CN112697788B - 基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统，将大米放置在米粒托盘上，通过单片机控制向电极吸附装置上的电极座通高压静电，使得电极座产生大量的自由电荷，利用米粒与电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上米粒的吸附；电极座阵列吸附米颗粒后，通过转动装置使得大米粒与传送带上的硬质粗糙板接触；将大米颗粒释放在硬质粗糙板上；传送带装置将米粒传送至摄像装置下方，通过摄像头获取互不粘连大米粒图像；该发明能够实时采集到均匀分布的高精度大米非粘连颗粒形态图像，方便的观察每一粒的外观形态和特征，准确的对其外观形态特征进行了描述，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

Description

基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统

技术领域

本发明属于大米外观质量检测领域，特别涉及一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统。

背景技术

随着现代计算机信息技术的产业化和快速发展，人工智能日趋成熟，数字图像处理及自动技术的应用在工农业、军事方面都有涉及。数字图像处理的技术及自动计数技术广泛应用到林业农作物种子的自动计数和种子的筛选上，在一定的程度上极大促进了我国现代农业及军事林业等各个领域农作物信息化的快速发展和建设，为实现机器人工视觉的农作物信息化和种子自动计数快速的发展和应用为我国国民经济的跨越式发展和进步提供了坚实的基础和技术支撑。

就目前而言，粮食销售的用途也各不相同，这主要取决于粮食的质量，通过对粮食质量的一些指标问题来决定其方向。传统的方法就是目视来对粮食的质量做出判定。如粮食碎损的精度检验、不良谷物的精度判断、颜色的精度判断等，人工视觉判断的准确性与粮食质量评价密切相关，而人的视觉除与粮食所处环境因素的影响有关还与粮食的外界环境有关，比如新大米的色泽是精白或淡青色，本身带有光泽，而且半透明；相对于陈化大米，黯淡无光泽。还有大米的味道，新的大米有香味，陈旧的大米有霉味或者说异味。而人的视觉味觉与粮食的光源有着关系，这种对比效应可以判定粮食的质量是否达标。

目前对于粮食检验的指标没有明确的规定，因此不同的观测条件下粮食观测结果就不同，所以直接影响了粮食物理检测的最终结果和最终定价。怎么决定粮食物理指标检验条件，是确保各种粮食质量的一个重要条件。

粮食外观质量检测是我国粮食生产和流通的一项基础技术工作，在我国粮食的流通全面走向市场化的背景和形式下，认真地贯彻执行国家的各项流通法和粮食外观品质质量标准，做好我国粮食外观品质检测的工作，是对维护我国粮食的流通市场秩序、推动我国粮食流通产业走向科技化发展和创新的重要科学技术手段，对于优化我国粮食的种植和生产结构、增强我国粮食的综合生产能力、确保世界发达国家的粮食安全发展具有重要的意义。

目前我国对于大米的外观品质的检测仍然主要停留在人工观察的阶段，这种对粮食外观品质的检测工作一直以来存在着工作量大、精准度低、工作效率低并且明显地缺乏其准确性和操作便捷性，而且难以很好地适应实际的生活和工作中的大批量的粮食品质检测。

大米外观的品质指标是生产大米非常重要的一个商品特性之一，也是消费者评价各种大米的综合差异和品质的一个重要参考和评价因素，因此，通过仪器扫描获得大米图像后，可以进一步检测出大米和谷物的外观质量指标，与传统的人工观察检测方式的结果准确性相比，机器代替人工方式大米颗粒的外观检测结果精度和效率有很大的提高。

针对这些技术问题本文首先提出了一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统，对于大米在粮食品质自动检测技术领域的应用做了有着重要意义的基础性研究和技术探索。

发明内容

本发明目的是提供一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统，通过将米粒进行均匀排布，并实时采集到均匀分布的高精度大米非粘连颗粒形态图像，方便观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

为解决上述技术问题本发明提供了一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统，包括有传送带装置以及单片机，传送带装置上的传送带上表面设置有黑色硬质粗糙板，黑色硬质粗糙板可以使米粒图像显示的更加清晰，所述的传送带装置后侧设置有摄像装置，传送带装置前侧面右部设置有转动装置，转动装置上设置有电极吸附装置，传送带装置右侧设置有米粒托盘。

进一步的，所述的摄像装置包括有相机支架与摄像机，相机支架固定在传送带装置后侧，摄像机固定在相机支架上部，摄像机的摄像范围可覆盖传送带的上表面中部。

进一步的，所述的转动装置包括有伸缩电缸、旋转电机、连接杆，伸缩电缸与传送带装置固定，伸缩电缸的输出端固定连接有旋转电机，旋转电极输出端固定连接有连接杆。

进一步的，所述的电极吸附装置与连接杆上端固定连接。

进一步的，所述的电极吸附装置包括有吸附板、电极座，吸附板板上设置有多个均匀分布的电极座，电极座之间相互连接，电极座为锥形结构。

本发明还提供了基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法，包括：

S1:将大米放置在米粒托盘上，通过单片机控制向电极吸附装置上的电极座以及米粒托盘通极性相反的高压静电，使得电极座与米粒托盘产生大量的自由电荷，同时米粒托盘上的大米粒也产生大量的自由电荷，利用米粒与电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附。

S2：电极座阵列吸附大米颗粒后，单片机控制给旋转电机以及伸缩电缸，被固定在旋转电机输出轴上连接杆带动电极吸附模块旋转180度，传送带装置的传送带上设置有黑色硬质粗糙板，使得电极吸附模块与传送带上方的黑色硬质粗糙板平行对齐，再通过单片机控制伸缩电缸带动电极吸附模块垂直下降，使得大米粒与传送带上的黑色硬质粗糙板接触；

S3：单片机控制断开电极吸附装置上的高压静电电压，使电极座阵列与米粒之间失去吸附力，整齐排列的大米颗粒被释放在黑色硬质粗糙板上；

S4：单片机控制传送带将传送带装置上的大米粒传送至摄像装置下方，通过摄像头获取互不粘连大米粒图像。

S5：摄像头与PC端连接，将大米粒图像传输并储存至PC端，方便后期工作人员观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

所述的步骤S1包括：

S11：将大米放置在米粒托盘上，并均匀铺平；

S12：通过单片机控制旋转电机带动电机吸附装置转动至米粒托盘的正上方，再控制伸缩电缸带动电机吸附装置向下移动，直至电极座尖端与托盘上的大米粒接触

S13：通过单片机控制向电极吸附装置以及米粒托盘通极性相反的高压静电，使得电极座与米粒托盘产生大量的自由电荷，同时米粒托盘上的大米粒也产生大量的自由电荷，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使吸附面板与米粒进行极化，产生极化电荷，利用米粒和电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附。

本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统，将米粒放置在托盘上，使托盘上的米粒平整，再通过单片机控制旋转电机进行旋转，通过连接杆带动电极吸附装置旋转至托盘正上方；通过单片机向电极吸附装置的电极座以及米粒托盘通大量极性相反的高压静电，使电极座与米粒托盘上的米粒产生大量的自由电荷。再通过伸缩电缸带动电极吸附装置向下移动，电极座的下部的尖端接触到米粒，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使电极座与米粒进行极化，产生极化电荷，利用米粒和电极座上极性相反自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对米粒托盘上大米粒的吸附。

每个电极座上吸附单个米粒，由于电极座的均匀分布实现对米粒的均匀吸附，通过单片机控制伸缩电缸带动电极吸附装置向上移动，然后再由旋转电机带动电极吸附装置转动至传送带装置正上方，伸缩电缸再带动电极吸附装置向下移动至传送带装置上的传送带上表面，使得吸附的米粒贴近传送带，传送带上表面为黑色黑色硬质粗糙板；通过单片机控制向电极吸附装置断电，电极座对米粒失去吸附力，米粒从电极座上脱落至传送带上的黑色黑色硬质粗糙板上，由于米粒在黑色黑色硬质粗糙板上无法自由滚动，因此可以保证米粒的位置不会随意变动，且黑色的硬质粗糙板可以使米粒图像上的米粒更加清晰，有利于后续米粒在传送带上移动并拍照。

米粒放置在传送带上之后，再通过单片机控制伸缩电缸带动电极吸附装置向上移动，通过旋转电机带动电极吸附装置再次移动至米粒托盘上方，重复上述步骤，继续提取米粒；同时通过单片机控制传送带向前移动一定的距离，使传送带上的米粒移动至摄像装置的下方，通过摄像装置的摄像机获取互不粘连大米粒图像，将大米粒图像传输并储存至PC端，方便后期工作人员观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

该系统在应用之后，在技术上可以很好的弥补和解决机器扫描图像外观测定的不足和技术局限性，推进了非粘连粮食颗粒检测和大米商品化的进程。而且随着国家农业商品化提质粮食增效行动计划的推进和深入实施，应用非粘连的粮食颗粒图像的获取装置不仅很好的符合了现代大米检测过程和粮食商品化的技术发展需要，同时对于现代大米粮食的增效也是可以直接起到一定的帮助和促进作用。

另电极阵列技术已广泛应用于粮食分析领域。本系统的设计主要是针对大米使用电极阵列进行吸附分散大米粒获得非粘连颗粒图像，为开展粮食大米非粘连外观品质指标检测工作做重要准备的一种专业的结构仪器，该检测装置能够实时采集到均匀分布的高精度大米非粘连颗粒形态图像，方便的观察每一粒的外观形态和特征，准确的对其外观形态特征进行了描述，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

附图说明

图1为本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统组成立体图。

图2为本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统结构示意图。

图3为本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法的电极吸附力与电压的关系

图4为本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统中转动装置与电极吸附装置的结构示意图。

图5为本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统中电极吸附装置结构示意图。

附图标记说明：

1.传送带装置、2.相机支架、3.摄像机、4.电极吸附装置、5.转动装置、6.米粒托盘、7.连接杆、8.旋转电机、9.伸缩电缸、10.吸附板、11.电极座。

具体实施方式

实施例1，如图1、图2、图4和图5所示，一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取系统，包括有传送带装置1以及单片机，单片机优选为AT89C51单片机，单片机为现有技术，不在赘述；单片机用来控制电极吸附装置4的开、断电，负责转动装置5和传送带装置1的运转。

传送带装置1上的传送带上表面设置有黑色硬质粗糙板，传送带装置为常用的传动带设备，能够满足精确的控制运行速度与距离即可，为现有技术不在赘述，设置有粗糙板可以在放置米粒的时候防止米粒自由滚动，传送带装置1以及单片机，传送带装置1后侧设置有摄像装置，摄像装置包括有相机支架2与摄像机3，相机支架2固定在传送带装置1后侧，摄像机3固定在相机支架2上部，摄像机3的摄像范围可覆盖传送带的上表面中部，以便可以将传送带上均匀分布的米粒进行全部拍摄，摄像机3与PC端连接，摄像机3拍摄的图像传送至PC端并进行储存，方便后续工作的开展。

传送带装置1前侧面右部设置有转动装置5，转动装置5包括有伸缩电缸9、旋转电机8、连接杆7，伸缩电缸9与传送带装置1固定，伸缩电缸9优选为艾伺顿尔80系列伺服电缸，伸缩电缸9的输出端固定连接有旋转电机8，旋转电机8优选为塞雷42HS08步进电机，旋转电极输出端固定连接有连接杆7，连接杆7为L形，下端与旋转电机8输出端进行连接，上端与电极吸附装置4连接，可以通过单片机来进行精确的控制伸缩电缸9与旋转电机8的伸缩量或转动角度，以便可以精确的控制电极座11与米粒托盘6、传送带装置上黑色硬质粗糙板之间的距离，以及电极吸附装置4的转动角度。

转动装置5上设置有电极吸附装置4，电极吸附装置4包括有吸附板10、电极座11，吸附板10板上设置有多个均匀分布的电极座11，电极座11之间相互连接，电极座11为锥形结构；电极吸附装置4与连接杆7上端固定连接，电极座11与单片机控制端连接，单片机可以控制向电极座11以及米粒托盘6进行通高压静电，使得电极座11以及米粒托盘6上的米粒上产生大量的自由电荷，利用米粒和电极座11上极性相反自由电荷间的高压强电场力相互作用可以用来吸附大米粒。

传送带装置1右侧设置有米粒托盘6，米粒托盘6中部凹陷，方便存放不规则放置的米粒。

本发明的一种基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法及系统，将米粒放置再托盘上，使托盘上的米粒平整，再通过单片机控制旋转电机8进行旋转，通过连接杆7带动电极吸附装置4旋转至托盘正上方；通过单片机向电极吸附装置4的电极座11通大量的高压静电，使电极座11产生大量的自由电荷。再通过伸缩电缸9带动电极吸附装置4向下移动，电极座11的下部的尖端接触到米粒，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使电极座11进行极化，产生极化电荷，利用米粒和电极座11上极性相反自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对米粒托盘6上大米粒的吸附。

每个电极座11上吸附单个米粒，由于电极座11的均匀分布实现对米粒的均匀吸附，通过单片机控制伸缩电缸9带动电极吸附装置4向上移动，然后再由旋转电机8带动电极吸附装置4转动至传送带装置1正上方，伸缩电缸9再带动电极吸附装置4向下移动至传送带装置1上的传送带上表面，使得吸附的米粒贴近传送带，传送带上表面为黑色黑色硬质粗糙板；通过单片机控制向电极吸附装置4断电，电极座11对米粒失去吸附力，米粒从电极座11上脱落至传送带上的黑色黑色硬质粗糙板上，由于米粒在黑色黑色硬质粗糙板上无法自由滚动，因此可以保证米粒的位置不会随意变动，有利于后续米粒在传送带上移动并拍照。

米粒放置在传送带上之后，再通过单片机控制伸缩电缸9带动电极吸附装置4向上移动，通过旋转电机8带动电极吸附装置4再次移动至米粒托盘6上方，重复上述步骤，继续提取米粒；同时通过单片机控制传送带向前移动一定的距离，使传送带上的米粒移动至摄像装置的下方，通过摄像装置的摄像机3获取互不粘连大米粒图像，将大米粒图像传输并储存至PC端，方便后期工作人员观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

实施例2，本发明还提供了基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法，其特征在于，包括：

S1:将大米放置在米粒托盘上，通过单片机控制向电极吸附装置上的电极座通高压静电，使得电极座产生大量的自由电荷，利用米粒与电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附。

S11：将大米放置在米粒托盘上，并均匀铺平；

S12：通过单片机控制旋转电机带动电机吸附装置转动至米粒托盘的正上方，再控制伸缩电缸带动电机吸附装置向下移动，直至电极座尖端与托盘上的大米粒接触；

S13：通过单片机控制向电极吸附装置上的电极座通高压静电，从而在电极座上产生大量自由电荷，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使吸附面板进行极化，产生极化电荷，利用米粒和电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附。

S2：电极座阵列吸附大米颗粒后，单片机控制给旋转电机以及伸缩电缸，被固定在旋转电机输出轴上连接杆带动电极吸附模块旋转180度，使得电极吸附模块与传送带上方的黑色硬质粗糙板平行对齐，再通过单片机控制伸缩电缸带动电极吸附模块垂直下降，使得大米粒与传送带上的黑色硬质粗糙板接触；

S3：单片机控制断开电极吸附装置上的高压静电电压，使电极座阵列失去吸附力，整齐排列的大米颗粒被释放在黑色硬质粗糙板上；

S4：单片机控制传送带将传送带装置上的大米粒传送至摄像装置下方，通过摄像头获取互不粘连大米粒图像。

S5：摄像头与PC端连接，将大米粒图像传输并储存至PC端，方便后期工作人员观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

静电吸附技术是指对一个导电吸附电极施加大量的高压静电从而在吸附电极上产生大量自由电荷，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使吸附面板进行极化，产生极化电荷，利用通过面板和吸附电极上极性相反自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现的吸附。单电极板的吸附电极工作模式，以铝箔为材料的吸附电极，两端覆以绝缘空气层，防止极性相反电荷的流失及受外界的环境影响。由吸附的电极与面板实际上是构成一个独立的吸附电容，电容的相对介电常数由所有绝缘层材质及厚度、空气层、面板绝缘空气层的材质及厚度等多种环境因素共同影响决定，设该吸附的电容为c1，相对介电常数为ε0，电极板与吸附面板间的空气层相对面积介电常数为s，距离为d，则电极与面板间构成的吸附电容可表示为:

（1-1）

对电极的快速加载是当产生一个高压电流极化的极性静电时，电极与电子面板之间就会形成一个极性恒压极化电容，极板上面会聚集正束缚电荷，面板高压极化时会产生极性相反的束缚电荷，电量约为q=cu，中间为均匀的静电场[19]。为了准确求解该极板均匀的静电场中极板与电平面板间的静电力，利用虚位移移动做功的计算原理，设某一特定位移时刻点为t，极板上的平均静电量为t，q极版与板间电势差则变为u，将其静电量变为dq由负极板方向移动至一个面向正极板的整个移动过程中的对电源位移做功的计算过程公式为:

（1-2）

当极板上电量充至Q时，电容器内电场的能量为：

（1-3）

实际上在工作使用过程中这些静电荷有可能仍然因为存在于它对电极管主板及控制面板内部电荷储存的静电荷的巨大影响而逐渐流失，但是此时我们对电极板内部电荷施加的带有高压电和静电流的电压仍然是恒定的。关于它的静电场电压可以用它的能量方程表达式w沿着与磁场电容器之间一定距离的垂直方向使用d求导，可得到与电场间静电力关于磁场电压的定义能量表达式w的定义方程为:

（1-4）

由上式可知，可以通过改变施加的高压静电或改变极板与面板之间的距离来控制改变电极吸附力。电极的吸附力与电极端施加的电压是一条二次抛物线的关系，如图3所示。

根据关系图数据显示，向电极的另一端施加u=627.5v的电压时，电极端部吸附起单颗米粒。一颗大米粒的重量是0.02克左右，根据公式（1-1）、（1-4）合并计算验证的所得数据的合理性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法，其特征在于：所述基于电极阵列的米粒非粘连图像获取的方法主要通过以下装置进行实现，包括有传送带装置以及单片机，所述的传送带装置后侧设置有摄像装置，传送带装置前侧面右部设置有转动装置，转动装置上设置有电极吸附装置，传送带装置右侧设置有米粒托盘；

所述的摄像装置包括有相机支架与摄像机，相机支架固定在传送带装置后侧，摄像机固定在相机支架上部；

所述的转动装置包括有伸缩电缸、旋转电机、连接杆，伸缩电缸与传送带装置固定，伸缩电缸的输出端固定连接有旋转电机，旋转电极输出端固定连接有连接杆；

所述的电极吸附装置包括有吸附板、电极座，吸附板板上设置有多个均匀分布的电极座，电极座之间相互连接，电极座为锥形结构；

基于上述装置通过以下方法进行获取基于电极阵列的米粒非粘连图像：

S1:将大米放置在米粒托盘上，通过单片机控制向电极吸附装置上的电极座以及米粒托盘通极性相反的高压静电，使得电极座与米粒托盘产生大量的自由电荷，同时米粒托盘上的大米粒也产生大量的自由电荷，利用米粒与电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附；

S2：电极座阵列吸附大米颗粒后，单片机控制给旋转电机以及伸缩电缸，被固定在旋转电机输出轴上连接杆带动电极吸附模块旋转180度，传送带装置的传送带上设置有黑色硬质粗糙板，使得电极吸附模块与传送带上方的黑色硬质粗糙板平行对齐，再通过单片机控制伸缩电缸带动电极吸附模块垂直下降，使得大米粒与传送带上的黑色硬质粗糙板接触；

S3：单片机控制断开电极吸附装置上的高压静电电压，使电极座阵列与米粒之间失去吸附力，整齐排列的大米颗粒被释放在黑色硬质粗糙板上；

S4：单片机控制传送带将传送带装置上的大米粒传送至摄像装置下方，通过摄像头获取互不粘连大米粒图像；

S5：摄像头与PC端连接，将大米粒图像传输并储存至PC端，方便后期工作人员观察每一粒的外观形态和特征，便于日后对大米粒形态特征的提取与检测进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法，其特征在于：所述的电极吸附装置与连接杆上端固定连接。

3.如权利要求2所述的基于电极阵列的米粒非粘连图像获取方法，其特征在于，所述的步骤S1包括：

S11：将大米放置在米粒托盘上，并均匀铺平；

S12：通过单片机控制旋转电机带动电机吸附装置转动至米粒托盘的正上方，再控制伸缩电缸带动电机吸附装置向下移动，直至电极座尖端与托盘上的大米粒接触；

S13：通过单片机控制向电极吸附装置以及米粒托盘通极性相反的高压静电，使得电极座与米粒托盘产生大量的自由电荷，同时米粒托盘上的大米粒也产生大量的自由电荷，利用自由电荷所产生激发的高压强电场相互作用促使吸附面板与米粒进行极化，产生极化电荷，利用米粒和电极座上自由电荷间的高压强电场力相互作用从而实现对托盘上大米粒的吸附。