車載臍橙電子視覺智能分級設備的開發研究

張應龍,鄒小波

(江蘇大學 基礎工程訓練中心，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

臍橙脆嫩爽口、營養豐富，深受廣大消費者的喜愛。據有關資料統計，我國目前的臍橙種植面積世界第一，年產量世界第三。但由于各種原因，我國果品市場上銷售的臍橙絕大部分都未進行分級，或僅采用人工進行簡單的分級，極大降低了水果的附加值。我國只有極少數的臍橙進行了分級，但分級設備大都來自西班牙、荷蘭和韓國等，一是整機進口價格較高，二是配件更換困難，維修周期過長，主要用于規模企業的臍橙生產。

這些進口分選設備規模較大，安裝調試后在車間內固定于某處，不能移動，臍橙生產企業在車間內利用這些固定分級設備[1]進行分級，臍橙需要在采摘現場進行包裝、裝箱，運輸到生產企業后，再開箱，分級后二次包裝和裝箱，增加了臍橙的生產成本。

近年來，隨著電商的不斷發展，出現了大量的網上銷售渠道，一是設備價格因素，二是產能因素，采用固定分級設備進行臍橙分級對廣大果農來說十分不經濟。因此，廣大果農寧愿采用人工進行臍橙分級，憑經驗判別成熟度和大小，但分級效率低，勞動強度大。

車載臍橙電子視覺智能分級設備采用帶式上料機構自動上料，將臍橙從地面提升至車上，大大降低了果農的勞動強度；通過電子視覺系統[2]來判別臍橙的等級，可以充分保證分級的精度，并成倍地提高分選效率，生產率高；采用回轉剔除分級機構進行分級，機構簡單，分級快速精確；采用觸摸屏式PLC技術[3]進行控制，分級速度適時可調，操作、安裝調試與檢修方便。因此，采用車載臍橙電子視覺智能分級設備[4]進行分級，在采摘現場實時進行機器分級，采摘后直接分級、裝箱，縮短了生產時間，節省了勞力，降低了臍橙的生產成本；并且設備緊湊，價格低廉，非常適合廣大果農中小規模生產使用。

1 總體設計

車載臍橙電子視覺智能分級設備主要由帶式上料機構、差速排列機構、電子視覺光箱、齒條鏈式輸送機構、回轉剔除分級機構、觸摸屏式PLC電氣控制系統和發電機組等組成，如圖1所示。

現場采摘的臍橙倒入放置于地面的帶式上料機構的料斗里，經傳送帶自動上料，將臍橙提升到車箱上的差速排列機構上進行有序排列，成一列輸送到齒條鏈式輸送機構上；齒條鏈式輸送機構的前端設有光箱，內有智能相機；齒條鏈式輸送機構在伺服電機的驅動下，將臍橙向前輸送至攝像工位時，每向前行走過一個工位，智能相機拍一次照，并將信息傳給計算機(圖中未示出)；計算機經過計算和分析，通過PLC電氣控制系統，發出控制信號給回轉剔除分級機構的伺服電機，伺服電機轉過一個角度，帶動拔叉，將選定膠橙從輸送滾上撥出，滾落到相應等級果品箱中，完成一次分級。

整個系統通過PLC控制，所有操作觸摸屏上進行，如圖2所示。啟動設備時，PLC發出脈沖信號，上料機構及排列機構電機運行，運行速度可通過手動調整無級減速器的輸出速比來進行調節；通過伺服驅動器，啟動輸送伺服電機，其運行速度可任意調節。電子視覺系統由光箱、光源、觸發器、智能相機、計算機軟硬件及信號線等組成，對輸送線上的臍橙進行大小和成熟度等信息的獲取、處理，發出剔除信號給PLC；PLC收到分級信號后，通過伺服驅動器，啟動分級伺服電機，將不同等級的臍橙從輸送線上剔除到相應果品箱內。

1.帶式上料機構 2.差速排列機構 3.電子視覺光箱 4.齒條鏈式輸送帶機構 5.回轉剔除分級機構 6.觸摸屏式PLC電氣控制系統

圖2 控制原理圖

2 主要結構及參數設計計算

2.1 載具及電源

由于該設備主要用于果園采摘現場的臍橙分選，果園可能位于遠離公路的丘陵地帶，因此載具應具有較好的越野性能，具有較大的離去角和接近角，適合在崎嶇不平的地面行駛，并具有較大的載重能力和較遠的續航能力，可以搭載較多的人員及自主加油。經綜合考慮，最終載具選擇載重為3t的越野型雙排座柴油卡車。由于載具要承載整套分選設備及采摘的臍橙，車廂長度選擇4m的較為適宜，如圖3所示。

整個設備采用獨立電源供電。由于該設備的多個部件均由電機驅動，包括上料、排列、輸送、分選等，總負荷約為3kW，負荷較大，不能從載具電源系統直接取電，必須另配電源。經市場調研，最終選擇負載性能較好、自重較輕、尺寸較小的開普KDE12EA3型柴油發電機組，功率9.5kVA，自重245kg，并配有多個電源輸出插座，非常方便實用。

圖3 載具示意圖

2.2 自動上料與差速排列

上料機構的作用是將采摘的臍橙從地面提升至車箱上的差速排列機構的始端。

為了減輕果農的勞動強度，分選設備的大部分都放置于載具上，但上料機構放置于地面。這主要是考慮到一筐臍橙要有15～20kg，要將整筐的臍橙從地面搬到載具上非常吃力，自動上料機構由可伸縮機架、料斗、輸送帶、調速電機和出料口組成，如圖4所示。

1.料斗 2.傳送帶 3.可伸縮機架 4.調速電機 5.出料口 6.臍橙 7.V形平帶 8.調速電機組 9.機架 10.底座 11.載具

為了適應不同的地面，上料機構的機架設計成可伸縮結構，以保證出料口的高度剛好將臍橙送到排列機構的入口處，又不至于太高而跌傷臍橙；或太低，臍橙進入不了差速排列機構內。

為了防銹及滿足食品機械的衛生材質要求，料斗采用食品級不銹鋼制成，傳送帶采用食品級橡膠輸送帶。為了保證傳送帶的傳送速度與差速排列機構的運行速度相匹配，提升機構的電機選用調速電機；為了節約成本及方便操作，調速電機采用手動調速。

工作時，臍橙倒入料斗中，在調速電機的驅動下，通過傳送帶將臍橙提升至車廂高度，經過出料口，滑落到排列機構的V形平帶上。

差速排列機構由V形平帶、調速電機組和機架等組成，并固定于車廂內的底座上。V形平帶由2條呈120°的輸送帶組成，并各由一個調速電機驅動，由于兩輸送帶的速度設計成一快一慢，導致滑落到V形平帶上的臍橙在向前行進的同時，自身也旋轉。這樣，當上料機構的速度與V形平帶的輸送速度相匹配時，臍橙就自動排列，呈一列整齊有序的向前行進。

2.3 臍橙的輸送

經過排列的臍橙通過輸送帶從差速排列機構的出口輸送至分級機構的攝像工位。輸送帶采用鏈輪鏈條傳送機構：一是傳動平穩，工位準確；二是可實現臍橙的翻轉。

為了保證所攝圖像反映整個臍橙的外觀，必須讓臍橙連續翻轉，因此輸送滾在采用鏈條傳動的同時，增加一齒輪齒條傳動，齒輪與滾子的端面相連，齒條固定于托板上，這樣當鏈條帶動輸送滾向前行進時，在齒輪的帶動下，自身繞軸線旋轉，使得其上的臍橙也一同繞自身軸線旋轉，其結構如圖5所示。其中，鏈條導軌，可保證輸送鏈不因自身質發生下垂。

1.空心銷軸鏈 2.軸 3.齒輪 4.齒條 5.臍橙 6.輸送滾 7.鏈條導軌 8.托架

齒輪、齒條及鏈條導軌均采用超高分子材料制成，在具有較高強度的同時，本身具有非常好的自潤滑性能和抗磨性能。

2.4 檢測與自動分選

電子視覺系統是一種基于由逐行掃描CCD彩色攝像頭、具有外觸發功能的圖像采集卡和計算機組成的攝像系統，是整個檢測與分選系統運行的核心，主要包括光箱(光源)、智能逐行掃描彩色CCD相機、觸發器及計算機等幾大部分。

工作時，置于滾子之間的臍橙在輸送線上走過一個工位時，觸發器觸發攝像頭抓拍一次圖像；拍攝的圖像經計算機處理以后，給分級機構發出分級信號進行分級，為保證分級機構分級的靈敏度和避免損傷臍橙，設計采用如圖6所示的伺服驅動分級機構。

1.伺服電機 2.固定支架 3.撥叉 4.臍橙 5.軸 6.撥叉軟墊 7.輸送輥

圖6中，分級機構由伺服電機、固定支架、撥叉、軸和撥叉軟墊組成。撥叉有個撥叉，即4個工位，兩撥叉之間的空擋足夠容下直徑120mm的臍橙通過，在沒有分級動作時，其空擋正對輸送輥。伺服電機的啟動和停止由PLC控制，當伺服電機驅動器接收到分級信號后，啟動電機旋轉90°后停止，驅動撥叉轉動一個工位，將待分選臍橙剔除到相應果品箱內，完成一次分級過程。

由于伺服電機具有響應性能好、無自轉現象的優越性，可保證分級動作的可靠、準確。為防止撥叉損傷臍橙，在撥叉的頭部固定有軟墊。

與氣吹分級執行機構及撥叉分級執行機構相比，伺服驅動回轉分級機構具有力度可調、響應速度快，不會造成分級遺漏和二次損傷等優點。

圖像抓拍之后，抓拍到的圖像，傳入計算機，經過去背景、濾噪等預處理[5]。當選別開關設為“顏色”，對經處理過的圖像計算出成熟度指標：如成熟度指標為橙紅時，該臍橙運行至橙紅果品工位，分級機構將其剔除至橙紅品箱內；如成熟度指標為橙黃至橙紅時，該臍橙運行至橙黃至橙紅果品工位，分級機構將其剔除至橙黃至橙紅品箱內；如成熟度指標為非橙紅、非橙黃至橙紅時，分級機構不動作，臍橙沿著輸送線繼續前行，最后進入未成熟果品箱內。

當選別開關設為“大小”，則經圖像處理之后，計算出臍橙大小：如臍橙果實橫徑在70～75、75～80、80～85、85～90mm之中的某一范圍內，則當將臍橙運行至相對應的一、二、三、四工位時，分級機構將其剔除至相應級別的果品箱內；如果臍橙的果實橫徑不在上述范圍之內，分級機構不動作，臍橙沿著輸送線繼續前行，最后進入60～70mm果品箱內。

3 分級試驗與結果

3.1 試驗基本情況

車載臍橙電子視覺智能分級設備試驗分為兩個階段：一是設備車輛的越野性能試驗；二是設備的分級指標試驗。

1)設備車輛的越野性能試驗。鎮江位于江南平原與丘陵山地之間的過渡地帶，地貌特征以丘陵崗地為主，具有得天獨厚的載具越野性能試驗條件。載具越野性能試驗就地選擇在鎮江郊區林場， 試驗項目為設備車輛在有較大坡道路面及泥濘道路上的行駛、爬坡、下坡及倒車等。

2)分級指標試驗。分級指標試驗是將從批發市場采購回來的大小不等、顏色各異的臍橙和桔子混合而成的水果進行分選，時間安排在越野性能試驗后進行。

在分選之前通過人工測量、標識臍橙的大小，橙紅色臍橙橫徑在70～75、75～80、80～85、85～90mm 的各20只，共計80只；橙黃色臍橙橫徑在70～75、 75～80、80～85、85～90mm 的各20只，共計80只；桔子的顏色全為青色，橫徑在60～70mm之間，數量為40個。

3.2 試驗結果

經試驗，設備車輛在試驗路面多趟來回行駛、爬坡、下坡、倒車，司機反映車輛動力足，爬坡、下坡、倒車機動靈活。設備經長時間行駛、顛簸后，沒有發生零件脫落、變形等不良現象，經簡短安裝調試，可立刻投入到分選作業。

因分選試驗樣本比較少，為保證試驗的真實性，分選按大小和顏色各分5次重復進行，設定分選速度1.5只/s，按大小分級統計結果如表1所示。

表1 大小分級結果

Table 1 The results of size grading

橫徑/mm樣本數分選數差錯率/%60～70400396170～752001971.575～80200204280～852002052.585～902001981

按顏色分級統計結果如表2所示。

表2 顏色分級結果

試驗表明：車載臍橙電子視覺智能分級設備具有性能可靠、適應性強、分級效率高、分選差錯率及勞動強度低等優點。

4 結論

將電子視覺系統、車載系統、電源系統、PLC控制等技術集成應用到臍橙的分級生產中，設計制造了車載臍橙電子視覺智能分級機，突破了傳統的水果分選生產模式。該設計一改以往水果在車間進行分級的方式，取而代之的是在采摘現場進行分級的方式，不僅可以節約水果生產成本，而且大大縮短了水果的生產時間，如能加以推廣，應用到蘋果、柑橘等水果的分級生產中，將帶來巨大的經濟效益和示范推廣效應，具有廣闊的市場前景。