CN109127460A - 一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备及方法，包括转台支架，支架的最低端是一个圆形底座，底座的中上部是一个步进电机，和步进电机上面相连的是一个二级减速器，二级减速器和支架一起连接在云台的内部，云台外部连接云台支架，支架被固定在底座上，云台中部通过云台支架连接在转台上，在转台上设有检测位，每个检测位上设有安装苹果托盘的工位，苹果托盘一端上面是超声波传感器；另一端上面是光源，下面是光电传感器。本发明实现了苹果霉心病的快速自动检测与分拣的整个过程。

Description

一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备及方法

技术领域

本发明属于农业智能设备技术领域，具体地说，涉及一种快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备及方法。

背景技术

苹果霉心病又称心腐病，是危害苹果内部品质的主要病害，近年来红富士苹果的发病率普遍较高，一般发病率为21％左右，尤其是套袋红富士，其发病率高达43.5％-79.5％。

苹果霉心病发病的主要时期在果实成熟期和贮藏期。发病时由心室向外扩散，在外表无明显特征，在果实采摘和分拣环节中难以对病害进行识别，常在储藏期发病腐烂，严重影响了果商和消费者的利益。另一方面霉心病严重影响苹果品质，包含的镰刀菌、单端孢、展青霉素等。因此，霉心病检测已成为苹果产业发展亟待解决的重大问题。

目前针对苹果霉心病的检测方法研宄较少，其技术主要是基于苹果的光特性、生物阻抗特性以及机器视觉特性等原理，其中生物阻抗特性涉及的输入参数较多；光特性大多应用全波段光源，需要和光谱仪结合的检测方式，此方式会含有较多冗余信息，设备的体积明显增大，系统成本也会明显增高；机器视觉检测分析过程复杂、耗时，只能反映表面信息，有些设备检测效率低，检测速度过慢，满足不了批量快速检测的要求，自然也会失去了设备投入正常的生产生活的意义和要求。本发明采用双波段的检测方式，结合转盘自动分拣的多工位模式。该技术具有无损、速度快、效率高、体积小、成本低、重现性好、样品无需预处理、光谱测量方便、适合现场检测和在线分析等独特优势，不仅可以实现快速检测，还可以实现自动分拣，也可以根据需求进行监测速度的调节，具备大型生产线的标准。目前也没有利用该技术的相关应用。

现有技术中，急需一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备及方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备。该设备可实现快速自动检测与分拣的一体化设备及方法。具有超低的成本，操作简单，检测速度可以实现红外遥控无极调速，转盘的工位个数可以根据需求自行安装，运行可靠，病害判别精度高等特点，适合推广应用。

其具体技术方案为：

一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，包括底座1，底座1上设有步进电机2，步进电机2的上面连接一个二级行星减速器3，二级行星减速器3和云台内圈4相连接，云台外部5和转盘主体支架6连接，转盘主体支架6由底座支撑承受转盘总体重量；云台内圈4通过云台支架7连接在转台8上，到达检测位时，转台8右面一端的托盘9正上面是超声波测距模块10；托盘9的下面靠近外侧为合页11，靠近里侧为托盘垫片12，托盘9靠近转盘里测的为弹簧13，用于托盘的复位，托盘9靠近转盘外侧和托盘上岩直接连接的为细线14，细线14的下面为小体积强磁铁15，所有托盘均为此结构。在托盘的另一半有托盘16，图4的位置，托盘16刚好在检测工位上，托盘16的上方为光源17，光源17周围为遮光罩18，托盘16的下面为光电传感器19，在灯壳的四周有密封遮光垫20和21，遮光罩在苹果进出的位置有遮光帘22，最右侧为灯壳支架23，在支架的中部有一个红外接收器24，支架的最上面为显示屏25。工作时，转盘转动，接近开关26触发检测信号，检测后，转盘再次转动，接近开关26再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，如果为坏果，则第一电磁线圈27通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈28通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘9翻转使其落入好果篮子里，第二电磁线圈28断电，托盘9在弹簧13的弹力作用下复位。其他托盘也是如此，依次流程不断检测。控制器安装在底座1上，光源17和光电传感器19组成光谱检测模块，转盘上留有较多的工位，依次为：第一工位29、第二工位30、第三工位31、第四工位32、第五工位33、第六工位34、托盘数量可根据需求安装。本发明实现了苹果霉心病多工位的快速自动检测与分拣的整个过程。

进一步，所述的超声波测距模块通过发射和接受超声波往返的时间来计算传感器到苹果上表面的距离S1，测出传感器到苹果托盘底部的距离S2，由此，得到苹果果径的大小为D＝S2-S1。

进一步，所述步进电机2采用42步进电机，扭矩为0.55N.M，可以承载转台的正常加减速扭矩，而且性能可靠稳定，可以精确控制。

进一步，所述二级行星减速器3选择减速比为1:14的二级行星减速器，使转台的转速在6r/min-12r/min。

进一步，采用红外遥控器，实现检测的无极调控，利用PWM波控制，通过控制输出脉冲信号的占空比，实现非接触式无极调速。

进一步，所述的多工位转盘如图4和图5所示，我们在转盘上设置多个检测位，使托盘和检测工位独立，根据需要添加托盘数量，实现工位数量的自由选择。

所述的光谱检测模块，采用光电传感器作为将光照信息转化为电压信息的器件。光谱检测模块的输入端采用RC低通滤波器，消除电源带来的高频噪声，采用运放芯片将光电传感器反馈的电压信号经过运算放大，经过滤波电容，最终得到准确的电压值。

进一步，所述的第一电磁线圈27和28均采用XDA-40/30的电磁铁线圈。

进一步，所述的苹果托盘上的小体积强磁铁15，利用电磁力非接触式作用力，进行苹果霉心病的分拣，其他托盘也是如此，从而简化了分拣的机械结构。

进一步，所述的弹簧13，采用劲度系数小且有效距离大的弹簧，利用此弹簧实现托盘的自动复位。

本发明所述多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备的操作方法，包括以下步骤：

接近开关26触发检测信号，光源17发出的光线透射苹果后照射在光电传感器19上，将光照强度通过光电传感器转化为经处理后变为电压信号，单片机根据接受到的果径大小和电压信号，利用判别模型，判断苹果是否有霉心病，如果有霉心病则第一电磁线圈27通电，苹果提前落入有霉心病的篮子，如果是好的，则苹果托盘经过转动到达第二电磁线圈28时，第二电磁线圈28通电，托盘翻转，落入好果篮子里。落入后电磁线圈断电，托盘在弹簧13的弹力作用下复原。

进一步，将获取的苹果果径与透射光的强度，输入到芯片的判别模型中，设果径为D。开启光源后的光电转换的电压值与未开启光源的电压值的差为V，Y表示判别结果，Y＝1，表示为病果；Y＝1表示为健康果，其判别模型如下：

D≤70；

70＜D≤80；

80＜D≤85；

85＜D≤90；

D＜90；

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用可见光-近红外透射光谱，基于窄带光源和影响霉心病吸光度的苹果直径来检测苹果霉心病，突破了苹果霉心病快速无损检测理论与方法，利用红外遥控实现了无极调节检测速度，首创利用电磁力将检测的苹果分拣出来，并通过弹簧的弹力简化了普通生产线分拣结构的复杂性，在苹果入库时能够及时准确的分拣出发病苹果，防止了苹果霉心病病菌的大面积侵染，从而实现了“高产、优质、高效、生态、安全”的现代苹果检测与分拣的一体化检测设备，同时项目成果可扩展应用于其它果品内在品质的快速无损检测。

附图说明

图1是不同发病程度的苹果霉心病病果的透射光谱曲线图。

图2是本发明系统结构示意图。

图3是本发明光谱检测模块电路示意图。

图4是本发明的主视图结构信息图。

图5是本发明转台俯视图。

图6是托盘在转盘上被推翻时的衔接关系图。

图7是本发明转台式多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明的理论依据：

苹果受霉心病病菌侵染发病后，其心室生物组织分子发生变异、空腔等，对光谱的吸收作用发生变化，从而导致可见/近红外透射光谱曲线不同，试验采用4个50W的钨卤素灯光源、海洋光学光谱仪USB2000+与计算机构建了苹果霉心病光谱响应特性探寻平台，利用该平台对500个苹果样本进行透射光谱测量并沿果柄处切开，其中获取到苹果果径相近的27条不同发病程度的霉心病果的光谱图像曲线，如图1所示。

分析图1可知，在光谱仪可响应的波段范围内，其中690nm-730nm的波段是对苹果霉心病响应最好的波段，且随着苹果霉心病病果的发病程度逐渐增加，透射光谱曲线的透过峰逐渐降低，直接的反映了苹果霉心病发病程度的增加使得该波段的透射光谱强度值减少，同时根据朗伯比尔定理，苹果直径的不同，造成了光源距光谱接收器件的距离不一样，从而导致光谱强度的衰减，因此依据上述原理，已知光谱吸收值与果径值便可测量出苹果霉心病果的发病程度。

果径检测模块，当接近开关触发检测信号时，苹果此时正好到达超声波传感器下面，超声波传感器通过发射和接受超声波往返的时间来计算传感器到苹果上表面的距离S1，测出传感器到苹果托盘底部的距离S2，由此，得到苹果果径的大小为D＝S2-S1。

转台运动模块，电机采用42步进电机，扭矩为0.55N.M，可以承载转台的正常加减速扭矩，而且性能可靠稳定，可以精确控制。42步进电机最低正常转速大概在100r/min-500r/min左右，为使转台的转速在所需的6r/min-12r/min，减速器采用减速比为1:14的二级行星减速器，降低转速增加转盘扭矩。

转盘多工位模块，我们在转盘上设置多个检测位，根据需要安装托盘数量，实现工位数量的自由选择，从而实现在同等转速下提高检测速度。

光源采用中心波长为710nm，半波宽度为25nm的LED光源，利用核心处理器与PT4115芯片连接，通过输出不同占空比的PWM信号调节驱动芯片的输出电流，从而实现LED光源发出稳定定量的光源，从而提高检测的准确性。

自动分拣模块，每个托盘均和转台利用合页连接，可以在细线的牵引下翻转和通过弹簧弹力复原，工作时，转盘转动，接近开关26触发检测信号，检测后，转盘再次转动，接近开关26再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，如果为坏果，则第一电磁线圈27通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈28通电，电磁铁15在细绳14的牵引下合页使11翻转，进而带动托盘翻转使其落入好果篮子里，电磁线圈断电，托盘9在弹簧13的弹力作用下复位。其他托盘也是如此，依次流程不断检测。从而实现自动分拣。

核心处理模块，以MSP430F149单片机为核心处理器，根据超声波传感器测得传感器到苹果表面的距离和实测的传感器到苹果下表面的距离，计算出果径大小，接受光谱模块的电压值，计算出透射光强度。综合透射光强度和果径信息，判断是否有霉心病。

光源的波段范围为690nm至730nm，FDS1010光电传感器在该波段内的感光系数成线性关系，公式为β＝(0.4×λ-142)/300；其中λ为波长。

光源发出的总强度

判别方法模块：将获取的苹果果径与透射光的强度，输入到芯片的判别模型中，设果径为D，开启光源后的光电转换的电压值与未开启光源的电压值的差为V，Y表示判别结果，Y＝1，表示为病果；Y＝1表示为健康果，其模型如下：D≤70；

70＜D≤80

80＜D≤85

85＜D≤90

D＜90；

本发明可将光谱检测模块、LED光源模块，果径在线监测模块以及自动分拣模块等集成于一体，如图4所示，利用底座1，在底座1上连接器件的支架、固定步进电机2的位置，步进电机2的上面连接一个二级行星减速器3，二级行星减速器3和云台内圈4相连接，云台外部5和转盘主体支架6连接，转盘主体支架6由底座支撑承受转盘总体重量。云台内圈4通过云台支架7连接在转台8上，到达检测位时，转台8右面一端的托盘9正上面是超声波测距模块10；托盘9的下面靠近外侧为合页11，靠近里侧为托盘垫片12，托盘9靠近转盘里测的为弹簧13，用于托盘的复位，托盘9靠近转盘外侧和托盘上岩直接连接的为细线14，细线14的下面为小体积强磁铁15，所有托盘均为此结构。在托盘的另一半有托盘16，图4的位置，托盘16刚好在检测工位上，托盘16的上方为光源17，光源17周围为遮光罩18，托盘16的下面为光电传感器19，在灯壳的四周有密封遮光垫20和21，遮光罩在苹果进出的位置有遮光帘22，最右侧为灯壳支架23，在支架的中部有一个红外接收器24，支架的最上面为显示屏25。工作时，转盘转动，接近开关26触发检测信号，检测后，转盘再次转动，接近开关26再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，如果为坏果，则第一电磁线圈27通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈28通电，电磁铁15在细绳14的牵引下合页使11翻转，进而带动托盘翻转使其落入好果篮子里，电磁线圈断电，托盘9在弹簧13的弹力作用下复位。其他托盘也是如此，依次流程不断检测。控制器安装在底座1上，和光源17和光电传感器19组成光谱检测模块，转盘上留有较多的工位，依次为：第一工位29、第二工位30、第三工位31、第四工位32、第五工位33、第六工位34、托盘数量可根据需求安装。

本发明工作流程如图7所示，工作时，转盘转动，接近开关26触发检测信号，光源发出的光线透射苹果后照射在光电传感器上，将光照强度通过光电传感器转化为经处理后变为电压信号，单片机根据接受到的果径大小和电压信号，利用判别模型，判断苹果是否有霉心病，检测后，转盘再次转动，接近开关26再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，接近开关触发检测信号，如果为坏果，则第一电磁线圈27通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈28通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入好果篮子里，电磁线圈断电，托盘9在弹簧13的弹力作用下复位。其他托盘也是如此，依次流程不断检测。本发明实现了苹果霉心病的快速自动检测与分拣的整个过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，包括底座(1)，底座(1)上设有步进电机(2)，步进电机(2)的上面连接一个二级行星减速器(3)，二级行星减速器(3)和云台内圈(4)相连接，云台外部(5)和转盘主体支架(6)连接，转盘主体支架(6)由底座支撑承受转盘总体重量；云台内圈(4)通过云台支架(7)连接在转台(8)上，到达检测位时，转台(8)右面一端的托盘(9)正上面是超声波测距模块(10)；托盘(9)的下面靠近外侧为合页(11)，靠近里侧为托盘垫片(12)，托盘(9)靠近转盘里测的为弹簧(13)，用于托盘的复位，托盘(9)靠近转盘外侧和托盘上岩直接连接的为细线(14)，细线(14)的下面为小体积强磁铁(15)，所有托盘均为此结构；在托盘的另一半有托盘(16)，图4的位置，托盘(16)刚好在检测工位上，托盘(16)的上方为光源(17)，光源(17)周围为遮光罩(18)，托盘(16)的下面为光电传感器(19)，在灯壳的四周有密封遮光垫(20)和(21)，遮光罩在苹果进出的位置有遮光帘(22)，最右侧为灯壳支架(23)，在支架的中部有一个红外接收器(24)，支架的最上面为显示屏(25)；工作时，转盘转动，接近开关(26)触发检测信号，光源发出的光线透射苹果后照射在光电传感器上，将光照强度通过光电传感器转化为经处理后变为电压信号，单片机根据接受到的果径大小和电压信号，利用判别模型，判断苹果是否有霉心病，检测后，转盘再次转动，接近开关(26)再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，接近开关触发检测信号，如果为坏果，则第一电磁线圈(27)通电，电磁铁(15)在细绳(14)的牵引下使合页(11)翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈(28)通电，电磁铁(15)在细绳(14)的牵引下在合页(11)的作用下，进而带动托盘翻转使其落入好果篮子里，电磁线圈断电，托盘(9)在弹簧(13)的弹力作用下复位；其他托盘也是如此，依次流程不断检测；本发明实现了苹果霉心病的快速自动检测与分拣的整个过程；控制器安装在底座(1)上，和光源(17)和光电传感器(19)组成光谱检测模块，转盘上留有较多的工位，依次为：第一工位(29)、第二工位(30)、第三工位(31)、第四工位(32)、第五工位(33)、第六工位(34)，托盘数量可根据需求安装；本发明实现了苹果霉心病多工位的快速自动检测与分拣的整个过程。

2.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述的超声波测距模块通过发射和接受超声波往返的时间来计算传感器到苹果上表面的距离S1，测出传感器到苹果托盘底部的距离S2，由此，得到苹果果径的大小为D＝S2-S1。

3.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述步进电机(2)采用42步进电机，扭矩为0.55N.M。

4.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述二级行星减速器(3)选择减速比为1:14的二级行星减速器，使转台的转速在6r/min-12r/min。

5.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，采用红外遥控器，实现检测的无极调控，利用PWM波控制，通过控制输出脉冲信号的占空比，实现非接触式无极调速。

6.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述工位的数量能根据需求添加托盘数量。

7.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述的光谱检测模块，采用光电传感器作为将光照信息转化为电压信息的器件；光谱检测模块的输入端采用RC低通滤波器，消除电源带来的高频噪声，采用运放芯片将光电传感器反馈的电压信号经过运算放大，经过滤波电容，最终得到准确的电压值。

8.根据权利要求1所述的多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备，其特征在于，所述的第一电磁线圈(27)和第二电磁线圈(28)采用XDA-40/30的电磁铁线圈，所述托盘上的磁铁(15)用小体积强磁型磁铁，其他托盘磁铁也均用小体积强磁型磁铁。

9.一种权利要求1所述多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

工作时，转盘转动，接近开关触发检测信号，光源发出的光线透射苹果后照射在光电传感器上，将光照强度通过光电传感器转化为经处理后变为电压信号，单片机根据接受到的果径大小和电压信号，利用判别模型，判断苹果是否有霉心病，检测后，转盘再次转动，接近开关26再次触发信号，此时，进行检测工位苹果检测的同时，上一个苹果到达分拣位，如果为坏果，则第一电磁线圈27通电，电磁铁15在细绳14的牵引下使合页11翻转，进而带动托盘翻转使其落入坏果篮子里；如果为好果，则转盘转动一个工位的距离，第二电磁线圈28通电，电磁铁15在细绳14的牵引下在合页11的作用下使托盘9翻转，进而带动托盘翻转使其落入好果篮子里，电磁线圈断电，托盘9在弹簧13的弹力作用下复位；其他托盘也是如此；本发明实现了苹果霉心病的多工位快速自动检测与分拣的整个过程。

10.根据权利要求9所述多工位快速自动检测与分拣的苹果霉心病设备的方法，其特征在于，将获取的苹果果径与透射光的强度，输入到芯片的判别模型中，设果径为D，开启光源后的光电转换的电压值与未开启光源的电压值的差为V，Y表示判别结果，Y＝1，表示为病果；Y＝1表示为健康果，其判别模型如下：

D≤70；

70＜D≤80；

80＜D≤85；

85＜D≤90；

D＜90；