CN109562416A - 用于分选豆子的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于分选豆子(例如咖啡豆)的装置和方法。该装置的特征在于包括：豆子供给机构；连接到豆子供给机构的豆子排布机构；可操作地设置在豆子排布机构中的电子豆子视觉系统；连接到豆子排布机构的出口的豆子喷射机构，电子豆子视觉系统具有中央处理单元，该中央处理单元实现用于分选豆子的方法。该方法的特征在于包括以下步骤：a)获取豆子的数字图像；b)存储步骤a)获取的图像的RGB分量；c.)为步骤b)的直方图的每个色度和亮度分量创建直方图；d.)根据Otsu方法确定阈值点；e)获取二进制图像；f)去除区域；g)获取边缘；h)获取对应于豆子的矢量；i)识别黑色的豆子；j)识别有缺陷的发霉或未成熟的豆子；k)识别具有机械损伤的豆子；以及l)驱动豆子喷射机构，激活用于黑色的豆子的驱动器、用于有缺陷的发霉或未成熟的豆子的驱动器以及用于具有机械损伤的豆子的驱动器。

Description

用于分选豆子的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于分选豆子(特别是洗过的咖啡豆)的装置。

背景技术

农产品的分选导致高质量的产品，价格更高。特殊咖啡(由于其独特的特点而被重视)的市场就是上述的一个很好的例子。虽然在分拣咖啡豆的过程中有用于选择优质产品的机器，但是在传统过程中存在一种不可能去除的豆子；该豆子已经被咖啡果小蠧轻微侵害。

咖啡果小蠧(Hypothenemus Hampei)是哥伦比亚的咖啡种植园中最具侵略性的害虫，其造成的质量下降给咖啡种植户造成了巨大的经济损失。鉴于已经被该类害虫轻微侵害的咖啡豆在咖啡加工过程中和出口之前很难从主要农作物中去除，本专利提出了一种替代方案，用于在湿加工工程中去除被咖啡果小蠹侵害的豆子和有缺陷的胚乳的豆子，以便让咖啡种植户有机会通过生产更高质量的咖啡来获得更高的收入，并为出口商提供更优质的原料。

专利中有这样的系统，该系统使用计算机视觉技术来识别和分离与其他物体具有不同特征的物体。类似地，在农业工业中有许多使用这些技术对农产品进行分类的机器的例子。所有这些技术都具有原料调节器、供给器、物体分析系统和响应分析系统发送的命令的去除系统。

在现有技术中，存在使用数字图像分析来确定农产品是否可接受的系统，其包括用于从主流中去除不同质量的谷物的喷射系统，例如专利US4203522、US4513868、US4630736、US4699273、US5538142、US6191859和US5135114。然而，用于分析产品以确定它们是否可接受的方法因产品而异。

市场上可获得的用于选择农产品的机器品牌有Weco、Cimbria、Sortex、Spectrum、Hongshi、Angelon、Isort、ABD、Really、Aslanjixie、ZRWS、SKS、捷泰智能、WB、Wy、S-Precision、Xeltron、Delta等。这些机器处理干燥和半干燥原材料，不同于本专利中的机器，其对完全湿的产品进行分类。在这种状态下的咖啡豆具有53％湿基的平均湿度并且在其表面呈现水膜。

具体实施方式

本发明对应于豆子分选装置和方法。该装置包括豆子供给机构、豆子排布机构、电子豆子视觉系统和气动喷射机构，在本发明的一个实施例中，豆子排布机构将豆子排布成平面朝上。

在本发明的一个实施例中，要分选的豆子是洗过的咖啡豆。

本发明的方法是一种分选豆子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取豆子的数字图像；

b.存储步骤a中获得的图像的RGB(红绿蓝)分量；

c.对步骤b的直方图的每个色度和亮度分量创建直方图；

d.确定阈值点；

e.获取二进制图像；

f.去除区域；

g.获取边缘；

h.获取与豆子相对应的矢量；

i.识别黑色豆子；

j.识别有缺陷的发霉和未成熟豆子；

k.识别具有机械损伤的豆子；

l.通过激活用于黑色豆子的致动器、用于有缺陷的发霉或未成熟的豆子的致动器以及用于具有机械损伤的豆子的致动器来驱动豆子喷射机构。

本发明的一个实施例对应于用于分选咖啡豆的装置，其特征在于：

i)参考图1和图5，供给机构包括具有纵向杆的主料斗(1)，该纵向杆防止形成阻止咖啡豆连续流的结构。具有光滑表面(2)的旋转滚筒，其增加能量以连续地供给洗过的咖啡豆，和张紧的尼龙刮刀(3)，以分离附着在旋转滚筒表面上的那些豆子。

在本发明的一个实施例中，供给机构向系统提供连续的洗过的咖啡豆流。

ii)参照图1、图2、图3和图4，以平面朝上排布洗过的咖啡豆的豆子排布机构包括另一个大直径的具有光滑表面的旋转滚筒(4)，通过该旋转滚筒(4)，洗过的咖啡豆被送到具有搅拌器(6)的容器(5)上。豆子以平面朝上(10)或朝下(9)排列，其通过水的粘附力和凝聚力而保持在表面(9)上。该滚筒还具有张紧的尼龙刮刀(7)，该刮刀通过将它们轻轻地排出到水平传送带(8)上而释放黏贴的豆子，该水平传送带(8)以稍高的速度使其平面朝上的移动。

以平面朝上排布咖啡豆的排布机构有效地执行该任务。

iii)参考图4和图9，电子豆子视觉系统包括CCD(电荷藕合器件)摄像机(12)、检查罩(11)、照明单元和中央处理单元(可以是计算机或嵌入式(自主)机构)，通过该系统进行分析并对洗过的咖啡豆的质量做出决定。

在本发明的一个实施例中，电子豆子视觉系统的照明机构包括高强度LED。

中央处理单元处理用于识别豆子的方法，该豆子从包括咖啡果小蠹侵害的豆子、黑色豆子、具有机械损伤的豆子、未成熟的豆子和发霉的豆子的组中选择。

参考图8和图9，豆子排布机构，在本发明的一个实施例中是包括10个气动电子阀的气动喷射机构，这些气动电子阀产生能够从主流中喷射有缺陷的咖啡豆的空气喷射。

本发明的装置包括用于供给洗过的咖啡豆的机构、平面朝上排布咖啡豆的排布机构、识别有缺陷的豆子的电子机构和气动喷射机构。

咖啡豆通常具有平坦的侧面和凸出的侧面，并且必须通过识别机构并且平面朝上，因为这是咖啡果小蠹钻入豆中并且可见损坏的一侧。

这种发展的技术特征之一是包括利用豆子的革质膜(内果皮)是半透明的并且当豆子完全湿润时附着在种子(胚乳)上的事实，这意味着诸如由咖啡豆小蠹造成的小孔或不寻常颜色的种子之类的缺陷显示出更大的对比度并且一目了然(可见)。一旦咖啡豆进入干燥过程，内果皮变得不透明并失去其半透明性，这就是为什么很难识别和提取受咖啡果小蠹轻微侵害的咖啡豆的原因。

下面详细描述这些机构。

供给机构

洗过的咖啡豆的剂量由位于机器的主接收料斗下方的旋转圆筒执行。当它旋转时，它将豆子移向一侧，产生下降流。该机构具有刮刀，该刮刀将由于水的粘附力和凝聚力而可能保持在旋转圆筒表面上的豆子分离。在本发明的一个实施例中，为此目的开发的刮刀包括直径为0.5毫米、在两个横向结构之间纵向张紧的尼龙线，该尼龙螺纹接触圆筒而不会对其运动产生明显的阻力。在剂量机构的情况下，流量取决于圆筒的角速度以及料斗出口与圆筒之间的距离；角速度越大，进给量越大，并且高度越高，进给量越大。

图1和图2显示了剂量机构及其部件、主料斗(1)、旋转圆筒(2)和尼龙线刮刀(3)的细节。该机器的主料斗的壁具有纵向杆，该纵向杆防止洗过的咖啡豆附着到这些表面并形成桥，该桥将随后阻挡咖啡豆的连续流动。

豆子排布机构

一旦咖啡豆团处于恒定供给状态，它就进入一个机构，该机构将豆子平面朝上排列。因为咖啡豆含有表面水，所以上述豆子排布机构使用液体相对于各种表面具有粘附力和凝聚力的原理。因此，当将洗过的咖啡豆的平面放置在光滑表面上时，由于表面和豆子的外层之间的水的粘附力和凝聚力，很可能将豆子附着到表面上。如果洗过的咖啡豆的凸面放置在同一光滑表面上，则粘附力和凝聚力不足以保持它，因为这些力取决于接触面积。

参照图2和图6并参照图7，例如用于使咖啡豆面向上的豆子排布机构(图2)，包括直径40cm、具有光滑表面的旋转滚筒(4)，该旋转滚筒(4)具有0.35米/秒的切向速度。洗过的咖啡豆从供给机构流入容器(5)(类似于料斗)，其包含搅拌机构(6)以破碎堵塞流动的豆子结构。

参照图2和图7，附着的豆子继续与滚筒(9)一起旋转，而其凸面朝内的豆子在它们到达图2中的滚筒上的180°的正交点时不会自由地附着和下落(10)。

在本发明的一个实施例中，滚筒具有尼龙线刮刀(7)，直径为0.5mm，在图2的圆筒上为270°，其破坏豆子的水膜并将它们分离。在270°的正交点下方，存在传送带(8)，其线速度(0.38米/秒)略快于滚筒的切向速度，以便接收以平面朝上排布的豆子并运输它们。

参照图6和7，传送带和圆筒之间的距离略大于一个豆的厚度(在8和10mm之间)。

将咖啡豆以平面朝上排布的排布机构高效地执行该任务。不会在圆筒的180°点附着和自由落下的咖啡豆，主要是不具有平面-凸面形状的咖啡豆，例如三角形和圆粒咖啡豆。在该点落入的少量可接受的豆子被重新加工，因为斗式提升机将它们返回到主料斗。

该机构有几个灵活的附件，可以将豆子组织和引导成行，这样豆子就不会堆叠在一起。

电子豆子视觉系统

参照图3和图4，一旦豆子以有组织的方式排布在传送带中并且平面朝上，它们在检查罩(11)下方通过，检查罩(11)包含具有高强度LED的照明机构和CCD数字摄像机(12)，如图3所示。中央处理单元分析由摄像机捕获的图像，以便确定哪些豆子是可接受的、哪些是有缺陷的以及它们在传送带上的位置，以便稍后将它们弹出。

中央处理单元拥有一系列分离豆子并将其分类的方法，例如：可接受的豆子、受咖啡果小蠹侵害的豆子、未成熟的豆子、发霉的豆子、黑色的豆子和具有机械损伤的豆子。

对于豆子分离，使用对比蓝色背景。在操作机器之前需要校准，在此期间通过动态阈值确定要从背景提取的值。

方法1：

为了获取“黑色的豆子”类，使用以下方法：

方法2：识别黑色的豆子

例如，为了识别“未成熟的豆子”和“发霉的豆子”，GB笛卡尔(RGB颜色空间的绿-蓝)上的平均绿色和蓝色强度信息的散点图用于包含每个豆子的分裂部分的中心段。图10显示了散点图。斜率为0.71的直线将健康的豆子与有缺陷的未成熟的豆子和发霉的豆子分开。为此目的而开发的方法如下：

方法3：识别有缺陷的发霉的和未成熟的豆子

由于咖啡螟虫钻一个平均直径为1.23毫米的钻孔，下面的算法用于识别被昆虫损坏的豆子：

方法4：识别被咖啡螟虫侵害的豆子

具有机械损伤的豆子通常具有不完整的形状。要确定哪些豆子具有这些缺陷，将调整椭圆并确定形状的完整性，如以下算法所示：

方法5：识别具有机械损伤的豆子

该方法的识别效率为90％。

豆子喷射机构

参照图8和9，作为上述过程的结果，中央处理单元将数字激活信号(开/关)发送到喷射器的电磁阀。产生的空气流从主流中喷出有缺陷的豆子。

在本发明的一个实施方案中，洗过的咖啡豆被分类为五种类型的缺陷豆子：受咖啡果小蠹侵害的咖啡豆、黑色的咖啡豆、未成熟的咖啡豆、发霉的咖啡豆和机械损伤的咖啡豆。应当理解，本发明不限于这里描述和示出的实施例，因为，对于本领域普通技术人员显而易见的是，存在不脱离本发明的精神的可能的变化和修改，本发明的精神仅由所附权利要求限定。

Claims (2)

1.一种用于分选豆子的装置，其特征在于，包括：

-豆子供给机构；

-连接到所述豆子供给机构的豆子排布机构；

-可操作地设置在所述豆子排布机构中的电子豆子视觉系统；

-连接到所述豆子排布机构的出口的豆子喷射机构；

其中所述电子豆子视觉系统具有中央处理单元，所述中央处理单元实现用于分选豆子的方法。

2.一种用于分选豆子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取豆子的数字图像；

b.存储步骤a获取的所述图像的RGB分量；

c.为步骤b的直方图的每个色度和亮度分量创建直方图；

d.根据Otsu方法确定阈值点；

e.获取二进制图像；

f.去除区域；

g.获取边缘；

h.获取对应于豆子的矢量；

i.识别黑色的豆子；

j.识别有缺陷的发霉或未成熟的豆子；

识别具有机械损伤的豆子；

k.通过激活用于黑色的豆子的驱动器、用于有缺陷的发霉或未成熟的豆子的驱动器以及用于具有机械损伤的豆子的驱动器来驱动豆子喷射机构。