CN115463861A - 高通量荧光标记种子色选机及分选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高通量荧光标记种子色选机及分选方法，包括：供料系统：包括负压吸附轮和种子限位装置；图像识别系统：包括实时图像处理设备、工业相机以及激发光源，激发光源照射负压吸附轮的指定区域，工业相机对准激发光源照射位置；分选系统：包括光纤传感器、分选喷阀以及喷嘴，喷嘴设置在负压吸附轮下方的一侧，分选喷阀控制喷嘴气流的大小；收集系统：位于负压吸附轮下方的另一侧；电控系统：包括控制主板。通过负压吸附轮带动种子转运，再通过工业相机初步确定荧光种子的大致位置，通过光纤传感器的信号产生的时刻确定荧光种子的准确位置，且工业相机的拍照位置是固定的，有助于减小图像处理计算量，且可靠性高，分选准确率高。
Description
技术领域
本发明涉及色选机设计技术领域，具体地，涉及一种高通量荧光标记种子色选机及分选方法，尤其是，涉及一种基于图像识别原理的高通量荧光色选机，其特别适用于转基因荧光蛋白种子的高准确率分选。
背景技术
基因工程育种方式能够极大的提高育种效率，但是，由于转基因种子存在带来基因污染的可能性，该育种方式在主粮作物上应用受限。通过将荧光标记与育性基因连锁表达的方式，可对含转基因成分的种子进行标记，从而达到区分作物上结出的转基因种子与非转基因种子的目的。
为防止基因污染，种子分选要求必须达到接近100％的高纯度分选，才能将含转基因成分的种子和不含有转基因成分种子彻底分开，才能保证种子制备、出售和种植的基因安全。
目前市场上已有的色选机，大多用于粮食、水果等商品的分选，受其应用场景的影响，通常是经过简单的颜色处理来对颜色进行区分，准确度要求不高。而转基因荧光蛋白种子数量巨大，对色选机的通量提出了巨大的需求。
现有公告号为CN110142231B的中国专利文献，其公开了一种荧光标记水稻种子分选机构及方法，包括落料机构、仿形定位机构、运输机构、检测装置、喷射机构、收集通道、光源以及框架，框架包括支撑架、上定位板、中定位板以及侧定位板，检测装置、喷射机构在运输机构上分别设置有检测工位、喷射工位，收集通道对准喷射工位，光源对准检测工位。
现有技术中的分选机构难以确定种子的准确位置，拍照是随机的，造成图像处理计算量大，可靠性不高的问题，存在待改进之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高通量荧光标记种子色选机及分选方法。
根据本发明提供的一种高通量荧光标记种子色选机，包括：供料系统：包括负压吸附轮和种子限位装置，所述种子限位装置设置在负压吸附轮的上侧，所述负压吸附轮上的种子运动至负压吸附轮的正下方时掉落；图像识别系统：包括实时图像处理设备、工业相机以及激发光源，所述激发光源照射负压吸附轮的指定区域，所述激发光源激发荧光蛋白种子发出特定颜色光，所述工业相机对准激发光源照射位置，且所述工业相机将图像信息输送至图像处理设备，所述图像处理设备对图像信息进行处理识别；分选系统：包括光纤传感器、分选喷阀以及喷嘴，所述喷嘴设置在负压吸附轮下方的一侧，所述光纤传感器设置在激发光源照射位置的下游，所述分选喷阀控制喷嘴气流的大小；收集系统：位于负压吸附轮下方的另一侧，包括荧光种子收集装置和非荧光种子收集装置，且所述荧光种子收集装置位于负压吸附轮的正下方；电控系统：包括控制主板，所述控制主板分别与实时图像处理设备和分选喷阀二者电路连接，所述控制主板接收实时图像处理设备和光纤传感器二者发出的信息并处理，且所述控制主板生成控制信号对分选喷阀进行控制。
优选地，所述种子限位装置包括种子限位板和种子限位针，所述种子限位板和种子限位针二者与负压吸附轮之间均形成有供单个种子通过的间隙。
优选地，所述供料系统还包括上料仓，所述上料仓位于负压吸附轮的一侧，且所述上料仓的出料口靠近负压吸附轮。
优选地，所述图像识别系统还包括滤光片，所述滤光片设置在工业相机的镜头前侧。
优选地，所述光纤传感器在激发光源照射位置的上游还设置有一组，该组所述光纤传感器测量负压吸附轮上的种子位置信息并传递至工业相机。
优选地，所述荧光种子收集装置包括依次连通的荧光种子上通道、荧光种子下通道以及荧光种子箱；
所述非荧光种子收集装置包括依次连通的非荧光种子上通道、非荧光种子下通道以及非荧光种子箱。
优选地，所述非荧光种子上通道的开口二者与负压吸附轮正下方的距离，与所述喷嘴喷出的气流大小正相关。
优选地，所述电控系统还包括：电源：为色选机进行供电；电源开关：控制色选机的供电状态；工控屏：用于对色选机进行操作；操作按钮：用于对色选机的运行和停止进行控制；指示灯：对色选机的运行状态进行指示。
优选地，所述负压吸附轮的转速与工控屏输入的目标通量正相关。
根据本发明提供的一种高通量荧光标记种子色选机的分选方法，分选方法包括如下步骤：
S1、准备工作：启动色选机，色选机完成初始化程序，通过工控屏调整目标通量，向上料仓加入待分选的种子，系统进入正常工作状态；
S2、负压吸附轮上的小孔吸附上料仓中的种子，并带动吸附的种子转动；
S3、当种子运动到种子限位装置的位置时，种子限位装置对种子的位置进行限制，并将种子移动至限位以内；
S4、种子运动至激发光源照射区，荧光种子被激发出荧光，非荧光种子不受影响，工业相机获取图像信息并输送至实时图像处理设备；
S5、图像处理设备对接收到的图像进行识别，若存在荧光种子，则向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置，若不存在荧光种子，则不向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置；
S6、种子经过光纤传感器，光纤传感器将信号输送至控制主板，控制主板根据信号产生的时刻确定荧光种子的准备位置；
S7、种子运动至负压吸附轮的正下方，自由下落，控制主板根据记录中的图像位置信息和种子荧光信息控制分选喷阀，若为非荧光种子，分选喷阀控制喷嘴产生气流将种子喷出一定距离，使种子落入非荧光种子收集装置，若否，种子继续自由下落入荧光种子收集装置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过负压吸附轮吸附种子并带动种子转运，再通过工业相机初步确定荧光种子的大致位置，通过光纤传感器的信号产生的时刻确定荧光种子的准确位置，且工业相机的拍照位置是固定的，有助于减小图像处理计算量，且可靠性高，分选准确率高。
2、本发明通过两组光纤传感器，分别为工业相机和分选喷阀提供位置信息，能够减少负压吸附轮运动速度不均匀产生的位置不确定度，进而有助于提高控制精度。
3、本发明通过种子限位板和种子限位针二者与负压吸附轮，能够将负压吸附轮每个孔位上吸附的种子调整至图像识别效果最好的位姿，有助于提高工业相机采集图像信息的准备性，进而有助于提高分选准确率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现色选机的内部结构示意图；
图2为本发明主要体现色选机前侧方向上的结构示意图；
图3为本发明主要体现色选机左侧方向上的结构示意图；
图4为本发明主要体现色选机上侧方向上的结构示意图；
图5为本发明主要体现色选机外部整体结构的示意图。
图中所示：
光纤传感器1 分选喷阀14
滤光片2 荧光种子下通道15
工业相机3 非荧光种子下通道16
激发光源4 驱动电机17
荧光种子箱5 指示灯18
非荧光种子箱6 急停开关19
非荧光种子上通道7 停机按钮20
荧光种子上通道8 启动按钮21
负压吸附轮9 电气柜22
上料仓10 电源开关23
种子限位板11 工控屏24
种子限位针12 整机机架25
喷嘴13
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种高通量荧光标记种子色选机，包括：供料系统，图像识别系统、分选系统、收集系统、电控系统以及整机机架25，整机机架25为整体的安装基础。整机机架25竖立在地面上，具有一定的结构强度和刚度。
如图1、图2以及图3所示，供料系统包括负压吸附轮9、种子限位装置以及驱动电机17，负压吸附轮9转动安装在整机机架25上，种子限位装置固定安装在负压吸附轮9的上侧的整机机架25上。种子限位装置包括种子限位板11和种子限位针12，种子限位板11和种子限位针12二者与负压吸附轮9之间均形成有供单个种子通过的间隙，能够将负压吸附轮9每个孔位上吸附的种子调整至图像识别效果最好的位姿。一种可行的实时方式为，种子限位板11的高度可以进行调整，种子限位针12在负压吸附轮9上的位置也可以小幅调整。
驱动电机17固定安装在整机机架25上，驱动电机17通过带传动方式驱动负压吸附轮9转动。负压吸附轮9由外接真空泵为表面的吸附孔提供负压，从而将种子吸附在所述负压吸附轮9的圆柱面，且负压吸附轮9上的种子运动至负压吸附轮9的正下方时掉落。供料系统还包括上料仓10，上料仓10位于负压吸附轮9的右侧，用于为负压吸附轮9供给待分选种子，上料仓10的出料口靠近负压吸附轮9。
需要明确的是，负压吸附轮9的转速由驱动电机17控制，负压吸附轮9的转动方向为自上料仓10所在的位置逆时针转动。
如图1、图2以及图3所示，图像识别系统包括实时图像处理设备、工业相机3以及激发光源4。图像处理设备为嵌入式图像处理设备，图像处理设备固定安装在整机机架25上，工业相机3和激发光源4二者固定安装在负压吸附轮9的左侧且固定在整机机架25上。激发光源4照射负压吸附轮9的指定区域，该指定区域为负压吸附轮9左侧偏上的位置，激发光源4激发荧光蛋白种子发出红光，工业相机3对准激发光源4照射位置，用于拍摄采集带分选种子的图像信息，且工业相机3将图像信息输送至图像处理设备，图像处理设备对图像信息进行处理识别。
进一步地，图像识别系统还包括滤光片2，所述滤光片2设置在工业相机3的镜头前侧，用于过滤荧光种子的荧光之外其它波长的光源。
如图2，图3所示，分选系统包括光纤传感器1、分选喷阀14以及喷嘴13。光纤传感器1在激发光源4照射位置的上游和下游分别同轴安装有一组，其相对角度可在一定幅度内进行调整。位于激发光源4照射位置上游的一组光纤传感器1，用于检测负压吸附轮9各吸附孔上种子的位置信息并提供给工业相机3。位于激发光源4照射位置下游的一组光纤传感器1，用于检测负压吸附轮9各吸附孔上种子的位置信息并提供给分选喷阀14。
喷嘴13安装在负压吸附轮9下方的一侧且喷嘴13固定安装在整机机架25上，分选喷阀14控制喷嘴13气流的大小。
采用在激发光源4照射位置上游安装一组光纤传感器1，可以通过光纤传感器1给出的位置信息启动工业相机3采集图像，以获得较为一致的种子图像，提高分选准确率。通过两组光纤传感器1，分别为工业相机3和分选喷阀14提供位置信息，能够减少负压吸附轮9运动速度不均匀产生的位置不确定度，提高控制精度。
如图1、图4以及图5所示，电控系统包括控制主板、电源、电源开关23、工控屏24、操作按钮以及指示灯18。控制主板安装在整机机架25的内部，控制主板分别与实时图像处理设备和分选喷阀14二者电路连接。控制主板接收实时图像处理设备和位于激发光源4照射位置下游的光纤传感器1二者发出的信息并处理，控制主板生成控制信号对分选喷阀14进行控制。控制主板还用于控制驱动电机17的启停，控制主板与工控屏24进行实时通信，以接收工控屏24给出的控制指令并对其进行响应。电源安装在电气柜22内，用于为色选机进行供电。负压吸附轮9的转速与工控屏24输入的目标通量正相关。
电源开关23控制色选机的供电状态。工控屏24安装在色选机外部上侧，用于操作者对色选机进行操作。操作按钮安装在电气柜22外侧，操作按钮包括急停开关19、停机按钮20、启动按钮21，用于对色选机的运行和停止进行控制。指示灯18安装在色选机顶部：用于对色选机的运行状态进行指示。
分选系统受电控系统的控制：当非荧光种子转至负压吸附轮9的下侧，并自由下落时，气路接通，喷嘴13对准负压吸附轮9正下方，喷嘴13的一端连接至分选喷阀14，气流受分选喷阀14的控制，通过该气流将转至负压吸附轮9下侧自由下落的非荧光种子喷射出一定距离。
收集系统位于负压吸附轮9下方的另一侧，荧光种子收集装置和非荧光种子收集装置，且荧光种子收集装置位于负压吸附轮9的正下方。荧光种子收集装置包括依次连通的荧光种子上通道8、荧光种子下通道15以及荧光种子箱5。非荧光种子收集装置包括依次连通的非荧光种子上通道7、非荧光种子下通道16以及非荧光种子箱6。
荧光种子上通道8接收从负压吸附轮9下侧自由下落的种子，并沿非荧光种子下通道15落入荧光种子箱5。而非荧光种子上通道7接收由喷嘴13喷出一定距离的种子，由非荧光种子上通道7接收并沿非荧光种子下通道16落入非荧光种子箱6，荧光种子箱5和非荧光种子箱6分别位于荧光种子下通道15和所述非荧光种子下通道16下方位置，用于收集分选后的荧光种子和非荧光种子。需要明确的是，非荧光种子上通道7的开口二者与负压吸附轮9正下方的距离，与喷嘴13喷出的气流大小正相关。
根据本发明提供的一种高通量荧光标记种子色选机的分选方法，其特征在于，采用上述的高通量荧光标记种子色选机，分选方法包括如下步骤：
S1、准备工作：启动色选机，色选机完成初始化程序，通过工控屏24调整目标通量，向上料仓10加入待分选的种子，系统进入正常工作状态。具体地，通过启动按钮21将色选机启动，并等待其自动完成初始化程序，在需要改变目标通量的情况下，通过工控屏24输入目标通量并重新初始化，通过工控屏24输入指令，并分别为各气路提供气源与负压气源，使系统进入正常工作状态。
S2、负压吸附轮9上的小孔吸附上料仓10中的种子，并带动吸附的种子转动。通过负压吸附轮9上的小孔产生的吸附力，吸附上料仓10中的种子。通过驱动电机17驱动负压吸附轮9，带动其上的种子随之转动。
S3、当种子运动到种子限位装置的位置时，种子限位装置对种子的位置进行限制，并将种子移动至限位以内。当种子转过种子限位板11以及种子限位针12时，种子在负压吸附轮9径向与轴向上的位置逐渐受到限制，当种子位置超出该限制时，种子将受到限位板和所述限位针上的限制作用，从而将种子移动至限位以内，保证了种子的位姿的相对稳定。
S4、种子运动至激发光源4照射区，荧光种子被激发出荧光，非荧光种子不受影响，工业相机3获取图像信息并输送至实时图像处理设备。通过激发光源4激发出荧光种子的荧光，非荧光种子不受影响。通过滤光片2滤去其他干扰光线，并通过工业相机3接收荧光并向实时图像处理设备输出图像。
S5、图像处理设备对接收到的图像进行识别，若存在荧光种子，则向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置，若不存在荧光种子，则不向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置。
S6、种子经过光纤传感器1，光纤传感器1将信号输送至控制主板，控制主板根据信号产生的时刻确定荧光种子的准备位置。具体地，种子通过光纤传感器1时，光纤传感器1发出的光受到遮挡，从而使光纤传感器1向所述控制主板输出信号，通过该信号产生的时刻，控制主板可以得到种子的准确位置。控制主板检索嵌入式实时图像处理设备传入的荧光种子位置信息，若存在与当前种子位置较为接近的记录，则将该种子判定为荧光种子。
S7、种子运动至负压吸附轮9的正下方，自由下落，控制主板根据记录中的图像位置信息和种子荧光信息控制分选喷阀14，若为非荧光种子，分选喷阀14控制喷嘴13产生气流将种子喷出一定距离，使种子落入非荧光种子收集装置，若否，种子继续自由下落入荧光种子收集装置。
被喷嘴13喷出一定距离的种子落入非荧光种子上通道7，并沿非荧光种子下通道16进入所述非荧光种子箱6。自由下落的种子落入所述荧光种子上通道8，并沿荧光种子下通道15进入荧光种子箱5，完成种子的分选。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，包括:
供料系统：包括负压吸附轮(9)和种子限位装置，所述种子限位装置设置在负压吸附轮(9)的上侧，所述负压吸附轮(9)上的种子运动至负压吸附轮(9)的正下方时掉落；
图像识别系统：包括实时图像处理设备、工业相机(3)以及激发光源(4)，所述激发光源(4)照射负压吸附轮(9)的指定区域，所述激发光源(4)激发荧光蛋白种子发出特定颜色光，所述工业相机(3)对准激发光源(4)照射位置，且所述工业相机(3)将图像信息输送至图像处理设备，所述图像处理设备对图像信息进行处理识别；
分选系统：包括光纤传感器(1)、分选喷阀(14)以及喷嘴(13)，所述喷嘴(13)设置在负压吸附轮(9)下方的一侧，所述光纤传感器(1)设置在激发光源(4)照射位置的下游，所述分选喷阀(14)控制喷嘴(13)气流的大小；
收集系统：位于负压吸附轮(9)下方的另一侧，包括荧光种子收集装置和非荧光种子收集装置，且所述荧光种子收集装置位于负压吸附轮(9)的正下方；
电控系统：包括控制主板，所述控制主板分别与实时图像处理设备和分选喷阀(14)二者电路连接，所述控制主板接收实时图像处理设备和光纤传感器(1)二者发出的信息并处理，且所述控制主板生成控制信号对分选喷阀(14)进行控制。
2.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述种子限位装置包括种子限位板(11)和种子限位针(12)，所述种子限位板(11)和种子限位针(12)二者与负压吸附轮(9)之间均形成有供单个种子通过的间隙。
3.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述供料系统还包括上料仓(10)，所述上料仓(10)位于负压吸附轮(9)的一侧，且所述上料仓(10)的出料口靠近负压吸附轮(9)。
4.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述图像识别系统还包括滤光片(2)，所述滤光片(2)设置在工业相机(3)的镜头前侧。
5.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述光纤传感器(1)在激发光源(4)照射位置的上游还设置有一组，该组所述光纤传感器(1)测量负压吸附轮(9)上的种子位置信息并传递至工业相机(3)。
6.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述荧光种子收集装置包括依次连通的荧光种子上通道(8)、荧光种子下通道(15)以及荧光种子箱(5)；
所述非荧光种子收集装置包括依次连通的非荧光种子上通道(7)、非荧光种子下通道(16)以及非荧光种子箱(6)。
7.如权利要求6所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述非荧光种子上通道(7)的开口二者与负压吸附轮(9)正下方的距离，与所述喷嘴(13)喷出的气流大小正相关。
8.如权利要求1所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述电控系统还包括：
电源：为色选机进行供电；
电源开关(23)：控制色选机的供电状态；
工控屏(24)：用于对色选机进行操作；
操作按钮：用于对色选机的运行和停止进行控制；
指示灯：对色选机的运行状态进行指示。
9.如权利要求7所述的高通量荧光标记种子色选机，其特征在于，所述负压吸附轮(9)的转速与工控屏(24)输入的目标通量正相关。
10.一种高通量荧光标记种子色选机的分选方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的高通量荧光标记种子色选机，分选方法包括如下步骤：
S1、准备工作：启动色选机，色选机完成初始化程序，通过工控屏(24)调整目标通量，向上料仓(10)加入待分选的种子，系统进入正常工作状态；
S2、负压吸附轮(9)上的小孔吸附上料仓(10)中的种子，并带动吸附的种子转动；
S3、当种子运动到种子限位装置的位置时，种子限位装置对种子的位置进行限制，并将种子移动至限位以内；
S4、种子运动至激发光源(4)照射区，荧光种子被激发出荧光，非荧光种子不受影响，工业相机(3)获取图像信息并输送至实时图像处理设备；
S5、图像处理设备对接收到的图像进行识别，若存在荧光种子，则向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置，若不存在荧光种子，则不向控制主板实时输送荧光种子在图像中的大致位置；
S6、种子经过光纤传感器(1)，光纤传感器(1)将信号输送至控制主板，控制主板根据信号产生的时刻确定荧光种子的准备位置；
S7、种子运动至负压吸附轮(9)的正下方，自由下落，控制主板根据记录中的图像位置信息和种子荧光信息控制分选喷阀(14)，若为非荧光种子，分选喷阀(14)控制喷嘴(13)产生气流将种子喷出一定距离，使种子落入非荧光种子收集装置，若否，种子继续自由下落入荧光种子收集装置。
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2022
- 2022-08-08 CN CN202210947998.0A patent/CN115463861A/zh active Pending
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