CN108406887A - 一种基于图像视觉技术的条状果蔬加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置及其加工方法，包括机架及固定在机架上的传送模块、上位机、图像采集模块、压料模块和机械切割执行模块；图像采集模块在果蔬运输过程中采集果蔬图像，上位机对采集到的果蔬形状信息进行处理，得到果蔬形状参数，根据果蔬形状实时调整刀具组方向，对果蔬进行切条；本发明中刀具组的网格孔大小可调，能切割不同粗细的果蔬条；本发明通过摄像头摄取条状果蔬图像，将图像处理技术与切割机械相结合应用到条状果蔬的切条装置，能够有效解决现有果蔬切条粗细不匀，形状不规则的问题，有利于提高工作效率，降低成本，解放劳动力，减少资源浪费。

Description

一种基于图像视觉技术的条状果蔬加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及一种基于图像视觉技术的条状果蔬加工装置及加工方法。
背景技术
中国是农业生产大国，水果蔬菜都具有丰富的营养价值，是最具发展活力与发展空间的经济作物，在我国农业的发展中拥有不可替代的地位和优势。果蔬加工行业初期往往采用传统的手工或者半手工作业。现在水果干和各类蔬菜条很有市场，条状果蔬切条是条状果蔬加工过程中的重要步骤，但是条状果蔬生长形态各异，采用传统手工方法加工效率低，人在操作时容易发生危险，且人工成本较高，而现有的机器不能按照条状果蔬自身形状对条状果蔬进行切割，造成了一定的浪费。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置及其加工方法，是在果蔬加工过程中采集果蔬图像，对采集到的果蔬形状信息进行处理，得到果蔬形状参数，根据果蔬形状实时调整刀具方向，对果蔬进行切条。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，包括机架及固定在机架上的传送模块、上位机、压料模块和机械切割执行模块。
所述传送模块包括传输带、传动带轮、电机和限位板；传输带通过传动带轮固定在机架上；限位板沿传输带输送方向固定在传输带左右两侧的机架上；电机轴通过同步带与传动带轮连接；电机控制皮带轮转动，从而带动传输带传动，用于对果蔬进行输送；
所述图像采集模块包括光电开关、摄像头和相机机架。摄像头通过相机机架固定在传输带前部中线(输送方向中线)正上方。靠近相机机架的两个限位板内侧对称设有一个光电开关，光电开关和摄像头分别连接上位机；当传输带将果蔬运送到两个光电开关之间，光电开关将信号传给上位机，上位机控制摄像头对果蔬进行图像拍摄。
所述上位机中存储有图像采集、处理和数据分析应用软件(采用现有技术编程)，所述应用软件能实现对采集模块采集的果蔬图像进行预处理，包括灰度化处理、中值滤波、多阈值图像分割以及特征提取，得出果蔬的形状参数；并根据图像处理模块得到的果蔬形状参数，通过A/D模数转换电路将模拟信号转换成数字信号。
所述压料模块包括弧形挤压辊、压紧弹簧和压料板机架；压料模块设置在靠近刀具传输带末端上方；压料板机架呈“门”字型；弧形挤压辊的支架顶端通过压紧弹簧可活动固定在压料板机架顶部；弧形挤压辊能以其支架为支撑360°转动，且弧形挤压辊与皮带之间的间距可调；当果蔬运动到弧形挤压辊下部时，果蔬运动带动挤压辊转动；弧形挤压辊与传输带之间的间距根据果蔬的粗细通过压紧弹簧进行伸缩调整。
所述切割执行模块包括刀具组和带动刀具组运动的驱动装置；所述切割执行模块位于传输带末端。刀具组整体呈矩形，刀具组由多个刀片垂直设置成呈网格孔状；所述网格孔的大小可调，以切割不同粗细的果蔬条；所述刀具组的中心与传输带中线位于一条直线上；所述的刀具驱动装置包括丝杠步进电机和步进电机；丝杠步进电机和步进电机分别连接单片机一和单片机二；丝杠步进电机的丝杠上连接一个滑台；步进电机安装在滑台上；所述刀具组的中心刀片底部固定在步进电机出力轴上；所述中心刀片顶部固定一根连杆，且通过所述连杆与其它刀片连接在一起；所述刀具组转动角度可调；步进电机带动中心刀片转动，通过连杆带动其他刀片一起转动；单片机一、单片机二分别和上位机连接；丝杠步进电机通过滑台带动步进电机根据需要水平移动，步进电机再根据果蔬的形状实时带动刀具组进行角度调整，完成果蔬条的切割。
本发明还涉及一种基于图像视觉技术的果蔬条加工方法，步骤如下：
S1、摄像头拍摄果蔬的图像信息，得到以传输带为单一背景的果蔬图像；
S2、摄像头将拍摄到的图像发送给上位机，上位机对果蔬图像进行灰度化处理，通过阈值分割得到二值图像；
S3、通过检索二值图像，画出果蔬的轮廓图像；
S4、摄像头采集到的图像为矩形，以果蔬的轮廓图像左上角作为坐标原点，设定坐标轴(水平为X轴，即与传输带平行的方向为X轴，与X轴垂直的方向为Y轴)，对X轴(即X值)做列扫，每一列当扫描到步骤S3得到的轮廓图像的轮廓线时，会得到与图像轮廓的两个交点，确定各个交点的坐标(对Y轴范围内的像素点进行扫描：如固定X值为0，就会扫描X值为0时对应的各点坐标：(0,0)、(0,1)…)，每一列上与图像轮廓的两个交点为一组，确定两个交点的中点坐标。
S5、连接各个中点坐标，得到果蔬轮廓图像的拟合中线。
S6、根据步骤S5得到的带有拟合中线的轮廓图像的像素点个数，选取确定拟合中线上的任一点的坐标；当图像处理中所得拟合中线与传输带中线不一致时，根据拟合中线确定的任一点的坐标，判定该点与传输带中线偏离的距离Y值，将Y值传给单片机一，单片机一控制丝杠步进电机左右移动调整位置；根据带有拟合中线的轮廓图像的像素点个数，适当选取拟合中线上的一定距离的两点，根据选定的相邻中点坐标的值以及反正切函数，可以得到拟合中线与传输带中线的偏差角度(根据反正切函数：偏差角度是根据所取两点Y值X值求出的与所述X轴之间的夹角)，根据角度变化值，单片机二控制调整步进电机旋转的角度，从而控制刀具实时沿着果蔬自身形状进行切割。
使用时，将同步带套在传动带轮上，传动带轮通过同步带和电机相连接，带动传输带进行运转，构成传送模块；摄像头通过相机机架固定在两侧限位板上，摄像头在传输带上方对准传输带中线，光电开关安装在限位板两侧，当果蔬(如萝卜)运动到光电开关处触发摄像头进行拍照，构成图像采集模块；弧形挤压辊通过压料装置机架固定在两侧限位板上，挤压辊与压料装置机架中间连接处安装压紧弹簧，可以随果蔬粗细进行自动升降调节，构成压料模块；上位机将数据发送给单片机一和单片机二，带滑台的丝杠步进电机受单片机一控制在水平方向上移动滑台，步进电机受单片机二控制调整角度控制刀具组转动根据果蔬的形状实时进行切割；上位机安装在机架上。
本发明提供的基于图像视觉技术的条状果蔬加工方法，是通过摄像头摄取条状果蔬图像，将图像处理技术与切割机械相结合应用到条状果蔬的切条装置，能够有效解决现有果蔬切条粗细不匀，形状不规则的问题，有利于提高工作效率，降低成本，解放劳动力，减少资源浪费。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的压料装置结构图；
图3是本发明刀具驱动模块图；
图4是图像处理所得图像图；
图5是装备技术路线图。
图中：1机架、2限位板、3传输带、4电机、5同步带、6传动带轮、7相机机架、8摄像头、9光电开关、10压料板机架、11压紧弹簧、12弧形挤压辊、13刀具组、14丝杠步进电机、15步进电机、16丝杠、17滑台、18上位机。
具体实施方式
本发明涉及一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，包括机架1及固定在机架1上的传送模块、上位机18、压料模块和机械切割执行模块。
所述传送模块包括传输带3、传动带轮6、电机4和限位板2；传输带3通过传动带轮6固定在机架1上；限位板2沿传输带3输送方向固定在传输带3左右两侧的机架1上；电机出力轴通过同步带5与传动带轮6连接；电机4控制传动带轮6转动，从而带动传输带3传动，用于对果蔬进行输送；
所述图像采集模块包括光电开关9、摄像头8和相机机架7。摄像头8通过相机机架7固定在传输带3前部中线(输送方向中线)正上方。靠近相机机架7的两个限位板2内侧各对称设有一个光电开关9，光电开关9和摄像头8分别连接上位机18；当传输带3将果蔬运送到两个光电开关9之间，光电开关9将信号传给上位机18，上位机控制摄像头8对果蔬进行图像拍摄。
所述上位机18中存储有图像采集、处理和数据分析应用软件(采用现有技术编程)，所述应用软件能实现对采集模块采集的果蔬图像进行预处理，包括灰度化处理、中值滤波、多阈值图像分割以及特征提取，得出果蔬的形状参数；并根据图像处理模块得到的果蔬形状参数，通过A/D模数转换电路将模拟信号转换成数字信号。
所述压料模块包括弧形挤压辊12、压紧弹簧11和压料板机架10；压料模块设置在传输带3末端(靠近刀具端)正上方(输送方向中线)；压料板机架10呈“门”字型；弧形挤压辊12的支架顶端通过压紧弹簧11可活动固定在压料板机架10顶部；弧形挤压辊12能以其支架为支撑360°转动，且弧形挤压辊12与传输带3之间的间距可调；当果蔬运动到弧形挤压辊12下部时，果蔬运动带动弧形挤压辊12转动；弧形挤压辊12与传输带3之间的间距根据果蔬的粗细通过压紧弹簧11进行伸缩调整。
所述切割执行模块包括刀具组13和带动刀具组运动的驱动装置；所述切割执行模块位于传输带3末端。刀具组13整体呈矩形，刀具组13由多个刀片垂直设置成呈网格孔状；网格孔的形状和大小可根据需要进行组合设置；如可设成长方形或正方形；网格所述刀具组13的中心与传输带3中线位于一条直线上；所述的刀具驱动装置包括丝杠步进电机14和步进电机15；丝杠步进电机14和步进电机15分别连接单片机一和单片机二；丝杠步进电机14的丝杠上连接一个滑台17；步进电机15安装在滑台17上；所述刀具组13的中心刀片底部固定在步进电机15出力轴上；所述刀具组13的中心刀片顶部固定一根连杆，且通过所述连杆与其它刀片连接在一起；所述刀具组13转动角度可调；步进电机15带动中心刀片转动，通过连杆带动其他刀片一起转动；单片机一、单片机二分别和上位机18连接；丝杠步进电机14带动滑台17根据需要左右移动至需要切割的位置，从而带动步进电机15移动。步进电机15再根据果蔬的形状实时带动刀具组13转动角度，完成果蔬条的切割。
本发明中，上位机18可选用如普通计算机或工控机等。上位机18中存储有图像采集、处理和数据分析应用软件(该软件可采用现有技术编程)，所述应用软件能实现对采集模块采集的果蔬图像进行预处理，包括灰度化处理、中值滤波、多阈值图像分割以及特征提取，得出果蔬的形状参数；并根据图像处理模块得到的果蔬形状参数，通过A/D模数转换电路将模拟信号转换成数字信号。
实施例1本实施例以切割萝卜条为例。
图1中，电机4通过同步带5带动传动带轮6运转，从而带动传输带3运行，萝卜随传输带3向前运动，当萝卜运动到摄像头8下时，光电开关9会打开，上位机18接收光电开关信号，进而控制摄像头8拍摄照片并传回上位机，进行图像处理，当所拍摄图像经过图像处理系统处理后，拟合出萝卜自身中线，上位机18将与传输带3中线对比的数据传送给各个单片机，单片机二再控制丝杠步进电机14转动，单片机一控制丝杠16在水平方向的移动滑台17，当萝卜运动到挤压辊12下，被压紧并且随萝卜运动压紧弹簧11自动伸缩调整压力，萝卜运动到传输带3的末段时，上位机控制步进电机15，控制刀具组13角度变化，按照萝卜自身形状进行切条。
如图2所示，当萝卜运动到挤压辊12下，被压紧并且随萝卜运动压紧弹簧11自动伸缩调整挤压辊12与传输带3之间的间距，以适应不同的压力。
如图3所示刀具驱动模块，单片机控制丝杠步进电机14运转，控制滑台17在丝杠16上水平运动，步进电机15固定在滑台17上，随滑台17水平运动，步进电机15接受上位机发送的角度差值信息，带动刀具组旋转角度，配合单片机的定时器中断，对萝卜实时进行切条。
如图4所示图像处理所得图像，对萝卜照片进行预处理，得到二值图像；通过检索二值图像，画出萝卜的轮廓图像；对所得轮廓图像固定行(即X值)做列扫，当扫描到轮廓线时，会得到与轮廓的两个交点，得到各个交点的坐标，一列上的两个交点为一组，确定两个交点的中点坐标。连接各个中点坐标，即得到萝卜自身中线。
本实施例所述的一种基于图像视觉技术的萝卜条的加工方法，包括以下步骤：
作业前，调整摄像头8的焦距，以能完整的采集到萝卜的图像信息；调整刀具组13的中心与传输带3的中线对齐。
S1、将萝卜水平放置在传输带3上，打开电机4，传动带轮6带动传输带3匀速转动。为防止萝卜移动，选用表面摩擦力较大的传输带，同时调整电机4使其带动传输带3缓慢运行。
S2、萝卜随传输带3运动到摄像头8下，光电开关9打开，触发摄像头8进行拍照。
S3、将得到的萝卜图像进行图像处理：对萝卜图像进行灰度处理，得到二值图像；通过图像检索二值图像，画出萝卜的轮廓图像；上位机中存储的应用软件以采集到的图像左上角作为坐标原点，设定坐标轴(水平为X轴，与X轴垂直方向为Y轴，)，从原点开始进行行扫，对轮廓固定行(即X值)做列扫每一列(即Y值)，扫描到轮廓线时，会得到这一列的两个交点，得到各个交点的坐标，Y轴方向上的每两个点为一组，确定每组交点的中点；连接各个中点坐标，拟合得到萝卜自身中线。
S4、在步骤S3建立的图像处理坐标系中，根据每张图像的像素点个数，每隔20个像素点选取拟合中线上的点，当图像处理中所得萝卜中线与传输带中线不一致时，根据拟合中线确定的任几个点的坐标，判定该点与传输带中线偏离的距离Y值差，将差值传给单片机一，单片机一控制丝杠步进电机左右移动调整位置；根据拟合中线确定的相邻两点的坐标以及反正切函数，可以得到拟合中线与传输带中线的偏差角度(根据反正切函数：偏差角度是根据所取两点Y值X值求出的与所述X轴之间的夹角)，上位机将角度变化值发送给单片机二，单片机二控制调整步进电机旋转的角度，从而控制刀具沿着萝卜自身形状实时进行切割。
S5、萝卜随传输带运动至弧形挤压辊12下方，压紧弹簧11根据萝卜粗细自动伸缩，萝卜在传输带3与弧形挤压辊12作用下被送入刀具，步进电机15根据数据分析结果，控制刀具组13随时进行角度调整，步进电机15带动网格状刀具组13对萝卜进行切条。
S6、行进过程中重复步骤2、3、4、5直至完成切条作业。
实施例2：本实施例以切割茄子条为例。
作业前，调整摄像头的焦距，能够完整的采集到茄子的图像信息；调整刀具组13中心与传输带3中线对齐。
S1、将茄子水平放置在传输带3上，打开电机4，滚轴带动传输带3匀速转动。为防止茄子移动，选用表面摩擦力较大的传输带，同时调整电机4使其带动传输带3缓慢运行。
S2、茄子随传输带3运动到摄像头8下，光电开关9打开，触发摄像头8进行拍照。
S3、将得到的茄子图像进行图像处理：对茄子图像进行灰度处理，得到二值图像；通过图像检索二值图像，画出茄子的轮廓图像；上位机18中的应用软件以采集到的图像左上角作为坐标原点，设定坐标轴(水平为X轴，与X轴垂直的方向为Y轴)，从原点开始进行行扫，对轮廓固定行(即X值)做列扫每一列，扫描到轮廓线时，会得到这一列的两个交点，得到各个交点的坐标，Y轴方向上的每两个点为一组，确定每组交点的中点；连接各个中点坐标，拟合出茄子自身中线。
S4、在步骤S3建立的图像处理坐标系中，根据每一张图像的像素点个数，每隔50个像素点选取拟合中线上的点，当图像处理中所得萝卜中线与传输带中线不一致时，根据拟合中线确定的中点的坐标，判定该点与传输带中线偏离的距离Y值差，将差值传给单片机一，单片机一控制丝杠步进电机左右移动调整位置；根据拟合中线确定的相邻两点的坐标以及反正切函数，可以得到拟合中线与传输带中线的偏差角度(根据反正切函数：偏差角度是根据所取两点Y值X值求出的与所述X轴之间的夹角)，上位机将角度变化值发送给单片机二，单片机二控制调整步进电机旋转的角度，从而控制刀具沿着茄子自身形状实时进行切割。
S5、茄子随传输带运动至弧形挤压辊12下方，压紧弹簧11根据茄子粗细自动伸缩，茄子在传输带3与弧形挤压辊12作用下被送入刀具组，丝杠步进电机14调整刀具组13在水平方向上的左右位置，步进电机控制刀具组13根据茄子的偏离角度进行实时的角度调整，完成茄子条的切割。
S6、行进过程中重复步骤2、3、4、5直至完成切条作业。
上述仅为本发明的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和范围的情况下做出的各种变化和变型、所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (7)

1.一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：包括机架及固定在机架上的传送模块、上位机、压料模块和机械切割执行模块；
所述传送模块包括传输带、传动带轮、电机和限位板；传输带通过传动带轮固定在机架上；限位板沿传输带输送方向固定在传输带左右两侧的机架上；电机轴通过同步带与传动带轮连接；电机控制皮带轮转动，从而带动传输带传动，用于对果蔬进行输送；
所述图像采集模块包括光电开关、摄像头和相机机架；摄像头通过相机机架固定在传输带前部中线正上方；靠近相机机架的两个限位板内侧对称设有一个光电开关，光电开关和摄像头分别连接上位机；当传输带将果蔬运送到两个光电开关之间，光电开关将信号传给上位机，上位机控制摄像头对果蔬进行图像拍摄；
所述上位机中存储有图像采集、处理和数据分析应用软件，所述应用软件能实现对采集模块采集的果蔬图像进行预处理，包括灰度化处理、中值滤波、多阈值图像分割以及特征提取，得出果蔬的形状参数；并根据图像处理模块得到的果蔬形状参数，通过A/D模数转换电路将模拟信号转换成数字信号；
所述压料模块包括弧形挤压辊、压紧弹簧和压料板机架；压料模块设置在靠近刀具传输带末端上方；弧形挤压辊的支架顶端通过压紧弹簧可活动固定在压料板机架顶部；当果蔬运动到弧形挤压辊下部时，果蔬运动带动挤压辊转动；
所述切割执行模块包括刀具组和带动刀具组运动的驱动装置；所述切割执行模块位于传输带末端；刀具组整体呈矩形，刀具组由多个刀片垂直设置成呈网格状；所述刀具组的中心与传输带中线位于一条直线上；所述的刀具驱动装置包括丝杠步进电机和步进电机；丝杠步进电机和步进电机分别连接单片机一和单片机二；丝杠步进电机的丝杠上连接一个滑台；步进电机安装在滑台上；所述刀具组的中心刀片底部固定在步进电机出力轴上；所述中心刀片顶部固定一根连杆，且通过所述连杆与其它刀片连接在一起；步进电机带动中心刀片转动，通过连杆带动其他刀片一起转动；单片机一、单片机二分别和上位机连接；丝杠步进电机通过滑台带动步进电机根据需要水平移动，步进电机再根据果蔬的形状实时带动刀具组进行角度调整，完成果蔬条的切割。
2.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：所述刀具组转动角度可调。
3.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：所述刀具组网格孔的形状和大小可调，以切割不同形状和粗细的果蔬条。
4.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：所述的压料板机架呈“门”字型。
5.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：所述的弧形挤压辊与皮带之间的间距可调；弧形挤压辊与传输带之间的间距根据果蔬的粗细通过压紧弹簧进行伸缩调整。
6.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工装置，其特征在于：所述的弧形挤压辊能以其支架为支撑360°转动。
7.如权利要求1所述的一种基于图像视觉技术的果蔬条加工方法，其特征在于：步骤如下：
S1、摄像头拍摄果蔬的图像信息，得到以传输带为单一背景的果蔬图像；
S2、摄像头将拍摄到的图像发送给上位机，上位机对果蔬图像进行灰度化处理，通过阈值分割得到二值图像；
S3、通过检索二值图像，画出果蔬的轮廓图像；
S4、摄像头采集到的图像为矩形，以果蔬的轮廓图像左上角作为坐标原点，设定坐标轴：水平为X轴，即与传输带平行的方向为X轴，与X轴垂直的方向为Y轴；对X轴即X值做列扫，每一列当扫描到步骤S3得到的轮廓图像的轮廓线时，会得到与图像轮廓的两个交点，确定各个交点的坐标；每一列上与图像轮廓的两个交点为一组，确定两个交点的中点坐标；
S5、连接各个中点坐标，得到果蔬轮廓图像的拟合中线；
S6、根据步骤S5得到的带有拟合中线的轮廓图像的像素点个数，选取确定拟合中线上的任一点的坐标；当图像处理中所得拟合中线与传输带中线不一致时，根据拟合中线确定的任一点的坐标，判定该点与传输带中线偏离的距离Y值，将Y值传给单片机一，单片机一控制丝杠步进电机左右移动调整位置；根据带有拟合中线的轮廓图像的像素点个数，适当选取拟合中线上的一定距离的两点，根据选定的相邻中点坐标的值以及反正切函数，得到拟合中线与传输带中线的偏差角度，所述偏差角度是根据所取两点Y值X值求出的与所述X轴之间的夹角；根据角度变化值，单片机二控制调整步进电机旋转的角度，从而控制刀具实时沿着萝卜自身形状进行切割。
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