CN113426693A - 一种果实多级筛分装置及筛分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果实多级筛分装置，其包括传送装置，传送装置上设置有若干用于盛放果实的承载装置，承载装置上设置有称重传感器，传送装置的上方设置有拍摄果实的三维相机、激光投射器和颜色传感器，三维相机、激光投射器和颜色传感器均设置有拱形支架上，三维相机、激光投射器和颜色传感器均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接，传送装置旁并排设置有若干果箱，果箱内设置有弧形的缓冲网。公开了一种采用果实多级筛分装置进行筛分的方法。本发明使得果实在分级时统一标准，按照颜色、质量及果皮破损程度进行多元分级，三维相机的引入实现果实立体轮廓特征的提取，实现果实优质体型的判别，同时利用设定延时程序搭配机械控制结构实现果实的自动分拣。

Description

一种果实多级筛分装置及筛分方法

技术领域

本发明涉及果实分类技术领域，具体涉及一种果实多级筛分装置及筛分方法。

背景技术

果实分级是其销售前的一个重要环节，对其销售价格判定有着重要影响。传统的分级筛选主要依靠人工操作判别，需要大量的人工成本且具有较大的个人主观性，同时，人工长期作业会引起专注力降低和情绪的波动，影响到分级的精度，且作业效率受到体能的限制而无法进一步提高。果实是我国产量最大且最受欢迎的果实，但由于其分级技术水平不高，影响了其国际市场上的竞争力。

目前我国自动分级设备还处于试验阶段，我国果实质量检测中使用的果实品质自动检测生产线多为进口设备，这种进口设备是针对大农场生产所设计的，在我国小农户产品的检测中并不实用。部分企业也购买了一些从国外进口的自动分级设备带有表面缺陷和颜色识别功能，但是价格昂贵。因此一种成本低廉、操作性强的果实自动分拣传送装置的需求愈加强烈。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种自动分拣的果实多级筛分装置及筛分方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种果实多级筛分装置，其包括传送装置，传送装置上设置有若干用于盛放果实的承载装置，承载装置上设置有称重传感器，传送装置的上方设置有拍摄果实的三维相机、激光投射器和颜色传感器，三维相机、激光投射器和颜色传感器均设置有拱形支架上，三维相机、激光投射器和颜色传感器均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接，传送装置旁并排设置有若干果箱，果箱内设置有弧形的缓冲网。

提供一种利用上述果实多级筛分装置的果实筛分方法，其包括以下步骤：

S1：将果实放置在托盘上，重量传感器检测该果实的重量，并将重量与果实的重量阈值进行比较；

S2：若该果实的重量＞重量阈值，则该果实的重量标签为a，否则该果实的重量标签为b；

S3：颜色传感器采集该果实的颜色特征，提取该果实的颜色特征值，将颜色特征值与颜色阈值进行比较；

S4：若颜色特征值＞颜色阈值，则该果实的颜色标签为1，否则该果实的颜色标签为2；

S5：激光投射器发射激光线条在该果实上，然后三维相机采集激光线条在该果实上的图像信息，对果实的尺寸进行测量；

S6：利用图像信息，识别出该果实上的疤痕特征，并计算出疤痕区域的面积S，若面积S＞疤痕面积阈值，则将该果实视为破损果，并将该果实打上破损果标签D；

S7：统计该果实的标签，标码装置利用打印机将该果实的标签打印出来，并粘贴在果实上；

若该果实的标签为b+1，则将该果实输送到个小鲜红果箱内；若该果实的标签为a+1，则将果实输送到个大鲜红果箱内；若该果实的标签为a+2，则将果实输送到个大青涩果箱内；若该果实的标签为b+2，则将果实输送到个小青涩果箱内；若该果实的标签为D，则将果实输送到破损果箱内。

本发明的有益效果为：本发明使得果实在分级时统一标准，按照颜色、质量及果皮破损程度进行多元分级，三维相机的引入实现果实立体轮廓特征的提取，实现果实优质体型的判别，同时利用设定延时程序搭配机械控制结构实现果实的自动分拣。

本发明应用机器视觉及颜色传感器对果实颜色及破损进行判别，避免人工对果实样本进行标注时，可能会出现个别果实标注不正确，造成误判；传送带、驱动电机启动延时及三维相机捕捉时间可调，避免传送带速度不稳及光源不稳定问题等影响，造成果实等级误判；果实重量及颜色信息可扩展进行大数据分析，颜色传感器提取果实颜色信息，同时采集单个果实质量信息，依靠分级算法进行分级决策，然后由下位分级执行机构将果实运送至指定级别的果箱内。

附图说明

图1为果实多级筛分装置的结构图。

图2为承载装置的结构图。

图3为打印机的结构图。

其中，1、传送带，2、果箱，3、承载装置，4、主动滚筒，5、拱形支架，6、颜色传感器，7、三维相机，8、激光投射器，9、托盘，10、支撑板，11、弹簧，12、称重传感器，13、螺杆，14、套筒，15、驱动电机，16、升降块， 17、缓冲网，18、标码装置，19、挡板，20、输送槽，21、直线移动模组，22、支撑槽，23、打印机，24、活动架，25、泡沫垫，26、推板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图3所示，本方案的果实多级筛分装置，其包括传送装置，传送装置上设置有若干用于盛放果实的承载装置3，承载装置3上设置有称重传感器 12，传送装置的上方设置有拍摄果实的三维相机、激光投射器8和颜色传感器6，三维相机、激光投射器8和颜色传感器6均设置有拱形支架5上，三维相机、激光投射器8和颜色传感器6均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接，传送装置旁并排设置有若干果箱2，果箱2内设置有弧形的缓冲网17。

传送装置包括环形的传送带1，所述传送带1的两端分别固定在主动滚筒4 和从动滚筒上，所述主动滚筒4安装在传送电机的转轴上，所述传送电机与 cortexA77系列嵌入式控制器电连接，若干所述承载装置3均匀安装在传送带1 上。

承载装置3包括托盘9，所述称重传感器12设置在托盘9的下端，所述称重传感器12的下端设置有竖直的弹簧11，所述弹簧11的下端固定在支撑板10 上，所述支撑板10固定在传送带1上，所述支撑板10上设置有促进托盘9倾斜的驱动机构。

驱动机构包括竖直固定在支撑板10上的螺杆13，所述螺杆13位于托盘9 边沿的下方，所述螺杆13外套有套筒14，所述套筒14的内壁与螺杆13螺纹连接，所述套筒14上设置有从动齿轮，所述从动齿轮与主动齿轮啮合，所述主动齿轮安装在驱动电机15的转轴上，所述驱动电机15和套筒14均安装在升降块 16上，所述套筒14与升降块16转动连接，所述驱动电机15与cortexA77系列嵌入式控制器电连接。

驱动电机15正常工作转动，其带动上方主动齿轮转动，主动齿轮带动其啮合的从动齿轮转动，传动后使得套筒14向上平动，最终推动托盘9向上倾斜，果实下落至果箱2内，缓冲网17固定于果箱2的上侧，使用软性材料，在果实下落过程中起到缓冲作用，保护果实表皮不受损伤。

拱形支架上设置有标码装置，标码装置包括打印机23，打印机23的出纸口上设置有朝向承载装置的支撑槽22，支撑槽22与托盘9接驳，支撑槽22内设置有输送槽20，输送槽20内活动设置有推板26，推板26上设置有软质的泡沫垫25，推板26的上端固定在活动架24上，活动架24的两端分别固定在直线移动模组21的滑块上，两端直线移动模组21与输送槽20平行，输送槽20的端部设置有上、下旋转升降的挡板19，挡板19弹性铰接在输送槽20上，挡板19 的下端设置有压力传感器，压力传感器、打印机23和直线移动模组21均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接。

当检测出果实的颜色、质量的等级和疤痕的面积后，打印机23打印出该果实的信息，形成标签，推板26推动标签将其粘在果实上，由于泡沫垫25的设置，泡沫垫25挤压果实形成变形，能确保标签全部粘在果实上，避免脱落。在粘贴标签的过程中，挡板19被向下挤压，压力传感器检测到压力，标签粘贴完成后，推板26向后移动，挡板19向上抬起，压力传感器的压力消失，压力传感器检测是否每个果实上均粘贴有标签，实现推板26的自动收缩。

利用上述果实多级筛分装置的果实筛分方法包括以下步骤：

S1：将果实放置在托盘9上，重量传感器检测该果实的重量，并将重量与果实的重量阈值进行比较；

S2：若该果实的重量＞重量阈值，则该果实的重量标签为a，否则该果实的重量标签为b；

S3：颜色传感器6采集该果实的颜色特征，提取该果实的颜色特征值，将颜色特征值与颜色阈值进行比较；包括：

S31：颜色传感器6采集果实的RGB值，为了更准确分类，将RGB值转化为HSL值；

S32：将HSL值拟合成Q值作为果实的颜色特征值，将Q等于1.94作为该果实的颜色阈值，且Q＝-4.4435-0.0006H+0.1233S+0.0810L；

RGB值转化为HSL值的公式为：

其中，max为RGB的最大值，min为RGB的最小值；R为三原色红色亮度值；B代表三原色蓝色亮度值；H代表色相；S代表饱和度；L代表亮度；

S4：若颜色特征值＞颜色阈值，则该果实的颜色标签为1，否则该果实的颜色标签为2；

S5：激光投射器8发射激光线条在该果实上，然后三维相机7采集激光线条在该果实上的图像信息，对果实的尺寸进行测量；包括：

S51：识别图像信息中激光线条弯曲变形的形状，利用激光线条的形状计算果实的高度：

其中，P为激光投射器8与三维相机7焦点之间的距离，X为三维相机7与托盘9之间的距离，W为果实底部的半径，C为果实高度。

激光线条投射在不同高度的果实上，相机采集到其位置信息，激光在图像中的位置将会不同。如果当前没有被测果实在光线条投射处，结构光线条呈现出一条没有任何弯曲和变形的直线；如果有果实在光线条投射处，光线条将呈现出一个弯曲变形的曲线，变形越大，说明检测对象的高度越大。

S6：利用图像信息，识别出该果实上的疤痕特征，并计算出疤痕区域的面积S，若面积S＞疤痕面积阈值，则将该果实视为破损果，并将该果实打上破损果标签D；包括：

S61：将图像信息转化成HSL图像，HSL图像中像素点A∈(110-140)之间的感兴趣区域作为疤痕区域；

S62：计算疤痕区域的面积：

S＝n×f(x)²/100

f(x)＝8.53x-6.94

其中，n为像素点A∈(110-140)的个数，f(x)为果实实际大小R与最小外接圆d之间的关系函数，x为像素点A的横坐标。

S7：统计该果实的标签，标码装置利用打印机23将该果实的标签打印出来，并粘贴在果实上；

若该果实的标签为b+1，则将该果实输送到个小鲜红果箱2内；若该果实的标签为a+1，则将果实输送到个大鲜红果箱2内；若该果实的标签为a+2，则将果实输送到个大青涩果箱2内；若该果实的标签为b+2，则将果实输送到个小青涩果箱2内；若该果实的标签为D，则将果实输送到破损果箱2内。包括：

S71：统计该果实的标签，标码装置利用打印机23将该果实的的标签打印出来，并粘贴在果实上；

S72：若该果实的标签为D，则控制驱动电机15延时T工作，将果实输送到破损果箱2内，T为承载装置3从三维相机7位置运动到破损果箱2所需的时间，且T＝Z/v，Z为三维相机7位置到破损果箱2的传送带1的长度，v为传送带1转动的速度；

S73：若该果实的标签为a+1，则控制驱动电机15延时T+t工作，将果实输送到个大鲜红果箱2内，t＝U/v，t为承载装置3在相邻两果箱2之间移动的时间， U为相邻两果箱2之间的距离；

S74：若该果实的标签为b+1，则控制驱动电机15延时T+2t工作，将该果实输送到个小鲜红果箱2内；

S75：若该果实的标签为a+2，则控制驱动电机15延时T+4t工作，将果实输送到个大青涩果箱2内；

S76：若该果实的标签为b+2，则控制驱动电机15延时T+3t工作，则将果实输送到个小青涩果箱2内。

本发明使得果实在分级时统一标准，按照颜色、质量及果皮破损程度进行多元分级，三维相机7的引入实现果实立体轮廓特征的提取，实现果实优质体型的判别，同时利用设定延时程序搭配机械控制结构实现果实的自动分拣。

本发明应用机器视觉及颜色传感器6对果实颜色及破损进行判别，避免人工对果实样本进行标注时，可能会出现个别果实标注不正确，造成误判；传送带1、驱动电机15启动延时及三维相机7捕捉时间可调，避免传送带1速度不稳及光源不稳定问题等影响，造成果实等级误判；果实重量及颜色信息可扩展进行大数据分析，颜色传感器6提取果实颜色信息，同时采集单个果实质量信息，依靠分级算法进行分级决策，然后由下位分级执行机构将果实运送至指定级别的果箱2内。

Claims (10)

1.一种果实多级筛分装置，其特征在于，包括传送装置，所述传送装置上设置有若干用于盛放果实的承载装置，所述承载装置上设置有称重传感器，所述传送装置的上方设置有拍摄果实的三维相机、激光投射器和颜色传感器，所述三维相机、激光投射器和颜色传感器均设置有拱形支架上，所述三维相机、激光投射器和颜色传感器均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接，所述传送装置旁并排设置有若干果箱，所述果箱内设置有弧形的缓冲网。

2.根据权利要求1所述的果实多级筛分装置，其特征在于，所述传送装置包括环形的传送带，所述传送带的两端分别固定在主动滚筒和从动滚筒上，所述主动滚筒安装在传送电机的转轴上，所述传送电机与cortexA77系列嵌入式控制器电连接，若干所述承载装置均匀安装在传送带上；

所述承载装置包括托盘，所述称重传感器设置在托盘的下端，所述称重传感器的下端设置有竖直的弹簧，所述弹簧的下端固定在支撑板上，所述支撑板固定在传送带上，所述支撑板上设置有促进托盘倾斜的驱动机构。

3.根据权利要求2所述的果实多级筛分装置，其特征在于，所述驱动机构包括竖直固定在支撑板上的螺杆，所述螺杆位于托盘边沿的下方，所述螺杆外套有套筒，所述套筒的内壁与螺杆螺纹连接，所述套筒上设置有从动齿轮，所述从动齿轮与主动齿轮啮合，所述主动齿轮安装在驱动电机的转轴上，所述驱动电机和套筒均安装在升降块上，所述套筒与升降块转动连接，所述驱动电机与cortexA77系列嵌入式控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的果实多级筛分装置，其特征在于，所述拱形支架上设置有标码装置，所述标码装置包括打印机，所述打印机的出纸口上设置有朝向承载装置的支撑槽，所述支撑槽内设置有输送槽，所述输送槽内活动设置有推板，所述推板上设置有软质的泡沫垫，所述推板的上端固定在活动架上，所述活动架的两端分别固定在直线移动模组的滑块上，两端所述直线移动模组与输送槽平行，所述输送槽的端部设置有上、下旋转升降的挡板，所述挡板弹性铰接在输送槽上，所述挡板的下端设置有压力传感器，所述压力传感器、打印机和直线移动模组均与cortexA77系列嵌入式控制器电连接。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将果实放置在托盘上，重量传感器检测该果实的重量，并将重量与果实的重量阈值进行比较；

S2：若该果实的重量＞重量阈值，则该果实的重量标签为a，否则该果实的重量标签为b；

S3：颜色传感器采集该果实的颜色特征，提取该果实的颜色特征值，将颜色特征值与颜色阈值进行比较；

S4：若颜色特征值＞颜色阈值，则该果实的颜色标签为1，否则该果实的颜色标签为2；

S5：激光投射器发射激光线条在该果实上，三维相机采集激光线条在该果实上的图像信息，对果实的尺寸进行测量；

S6：利用图像信息，识别出该果实上的疤痕特征，并计算出疤痕区域的面积S，若面积S＞疤痕面积阈值，则将该果实视为破损果，并将该果实打上破损果标签D；

S7：统计该果实的标签，标码装置利用打印机将该果实的标签打印出来，并粘贴在果实上；

若该果实的标签为b+1，则将该果实输送到个小鲜红果箱内；若该果实的标签为a+1，则将果实输送到个大鲜红果箱内；若该果实的标签为a+2，则将果实输送到个大青涩果箱内；若该果实的标签为b+2，则将果实输送到个小青涩果箱内；若该果实的标签为D，则将果实输送到破损果箱内。

6.根据权利要求5所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：颜色传感器采集果实的RGB值，并将RGB值转化为HSL值；

S32：将HSL值拟合成Q值作为果实的颜色特征值，将Q等于1.94作为该果实的颜色阈值，且Q＝-4.4435-0.0006H+0.1233S+0.0810L。

7.根据权利要求6所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，所述RGB值转化为HSL值的公式为：

其中，max为RGB的最大值，min为RGB的最小值；R为三原色红色亮度值；G代表三原色绿色亮度值；B代表三原色蓝色亮度值；H代表色相；S代表饱和度；L代表亮度；Q为颜色特征值。

8.根据权利要求5所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51：识别图像信息中激光线条弯曲变形的形状，利用激光线条的形状计算果实的高度：

其中，P为激光投射器8与三维相机7焦点之间的距离，X为三维相机7与托盘9之间的距离，W为果实底部的半径，C为果实高度。

9.根据权利要求5所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S61：将图像信息转化成HSL图像，HSL图像中像素点A∈(110-140)之间的感兴趣区域作为疤痕区域；

S62：计算疤痕区域的面积：

S＝n×f(x)²/100

f(x)＝8.53x-6.94

其中，n为像素点A∈(110-140)的个数，f(x)为果实实际大小R与最小外接圆d之间的关系函数，x为像素点A的横坐标。

10.根据权利要求5所述的果实多级筛分装置的果实筛分方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

S71：统计该果实的标签；

S72：若该果实的标签为D，则控制驱动电机延时T工作，将果实输送到破损果箱内，T为承载装置从三维相机位置运动到破损果箱所需的时间，且T＝Z/v，Z为三维相机位置到破损果箱的传送带的长度，v为传送带转动的速度；

S73：若该果实的标签为a+1，则控制驱动电机延时T+t工作，将果实输送到个大鲜红果箱内，t＝U/v，t为承载装置在相邻两果箱之间移动的时间，U为相邻两果箱之间的距离；

S74：若该果实的标签为b+1，则控制驱动电机延时T+2t工作，将该果实输送到个小鲜红果箱内；

S75：若该果实的标签为a+2，则控制驱动电机延时T+4t工作，将果实输送到个大青涩果箱内；

S76：若该果实的标签为b+2，则控制驱动电机延时T+3t工作，则将果实输送到个小青涩果箱内。

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