CN212238251U - 一种基于机器视觉的苹果品质分级系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于机器视觉的苹果品质分级系统，包括摩擦带、水平轴、滚子链和双锥式滚筒，滚子链啮合设在两链轮间，双锥式滚筒传动安装在滚子链上；计算机视觉识别系统包括光照箱、动态图像采集系统、图像处理分析软件、控制模块和位置传感器，图像处理分析软件对动态图像采集系统采集的图像信息分析，位置传感器对苹果位置信息确定，控制模块接收信息、将指令传到苹果分级系统；苹果分级系统包括输送链轮、分级料斗、分级驱动机构、分级控制模块和苹果下落滑道，用于苹果品质分级。上述技术方案中提供的基于机器视觉的苹果品质分级系统，能解决现有技术存在的劳动量大、生产率低、分级标准难以实现，分级精度不稳定的问题。

Description

一种基于机器视觉的苹果品质分级系统

技术领域

本实用新型涉及苹果品质分级技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的苹果品质分级系统。

背景技术

我国是苹果生产大国，苹果总量跃居世界第一位，而且品种丰富。苹果的品质检测研究从90年代才开始，仅停留在外部的品质检测上，且远没达到实时检测分级的水平。我国苹果的生产在整个农产品的生产中占有很大的比例，是重要的外贸出口产品。但由于产后处理不够，使得外销苹果的品质难以保证，在国际市场上缺乏竞争力。其原因首先是检测与分选的手段落后。在我国，苹果分级基本上仍由人工完成，人工分级的缺点主要有：劳动量大，生产率低，分级标准难以实现，分级精度不稳定。因为在苹果分级标准中，着色面积和缺陷面积的度量，仅凭人的视觉难以精确区分，且人长时间用眼，会造成疲劳及情绪的不稳定，从而造成分级误差的波动。其次，苹果的内部品质缺乏检测手段，使苹果的内外品质无法保证。因此，研究和开发苹果自动实时分级系统，选出高质量的苹果，为国家创取外汇，在我国具有重要的经济价值和广阔的应用前景。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于机器视觉的苹果品质分级系统，其能有效解决现有技术中存在的劳动量大、生产率低、分级标准难以实现，分级精度不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于机器视觉的苹果品质分级系统，包括苹果输送系统、计算机视觉识别系统和苹果分级系统；

所述苹果输送系统包括摩擦带、水平轴、滚子链以及双锥式滚筒，所述滚子链啮合设置在两链轮之间，所述双锥式滚筒以四个连链节距的间隔均匀安装在销轴两端，且双锥式滚筒通过水平轴安装在滚子链上、并随滚子链的链条传动方向运动，所述摩擦带接触设置在上层双锥式滚筒的下方、且摩擦带的宽度超出双锥式滚筒外端边缘，所述滚子链由第一电动机驱动，摩擦带由第二电动机驱动；

所述计算机视觉识别系统包括光照箱、动态图像采集系统、图像处理分析软件、控制模块和位置传感器，所述光照箱设置在摩擦带所在的滚子链之间，所述动态图像采集系统安装在所述光照箱内采集苹果的图像信息，图像处理分析软件对苹果的图像信息进行分析，位置传感器对苹果的位置信息进行确定，控制模块接收图像处理分析软件以及位置传感器的信息、并将指令传递到苹果分级系统；

所述苹果分级系统包括机架、输送链轮、链条、分级料斗、分级驱动机构、分级控制模块和苹果下落滑道，所述输送链轮设置有两个、且分别设置在所述机架上，所述链条啮合设置在两输送链轮之间，所述分级料斗通过料斗前轴安装在所述链条上，所述分级料斗的料斗后轴支撑在分级驱动机构上，所述分级驱动机构包括动刀片、偏心盘和定刀片，所述动刀片的末端与定刀片的前端转动连接，所述定刀片的前端向末端倾斜向下布置、且苹果下落滑道设置在定刀片的末端，所述偏心盘设置在定刀片内，所述动刀片与偏心盘内的拨杆接触连接，所述分级控制模块控制拨杆转动使动刀片下落，所述分级料斗的料斗后轴向定刀片末端移动，分级料斗中的苹果通过苹果下落滑道输送至苹果收集箱中。

进一步地方案为，所述分级驱动机构还包括导轨，所述动刀片和定刀片设置在所述导轨上，所述分级料斗的料斗后轴支撑在所述动刀片上。

进一步地方案为，所述双锥式滚筒的上方两侧还设置有倾斜向下布置的倾斜条，所述倾斜条为橡胶制成、且倾斜条固定在苹果输送系统的外机架上。

进一步地方案为，所述双锥式滚筒的与苹果接触的外表面为天然橡胶层，双锥式滚筒的内层为聚氨酯橡胶。

更进一步地方案为，所述滚子链的链传动比为1:1，摩擦带的传动比为1:1。

上述技术方案中提供的基于机器视觉的苹果品质分级系统，其通过设置苹果输送系统、计算机视觉识别系统和苹果分级系统，苹果输送系统可使苹果快速、均匀地翻转和输送，将苹果以合适的且不断变化的位置和姿态呈现在计算机视觉识别系统中，使计算机视觉识别系统能够准确、有效全面地获取被检测对象的品质特征信息，计算机视觉识别系统能从快速运动的水果群体中实时提取、分析和判断苹果的形状、大小、色泽、表皮光滑度、果面缺陷和损伤等全部外观品质特征信息，并给出苹果分级系统的控制信号，苹果分级系统接受计算机视觉识别系统发出的信号，使带有位置信息的苹果在对应的分级口位置落下，从而实现果品的分级。

附图说明

图1为本实用新型所述基于机器视觉的苹果品质分级系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述苹果输送系统的部分结构示意图；

图3为本实用新型所述苹果输送系统的侧面结构示意图；

图4(a)为苹果在一对双锥式滚筒上的位置示意图；

图4(b)为苹果与双锥式滚筒的结构示意图；

图5为苹果在双锥式滚筒上的受力图；

图6为苹果A点的运动分析图；

图7为本实用新型所述苹果分级系统的结构示意图；

图8为本实用新型所述分级驱动机构的结构示意图；

图9为步进电机工作控制系统框图；

图10为功率放大电路图；

图11为执行器参数整定效果图；

图12为苹果品质实时检测与分级机构控制回路结构框图；

图13为时间序列连续场扫描所获得的动态渐进苹果图像。

图中：1.苹果输送系统；2.摩擦带；3.链轮；4.双锥式滚筒；41.倾斜条；42.水平轴；5.苹果；6.滚子链；7.位置传感器；8.光照箱；9.照明灯；10.CCD摄像头；11.微机；12.计算机视觉识别系统；13.控制模块；14.分级驱动机构；141.动刀片；142.偏心盘；143.定刀片；15.苹果下落滑道；16.苹果分级系统；161.机架；17.分级料斗；171.料斗后轴；18.链条。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本实用新型的一种或几种具体的实施方式，并不对本实用新型具体请求的保护范围进行严格限定。

本实用新型采取的技术方案如图1所示，一种基于机器视觉的苹果品质分级系统，包括苹果输送系统1、计算机视觉识别系统12和苹果分级系统16；

结合图1、2和图3，苹果输送系统1包括摩擦带2、水平轴42、滚子链6以及双锥式滚筒4，滚子链6啮合设置在两链轮3之间，双锥式滚筒4以四个连链节距的间隔均匀安装在销轴两端，且双锥式滚筒4通过水平轴42安装在滚子链6上、并随滚子链6的链条传动方向运动，摩擦带2接触设置在上层双锥式滚筒4的下方、且摩擦带2的宽度超出双锥式滚筒4 外端边缘，滚子链6由第一电动机驱动，摩擦带2由第二电动机驱动，摩擦带2与双锥式滚筒4紧密接触，当摩擦带2和双锥式滚筒4具有速度差时，双锥式滚筒4会在摩擦带2上绕水平轴转动，调节摩擦带2的速度可以控制双锥式滚筒4的旋转速度，苹果从上料端进入此机构后，由于双锥式滚筒本身的斜度，苹果能自动进入每一对双锥式滚筒的中间，与4个锥筒同时接触，在一对双锥式滚筒的作用下，以既向前输送又同时翻转的运动方式进入计算机视觉识别系统12；另外双锥式滚筒4的上方两侧还设置有倾斜向下布置的倾斜条41，倾斜条 41为橡胶制成、固定在苹果输送系统的外机架上，倾斜条41的作用是保证苹果在输送过程中，苹果能自动单个成行进入每对双锥式滚筒中，苹果输送翻转系统的速度可以根据生产线工作的需要进行调整。

在传输机构的实施中希望被检测的苹果大小均匀，但由于苹果在生长过程中光照、水肥等条件的不同，使得苹果尺寸不均匀，在输送过程中尺寸大的苹果转速较慢，尺寸小的苹果转速较快，在连续采集两幅图像时间内苹果的转角取决于滚子的形状和苹果的尺寸。

本实施例将苹果近似为球形，设苹果半径为R，双锥式滚筒小端半径为R_g，双锥式滚筒两小端面间的距离为b，如图4(b)：

苹果与双锥式滚筒相接触点的轨迹圆半径如下：

所有试验苹果与双锥式滚筒相接触点的轨迹圆平均半径为：

式中R_av——所有试验苹果的平均半径；

设每个苹果在旋转一周中连续被采集n幅图像，则在连续采集两幅图像的时间内，苹果的转角＝360°，而双锥式滚筒相应转角为：

θ_g＝θ_sR_sav/R_g (3)

根据式1可以计算出准球形苹果在连续被采集两幅图像时间内的实际转角为：

为了保证计算机视觉系统能检测到苹果整个表面，必须使苹果的输送和翻转速度与摄像机采样频率相适应，如每个苹果在摄像机视场内被采集4幅图像，则每采集一幅图像苹果应翻转90°，因此研究苹果在双锥式滚筒间的运动规律：

苹果的受力分析

图6为图5所示截面Ⅰ-Ⅰ或Ⅱ-Ⅱ上苹果在双锥式滚筒上的受力图，设一对双锥式滚筒间的中心距为a，每一个苹果的质量为m，重力加速度为g；苹果运动简化为平面运动，一方面随双锥式滚筒以速度v₁向前匀速输送，另一方面同时绕自身水平轴以w作匀速转动；设摩擦带速度v₂＞v₁，分析苹果在一对双锥式滚筒间的受力，做适当简化，得苹果的受力方程为：

2N₁sinα+2N₂sinα-mg＝0 (5)

2N₂cosα-2N₂cosα-4Fsinα＝0 (6)

2M₁+2M₂-4FR_s＝0 (7)

式中α——苹果截面中心O和双锥式滚筒小端端面中心连线与两水平轴中心连线的夹角 cosα＝(a/2)/(R_g-R_s)

F——双锥式滚筒与苹果之间的未知摩擦力；N₁、N₂——前后双锥式滚筒对苹果的支反力；M₁、M₂——苹果在双锥式滚筒间的滚动摩擦阻力偶矩M₁＝δN₁，M₁＝δN₁；δ——苹果与双锥式滚筒的滚动摩阻系数。

设T为链条对每个双锥式滚筒的牵引力，N′₁、F'分别为N₁、F的反力，M'₂为M₂的反力偶矩，则可建立：

TR_g+2N'₂R_gcosα-2M'₂-2F'(R_g+R_ssinα)＝0 (8)

解以上各式得：

苹果的运动分析

设苹果与双锥式滚筒为均质，苹果与双锥式滚筒均作平面运动，双锥式滚筒作逆时针转动，则苹果作顺时针转动。点A为图4(b)所示截面Ⅰ-Ⅰ或Ⅱ-Ⅱ上苹果与双锥式滚筒小端端面的接触点，可知苹果上点A的运动V_a为随双锥式滚筒向前的牵连运动V_e和绕苹果质心转动的相对运动V_r的合成，如图所示。由瞬心法可得苹果上点A的实际运动速度为：

V_a＝L_PAω (10)

由于双锥式滚筒上点A与苹果上点A的实际运动速V_a度相同，而双锥式滚筒的转动角速度ω由摩擦带速度V₂与链条速度V₁之差ΔV＝V₂-V₁产生，即ω₁＝ΔV/R_g，则由瞬心法可得双锥式滚筒上点A的实际运动速度为：

V_a＝L_P1Aω₁ (11)

由上式可得苹果绕质心的转动角速度为：

当V₂-V₁＞0时，双锥式滚筒作逆时针转动，而苹果在滑动摩擦力作用下作顺时针转动；当V₂-V₁＜0时，双锥式滚筒作顺时针转动，而苹果在滑动摩擦力作用下作逆时针转动；当V₂-V₁＝0时，不可取。

由式知a和R_g与苹果转动角速度大小无关，但与苹果是否转动有关；苹果的转动角速度随b、ΔV增大而增大，随苹果的尺寸增加而减小。

苹果运动参数的计算

研究主要对象为苹果，采用的摄像机为SONY DC-TRV75E，该机可在外部触发信号的激发下同步输出图像信号，并可精确控制曝光时间，从而控制苹果图像的模糊程度。

根据国外现有苹果分选设备的技术参数和我们的初步试验结果，苹果处理速度可以达到 4～6/s个。在进行理论设计计算时，设定苹果处理速度为4个，试验中取每对双锥式滚筒间的中心距a＝127mm，则可得出链条前进速度V₁＝0.508m/s。试验要求对每个苹果采集4幅图像，则摄像机在每时间内需采集24幅图像，在试验中提出视觉系统需在两对双锥式滚筒的间距内完成每个苹果的处理，即苹果转动1/4圈，双锥式滚筒前进0.5个中心距。

(1)取苹果的直径为100厘米；重量0.5kg；

(2)取苹果与双锥子滚筒的接触处滚筒的直径为50厘米；

(3)取两个双锥子滚筒之间的距离为30，取两对双锥子滚筒之间的距离为127厘米；

(4)带与滚筒的摩擦系数为0.2——0.5。

将数据代入(1)～(12)式，则可得苹果转动角速度为：

由此式结合上式可计算出ΔV及V₁，从而可以为设计选择链条与摩擦带的驱动转速提供理论依据；计算结果如下：

(1)送系统双锥子滚筒平动速度为0.508m/s；

(2)摩擦带的平动速度为5.837m/s；

(3)链对每个双锥式滚筒的牵引力为6.1～8.2F。

本实施例中苹果输送翻转系统的总体设计

该系统的原动机选择电动机，传动装置选择减速机构，工作机本身利用链传动，由其本身工作的需要，链传动本身的传动比为1:1，摩擦带本身的传动比也1:1。

链传动的设计

采用滚子链传动，设计步骤及方法如下：

1)传动采用1:1传动

链v≤1m/s,查表选取小链轮齿数Z_min＝17，取Z1＝30，Z1＝30。

2)计算功率Pca

由前面计算的牵引力，估算其滚子的数量，考虑工作机的实际工作状况，由表查的工作情况系数KA＝1.5，于链所承受的重量不超过20kg滚子与苹果的擦系数是0.3-0.5，又开式链轮的效率是η＝0.90-0.93，取0.90。其工作功率可按下式计算：

式中：F——工作机的工作阻力N；V——工作机的链轮的线速度m/s；

代入数据得工作机的功率为：P_W＝0.365KW

3)定链条链节数Lp

初定中心距a₀＝50p。由下式

式中：a₀——两链轮中心距；Z₁、Z₂——链轮齿数

代入数据计算结果等于Lp≈142

4)链条节距

取工作情况系数K_a＝1.5，齿数系数K_z＝1.1，选取单排链，K_m＝1.0故：

当n＝970n/min时，由图9.10查得，10A满足要求，其节距p＝25.4mm。

5)实际中心距

代入数据计算结果，a＝1270mm。

6)选择润滑方式

链传动速度v＝0.508m/s，查资料用脂润滑。

选择电动机

据其计算的电动机功率，考虑到工作机工作载荷的变化，中间转动装置功率的损耗，将其实际所用的电动机功率加大，选择常用的Y系列电动机；其型号为：Y801-4，转速1500 转每分。

选择减速器

考虑到缩小成本、缩短生产周期，减速机构选用市场上现有的国家标准减速器，型号 ZLY-112，传动比20。

苹果输送翻转系统组成

(1)链条的选择

由于该系统传递的功率不大，主要传递运动，可选择小节距A系列滚子链16A节距P＝25.4，销轴直径d₂＝8.28，抗拉载荷60KN。

(2)滚筒的选择

滚筒采用圆锥式滚子，外表面与苹果接触的长度采用天然橡胶(NR)，有极好的弹性韧性，避免苹果在上面碰撞和磨擦；内层采用聚氨酯橡胶，并以四个连链节距的间隔均匀安装加长的销轴两端。

调换滚筒的结构和尺寸，可满足对具体类型苹果的分类需要。

(3)链轮的选择

传动比为1:1，该系统的传递的转距较小，故其材料选择35钢可满足需要。

(4)摩擦带的选择

摩擦带选用普通平带，与双锥式滚筒紧密接触，宽度超出超出滚子外段端边缘，长度朝超出光照箱，由电动机带动，材料选择顺丁橡胶(BR)。

电动机的型号：YS711-4，转速1400转每分。

(5)倾斜条的选择

安装在滚子的外侧，固定在机加上；材料采用一般的橡胶。

(6)电动机的选择

链轮的驱动电机选择三相异步电动机。

计算机视觉识别系统12包括光照箱8、动态图像采集系统、图像处理分析软件(安装在微机11中)、控制模块13和位置传感器7，光照箱8设置在摩擦带2所在的滚子链6之间，动态图像采集系统安装在光照箱8内采集苹果的图像信息，图像处理分析软件对苹果的图像信息进行分析，位置传感器对苹果的位置信息进行确定，控制模块13接收图像处理分析软件以及位置传感器7的信息、并将指令传递到苹果分级系统16；

计算机视觉识别系统12(见图1)由光照箱8(内设置有照明灯9)、动态图像采集系统(CCD 摄像头10)、微机11、控制模块13和位置传感器7组成，光照箱8通过选取合适的光源频谱和空间位置，使整个视场内的光照均匀一致，并可根据不同的识别对象进行调节；动态图像采集系统安装在光照箱内，通过调整位置，使之可以获得多个苹果的图像信息，图像处理分析软件对在视场内的每个苹果的形状、大小、色泽、表皮光洁度、表面缺陷、损伤等外观品质特征进行提取、分析和判断，确定该苹果的按国家标准分类的等级，并由位置传感器确定苹果位置的信息，然后通过控制模块将指令传递到苹果分级系统中的分级执行机构，使该苹果在对应分类级别的位置落下，从而实现苹果的分级。

为实现从快速运动的群体中实时提取、分析和判断每个苹果的全部外观品质特征信息，采用时间序列连续场扫描的方式来采集苹果图像。在图13中，计算机视觉系统采集从时间t₁到时间t_n期间视场内连续运动的苹果图像，这些渐进的时间序列苹果图像在计算机内被综合后即可检测苹果整个表面的品质指标。同时，连续场扫描可以使得图像连续地覆盖较多的苹果，以提高视觉系统的工作效率，从而提高生产率。

结合图7和图8，苹果分级系统包括机架161、输送链轮、链条18、分级料斗17、分级驱动机构14、分级控制模块和苹果下落滑道15，输送链轮设置有两个、且分别设置在机架161上，链条18啮合设置在两输送链轮之间，分级料斗17通过料斗前轴安装在链条18上，分级料斗17的料斗后轴171支撑在分级驱动机构14上，分级驱动机构14包括动刀片141、偏心盘142和定刀片143，动刀片141的末端与定刀片143的前端转动连接，定刀片143的前端向末端倾斜向下布置、且苹果下落滑道15设置在定刀片143的末端，偏心盘142设置在定刀片143内，动刀片141与偏心盘142内的拨杆接触连接，分级控制模块控制拨杆转动使动刀片下落，分级料斗17的料斗后轴171向定刀片143末端移动，分级料斗17中的苹果通过苹果下落滑道15输送至苹果收集箱中。

苹果分级系统机构的构成

(1)链条的选择

由于该系统传递的功率不大，主要传递运动，可选择小节距A系列滚子链16B，节距P ＝25.4，销轴直径d₂＝8.28，抗拉载荷60KN。

(2)输送链轮的选择

传动比为1:1，该系统的传递的转距较小，故其材料选择35钢可满足需要。

(3)分级料斗的选择

分级料斗的外侧采用强度较高高的工程塑料，内恻选用弹性较好的工程工程塑料。分级料斗以五个连链节距的间隔均匀安装加长的销轴的一端。

(4)下落滑道

下落滑道采用工业尼龙或帆布制作成的特殊管道，并带有一定的曲线角度，用以缓冲苹果的下滑速度。

苹果实时分级时应准确记录下每一个实时移动苹果的位置，建立苹果在图像中的位置和分级机构分级时的实际位置间的关系，实现对苹果位置变化的同步跟踪，为分级机构提供每个苹果的位置坐标，以便分级机构能根据指令进行准确分级。

本实施例选用CD40148位移位寄存器工作在串入/并出模式，通过接受苹果位置检测传感器产生的脉冲来移位输入的图像处理结果，从而实现苹果位置信息的实时跟踪。系统采集到苹果的第一幅图像后便开始对其进行图像处理，然后把最终的处理结果通过计算机并行口出，用于后续环节的控制。与计算机并行输出口相连的是8个移位寄存器组成的移位寄存器组，计算机并行口的8个数据输出端分别连接其中的一个移位寄存器的串行输入端，输入到移位寄存器中的数据被用于控制系统相应分级出口的启闭。在不扩展并行输出口的情况下，直接利用计算机的打印输出口可以控制8个级别的分级。接近开关输出也作为这些移位寄存器的脉冲输入，苹果每移动1个节距，接近开关产生1个输出脉冲，图像处理结果数据在移位寄存器中前移1位，以记录对应苹果的实时位置情况。这样，苹果在生产线上的位置就与在图像上的位置和在移位寄存器中的位置相对应，即实现目标的同步跟踪。所输出的数据中，在与刚处理结束的苹果分级出口控制端对应的并行口数据位置1，而其他的7个数据位置0，当后续的苹果经过接近开关时，该接近开关产生的脉冲除了触发图像采集卡以完成这一时刻图像的采集外，另一方面也作为每个移位寄存器的移位脉冲，使上述已完成的处理结果存入移位寄存器，让与这一苹果对应的图像处理结果数据1在移位寄存器中移动同样的位数后去控制步进电机1打开相应分级出口，实现对分级机构的正确控制。

由于执行器对每一个分级信号都要以动作状态是否发生变化作为响应，故机构存在动作频繁、冲击大、容易引起系统振荡等缺点。为了避免发生这样的问题，在本系统的执行器控制电路中进行了适当的处理：保存每个分级苹果的前一个苹果的图像处理结果，并与现有苹果的图像处理结果比较，看是否归属于同一个级别，也就是判断这两个苹果是否要从同一个出口分离。如果图像处理的结果相同，则在前一个苹果从出口分离后，执行器停止动作，使分级出口保持打开状态，以待后一个苹果从此出口分离；如果图像处理的结果不同，则执行器件以常规的方式动作。这样可有效控制执行器的动作频度。

苹果自动分级控制系统

采用计算机(PC)、苹果位置传感器(接近开关)、通用的数字逻辑芯片、分立电子元器件和步进电机等组成直接数字控制系统(DDC)，自动检测苹果的各项被控参数，对苹果分级实行自动控制。

分级执行器的作用是接收来自系统的控制信号，使分级出口的机械装置转过约45°，苹果从预定的出口落下，从而达到控制的目的。选用北京斯达特公司的36BF003型步进电机作为分级出口的执行元件，该三相反应式步进电机，步距角1.5°，相电流为1.5A，最大静转矩为8N·m。

分级执行器的控制

步进电机的控制系统原理如图9所示，脉冲分配器产生步进电机工作所需的各相脉冲信号，通过功率放大器进行功率放大后，产生步进电机工作所需的激励电流，步进电机的转速取决于脉冲信号的频率。

1)脉冲信号产生电路

根据研究要求，步进电机要在0.1s内转过45°，所需的驱动脉冲频率是300Hz。本系统采用555时基电路配以适当的阻容元件组成多谐振荡器产生脉冲信号，所产生的脉冲信号的频率f由外接的电阻R_f以及电容的数值确定。

2)脉冲分配器

步进电机以三相六拍方式运转，系统所需的控制信号由CD401944位双向移位寄存器和门电路产生(图9)。时基电路555及与其相连的阻容回路形成一个单稳态电路，开启电源时2、 6是高电平，555输出低电平，电源对电容C充电，当电容C上的电压超过2/3E_c时，2、6处电压低于1/3E_c，555输出高电平，此后输出一直保持在高电平，这样就在初始时刻为移位寄存器输出一个清零脉冲，从而在第一个脉冲到来时移位寄存器就能进入期望状态。为CD40194的移位脉冲，这个脉冲和记录苹果实时位置的移位寄存器CD4014最后两位“异或”结果相“与”后再送到CD40194的脉冲输入端，移位寄存器CD4014串行输入端SI输入的是计算机处理结果。

当苹果经过图像采集和数据处理，完成所属等级判别后，再通过移位寄存器对其位置的实时跟踪，到达相应的分级出口时，由步进电机控制的阀门在这一时刻打开，让苹果从出口分离，随后电机反转，阀门关闭，让不属于这一级别的苹果通过。由于分级过程中，在输送线上次序相连的两个甚至更多个苹果经过判别处理后可能是属于同一个质量等级，进而也将在同一个分级出口分离，因此为了避免在这种情况下步进电机连续地反复启停、变换转向，需要对电机的启停进行合理控制，以实现电机仅在次序相连而分属不同等级的苹果到达预定出口时才会改变其运动状态。因此，由脉冲发生电路产生的矩形方波，在和记录苹果实时位置的CD4014两位输出的“异或”结果相“与”后再送到CD40194的CP端，作为CD40194移位脉冲。

因为所有要在某分级出口EXIT-M选出的苹果信息(用1表示)都被依次存入同一个移位寄存器SHIFT-M中，而其他分级出口选出的苹果信息在SHIFT-M中则被标记为0，因此利用苹果到达分级出口时的移位寄存器输出数据和与此苹果相邻的前一个苹果在该级寄存器中的数据相比较，可以确定分级出口的阀门是需要维持原来状态，还是需要改变，也就是决定电机的动作状态是否需要改变。

3)功率放大电路

综合分析步进电机各种功放电路的优缺点，充分考虑本研究对于步进电机工作频率要求低(约300Hz)、不要求高精度定位的特点，采用单电压电路放大脉冲信号驱动步进电机。电路如图10所示，图10中所标的各个参数值是通过反复调试而得出的。

苹果分级系统自动控制的实现

根据控制要求，应用PD控制原理对系统的主要参数，即分级出口执行机构的响应频率进行调节和控制，具体的实现方法是通过对执行器——步进电机控制电路的相关参数进行整定，得到最佳的控制效果。

PD控制中最重要的参数是调节器的比例系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD，这3个常数值的大小取决于控制对象的动态特性，过大和过小都会使输出变量产生振荡。若系统控制目标动态变化，则需要根据控制目标在不同区间的变化而对这3个参数做适当的校正。电机绕组充放电环节的参数选择，以在频率为300Hz的一个脉冲周期内，绕组内电流的暂态时间最短为目标。利用PD参数整定中的经验整定法，对电路进行仔细的调试、试验，得到了各项最佳参数，取得了理想的控制效果(图11，其中(a)参数整定前电机相电压波形；(b) 参数整定时电机相电压波形；(c)参数整定后电机相电压波形)。

分级控制系统的任务在于控制分级出口阀门的开闭，以改变到达阀门位置的苹果托盘的空间状态。执行器动作的时间一定，阀门只有开关两个状态。控制对象惯性很小，其特性可以近似地认为是一个比例环节。简单的开环控制系统就能保证被控质量。因为被调量的反应太灵敏以致会激烈跳动，考虑到该系统的被调量(执行器的响应频率及转向)与被分级对象的位置信息有关，改进措施是辅以中间状态变换作为输入量。

由于电动执行器的动态响应快，换向也容易，为了能使分级出口快速跟踪正确的开关状态，以保持准确的分级，将以脉冲形式反映的数字图像处理结果与相应苹果的位置信息经过逻辑运算引入控制器的移位方向控制端，这样当数字图像处理所输出的结果变化时，在苹果到达预定的分级出口时，执行器将立即动作，从而使分级出口保持正确的开关状态。分级控制框图如图所示，控制特性如图11(c)。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本实用新型中记载内容后，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的苹果品质分级系统，其特征在于：包括苹果输送系统、计算机视觉识别系统和苹果分级系统；

所述苹果输送系统包括摩擦带、水平轴、滚子链以及双锥式滚筒，所述滚子链啮合设置在两链轮之间，所述双锥式滚筒以四个连链节距的间隔均匀安装在销轴两端，且双锥式滚筒通过水平轴安装在滚子链上、并随滚子链的链条传动方向运动，所述摩擦带接触设置在上层双锥式滚筒的下方、且摩擦带的宽度超出双锥式滚筒外端边缘，所述滚子链由第一电动机驱动，摩擦带由第二电动机驱动；

所述计算机视觉识别系统包括光照箱、动态图像采集系统、图像处理分析软件、控制模块和位置传感器，所述光照箱设置在摩擦带所在的滚子链之间，所述动态图像采集系统安装在所述光照箱内采集苹果的图像信息，图像处理分析软件对苹果的图像信息进行分析，位置传感器对苹果的位置信息进行确定，控制模块接收图像处理分析软件以及位置传感器的信息、并将指令传递到苹果分级系统；

所述苹果分级系统包括机架、输送链轮、链条、分级料斗、分级驱动机构、分级控制模块和苹果下落滑道，所述输送链轮设置有两个、且分别设置在所述机架上，所述链条啮合设置在两输送链轮之间，所述分级料斗通过料斗前轴安装在所述链条上，所述分级料斗的料斗后轴支撑在分级驱动机构上，所述分级驱动机构包括动刀片、偏心盘和定刀片，所述动刀片的末端与定刀片的前端转动连接，所述定刀片的前端向末端倾斜向下布置、且苹果下落滑道设置在定刀片的末端，所述偏心盘设置在定刀片内，所述动刀片与偏心盘内的拨杆接触连接，所述分级控制模块控制拨杆转动使动刀片下落，所述分级料斗的料斗后轴向定刀片末端移动，分级料斗中的苹果通过苹果下落滑道输送至苹果收集箱中。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的苹果品质分级系统，其特征在于：所述分级驱动机构还包括导轨，所述动刀片和定刀片设置在所述导轨上，所述分级料斗的料斗后轴支撑在所述动刀片上。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的苹果品质分级系统，其特征在于：所述双锥式滚筒的上方两侧还设置有倾斜向下布置的倾斜条，所述倾斜条为橡胶制成、且倾斜条固定在苹果输送系统的外机架上。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的苹果品质分级系统，其特征在于：所述双锥式滚筒的与苹果接触的外表面为天然橡胶层，双锥式滚筒的内层为聚氨酯橡胶。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的苹果品质分级系统，其特征在于：所述滚子链的链传动比为1:1，摩擦带的传动比为1:1。

Images