水果机器视觉质量综合分选机的设计研究

摘 要：人们在选择水果的时候，往往会根据水果的外观（如颜色、大小等）来对水果的质量进行评判，但是这种评定方法没有理论依据。为了满足人们对水果外观品质与质量综合分选的实际需求，相关技术人员设计了一种水果机器视觉质量综合分选机，以实现对水果的全面综合检测，自动对水果进行分级选择。基于此，本文对水果机器视觉质量综合分选机的设计进行介绍，加深人们对分选机的认识。

关键词：水果机器;视觉质量;综合分选机;设计

现阶段，大部分水果分选机都是侧重质量或者视觉单方面的选择器，过于片面，水果分选效果不良，具有一定的误差。因此，该文介绍一种新型的水果自动分选器，并对该水果分选器的构成结构和工作原理进行分析，让人们了解水果同步检测器的设计原理和使用方法，实现对水果的全面检测。

一、分选机的结构设计

近年来，随着人们的生活水平不断提高，人们对食品质量的要求越来越高。为了提高水果的商业价值，保证水果的质量，需要对水果进行严格检测，并分为不同的等级。采用人工分选方式不仅效率不高，而且会浪费大量的人力、物力，因此需要采用机械化、自动化的方法来对水果进行分选[1]。

通常，检查完水果的外表之后需要对水果的质量进行检测，然后进行分级。但是，现有的水果分选机大多侧重于外表视觉检测或单一的质量检测，检测项目过于单一，无法全面保证水果质量。因此，需要对水果分选器进行改进和优化，选用集视觉检测与质量检测于一体的水果分选机。

水果机器视觉质量综合分选机是在水果机器视觉分选机的基础上加工而成的，在视觉分选机上增加了称重模块，通过将水果外表检测结果与水果质量检测结果进行融合，得出最终的水果分选等级，实现对水果的自动分级。这类分选机主要包括4个构成部分，分别为机械系统、称重模块、同步控制系统和图形处理系统，整体构成结构如图1所示。

图1中的数字标号1～5分别代表的是分级执行机构、摄像机、光照箱、水果支撑滚子及水果分选杠杆，6～10分别代表循环输送链、摩擦带、称重传感器、称台及水果收集箱，11～13分别代表红外光电开关传感器、同步编码器及链轮[2]。

由图1可知，该水果分选机的机械系统主要是由水果输送翻转机与分级卸料装置两部分构成的，其中包括水果支撑滚子、水果循环输送链、分选杠杆和水果储存箱等构件。水果输送线上方安装了分级执行机构，由分选凸轮和步进电机两部分构成，主要对水果进行自动分级;称重模块的下方设置有称台，负责对水果质量进行检测[3];图像采集区域安装有光照箱，光照箱中有摄像头，可以对水果进行摄像，以便进行外观质量检测。

二、机械系统的设计方法

（一）滚子式水果输送翻转机构的设计

滚子式水果输送翻转机中，滚子安装在滚子轴上面，滚子轴安装在输送链上面，整个机构由输送链带动。在这个机械中，滚子呈现双锥凹形，由2个相邻的滚子共同支撑水果。当滚子受摩擦运动时，滚子上的水果也开始运动，由输送链的一端移动到另外一端，并且在滚子的带动下不断翻动，这样水果的所有表面都可以呈现到摄像机下面，通过摄像机采集完整的水果图像[4]。这种设计方法可以在提高水果输送效率的同时对水果的表面图像进行全面采集。

（二）机械系统的结构和工作原理

水果输送装置上设有水果分级卸料装置，水果的正下方设有分选杠杆分选臂，输送链的上面固定有纵向水平轴，分选杠杆则安装在纵向水平轴上面，并且能绕着纵向水平轴自由转动，在输送线上方的机体框架上固定有分级执行机构。如果水果已经被输送到卸料口，分级执行机构就会接收到主控机下达的指令，运用凸轮完成水果的分选和卸料工作，水果卸料工作完成后凸轮就会恢复原状，使其他等级的水果顺利通过。

三、称重模块的设计及使用原理

通过对水果分选机的构造进行分析发现，在水果支撑滚子下方安装有称台，称台的两边有称重感应器，水果在运输过程中会在滚子上运动，滚子下方的称重器就会对水果进行称重。

称重水果器得到的质量是称台、水果、滚子和链条等附件的总质量，水果的实际质量需要通过计算获得。首先需要提前知道称台、滚子附件及链条的质量，将称台质量设置为m1，滚子和链条的质量设置为m2，将水果通过传感器的总质量设置为m3，那么水果的净质量m=m3-（m1+2m2）[1]。

称重模块中需要选择合适的A/D转换器，模拟电压信号在进入主机电路之前需要通过A/D转换器来进行数模转换。在此系统中应用的A/D转换器为TLC2543，有12位开关电容转换器，能提供的最大采样频率是66 ksps，所需供电电流大概1 mA，而且系统内部基本都带有采样保持器[3]。称重信号处理电路结构图如图2所示。

四、同步控制系统的设计原理和使用方法

水果分选机在运行过程中，主要通过电机驱动输送链将水果运送到输送通道，这时同步定时信号发生器会对水果的实际运行动态位置进行检测，并将检测结果生成同步定时信号。水果图像采集主要由摄像机完成，摄像机的工作状态由相机控制器控制，通过采集水果不同表面的图像，提取相关的品质参数，对水果的质量和等级进行判断。水果的质量主要由输送道下安装的称重器检测，随后将质量检测结果转化为模拟电压信号，再根据水果外观品质的加测和评定对水果的最终等级进行判断[5]。

同步控制系统主要包括系统同步定时信号发生器、相机控制器、分级执行控制器和水果分选机主要控制器4部分。这4个控制器之间由CAN总线和RS485总线互相连接，RS485总线主要负责对同步定时信号进行传输，保证同步定时信号能实时有效传输。其他信息如水果等级信息、参数设置指令等都是通过CAN总线进行传递。同步系统的主控制器和图像处理器之间的信息传递是通过工控机的RS232接口来实现的。

通过对水果分选器的组成结构进行观察可以了解到，构成结构中有一个链轮轴，链轮轴的上方有编码盘，编码器具有同步功能，四周围绕着与链轮齿数数量相同的小通孔。另外，编码盘的盘沿上方还有一个具有红外光电开关的槽型传感器，红外光能从小通孔中传递。输送链根据编码盘和链轮的运动而运动，每当输送链前进一个链节距，链轮就会同时转过一个轮齿，此时红外光就能产出一个脉冲信号。水果在输送链上运行的过程中，可以通过研究脉冲信号时序和数量信息来确定水果的运行状态和位置。

在同步定时信号的发生器模块中，由NPN三线常开红外光电开关传感器发出的信号会在光电隔离的作用下形成同步定时信号，并发送到RS485总线。这一过程与其他模块不同，在其他模块中，要先通过RS485接收器，才能收到同步定时信号，同步定时信号经过光电隔离的作用，最后成为模块中其他电路同步定时信号的基本准则。

五、图像处理系统的设计原理

水果综合分选机需要对水果的图像进行360°全面采集。新型水果分选器中每次通过摄像机对水果图像进行采集都会得到6幅水果图像，每相邻两个水果图像的旋转角度大约都是60°，6幅图像相当于将水果的整个表面图像都进行呈现。图像处理系统在接受到水果的全面图像之后，就可以提取水果的品质参数信息，进而对水果的等级进行判断，然后将判断结果发送到水果分选机的主要控制器中，完成对水果的选择工作[1]。

六、结语

随着社会经济的不断发展，人们的生活水平和生活质量在不断提高，人们对食物质量的要求越来越高。水果是人们日常生活中接触最多的食物之一，要想对水果的质量进行正确判断，可以使用水果分选机。以往的水果分选机缺乏对水果的全面综合性检测，不能有效保证水果的质量，因此需要对水果分选机进行优化设计，不断提高水果分选机的工作效率。本文分析的水果分选机是集视觉效果检测和质量检测于一体的水果分选机，主要由机械系统、称重模块、同步控制和图形处理系统构成，可以对水果的表面和质量进行全面检测，得出综合检测结果，从而对水果进行选择分级。（基金项目：广东理工学院创新强校工程“山地果园运输机液压系统研究”，项目编号：GKJ2018003）

参考文献：

[1]王明俊，张树才.称重式水果分选机传感信息采集方法研究[J].农机化研究，2009（5）：97-99.

[2]李光梅，魏新华，李法德，等.水果综合分选机称重模块的设计与实现[J].农业工程学报，2009（2）：96-100.

[3]王新亭.电子称重式水果分选机微机测控系统的研究[D].北京：中国农业大学，2003.

[4]李光梅.水果机器视觉重量综合分选机机械系统及称重模块的设计[D].泰安：山东农业大学，2008.

[5]李光梅，魏新华，李法德，等.水果机器视觉质量综合分选机的设计[J].农机化研究，2008（11）：124-126.