

Description

基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置

技术领域

本发明设计一种基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置。

技术背景

水果在采摘或运输过程中，因外力的作用使其表皮受到机械损伤或损伤处表皮未破损但受伤表面有轻微凹陷、色泽稍变暗，肉眼难于觉察。碰伤、擦伤是水果分级的主要指标之一，随着时间的延长，损伤部分会逐渐褐变，最终导致整个果实腐烂并影响其他好的果实，严重影响经济效益。

在水果分级标准中，果形、果面缺陷、颜色、成熟度等指标的度量，仅凭人的视觉难以准确区分，且人长时间用眼，会造成视觉疲劳及情绪的不稳定，造成分级误差大，可靠性低，因此传统的人工分级受到了很大的局限；其次，传统的水果内部品质检测都是有损检测，因而不能对全部水果进行检验，只能采用抽样的方法。随着农业自动化程度以及温室大棚技术的发展，我国水果的产量有着显著的提高，传统的人工检测不仅劳动量大、生产率低，已经难以满足要求了。

为了克服人工检测的上述缺点，中国专利201110092455.7号披露了一种水果自动分级装置，高光谱摄像仪组件能够同时测得水果的图片信息和光谱信息，其中图片信息可以反映出水果的外部品质特征，而光谱信息可以反映出水果的内部品质特征，通过设置合格的水果的光谱信息阈值范围，并通过控制执行机构，使得水果通过不同输出通道输送出去，实现分级。

该发明专利存在以下缺点：1.仅对被检测的水果的一个视角进行图像采集处理，欠缺被测水果的整体品质评价。2.采集处于自由落体状态的被测水果图像，导致采集到的图像模糊，并且是在透明的缓冲篮筐中对水果进行光谱图像采集，容易受到缓冲篮筐光谱图像的干扰。3.需要人工将苹果以一定的间距放置在传送带上，致使分拣需要人工参与，分拣效率不高。

发明内容

为了克服现有的水果自动分级装置在下落状态中的水果从一个视角拍摄导致无法对水果的整体品质评价，且采集到的图像模糊降低分析的准确性的缺点，本发明提供了一能够从多个角度对水果的整体品质进行评价，且采集的图像清晰，分析准确性高的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置。

基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，包括机架和上料机构；机架上设有步进式运动的输送带，输送带上具有承接上料机构来料的上料工位，检测水果以确定水果品级的视觉检测工位和将水果按品级以不同的出料通道出料的筛选工位；输送带上等间隔地固定有多个用于托持被测水果的果杯，果杯排列呈一直线，输送带设有与果杯对位的通孔；

上料工位具有上料缓冲件和上料缓冲件支架，上料缓冲件位于上料机构的出料端下方，上料缓冲件由集果筐和缓冲网组成，集果筐呈上大下小的喇叭状，缓冲网固定于集果筐出口处；输送带每步进一步，上料缓冲件对准一个空的果杯；

视觉检测工位具有视觉检测箱，输送带穿过视觉检测箱；视觉检测箱内设置有能够获取被测水果的正视图像、左侧图像、顶部图像和右侧图像的平面镜组，第一相机，光源，第二相机和激光发射器，平面镜组和被测水果均位于第一相机的拍摄区域内；第二相机和激光发射器均位于输送带下方，激光发射器和第二相机分别通过通孔照射和拍摄果杯上的被测水果；

筛选工位与出料通道连通，出料通道由位于输送带两侧的左侧板、右侧板和相邻通道之间的隔板组成；筛选工位包括筛选电机和分拣拨板，每个隔板铰接一个分拣拨板，每个分拣拨板与各自的筛选电机的输出轴连接，分拣拨板高出果杯；每个出料通道对应一个水果品级，视觉检测工位测得被测水果的品级，被测水果离开视觉检测工位时，分拣电机带动分拣拨板摆动使与被测水果的品级相同的出料通道的入口开启，其余出料通道的入口关闭。

进一步，平面镜组由正对水果的正视平面镜，位于正视平面镜上方并与之成钝角的上平面镜，位于正视平面镜的左侧并与之成钝角的左平面镜和位于正视平面镜的右侧并与之成钝角的右平面镜组成，平面镜组固定于视觉检测箱的一个侧板上，第一相机固定于视觉检测箱的另一个侧板上，光源固定于视觉检测箱的顶板上，第二相机和激光发射器固定于视觉检测箱的底板上。

进一步，筛选工位的每个分拣拨板均具有封闭其左侧的出料通道的第一位置和封闭其右侧的出料通道的第二位置；出料通道的数量为N个，要使第M个通道开启时，第M个通道左侧的所有分拣拨板均处于第一位置，第M个通道右侧的所有分拣拨板均处于第二位置。

进一步，出料通道的入口高于其出口，每个出料通道与各自收集筐对应。被测水果通过自身重力出料。

进一步，筛选工位还具有筛选箱，分拣电机安装于筛选箱上。

进一步，上料机构包括上料基座，安装与上料基座上的料斗和传送带，传送带的两侧分别设有护板，传送带上固定有挡板，相邻的两个挡板和护板围成恰能容纳一个被测水果的容纳腔，料斗设置于传动带的上料端，传送带的上料端低于其出料端。

本发明的技术构思为：第一相机和平面镜组形成对被测水果外表面进行视觉检测的视觉检测系统，第二相机和激光发射器形成对水果内部检测的生物散斑检测系统。视觉检测系统和生物散斑检测系统同时对被测水果采集图像，然后将采集到的图像送至视觉系统进行分析处理，视觉外观检测系统根据苹果的大小、尺寸、色泽对被测水果进行分级，生物散斑检测系统根据被测水果的硬度、可溶性固形物含量、固酸比、果面底色、被测水果表面损伤和内部腐烂程度等指标进行分级，控制单元综合机器视觉检测系统和生物散斑检测系统的分级结果，控制分拣装置对被测水果进行分拣操作。

本发明的有益效果是：

1、融合视觉和生物散斑技术对被测水果的品质进行分类，视觉外观检测系统一次性对被测水果的多个视角的图像进行分析，可以完整的得到被测水果表面的品质信息，生物散斑技术可以得到被测内部的品质信息。

2、自动化程度高，被测的上料、传输、检测和分拣过程都不需要人工参与，降低劳动强度，提高分类效率和准确率。

3、结构设计简单可靠，稳定性好，成本低廉。

附图说明

图1是分级装置整体结构示意图。

图2是上料机构的示意图。

图3是上料缓冲件的示意图。

图4是视觉检测工位的结构示意图。

图5是视觉检测工位采集的被测水果图像，a是从上平面镜拍摄到的被测水果图像，b是从左平面镜拍摄到的被测水果图像，c是从正视平面镜拍摄到的被测水果图像，d从右平面镜拍摄到的被测水果图像。

图6是筛选工位的结构示意图。

图7是出料通道的示意图。

图8是筛选工位的工作示意图，a是被测水果从第四通道出料时的示意图，b是被测水果从第二通道出料时的示意图，c是被测水果从第三通道出料时的示意图，d是被测水果从第一通道出料时的示意图。

图9分级分拣流程示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

如图1所示，基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，包括机架1和上料机构2；机架1上设有步进式运动的输送带3，输送带3上具有承接上料机构2来料的上料工位4，检测水果以确定水果品级的视觉检测工位5和将水果按品级以不同的出料通道出料的筛选工位6；输送带3上等间隔地固定有多个用于托持被测水果的果杯31，果杯31排列呈一直线，输送带3设有与果杯31对位的通孔。

如图2所示，上料机构2包括上料基座21，安装与上料基座21上的料斗22和传送带25，传送带的两侧分别设有护板23，传送带上固定有挡板24，相邻的两个挡板24和护板23围成恰能容纳一个被测水果的容纳腔26，料斗22设置于传动带的上料端，传送带的上料端低于其出料端。

如图3所示，上料工位4具有上料缓冲件和上料缓冲件支架43，上料缓冲件位于上料机构2的出料端下方，上料缓冲件由集果筐41和缓冲网42组成，集果筐41呈上大下小的喇叭状，缓冲网42固定于集果筐41出口处；输送带3每步进一步，上料缓冲件对准一个空的果杯31。

如图4所示，视觉检测工位5具有视觉检测箱51，输送带3穿过视觉检测箱51；视觉检测箱51内设置有能够获取被测水果的正视图像、左侧图像、顶部图像和右侧图像的平面镜组52，第一相机53，光源54，第二相机55和激光发射器56，平面镜组52和被测水果均位于第一相机53的拍摄区域内；第二相机55和激光发射器56均位于输送带3下方，第二相机55对准果杯31，激光发射器56和第二相机55分别通过通孔照射和拍摄果杯31上的被测水果。激光发射器56带有准直-扩束系统57。

平面镜组52由正对水果的正视平面镜521，位于正视平面镜521上方并与之成钝角的上平面镜522，位于正视平面镜521的左侧并与之成钝角的左平面镜523和位于正视平面镜521的右侧并与之成钝角的右平面镜524组成，平面镜组52固定于视觉检测箱51的一个侧板上，第一相机53固定于视觉检测箱51的另一个侧板上，光源54固定于视觉检测箱51的顶板上，第二相机55和激光发射器56固定于视觉检测箱51的底板上。如图5所示为平面镜组52上的被测水果图像。

筛选工位6与出料通道连通，如图7所示，出料通道由位于输送带3两侧的左侧板71、右侧板72和相邻通道之间的隔板73围成，出料通道的入口高于其出口，每个出料通道与各自收集筐对应。被测水果通过自身重力出料。

如图6所示，筛选工位6包括筛选电机61A、61B、61C和分拣拨板20A、20B、20C组成，每个隔板73铰接一个分拣拨板20A、20B、20C，每个分拣拨板20A、20B、20C与各自的筛选电机61A、61B、61C的输出轴连接，分拣拨板20A、20B、20C高出果杯31；每个出料通道对应一个水果品级，视觉检测工位5测得被测水果的品级，被测水果离开视觉检测工位5时，分拣电机61A、61B、61C带动分拣拨板20A、20B、20C摆动使与被测水果的品级相同的出料通道的入口开启，其余出料通道的入口关闭。

筛选工位6还具有筛选箱62，分拣电机61A、61B、61C安装于筛选箱62上。

筛选工位6的每个分拣拨板20A、20B、20C均具有封闭其左侧的出料通道的第一位置和封闭其右侧的出料通道的第二位置；出料通道的数量为N个，要使第M个通道开启时，第M个通道左侧的所有分拣拨板均处于第一位置，第M个通道右侧的所有分拣拨板均处于第二位置。

本实施例以4个出料通道来说明被测水果的出料情况。

如图8所示，以出料通道7A对应一级品质，出料通道7B对应二级品质，出料通道7C对应三级品质，出料通道7D对应不合格品。

如图8的d图中所示，视觉检测工位5测得当前被测水果为一级品质时，如被测水果完全没有损坏时，应该让出料通道7A的入口开启，出料通道7B、7C、7D的入口关闭，此时，第一分拣拨板20A，第二分拣拨板20B和第三分拣拨板20C均位于出料通道7A的左侧，因此，三个分拣拨板20A、20B和20C均处于第一位置，分别封闭分拣拨板左侧的出料通道。

如图8的b图中所示，视觉检测工位5测得当前被测水果为二级品质时，如被测水果有一处损伤时，应该让出料通道7B的入口开启，出料通道7A、7C、7D的入口关闭，此时，第一分拣拨板20A位于出料通道7B的右侧，第二分拣拨板20B和第三分拣拨板20C位于出料通道7B的左侧，因此，第一分拣拨板20A处于第二位置，从而封闭出料通道7A，第二分拣拨板20B和第三分拣拨板20C处于第一位置，从而封闭出料通道7C和出料通道7D。

如图8的c图中所示，视觉检测工位5测得当前被测水果为二级品质时，如被测水果有两处损伤时，应该让出料通道7C的入口开启，出料通道7A、7B、7D的入口关闭，此时，第一分拣拨板20A和第二分拣拨板20B位于出料通道7C的右侧，第三分拣拨板20C位于出料通道7C的左侧，因此，第一分拣拨板20A和第二分拣拨板20B处于第二位置，从而封闭出料通道7A和出料通道7B， 20B第三分拣拨板20C处于第一位置，从而封闭出料通道7D。

如图8的a图中所示，视觉检测工位5测得当前被测水果为不合格品时，如被测水果有两处以上损伤时，应该让出料通道7D的入口开启，出料通道7A、7B、7C的入口关闭，此时，第一分拣拨板20A、第二分拣拨板20B和第三分拣拨板20C均位于出料通道7D的右侧，因此，使三个分拣拨板20A、20B和20C处于第二位置，从而封闭出料通道7A，出料通道7B和出料通道7C。

分拣拨板处于第一位置和第二位置时均成倾斜状态，从而形成导向被测水果的导板，使水果顺着分拣拨板的方向到达相应的出料通道。

本实施例虽然以4个出料通道为例说明，但是，本领域的技术人员根据本发明是容易想到本发明适用于N个出料通道的情况，N=2，3，……。

本发明的有益效果是：

1、融合视觉和生物散斑技术对被测水果的品质进行分类，视觉外观检测系统一次性对被测水果的多个视角的图像进行分析，可以完整的得到被测水果表面的品质信息，生物散斑技术可以得到被测内部的品质信息。

2、自动化程度高，被测的上料、传输、检测和分拣过程都不需要人工参与，降低劳动强度，提高分类效率和准确率。

3、结构设计简单可靠，稳定性好，成本低廉。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：包括机架和上料机构；机架上设有步进式运动的输送带，输送带上具有承接上料机构来料的上料工位，检测水果以确定水果品级的视觉检测工位和将水果按品级以不同的出料通道出料的筛选工位；输送带上等间隔地固定有多个用于托持被测水果的果杯，果杯排列呈一直线，输送带设有与果杯对位的通孔；

上料工位具有上料缓冲件和上料缓冲件支架，上料缓冲件位于上料机构的出料端下方，上料缓冲件由集果筐和缓冲网组成，集果筐呈上大下小的喇叭状，缓冲网固定于集果筐出口处；输送带每步进一步，上料缓冲件对准一个空的果杯；

视觉检测工位具有视觉检测箱，输送带穿过视觉检测箱；视觉检测箱内设置有能够获取被测水果的正视图像、左侧图像、顶部图像和右侧图像的平面镜组，第一相机，光源，第二相机和激光发射器，平面镜组和被测水果均位于第一相机的拍摄区域内；第二相机和激光发射器均位于输送带下方，激光发射器和第二相机分别通过通孔照射和拍摄果杯上的被测水果；

筛选工位与出料通道连通，出料通道由位于输送带两侧的左侧板、右侧板和相邻通道之间的隔板组成；筛选工位包括筛选电机和分拣拨板，每个隔板铰接一个分拣拨板，每个分拣拨板与各自的筛选电机的输出轴连接，分拣拨板高出果杯；每个出料通道对应一个水果品级，视觉检测工位测得被测水果的品级，被测水果离开视觉检测工位时，分拣电机带动分拣拨板摆动使与被测水果的品级相同的出料通道的入口开启，其余出料通道的入口关闭。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：平面镜组由正对水果的正视平面镜，位于正视平面镜上方并与之成钝角的上平面镜，位于正视平面镜的左侧并与之成钝角的左平面镜和位于正视平面镜的右侧并与之成钝角的右平面镜组成，平面镜组固定于视觉检测箱的一个侧板上，第一相机固定于视觉检测箱的另一个侧板上，光源固定于视觉检测箱的顶板上，第二相机和激光发射器固定于视觉检测箱的底板上。

3.如权利要求2所述的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：筛选工位的每个分拣拨板均具有封闭其左侧的出料通道的第一位置和封闭其右侧的出料通道的第二位置；出料通道的数量为N个，要使第M个通道开启时，第M个通道左侧的所有分拣拨板均处于第一位置，第M个通道右侧的所有分拣拨板均处于第二位置。

4.如权利要求3所述的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：出料通道的入口高于其出口，每个出料通道与各自收集筐对应。

5.如权利要求4所述的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：筛选工位还具有筛选箱，分拣电机安装于筛选箱上。

6.如权利要求5所述的基于机器视觉和生物散斑的水果自动分级装置，其特征在于：上料机构包括上料基座，安装于上料基座上的料斗和传送带，传送带的两侧分别设有护板，传送带上固定有挡板，相邻的两个挡板和护板围成恰能容纳一个被测水果的容纳腔，料斗设置于传动带的上料端，传送带的上料端低于其出料端。