基于運動控制器的蘋果質量分級系統

吳曉強 黃云戰 趙永杰（.內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 08000；.云南農業大學工程技術學院，云南 昆明 6500；.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 65008）

蘋果質量分級是一項重要的加工環節，產后質量分級技術落后是造成中國蘋果貿易水平低下的一個重要的原因，分級處理后的爛果率高達25%以上，對蘋果整體價值造成了重大的影響［1］。

常用的蘋果分級方法有人工分級和機械分級兩種［2］。目前中國應用比較普遍的是人工分級。人工分級結果偏差較大，同時勞動強度大、效率低［3］；現階段的機械分級一般根據蘋果的直徑大小或者是蘋果的重量進行質量分級。這種分級方式可以減少勞動量，提高勞動效率，但是這類機械通常采用孔或縫隙進行篩選，很容易造成蘋果果皮擦傷、壓傷等［4］。

機器視覺技術是先采集到待測物的圖像信息，將待測物的圖像進行處理，消除待測物表面反光帶來的影響，再對其進行閾值處理，找到損壞點，建立分級模型［5］。機器視覺技術的特點是速度快、功能多、信息量大，可以進行非接觸檢測［6］。早在20世紀90年代就有了基于視覺技術在紅棗分級方面的相關研究［7］，近年來，機器視覺系統在農業上的應用逐漸增加［8－10］，有著廣泛的前景。分級設備的控制系統是保證分級質量的關鍵，傳統分級設備多采用單片機控制［11，12］，但是單片機抗干擾能力差、可靠性低、可擴展性差，不能保證蘋果分級的質量和精度。機器視覺系統可以克服接觸式系統對蘋果造成的損害［13，14］，為了提高蘋果質量分級的精度，保證分級后的蘋果的質量，擬設計基于運動控制器和機器視覺系統的自動蘋果質量分級系統，通過圖像處理選擇合格的蘋果，由運動控制器進行分級的執行控制。

1 工作原理

1.1 分級系統

蘋果質量分級系統主要由定向裝置、機器視覺系統、紅外檢測模塊、運動控制模塊、稱重模塊、電機模塊、分級模塊幾部分組成，見圖1。V代表傳送帶運動方向，蘋果在傳送帶上勻速前進，到達機器視覺系統之前觸發紅外檢測模塊1；機器視覺系統開始工作，對蘋果的狀況進行反饋，并將結果輸入到運動控制器中，經運動控制器分析后傳入計算機，經過處理的蘋果如果有缺陷則直接剔除；沒有缺陷的蘋果繼續前進，觸發紅外檢測模塊2，運行到稱重模塊進行稱重，根據不同的質量運動控制器做出判斷，控制執行機構對其進行分級。從而實現準確、高效的蘋果質量分級。

圖1 分級系統示意圖Figure 1 Classification system schematic diagram

1.2 控制方案

蘋果質量分級系統工作流程見圖2，根據要實現的功能，采用以“PC機＋運動控制器”的方式對該分級系統進行控制，采用紅外傳感器對蘋果的運動狀態進行檢測，將檢測結果傳遞到運動控制器中進行分析，運動控制器根據分析結果控制相應裝置進行工作。首先剔除不合格蘋果，再將合格蘋果進行質量分級，控制方案見圖3。

圖2 分級系統工作流程Figure 2 Grading system workflow

圖3 控制方案Figure 3 The control scheme

2 機器視覺系統

機器視覺系統多以計算機為處理核心，主要由視覺傳感器、視覺采集和處理系統組成，見圖4。該分級系統由傳送帶、CCD攝像機、圖像采集室、圖像采集卡、計算機等構成。在運行過程中，蘋果經過紅外檢測模塊1，觸發該模塊后的機器視覺系統工作，對每一個蘋果外表進行檢測，CCD攝像機在傳送帶上方，有蘋果通過時就可以通過圖像采集卡將蘋果的圖形進行采集并傳入計算機中。

圖4 機器視覺系統Figure 4 Machine vision system

在機器視覺系統中，光源背景的選擇和光源的布置對成像質量和效率都有著重要的影響。光源的背景主要是要使蘋果的成像快速、清晰，經過對比研究，本研究采用黑色背景。光源布置的合理性直接影響著圖像形成的質量和效率。在實際應用中，要求圖像采集室內的光源均勻布置，這樣才能保證均勻的反射特性，光源布置見圖5。

圖5 光源布置Figure 5 Light source setting up

3 稱重和分級模塊

3.1 稱重模塊

系統根據稱重模塊的稱重結果對蘋果進行分級，稱重模塊主要包括紅外傳感器、質量傳感器和執行機構。由于質量傳感器的輸出電壓信號較小，在讀入運動控制器之前還需進行信號放大，放大后的電壓信號是模擬信號，還需通過A/D轉換器對其信號進行轉換，將模擬信號轉換為數字信號，數字信號輸入到運動控制器中，運動控制器根據不同的信號控制執行裝置將蘋果送到相應的通道中。

紅外傳感器放置在質量傳感器前端，輸出線與運動控制器的IN20引腳連接。蘋果經過傳送帶的輸送首先觸發紅外傳感器，運動控制器接收到一個低電平信號，運動控制器控制質量傳感器開始工作。為了得到更準確的結果和更快的響應速度，質量傳感器的量程選擇為最大500g。由于質量傳感器的輸出信號較小，本試驗采用LFC2放大器對其輸出信號進行放大，放大后的信號經過A/D轉換變為運動控制器可以接收的信號。需要注意的是，由于蘋果運動到質量傳感器上時會產生一個瞬間的沖擊，如果此時對信息進行采集會產生一定的誤差，為了提高準確率，需要對其進行延時處理。

為了準確直觀地觀察蘋果的質量，稱重模塊的信息還可以通過PC進行實時顯示。

3.2 分級模塊

蘋果經過稱重模塊后產生相關質量信息，運動控制器對質量信號進行分析，確定需要的通道，電機執行相應操作，將蘋果移動到相應的通道中，實現分級功能。運動控制器軸0與電機1連接，用來將蘋果移動到相應的通道前。運動控制器軸1與電機2連接，用來將蘋果撥到相應的通道中。

4 軟件設計

該蘋果質量分級系統中運動控制器采用Trio MC206，其軟件由運動控制器自帶編程軟件“Motion Perfect”進行編寫，軟件采用模塊化方式進行程序的編寫，其中包括檢測模塊、采集與處理模塊、報警模塊、顯示模塊、運動模塊等。該軟件設計流程圖見圖6。

圖6 軟件設計流程圖Figure 6 The flow chart of software design

5 驗證結果

本系統對山東煙臺某地區的蘋果進行了分級驗證，按照企業對蘋果的分級分為特優級、優級和良級3個等級，其中優級所占比重最大，蘋果顏色主要以紅色為主，有部分是偏黃色的。隨機抽取該系統分級的和人工分級的蘋果各1箱（大約50個）進行對比，誤差不超過3%，說明該系統可以替代人工進行蘋果質量分級。按照中國對蘋果分級的要求（GB/T 23616—2009）進行工作該系統生產效率可達2～5t/h，并可根據實際需求使用多套系統協同進行工作，極大地提高了生產效率，還可以保證分級質量。

6 結束語

本試驗針對現階段蘋果分級中存在的問題，設計了一種基于運動控制器和機器視覺系統的蘋果質量分級系統。機器視覺系統克服了以往機械式接觸對蘋果會造成損害這一缺點；運用運動控制器作為控制核心，調試方便，系統響應快，可以克服單片機作為控制系統核心帶來的問題。通過機器視覺技術檢測蘋果信息，利用運動控制器對分級設備進行控制是蘋果質量分級的一個新的發展方向，實驗證明，分級誤差在允許范圍內，效率可達到2～5t/h。系統具有開放性和擴展性，未來可以通過對硬件的擴展來拓展系統的工作范圍，可以將系統應用于更多的農產品中。

1 張方明，應義斌.水果分級機器人關鍵技術的研究和發展［J］.機器人技術與應用，2004（1）：33～37.

2 龍滿生，何東健，寧紀鋒.基于遺傳神經網絡的蘋果綜合分級系統［J］.西北農林科技大學學報（自然科學版），2001（6）：108～111.

3 周曉蓉，黎培輝，楊堅.柑橘人工分級的誤差分析［J］.農機化研究，2010（4）：30～33.

4 周欽紅，張東興.蘋果分選機輸送定位機構的設計［J］.中國農業大學學報，2005（5）：45～48.

5 應義斌，趙勻.機器視覺技術在農產品品質自動識別中的應用（Ⅰ）［J］.農業工程學報，2000，16（1）：103～108.

6 應義斌，章文英，蔣亦元，等.機器視覺技術在農產品收獲和加工自動化中的應用［J］.農業機械學報，2000，31（3）：112～115.

7 黃應任，李芳繁.使用影像分級進行棗子分級之研究［J］.農業機械學報，1997，6（2）：15～23.

8 王榮本，紀壽文，初秀民，等.基于機器視覺的玉米施肥智能機器系統設計概述［J］.農業工程學報，2001，17（2）：151～153.

9 田緒順，李景彬，坎雜，等.基于機器視覺的紅棗雙面檢測分級裝置設計［J］.食品與機械，2012，28（5）：138～140.

10 施健，何建國，張冬，等.基于計算機視覺鮮棗大小分級系統研究［J］.食品與機械，2013，29（5）：134～137.

11 薛忠，鄧干然，崔振德，等.基于機器視覺的澳洲堅果分級研究［J］.農機化研究，2010（5）：26～28.

12 魯永萍，郁志宏，郝敏.基于單片機控制的馬鈴薯質量分級系統的研究［J］.農機化研究，2014（1）：136～138.

13 段峰，王耀南，雷曉峰，等.機器視覺技術及其應用綜述［J］.自動化博覽，2002（3）：35～38.

14 唐向陽，張勇，李江有，等.機器視覺關鍵技術的現狀及應用展望［J］.昆明理工大學學報（理工版），2004（2）：24～27.