基于計(jì)算機(jī)視覺的水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（南京科技職業(yè)學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，江蘇南京市，210048）楊鵬仙 王惠玲＊ 宗 強(qiáng) 陳 琳

中國作為世界上最大的水果生產(chǎn)大國，水果產(chǎn)量和種植面積逐年提升，2019年我國的水果產(chǎn)量為2.84億噸，通過測算，我國果園面積今后還會(huì)進(jìn)一步增大，供應(yīng)規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大。但總體上看，我國的水果產(chǎn)業(yè)并不能稱之為強(qiáng)，其中最大的痛點(diǎn)是缺乏產(chǎn)業(yè)鏈整合，尤其是各類水果的篩選分級(jí)技術(shù)還相對(duì)落后，嚴(yán)重阻礙了我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)水果的快速有效的分級(jí)，以提升我國水果品質(zhì)和競爭力已經(jīng)勢(shì)在必行[1-2]。

本文介紹了一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)用于水果品質(zhì)分級(jí)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和很好的發(fā)展前景，也最適合走工業(yè)化的發(fā)展軌道。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，水果篩選分級(jí)主要有人工水果分級(jí)和機(jī)械自動(dòng)化分級(jí)兩種形式，其中人工分級(jí)方式需要大量的勞動(dòng)力，效率低，難以滿足大批量分級(jí)需求。機(jī)械自動(dòng)化分級(jí)可以分為純機(jī)械裝置分級(jí)、基于光電檢測技術(shù)分級(jí)和基于圖像/視覺技術(shù)分級(jí)三種。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于圖像/視覺技術(shù)的水果分級(jí)簡化了圖像分類和處理的流程，在很大程度上提升了產(chǎn)品品質(zhì)檢測的速度和精度，降低了成本。因此，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行分級(jí)是自動(dòng)化分級(jí)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本系統(tǒng)將綜合采用傳感器技術(shù)、電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等多種技術(shù)，應(yīng)用智能化的控制方式實(shí)現(xiàn)水果的自動(dòng)分級(jí)。系統(tǒng)的核心是以工控機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，通過工業(yè)相機(jī)采集水果圖像，通過各種傳感器采集各項(xiàng)指標(biāo)，通過LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件搭建人機(jī)界面，并進(jìn)行圖像分析和處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水果的分級(jí)。

1.1 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集裝置、檢測與執(zhí)行裝置、控制系統(tǒng)以及人機(jī)界面等五部分組成。

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)支架、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、物料臺(tái)、卸料機(jī)構(gòu)以及與系統(tǒng)配套的托盤機(jī)構(gòu)、擋板等。其中，系統(tǒng)支架為其他所有部件提供支撐，決定了分級(jí)系統(tǒng)的整體大小。進(jìn)料機(jī)構(gòu)和傳送裝置用于水果的在線運(yùn)輸，傳送機(jī)構(gòu)由電機(jī)等動(dòng)力裝置帶動(dòng)運(yùn)行，卸料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)把經(jīng)過檢測的水果從傳送機(jī)構(gòu)上卸下，將其集中到對(duì)應(yīng)等級(jí)的收集裝置中。本系統(tǒng)采用機(jī)械損傷小的氣動(dòng)式水果分級(jí)卸料機(jī)構(gòu)。分級(jí)后的水果進(jìn)行卸料時(shí)，繼電器將儲(chǔ)氣罐閥門打開，通過高壓氣體將水果吹落，從而達(dá)到自動(dòng)化卸料的目的。

信號(hào)采集裝置包括光源、工業(yè)相機(jī)、采集卡等設(shè)備組成，檢測與執(zhí)行裝置包括編碼器、傳感器、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等組成。信號(hào)采集裝置可以采集圖像以及各種傳感器等信息，把采集到的信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)水果分級(jí)的核心部分。本系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件對(duì)各種信息進(jìn)行信息信號(hào)處理，并可通過人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括運(yùn)動(dòng)控制功能、圖像采集與數(shù)據(jù)處理功能以及通過人機(jī)界面對(duì)各種環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行控制調(diào)節(jié)等功能。

1.2 系統(tǒng)硬件選擇及功能

1.2.1 工業(yè)相機(jī)

完成水果的圖像采集，要求像素高一些，但要考慮成本以及計(jì)算機(jī)對(duì)圖像處理速度。

1.2.2 編碼器編

碼器的功能是確定每個(gè)料斗的實(shí)際位置，選擇時(shí)要兼顧編程方便。

1.2.3 各種傳感器

包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等，用于測量氣壓、溫度以及檢測物料有無等。

1.2.4 電機(jī)

包括用于傳送帶傳輸?shù)碾姍C(jī)、氣泵電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)等。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于NI公司的LabVIEW和LabVIEW Assistant，包括數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理程序、控制和輸出程序、人機(jī)界面三個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集與處理程序主要包括：相機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理、編碼器的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換以及對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理等。控制和輸出程序包括對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制、對(duì)經(jīng)處理的采集信息進(jìn)行輸出以及環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行報(bào)警、提示等信息輸出。人機(jī)界面主要包括通訊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、圖像處理過程顯示等[3-4]。

2 結(jié)果及分析

系統(tǒng)的工作過程為設(shè)備上電后，工控機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。通過人機(jī)界面，點(diǎn)擊啟動(dòng)指令后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序，先判斷物料入口是否有料，如果沒有則繼續(xù)等待，如果有則啟動(dòng)氣泵，達(dá)到預(yù)定的壓強(qiáng)后再進(jìn)行下一步，即進(jìn)料機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，同時(shí)，相機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行拍照識(shí)別，并調(diào)用圖像采集與處理程序，進(jìn)行圖像處理分析，把信息傳輸給到各動(dòng)作控制元件，控制何時(shí)把水果送到預(yù)定軌道，實(shí)現(xiàn)水果的分級(jí)。

以蘋果為例，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)用于蘋果的自動(dòng)檢測和自動(dòng)分級(jí)，通過提取蘋果的大小、顏色、表面缺陷等特征，從而實(shí)現(xiàn)蘋果的自動(dòng)分級(jí)。系統(tǒng)的工作界面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作人機(jī)界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并以蘋果為例進(jìn)行了試驗(yàn)分析，包括水果的成熟度及大小等。實(shí)驗(yàn)報(bào)名，該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可根據(jù)不同需求，設(shè)置不同參數(shù)，進(jìn)行多種水果的分級(jí)，可以拓展到大批量、多種水果分級(jí)處理。