荔枝自動分級機的設計研究

李嘉威，陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

荔枝自動分級機的設計研究

李嘉威，*陳燕，王佳盛，聶宇平，劉威威，曾澤欽

（華南農業大學工程學院，南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東廣州510642）

為實現采后荔枝的快速低損自動分級，對荔枝自動分級機進行了設計。該荔枝分級機由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統、分級執行裝置組成。荔枝的單行等距排布輸送采用轉盤孔框法，圖像采集采用網口工業相機，圖像處理采用荔枝品質分級視覺分級系統進行多特征提取和融合分級，通過控制移動凸輪改變分級平臺的傾角完成荔枝分級。在線試驗結果表明，分級系統對荔枝的分級準確率為93.75%。

荔枝；自動分級機；分級平臺；圖像采集與處理系統

0 引言

荔枝是廣東特色佳果，其分選分級是其采后商品化處理的一個重要環節，是實現優質優價、提高市場競爭力的關鍵。傳統的人工分級方法，不但效率低下且難以做到客觀準確，無法適應規模化和產業化生產的要求；采用機械分級，如滾筒孔框分級法[1]和間距變換法[2]雖然效率高，但是分級指標單一，且容易對荔枝造成損傷。基于機器視覺的無損檢測分級方法，可依據水果的多個外部品質指標進行快速智能判別分級，對水果的分級更加客觀和全面。目前，相關學者對獼猴桃、紅棗、李子和葡萄等水果的機器視覺無損檢測自動分級設備進行研究[3-6]，但是關于基于機器視覺的荔枝自動分級機研究國內外未見文獻報道。

為此，研究提出一種基于機器視覺的荔枝自動分級機，通過對荔枝進行多指標綜合視覺檢測分級，實現無損檢測和快速分級。

1 自動分級機總體結構和工件原理

荔枝自動分級機主要由單行等距輸送裝置、圖像采集與處理系統、分級執行裝置組成。

荔枝分級機結構見圖1。

圖1 荔枝分級機結構

分級時，由人工將荔枝倒入圓筒，圓筒底部裝有孔框轉盤。轉盤旋轉時，荔枝將會落入孔框轉盤，隨轉盤轉動，實現等距排列。荔枝等距排列后隨轉盤運動進入圖像采集區檢測，圖像采集區設有光源和網口相機系統采集荔枝圖像，采集后的荔枝圖像信息輸送給計算機，經分級軟件分析，得到荔枝的等級。圖像采集檢測后的荔枝進入分級平臺，根據分級信息，電機控制移動凸輪運動，移動凸輪的3個輪廓面同時控制3個推桿的升程，從而改變分級平臺的姿態，向相應等級出口傾斜，最終使荔枝滾動至分級通道，完成分級。

荔枝自動分級機的2個工作狀態見圖2。

圖2 荔枝自動分級機的2個工作狀態

2 關鍵部件設計分析

2.1 分級平臺設計分析

荔枝的分級執行，主要通過移動凸輪驅動分級平臺的傾斜來實現。分級平臺的姿態可以由其所屬平面的法向量表示，建立分級平臺坐標系，記3個推桿頂點的坐標為P1（x1，y1，z1）T，P2（x2，y2，z2）T，P3（x3，y3，z3）T，則分級平臺的法向方向向量n（nx，ny，nz）T可以由公式（1）表示：

式中：norm（）——對向量標準化。

由于推桿在x和y方向的位置已經確定，可視為常數，式中只有z1，z2，z33個變量，故式（1）可化簡為式（2）：

式中：Ci——常數項，i=1，2，3，4，5；

Ni——向量長度，i=1，2；

zi——函數，i=1，2，3。

分級平臺坐標系見圖3。

分級平臺的傾斜方向可以使用測量的方法得出大致值，根據式（2）使用數值方法可以求出各個推桿的升程。求取3個分級姿態和初始姿態下相應的3個推桿升程參數即可分別設計出3個推桿的凸輪廓線。

圖3 分級平臺坐標系

2.2 圖像采集與處理系統

荔枝的圖像采集主要通過1套光源、千兆網卡和網口相機系統完成，采集后的圖像經自行開發的荔枝品質視覺檢測融合分級系統[7]進行圖像預處理、分級特征參數提取和融合分級，圖像處理過程如下。2.2.1圖像預處理

提取荔枝分級特征參數前，需對采集的荔枝圖像進行預處理，圖像預處理包括圖像分割、噪聲去除等。分級系統在YCrCb模式下對圖像Cr通道進行了k均值聚類分割和輪廓查找。

2.2.2 分級特征參數提取

荔枝的外觀品質等級指標主要包括荔枝大小、果形、缺陷（褐變、裂口等）等，該分級機暫只對荔枝大小和果皮褐變缺陷進行綜合分級。

分級系統采用橫徑表示荔枝的大小，由于荔枝近似于圓形，所以對分割后的荔枝圖像使用圓擬合，求得擬合圓的直徑作為荔枝橫徑大小的近似值。

由于荔枝近似于球狀，邊緣的光照不足，圖像分割時邊緣部分易被誤認為是褐斑（如圖4（b）所示）。分級系統為防止邊緣誤檢測，對荔枝圖像進行邊緣光照補償和增強對比。

帶褐斑荔枝圖像分割見圖4。

圖4 帶褐斑荔枝圖像分割

2.3 融合分級

開發的荔枝品質分級視覺分級系統，融合了荔枝橫徑大小和果皮褐變缺陷2個特征進行分級。

荔枝分級軟件界面見圖5。

應用該系統，在試驗臺上對80個荔枝進行了視覺檢測分級。

圖5 荔枝分級軟件界面

分級試驗結果統計見表1。

表1 分級試驗結果統計

3 結語

針對目前荔枝分級存在的問題，對基于機器視覺的荔枝自動分級機進行了設計。分級機通過帶孔圓盤實現荔枝的單行等距輸送，經圖像采集與處理系統對荔枝進行品質融合分級，最后通過控制移動凸輪改變分級平臺的傾角，讓荔枝進入相應的收集通道，從而實現荔枝的快速低損分級。在線試驗結果表明，分級系統對荔枝的分級準確率為93.75%。參考文獻：

[1]梁健，梁材.荔枝保鮮分級處理工藝及設備[J].現代農業裝備，2008（7）：61-63.

[2]蒙必勝，梁兆新，朱其崇.鏈板式間距可調果類分選機的原理及設計[J].農產品加工，2004（8）：35-37.

[3]王松磊，劉民法，何建國，等.紅棗自動快速無損檢測分級機研究[J].農業機械學報，2014（9）：79-83，95.

[4]張小明.小型李子水果分級機的研制[J].農產品加工，2014（8）：72-73.

[5]王麗麗.基于計算機視覺的哈密大棗無損檢測分級技術及分級裝置研究[D].石河子：石河子大學，2013.

[6]陳英，廖濤，林初靠，等.基于計算機視覺的葡萄檢測分級系統[J].農業機械學報，2010（3）：169-172.

[7]陳石榕.國際鮮荔枝標準[J].福建標準化信息，1997（4）：11-12.◇

Design and Research of Litchi Automatic Grading Machine

LIJiawei，*CHEN Yan，WANG Jiasheng，NIEYuping，LIUWeiwei，ZENG Zeqin
（Key Laboratory of Key Technology on AgriculturalMachine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong 510642，China）

Litchiautomatic gradingmachine is designed to realize the fastautomatic grading with low loss to litchiafter its harvesting.Thismachine consists of single row isometry conveyor，image acquiring and processing system and grading execution device.The litchi is conveyed in a single row equidistantly with perforated turntable.The image of litchi is acquired with network industrial camera.The procession of the image is to extractmulti-features and grading generally with the litchi visual quality grading system.The grading of litchi is executed by the different inclinations of grading platform with controlling the moving cam.The resultof online testing shown that the accuracy of grading litchiwith grading system is 93.75%.

litchi；automatic gradingmachine；grading platform；image acquiring and processing system

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.06.038

1671-9646（2017）06b-0029-02

2017-05-13

廣東省科技計劃資助項目（2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111）；廣東省自然基金項目（2015A030310258）。

李嘉威（1993—），男，碩士，研究方向為農業機器人、智能設計與制造。

*通訊作者：陳燕（1964—），女，碩士，副教授，碩士生導師，研究方向為農業機器人、農業智能裝備。