0 引言
近年來, 人們對水果品質的要求不斷提高, 同時為了提高水果的商業價值, 擴大鮮果出口, 對水果進行嚴格的質量分級就變得尤為重要。而人工分級生產率低且分選精度不穩定, 實現水果的機械化、自動化分選作業勢在必行[1,2]。
目前, 國內外學者在利用機器視覺技術對水果外部品質檢測方面進行了大量的研究, 取得了重大進展。能夠利用機器視覺技術實時檢測水果的大小、顏色、表面缺陷狀況和果形等品質[3,4,5,6,7]。現有的水果機器視覺分選機大多采用了滾子式輸送機構[8,9,10,11]。在水果質量分選方面, 國外研究比較成熟, 能夠比較準確地檢測動態水果的質量[12], 而國內在此方面研究的還較少, 主要是在現有電子稱重式水果分選機基礎上的部分改進[13,14]。
在大多數情況下, 水果按外觀品質要求分選完成后, 在包裝上市之前還要求給出它的質量值, 而目前的水果分選機大多側重于機器視覺或質量單一方面的研究, 對其進行綜合研究的還較少。為此, 本文在水果機器視覺分選機上設計了一稱重模塊, 使得該分選機能實時檢測水果的外觀品質和質量, 并將水果質量信息與外觀品質評定結果實時融合得出最終分選等級, 對水果進行自動分級卸料。
1 水果機器視覺質量綜合分選機的工作原理
該分選機主要由機械系統、稱重模塊、同步控制系統、圖像采集系統和圖像處理系統組成。分選機的結構如圖1所示。水果支承滾子和水果分選杠桿都安裝在循環輸送鏈上, 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。在圖像采集區域設置有光照箱, 滾子下面還設置有摩擦帶。當滾子在摩擦帶上滾動時, 水果就一面在滾子上翻轉滾動, 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在攝像機前[15]。圖像處理系統接收到攝像機所采集的每個水果的圖像之后, 提取其品質參數, 對其進行圖像處理和等級判定。在稱重區域滾子下面設有一稱臺, 稱臺下面兩端各安裝一稱重傳感器。傳感器檢測水果質量, 并通過稱重模塊控制器將水果質量信息上報給水果分選機主控制器, 以實現水果質量信息與外觀品質評定結果的實時融合, 確定最終的水果分選等級。分級執行機構安裝在水果輸送線上方, 主要由分選凸輪和步進電機組成。用以完成水果的自動分級卸料[16]。
圖1 水果機器視覺質量綜合分選機結構示意圖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。水果輸送鏈的鏈節距為50.8 mm, 相鄰滾子之間的間距為兩個鏈節距, 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據。
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有限公司生產的帶有變送器的HK-816型懸臂梁式稱重傳感器。該變送器可輸出0~5 V標準電壓信號。分辨率為1 g。
2.1 力學分析
稱重傳感器所稱的總質量應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量與稱臺的質量之和。
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點的力臂設為l2, 滾子軸支架的重力相對于O點的力臂設為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。
設兩稱重傳感器所稱的總質量為w (kg) , 則有:
式中G1——稱臺的重力。
經稱量:稱臺的質量m1=1.083 kg, 滾子軸支架的質量m3=1.0783 kg, 滾子軸的質量m4=0.0517 kg, 滾子的質量m5=0.495 kg;經計算: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——水果的質量, kg。
同時, m與w的關系式也可以通過試驗進行實測標定的方法獲得。所以, 通過稱重傳感器的測量值即可推知水果的質量。
2.2 稱重信號處理電路
稱重信號處理電路結構框圖如圖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量, 將水果的質量信號轉換為模擬電壓信號, 再經過低通濾波電路濾波, 經A/D轉換器模數轉換后, 送入稱重模塊控制器進行數據處理。該系統選用的A/D轉換器型號為TLC2543, 它提供的最大采樣頻率為66×103s-1, 轉換時間為10μs, 內部自帶采樣保持器。
圖4 稱重信號處理電路結構框圖Fig.4 Structure diagram of weighing signal processing circuit 下載原圖
3 系統同步工作過程的控制與實現
3.1 同步控制系統的總體設計及工作原理
同步控制系統采用模塊化結構, 其原理框圖如圖5所示。系統同步定時信號發生器負責實時檢測水果的動態位置并生成系統同步定時信號。如圖1所示, 輸送鏈每前進一個鏈節距, 即鏈輪每轉過一個齒, 紅外光電開關就產生一個脈沖, 此脈沖信號在系統同步定時信號發生器內經脈沖整形和光電隔離, 然后通過485總線發送到系統其他模塊作為整個系統的同步定時信號。相機控制器負責監控攝像機的工作狀態, 并在同步定時信號的同步下生成攝像機的外觸發信號。分級執行控制器負責水果等級信息與其實時位置的動態配準以及分級執行機構的控制。稱重模塊控制器負責水果稱重信息的采集及數據處理。水果分選機主控制器則負責從圖像處理系統中接收外觀品質檢測結果, 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, 以及系統各模塊的參數設置和狀態監測。
圖5 同步控制系統原理框圖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、參數設置指令和各模塊的狀態信息等則通過CAN總線進行傳輸。
3.2 同步稱重過程的實現
根據結構設計, 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距, 因此, 兩個相鄰水果之間的距離為4個鏈節距。所以對水果進行稱重信息采集和數據處理的時間不能超過4個同步定時信號周期, 以免影響后續水果的稱重信息處理。同步定時信號進入稱重模塊控制器后被四分頻, 又經適當延時, 生成“稱重開始觸發信號”。調節延時時間, 可保證載有水果的兩個滾子同時在稱臺上時, 觸發稱重模塊控制器開始數據采集。采集時間為一個同步定時信號周期。以后每來一個“稱重開始觸發信號”脈沖, 觸發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轉換器的轉換時間為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據。在一個同步定時信號周期內對水果采集50個稱重數據, 經過多次試驗及分析, 最終將這些數據按大小順序排列, 然后剔除5個最大值和5個最小值, 并將剩余數據取平均值, 得到1個最終確定數據。整個系統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的條件下進行試驗。試驗測得的等效質量w與其A/D轉換值之間的關系如圖7所示。可以看出, A/D轉換值隨蘋果質量的增加而增大, 且增幅隨蘋果質量的增加而增大。出現這一現象的原因是蘋果的質量越大, 對稱臺的作用力就越大。
圖7 等效質量與其A/D轉換值之間的關系Fig.7 Relationship between equivalent mass and A/D conversion result 下載原圖
經分析研究, 等效質量w與其A/D轉換值之間符合二次函數關系, 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——對應的A/D轉換值。
將公式 (12) 代入公式 (10) 即可求出蘋果的質量m:
根據以上各式, 通過修改稱重模塊的軟件程序, 就可使其根據測出的蘋果的A/D轉換值得出其實際質量。然后利用此稱重模塊, 另外選取質量不等的多個蘋果進行稱重試驗。試驗結果如表1所示。
表1 稱重試驗結果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%。通過分析認為, 以上誤差的產生與滾子通過稱臺時的運動狀態及滾子對稱臺的沖擊、振動等有一定的關系, 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生有一定的影響。
5 結論
1) 試驗結果表明, 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) 所設計的稱重模塊可以與水果機器視覺分選機配合, 對水果進行外觀品質和稱重的檢測。
為了分析存在的系統誤差, 今后還需要進一步進行動態試驗分析并選擇更合理的數據處理方法, 以提高水果稱重的檢測精度。