0 引言
近年來, 人們對水果品質(zhì)的要求不斷提高, 同時為了提高水果的商業(yè)價值, 擴(kuò)大鮮果出口, 對水果進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量分級就變得尤為重要。而人工分級生產(chǎn)率低且分選精度不穩(wěn)定, 實現(xiàn)水果的機(jī)械化、自動化分選作業(yè)勢在必行[1,2]。
目前, 國內(nèi)外學(xué)者在利用機(jī)器視覺技術(shù)對水果外部品質(zhì)檢測方面進(jìn)行了大量的研究, 取得了重大進(jìn)展。能夠利用機(jī)器視覺技術(shù)實時檢測水果的大小、顏色、表面缺陷狀況和果形等品質(zhì)[3,4,5,6,7]?，F(xiàn)有的水果機(jī)器視覺分選機(jī)大多采用了滾子式輸送機(jī)構(gòu)[8,9,10,11]。在水果質(zhì)量分選方面, 國外研究比較成熟, 能夠比較準(zhǔn)確地檢測動態(tài)水果的質(zhì)量[12], 而國內(nèi)在此方面研究的還較少, 主要是在現(xiàn)有電子稱重式水果分選機(jī)基礎(chǔ)上的部分改進(jìn)[13,14]。
在大多數(shù)情況下, 水果按外觀品質(zhì)要求分選完成后, 在包裝上市之前還要求給出它的質(zhì)量值, 而目前的水果分選機(jī)大多側(cè)重于機(jī)器視覺或質(zhì)量單一方面的研究, 對其進(jìn)行綜合研究的還較少。為此, 本文在水果機(jī)器視覺分選機(jī)上設(shè)計了一稱重模塊, 使得該分選機(jī)能實時檢測水果的外觀品質(zhì)和質(zhì)量, 并將水果質(zhì)量信息與外觀品質(zhì)評定結(jié)果實時融合得出最終分選等級, 對水果進(jìn)行自動分級卸料。
1 水果機(jī)器視覺質(zhì)量綜合分選機(jī)的工作原理
該分選機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、稱重模塊、同步控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。分選機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水果支承滾子和水果分選杠桿都安裝在循環(huán)輸送鏈上, 可隨輸送鏈一起向前運動。滾子呈雙錐凹形, 水果支承在兩個相鄰滾子之間, 分選杠桿則正好處于水果的正下方。在圖像采集區(qū)域設(shè)置有光照箱, 滾子下面還設(shè)置有摩擦帶。當(dāng)滾子在摩擦帶上滾動時, 水果就一面在滾子上翻轉(zhuǎn)滾動, 一面隨滾子和輸送鏈一起向前輸送, 從而將其不同表面都先后呈現(xiàn)在攝像機(jī)前[15]。圖像處理系統(tǒng)接收到攝像機(jī)所采集的每個水果的圖像之后, 提取其品質(zhì)參數(shù), 對其進(jìn)行圖像處理和等級判定。在稱重區(qū)域滾子下面設(shè)有一稱臺, 稱臺下面兩端各安裝一稱重傳感器。傳感器檢測水果質(zhì)量, 并通過稱重模塊控制器將水果質(zhì)量信息上報給水果分選機(jī)主控制器, 以實現(xiàn)水果質(zhì)量信息與外觀品質(zhì)評定結(jié)果的實時融合, 確定最終的水果分選等級。分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在水果輸送線上方, 主要由分選凸輪和步進(jìn)電機(jī)組成。用以完成水果的自動分級卸料[16]。
圖1 水果機(jī)器視覺質(zhì)量綜合分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of fruit integrative grader using machine vision and weighing module 下載原圖
2 稱重模塊的設(shè)計
如圖2所示, 滾子的外沿支承在稱臺上, 稱臺下面兩端各安裝一稱重傳感器。水果輸送鏈的鏈節(jié)距為50.8 mm, 相鄰滾子之間的間距為兩個鏈節(jié)距, 即為101.6 mm, 稱臺長度為160 mm, 保證了稱臺上能同時支承兩個滾子。水果支承在相鄰的兩個滾子上, 其重力通過滾子而傳遞到稱臺上。為避免稱重過程中誤差的積累, 采取每隔一個位置放置一個水果的處理方法。因此, 當(dāng)支承有水果的兩個滾子同時在稱臺上時開始采集水果的稱重數(shù)據(jù)。
圖2 稱重模塊三維圖Fig.2 Three-dimensional scheme of weighing module 下載原圖
稱重器件選用北京航宇華科測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的帶有變送器的HK-816型懸臂梁式稱重傳感器。該變送器可輸出0~5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。分辨率為1 g。
2.1 力學(xué)分析
稱重傳感器所稱的總質(zhì)量應(yīng)為一個水果和兩個滾子及附件相對于鏈條的力矩在稱重傳感器上的等效質(zhì)量與稱臺的質(zhì)量之和。
受力分析如圖3所示。稱重模塊各部分在自重的作用下產(chǎn)生一個相對于O點的力矩, 用M表示。水果、滾子和滾子軸的重力相對于O點的力臂設(shè)為l1, 水果、滾子、滾子軸及滾子軸支架作用在稱臺上的等效重力相對于O點的力臂設(shè)為l2, 滾子軸支架的重力相對于O點的力臂設(shè)為l3。
圖3 稱重模塊受力分析示意圖Fig.3 Force analysis of weighing module 下載原圖
由合力矩定理可得
又由力矩計算公式得
式中G2為滾子、滾子軸及滾子軸支架作用在稱臺上的等效重力;3G、G4、5G——分別為滾子軸支架、滾子軸和滾子的重力。
又由力矩平衡得
其中
式中G——水果的重力;0G——水果作用在稱臺上的等效重力。
設(shè)兩稱重傳感器所稱的總質(zhì)量為w (kg) , 則有:
式中G1——稱臺的重力。
經(jīng)稱量:稱臺的質(zhì)量m1=1.083 kg, 滾子軸支架的質(zhì)量m3=1.0783 kg, 滾子軸的質(zhì)量m4=0.0517 kg, 滾子的質(zhì)量m5=0.495 kg;經(jīng)計算:l1=104.3 mm, l2=144.3 mm, l3=39 mm, 其中力臂l3是利用力矩平衡法來確定的, 即將滾子軸支架沿拐角處分成兩部分, 每部分相對于O點的力矩之和等于整個滾子軸支架相對于O點的力矩。
求解 (1) ~ (9) 式可得
式中m——水果的質(zhì)量, kg。
同時, m與w的關(guān)系式也可以通過試驗進(jìn)行實測標(biāo)定的方法獲得。所以, 通過稱重傳感器的測量值即可推知水果的質(zhì)量。
2.2 稱重信號處理電路
稱重信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在稱重段, 由安裝在稱臺下面的稱重傳感器檢測水果質(zhì)量, 將水果的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號, 再經(jīng)過低通濾波電路濾波, 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 送入稱重模塊控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器型號為TLC2543, 它提供的最大采樣頻率為66×103s-1, 轉(zhuǎn)換時間為10μs, 內(nèi)部自帶采樣保持器。
圖4 稱重信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of weighing signal processing circuit 下載原圖
3 系統(tǒng)同步工作過程的控制與實現(xiàn)
3.1 同步控制系統(tǒng)的總體設(shè)計及工作原理
同步控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu), 其原理框圖如圖5所示。系統(tǒng)同步定時信號發(fā)生器負(fù)責(zé)實時檢測水果的動態(tài)位置并生成系統(tǒng)同步定時信號。如圖1所示, 輸送鏈每前進(jìn)一個鏈節(jié)距, 即鏈輪每轉(zhuǎn)過一個齒, 紅外光電開關(guān)就產(chǎn)生一個脈沖, 此脈沖信號在系統(tǒng)同步定時信號發(fā)生器內(nèi)經(jīng)脈沖整形和光電隔離, 然后通過485總線發(fā)送到系統(tǒng)其他模塊作為整個系統(tǒng)的同步定時信號。相機(jī)控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控攝像機(jī)的工作狀態(tài), 并在同步定時信號的同步下生成攝像機(jī)的外觸發(fā)信號。分級執(zhí)行控制器負(fù)責(zé)水果等級信息與其實時位置的動態(tài)配準(zhǔn)以及分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。稱重模塊控制器負(fù)責(zé)水果稱重信息的采集及數(shù)據(jù)處理。水果分選機(jī)主控制器則負(fù)責(zé)從圖像處理系統(tǒng)中接收外觀品質(zhì)檢測結(jié)果, 并從稱重模塊控制器接收水果的稱重信息, 然后綜合判定水果的最終等級, 以及系統(tǒng)各模塊的參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)測。
圖5 同步控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Principle diagram of synchronous control system 下載原圖
RS485總線專用于傳輸同步定時信號, 以確保同步定時信號的實時傳輸。而水果等級信息、參數(shù)設(shè)置指令和各模塊的狀態(tài)信息等則通過CAN總線進(jìn)行傳輸。
3.2 同步稱重過程的實現(xiàn)
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計, 水果在輸送鏈上由相鄰兩支承滾子間隔排列, 而相鄰兩滾子之間的距離為兩個鏈節(jié)距, 因此, 兩個相鄰水果之間的距離為4個鏈節(jié)距。所以對水果進(jìn)行稱重信息采集和數(shù)據(jù)處理的時間不能超過4個同步定時信號周期, 以免影響后續(xù)水果的稱重信息處理。同步定時信號進(jìn)入稱重模塊控制器后被四分頻, 又經(jīng)適當(dāng)延時, 生成“稱重開始觸發(fā)信號”。調(diào)節(jié)延時時間, 可保證載有水果的兩個滾子同時在稱臺上時, 觸發(fā)稱重模塊控制器開始數(shù)據(jù)采集。采集時間為一個同步定時信號周期。以后每來一個“稱重開始觸發(fā)信號”脈沖, 觸發(fā)稱重模塊控制器一次。又由于水果輸送速度為0.61 m/s, 則每個同步定時信號周期為0.083 s。而A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為10μs, 去除其他因素的影響, 最多可對一個水果采集上百個稱重數(shù)據(jù)。在一個同步定時信號周期內(nèi)對水果采集50個稱重數(shù)據(jù), 經(jīng)過多次試驗及分析, 最終將這些數(shù)據(jù)按大小順序排列, 然后剔除5個最大值和5個最小值, 并將剩余數(shù)據(jù)取平均值, 得到1個最終確定數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的稱重試驗裝置如圖6所示。
圖6 稱重試驗裝置Fig.6 Experimental equipment for weighing 下載原圖
4 試驗驗證
為驗證稱重模塊的稱量精度, 選用大小不同的蘋果, 用常熟雙杰測試儀器廠生產(chǎn)的TC-6K型電子天平逐個稱量后, 在鏈速為0.61 m/s的條件下進(jìn)行試驗。試驗測得的等效質(zhì)量w與其A/D轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯? A/D轉(zhuǎn)換值隨蘋果質(zhì)量的增加而增大, 且增幅隨蘋果質(zhì)量的增加而增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是蘋果的質(zhì)量越大, 對稱臺的作用力就越大。
圖7 等效質(zhì)量與其A/D轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between equivalent mass and A/D conversion result 下載原圖
經(jīng)分析研究, 等效質(zhì)量w與其A/D轉(zhuǎn)換值之間符合二次函數(shù)關(guān)系, 對圖7實測值擬合得:
由公式 (10) 可知, m≥0, 即x≥1.92, 則取
式中x——測量值w, kg;y——對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。
將公式 (12) 代入公式 (10) 即可求出蘋果的質(zhì)量m:
根據(jù)以上各式, 通過修改稱重模塊的軟件程序, 就可使其根據(jù)測出的蘋果的A/D轉(zhuǎn)換值得出其實際質(zhì)量。然后利用此稱重模塊, 另外選取質(zhì)量不等的多個蘋果進(jìn)行稱重試驗。試驗結(jié)果如表1所示。
表1 稱重試驗結(jié)果Table 1 Experimental results of weighing 下載原表
由表1可知, 該稱重模塊的稱重精度約為2%。通過分析認(rèn)為, 以上誤差的產(chǎn)生與滾子通過稱臺時的運動狀態(tài)及滾子對稱臺的沖擊、振動等有一定的關(guān)系, 同時, 由于蘋果形狀的差異造成的重心位置的變化等也對誤差的產(chǎn)生有一定的影響。
5 結(jié)論
1) 試驗結(jié)果表明, 該稱重模塊可以完成水果的同步稱重, 稱重精度大約為2%。
2) 所設(shè)計的稱重模塊可以與水果機(jī)器視覺分選機(jī)配合, 對水果進(jìn)行外觀品質(zhì)和稱重的檢測。
為了分析存在的系統(tǒng)誤差, 今后還需要進(jìn)一步進(jìn)行動態(tài)試驗分析并選擇更合理的數(shù)據(jù)處理方法, 以提高水果稱重的檢測精度。