盆栽花卉分級旋向裝置開發(fā)與試驗

王躍文，初 麒，楊 意，呂亞軍，胡俊生，謝忠堅，楊艷麗，辜 松

(1.華南農(nóng)業(yè)大學a.工程學院;b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室;c.電子工程學院，廣州 510642；2.廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642)

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盆栽花卉分級旋向裝置開發(fā)與試驗

王躍文1a,1b，初 麒1a,1b，楊 意1a,1c，呂亞軍1a,1b，胡俊生1a,1b，謝忠堅1a,1b，楊艷麗2，辜 松1a,1b

(1.華南農(nóng)業(yè)大學a.工程學院;b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室;c.電子工程學院，廣州 510642；2.廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642)

隨著人們生活水平的提高，對花卉的需求量不斷攀升。目前，在盆花規(guī)模化生產(chǎn)中大多采用人工分級，存在分級標準不統(tǒng)一、分級效率不高及分級結果不準確等問題。為此，針對花盆口徑120mm、底徑90mm、高度90mm的盆栽花卉，開發(fā)了一套基于機器視覺的盆栽花卉分級旋向裝置。該裝置可以用單一相機在同一位置獲取盆栽花卉多方向的綜合信息；通過試驗考察了在旋向裝置中盆栽花卉前進速度、旋轉(zhuǎn)速度與兩條旋向輸送帶速度的關系。結果表明：當旋轉(zhuǎn)180°獲取兩幅盆栽花卉圖像時，視窗的最小范圍在160mm。

盆栽花卉；分級；機器視覺；旋向裝置

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，對盆栽花卉的需求量不斷提高，使得花卉產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]。為滿足市場需求，花卉生產(chǎn)企業(yè)多采用規(guī)模化、工廠化的生產(chǎn)模式，以提高生產(chǎn)效率。對盆花進行分級，可以實現(xiàn)對不同長勢盆花進行統(tǒng)一管理，達到盆栽花卉品質(zhì)均一化。目前，在盆花規(guī)模化生產(chǎn)中采用人工分級[2]，存在分級標準不統(tǒng)一、分級效率不高及分級結果不穩(wěn)定等問題。

美國、荷蘭等園藝大國針對盆栽花卉已經(jīng)開發(fā)出基于機器視覺的盆栽花卉自動分級系統(tǒng)[3-4]，但價格昂貴，國內(nèi)企業(yè)難以承受。雖然國內(nèi)基于機器視覺技術已經(jīng)開發(fā)出對蘋果[5-6]、馬鈴薯[7-8]、澳洲堅果[9]、板栗[10]、雞蛋[11]及煙葉[12]等農(nóng)產(chǎn)品進行檢測與分級的裝置，但針對盆栽花卉分級還沒有完整的分級系統(tǒng)。

本研究主要開發(fā)一套基于機器視覺的盆栽花卉分級旋向裝置，利用一個CCD相機從側面獲取盆栽花卉多方向綜合信息，構建一套基于機器視覺技術的盆栽花卉在線自動分級系統(tǒng)，有效提高盆栽花卉在規(guī)模化生產(chǎn)分級環(huán)節(jié)的分級水平和生產(chǎn)效率。

1 工作原理

1.1 盆栽花卉自動分級系統(tǒng)工作原理

盆栽花卉在線自動分級系統(tǒng)主要由輸送機構、旋向裝置、機器視覺部分、控制部分和分級機構等部分組成，如圖1所示。

1.輸送機構 2.旋向裝置 3.機器視覺部分

該分級系統(tǒng)采用機器視覺技術進行分級，依據(jù)盆栽花卉的不同形態(tài)特征進行分類，按照分出的等級將相應盆花分別輸出。分級時，待分級盆栽花卉由輸送機構的輸送帶送入機器視覺檢測室，當盆栽花卉進入旋向裝置中，花盆脫離輸送機構驅(qū)動，在旋向輸送帶驅(qū)動下以一定角速度旋轉(zhuǎn)前進；當盆花運動至相機視場后，依次觸發(fā)幾個水平放置等間距的光電傳感器，機器視覺相機獲取不同旋轉(zhuǎn)方向的盆栽花卉綜合圖像信息；將獲取的圖像信息傳給計算機，經(jīng)過圖像處理和邏輯分析之后，得到盆花的特征等級參數(shù)，并對盆栽花卉劃分等級；PLC根據(jù)每盆花卉的等級參數(shù)控制分級機構分別輸出不同等級盆栽花卉。分級流程如圖2所示。

圖2 自動分級系統(tǒng)作業(yè)流程

1.2 旋向裝置工作原理

由于盆栽花卉長勢是不規(guī)則的，難以從一個方向的圖像中獲取到盆花的代表性信息，因此在機器視覺檢測室內(nèi)增設一旋向裝置，如圖3所示。當盆栽花卉進入旋向裝置后，在旋向輸送帶的作用下，盆栽花卉旋轉(zhuǎn)前進，運動方向與速度主要取決于旋向輸送帶的驅(qū)動，幾乎不受輸送機構影響。兩條旋向輸送帶在電機驅(qū)動下以不同轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，旋向輸送帶與花盆接觸產(chǎn)生的摩擦力，在推動花盆；花盆以一定的角速度旋轉(zhuǎn)的同時勻速前進，依次觸發(fā)設定好位置的光電傳感器，視覺相機多次從側面獲取盆栽花卉多方向的圖像，從而獲取盆栽花卉的綜合信息。

1.運輸輸送帶 2.旋向輸送帶

2 旋向裝置的設計

本研究主要是針對花盆口徑120mm、底徑90mm、高度90mm的盆栽花卉，設計分級旋向裝置。

輸送機構輸送帶選用臺達CEMA-C30604ES型伺服電機驅(qū)動，電機驅(qū)動器為VFD015M21A型,可有效保證輸送帶的啟停準確穩(wěn)定，且運行速度調(diào)節(jié)便利。依據(jù)90mm的花盆底徑，選取輸送帶寬度為150mm，輸送帶總長度根據(jù)實際工作情況確定。

旋向裝置(見圖4)輸送帶由兩對稱旋向輸送機構組成，現(xiàn)以其中一機構為例說明旋向裝置的設計。兩驅(qū)動電機電機型號選用63B14三相異步電動機，減速器選用型號為NMRV30減速比為15的減速器。為使電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)實時可調(diào)，選用歐姆龍OMRON 3G3JZ-A4007變頻器對三相電機調(diào)速。

1.主動輪 2.從動輪 3.皮帶擋板

根據(jù)花盆高度，旋向輸送帶寬度選為20mm，帶的形式選取5mm厚(花紋高2mm、底帶厚3mm)，表面有草型花紋PVC膠面輸送帶。該輸送帶最大的優(yōu)點是:表面摩擦因數(shù)大，使花盆和旋轉(zhuǎn)皮帶之間有足夠的摩擦力，在推動盆花旋轉(zhuǎn)的同時以一定的速度前進；彈性系數(shù)與其它種類的皮帶相比相對較大，可以在增大摩擦的同時減少對花盆的損壞。

為保證花盆進入旋向裝置以后皮帶與花盆之間有足夠的摩擦，使盆花成功地從旋向機構通過，設計了皮帶擋板。為了使該裝置能夠適應更多尺寸規(guī)格的花盆，皮帶擋板固定位置設計成可進行微調(diào)的形式，因此皮帶擋板與旋向機構擋板之間的連接采用螺栓連接，并在皮帶擋板上的固定孔設計出20mm的調(diào)節(jié)長孔。

3 試驗與討論

花盆在旋向裝置中的運動方式主要由旋向裝置決定，基本不受輸送部分的輸送帶影響。為了考察花盆在旋向裝置中旋轉(zhuǎn)速度、前進速度與兩條旋向皮帶速度之間的關系，設兩條旋向皮帶速度分別為V1、V2。理論及實際試驗證明：當兩條旋向輸送帶的速度數(shù)值相同、旋向相反時，花盆在原地旋轉(zhuǎn)而不前進。該情況在實際生產(chǎn)中是沒有實際意義的，所以在試驗中只考慮當兩條旋向輸送帶速度值不同的情況。試驗結果如表 1 所示。

表1 旋向裝置試驗性能試驗結果

通過上述試驗測得在實際工作情況下的花盆旋轉(zhuǎn)速度ω和花盆的前進速度V，并且用試驗證明了理論推算的正確性。

花盆理論前進速度為

式中V1—其中一條旋向皮帶速度；

V2—另一條旋向皮帶速度。

花盆理論旋轉(zhuǎn)速度為

式中V1—其中一條旋向皮帶速度；

V2—另一條旋向皮帶速度；

D—花盆旋轉(zhuǎn)半徑。

在此，重點解釋說明花盆的旋轉(zhuǎn)半徑D。由于盆花在旋向裝置中的運動形式是以旋向裝置中速度慢的一邊為圓心旋轉(zhuǎn)，此時理論上的旋轉(zhuǎn)半徑為花盆與旋轉(zhuǎn)裝置相互運動是所接觸圓的直徑。實際工作中，由于花盆在旋向裝置中受到來自旋向皮帶及皮帶擋板的擠壓，花盆在旋向裝置工作時的實際值小于理論值。本試驗中，實際工作狀態(tài)下的D的值為90mm。

根據(jù)試驗結果得到V1、V2與花盆前進速度關系(見圖5)：花盆的前進速度與V1和V2的差成正比，由試驗1、試驗5、試驗8、試驗10與試驗2、試驗6、試驗9，以及試驗3、試驗7分別進行比較，可驗證該結論的準確性。

根據(jù)試驗結果得到V1、V2與花盆旋轉(zhuǎn)速度關系(見圖6)：花盆的旋轉(zhuǎn)速度與V1與V2大小的和成正比，由試驗3、試驗5、與試驗4、試驗6，以及試驗7、試驗8分別進行比較，可驗證該結論的準確性。

圖5 V1、V2與花盆前進速度關系

圖6 V1、V2與花盆前進速度關系

分析盆花前進速度和旋轉(zhuǎn)速度的目的是為了考察盆花旋轉(zhuǎn)固定角度的前進距離，以確定相機拍攝的視場寬度。盆花在旋轉(zhuǎn)180°范圍內(nèi)，基本可以獲取盆栽花卉的生長勢態(tài)。因此，本文測算了表1條件下盆花旋轉(zhuǎn)180°的前進距離，如圖7所示。根據(jù)圖7，盆花在不同試驗結果下得到V1、V2與前進距離關系：花盆的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)180°的前進距離不僅受前進速度的影響，同時還受花盆旋轉(zhuǎn)速度的影響，它與轉(zhuǎn)速成反比，與V1和V2的差成正比。由理論可知：當在試驗1的情況下，花盆旋轉(zhuǎn)180°時，前進距離最大。因此低速條件下，轉(zhuǎn)180°拍攝2幅圖像的拍攝視窗寬度別大于157mm。

圖7 V1、V2與花盆旋轉(zhuǎn)180°前進距離關系

4 結論

1)旋向裝置通過旋轉(zhuǎn)花盆，利用單個相機可獲取盆栽花卉不同旋角方向的綜合圖像信息。

2)當旋向裝置的兩旋向輸送帶速度差在0.1m/s范圍內(nèi)情況下，花盆旋轉(zhuǎn)180°獲取圖像的行走距離為160mm，即視覺相機的視場寬度需要160mm。

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Research and Implementation of Potted Flower Grading Rotary Device

Wang Yuewen1a,1b, Chu Qi1a,1b, Yang Yi1a,1c, Lv Yajun1a,1b,Hu Junsheng1a,1b, Xie Zhongjian1a,1b, Yang Yanli2, Gu Song1a,1b

(1.South China Agricultural University a．College of Engineering；b．Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education；c.College of Electronic Engineering, Guangzhou 510642，China; 2．Guangzhou Sky Electric & Machinery Technology Co．LTD，Guangzhou 510642，China)

With the improvement of people's living standard in our country, the demand of flower’s continue to rise. At present, the large-scale product of potted flowers grading by labor. The grading standard is not unified and the grading efficiency is low. The grading result is inaccuracy. Researching the potted flowers, its caliber diameter is 120 mm, the bottom diameter is 90 mm and the height is 90 mm. The potted flowers grading rotary device based on machine vision. The device can get more directions of the potted flower comprehensive picture information by using a single camera at the same position. Through the test get potted flower speed and rotating speed with the relationship of the rotary device’s two conveyor belt speed. And through the potted flower’s rotation speed, field of View’s minimum breadth is 160 mm when rotated 180 ° for getting two potted flower images.

potted flowers ; grading; machine vision; rotary device

2016-09-28

國家“863計劃”項目(2013AA10240603)

王躍文(1991-),女，河北張家口人，碩士研究生，(E-mail) yuewen_wang@163.com。

辜 松(1963-)，男，廣東汕頭人，教授，博士生導師，(E-mail)sgu666@sina.com。

S629.9

A

1003-188X(2017)10-0185-04