基于圖像識別技術的智能化產品分揀系統(tǒng)設計研究

王 壯 劉志豪 劉建華 武發(fā)展 李 楊

（青島理工大學，山東 臨沂 273400）

0 引言

我國是水果生產和消費大國，2021年我國水果總產量已達2.9億t。在我國，水果產業(yè)是南方地區(qū)農村經濟的一大支柱產業(yè)。雖然我國水果產值日漸升高，但是水果總體價格較低，“賣果難”等一系列問題經常出現，導致水果行業(yè)快速發(fā)展的勢頭受到壓制。同時，我國水果以國內封閉式消費為主，參與國際貿易的比例一直不高，年總出口量未達國際水果貿易的5%，這一現狀難以推動我國水果產業(yè)走向世界。出現這一現象的主要原因是水果收獲后銷售加工延遲，水果外觀品質較差，導致其在國際市場上的競爭力較低。根據水果生產和銷售趨勢可知，水果生產的大部分價值是通過產后處理和產后加工創(chuàng)造的。產后水果的商業(yè)處理包括清洗、打蠟、分類和包裝等。分類是水果銷售處理中的一個重要環(huán)節(jié)，但我國存在水果等級分揀能力低、人工分揀占比大和分揀成本高、精度低、效率低等問題，因此，需要積極研制適用的水果分揀裝備。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

外國一些相關公司很早就開始將水果自動分揀的研究商業(yè)化。例如，Merling高速高頻計算機視覺水果分級系統(tǒng)是美國一家企業(yè)于1995年開發(fā)的，生產率約為40 t/h，美國每年有超過50%的蘋果通過該設備進行處理。美國Penwalt公司研發(fā)的Decco型分級機具有速度快、性能好、通用性強等特點，其是根據質量對水果進行分級的，利用杠桿原理進行工作，采用最新電子儀器測定質量，可根據需求選擇準確的分級基準，分級精度高。但是，現有產品都是為大農場設計的，而且維修費用較高，占地面積較大。

1.2 國內研究現狀

目前，我國生產的水果分級設備主要局限于機械分級，主要用于大小和質量分級。例如，山東省棲霞茂源機械設備有限責任公司生產的GXJ-W系列臥式果蔬分選機是將類似球形的水果或蔬菜（梨、蘋果、柿子、桃子、檸檬、石榴、番茄和柑橘等）按質量分級的一種高效自選設備。我國水果質量檢測中使用的水果品質自動檢測生產線多為進口設備，這種進口設備是針對大農場生產所設計的，在我國小農戶產品的檢測中并不實用。

1.3 國內外同類技術比較

機械分揀基于對水果的品質鑒定和分級研究，主要涉及農產品的大小、形狀、表面損傷與缺陷檢測等方面。最早的機械分揀采用多變識別技術實現對蘋果和馬鈴薯的顏色識別，識別準確率高但效率較低，其后Blanc設計的分級系統(tǒng)提高了分級效率。再后來Baigvand 設計出完整的分級系統(tǒng)，實現了對個別水果的等級劃分。國內水果機械分揀研究工作也取得了卓越的成果，葉晉濤的基于 SVM 神經網絡與哈密瓜圖像特征的分級方法及魏康麗的利用機器視覺方法，都為水果機械分揀開拓了新的思路。

目前，國內外對水果的分級主要有2種方式。一種是采用純機械的方式實現，主要是利用機械自身的機構特點和水果特征進行分級，但這種方式一般由大型機構所實現，且需要消耗大量能源。另一種方式是將水果分在某一個區(qū)間值內，無法做到更加精確的分級，同樣做不到對水果表面品質進行分級，且機器運行過程中易對水果造成損傷，影響水果的經濟價值，甚至需要人工進行二次分揀，費時費力。

目前，我國大部分地區(qū)的水果罐頭產品加工廠、水果經銷商、冷鮮水果加工廠商對水果的需求量與日俱增，但我國水果分揀方式仍以人工分揀為主。

2 水果自動分揀機設計意義

2.1 解決水果分揀問題，提高生產效率

目前，我國水果的分揀方式可分為兩種：人工分揀和機械分揀。人工分揀效率低，易損傷水果，準確率低，需要大量勞動力，分揀成本極大。但由于我國部分地區(qū)現代化程度不高，人工分揀在水果分揀方式的占比依然不低。由于人工分揀的資源消耗及分揀品質難以滿足水果商品化市場的擴張需要，具有分揀精度與效率低的弊端，阻礙了我國水果行業(yè)的發(fā)展。智能化水果產品分揀系統(tǒng)的問世能有效解決這一問題。

2.2 積極響應機械工業(yè)相關政策

《中國制造2025》提出，要想實現制造強國的戰(zhàn)略目標，必須堅持問題導向，統(tǒng)籌謀劃，突出重點；必須凝聚社會共識，加快制造業(yè)轉型升級，全面提高發(fā)展質量和核心競爭力。筆者積極響應國家政策，結合我國農業(yè)發(fā)展實際，設計并制造更有效、可靠的自動化機器，助力我國機械工業(yè)和農業(yè)共同 轉型發(fā)展。

3 自動分揀機機械結構設計

3.1 設計要求

①該分揀裝置需要符合水果、食品相關機械設備的設計標準，并確保符合機械設備制造、安全使用等原則。②裝置中所包含的機構部件盡量采用國家標準件和通用設備；所涉及的生產、制造、加工和裝配連接環(huán)節(jié)盡量簡單，對相關輔助制造設備要求不高，操作簡單；相關部件互換性好，便于設備部件的更換和維護，為設備的后期升級和改造提供方便，同時保證設備易于推向市場使用。③操作簡單原則。該設備是為農業(yè)從業(yè)者設計的，因此，要求設備的操作盡可能簡單、高效，顯示的界面標簽盡量使用簡潔易懂的描述，避免使用專業(yè)術語。

3.2 設計思路及設計流程

筆者的研究思路如圖1所示，基于圖像識別技術的智能化產品分揀系統(tǒng)設計流程如圖2所示。

圖1 研究思路

圖2 基于圖像識別技術智能化產品分揀系統(tǒng)設計流程

該系統(tǒng)設計采用攝像頭拍攝水果的圖像，獲取果徑和表面品質信息，傳送系統(tǒng)中的分揀導軌收到電信號后將送出的水果進行初步分級。之后通過傳感器控制氣壓缸推動水果進入分揀裝置，通過分揀裝置進入不同品質等級的收集箱。重力傳感器會檢測收集箱的質量，當質量達到閾值時，控制氣壓缸推動收集箱進入傳送裝置，至此完成一系列分揀工作。

3.3 整體結構設計

通過對同類型機器的研究、團隊討論及查閱豐富的資料，初步確定了智能化產品分揀系統(tǒng)由表面識別系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、氣缸運動系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)4部分組成。該分揀系統(tǒng)的整體結構模型如圖3所示。

圖3 水果分揀機整體結構模型

該分揀系統(tǒng)在實際運行過程中主要包括三大區(qū)域——電子分類區(qū)、傳動分揀區(qū)、商品傳送區(qū)，包括識別裝置、傳動裝置、氣缸裝置、分揀裝置，四大裝置之間合理搭配運作。在電子分類區(qū)，需將水果放在分揀導軌的接收水果源上，隨后水果由于分揀設備的坡度原因依次向前滾落運動。通過提前設定的參照，使傳感器支配分揀導軌根據果徑大小來回擺動，將水果輸送至相應的4個分軌道，完成初步分揀。之后水果進入傳動分揀區(qū)，攝像頭通過圖像識別功能采集到設定的信息后，會產生相應的電子信號，并通過傳感器發(fā)出，使靠近攝像頭一側的氣壓缸工作，將符合設定信息的水果推送到氣壓缸前方的分揀裝置。通過前后不平行的傳送帶進行二級分揀（傳送帶根據水果大小可調）。之后將符合第2個氣壓缸所設定信息的水果通過傳感器傳輸到氣壓缸，將其傳送到對應的分揀裝置來進行三級分揀。不符合這兩級分揀的水果將會傳送到傳送帶另一側便于收集。水果分揀收集結束后進入商品傳送區(qū)，通過導管傳送到收集箱，而收集箱下方具有重力傳感器，當傳感器達到設定的參數值后，通過電磁閥控制的氣壓缸將對應的收集箱推出，隨后被傳送帶送離機體，分揀機工作程序全部完成。

4 自動分揀機系統(tǒng)結構設計

4.1 表面識別系統(tǒng)

采用該設備進行水果分級時，位于傳送帶上方的雙攝像頭會以對角線的方式對水果表面進行檢測，從而產生電子信號，通過傳感器傳輸到對應的氣壓缸使之工作。該設備利用光電檢測技術、信息處理技術等可以對果實外觀品質進行快速綜合分析和判斷。表面受損的水果和沒有受損的水果之間會有很大的差異，系統(tǒng)會自動進行快速分析，并與計算機數據庫中的數據進行比較，從而快速得到檢測結果。

4.2 傳送系統(tǒng)

該設備的主傳送帶是運輸水果的主要通道，可與多個分揀系統(tǒng)相連。傳送帶的長短高低可以根據實際需要進行調整，增加了系統(tǒng)的能動性，顯著提高了工作效率。當接收裝置達到一定質量后，氣缸把紙箱由輥式傳送器上推到底部傳送帶，使其被傳送到指定的級別區(qū)域，便于收納。

4.3 氣缸運動系統(tǒng)

為便于將水果推入分揀裝置，根據水果的尺寸、滑動摩擦力，參考手工分級經驗，通過三維建模軟件SolidWorks繪制不同的氣缸用來推動物體，同時進行了動畫仿真模擬。氣缸運動過程是利用圖像識別技術對水果進行初步分級，產生電子信號將水果推入分揀裝置，當重力傳感器接收信號時產生電子信號控制氣缸運動，將接收裝置傳入底部傳送帶。同時，由電磁閥控制氣缸，使設備更加高效與安全。

4.4 分揀系統(tǒng)

通過分揀導軌上的傳感器使分揀導軌來回擺動，根據提前設定的水果表面品質信息，將水果以最小誤差送入相應的4個分軌道。同時，分揀導軌上的傳感器數值調節(jié)與分軌道的寬度相對應，從而將符合導軌寬度果徑大小的水果準確地輸送到分導軌。

5 設備對水果分揀指標的研究

5.1 對果徑分揀研究的實施

分揀系統(tǒng)是整個系統(tǒng)對水果果徑的初級分揀，并提高后續(xù)分揀效率。通過分揀導軌上的圖像識別傳感器檢測通過水果的果徑，根據提前設定的不同導軌果徑參數，將水果分為多個果徑等級。通過分揀導軌來回擺動，使得分揀導軌上的傳感器的數值調節(jié)與分軌道的寬度相對應，從而將符合導軌寬度的果徑大小的水果輸送到分導軌，確保了水果流量的穩(wěn)定性與可控性，實現初步分揀。

5.2 對表皮品質分揀研究的實施

水果通過分揀導軌的初步分揀后，在主傳送帶中，位于傳送帶上方的雙攝像頭會以對角線的方式對水果表面進行檢測，從而產生電子信號，通過傳感器傳輸到對應的氣壓缸使之工作。當水果傳送至與氣壓缸彈射同一水平處，氣壓缸進行工作，將水果彈出主傳送帶進入傳送系統(tǒng)，運用圖像識別技術、光電傳感技術、信息處理技術等可實現對水果外觀品質的快速綜合分析判斷。表面受損的水果與表皮質量良好的水果存在顯著差異，系統(tǒng)會自動進行快速分析并與電腦數據庫中的數據比對，從而快速得出檢測結果，運用PLC技術向后續(xù)裝置傳輸信息，完成水果果徑及表皮質量的最終分揀。為了避免新設備在使用中由于環(huán)境、溫度及水果外形差異等因素對檢測結果產生影響，該研究團隊使用了先進的電子計算技術進行數據的修正和彌補，并建立了一定規(guī)模的數值對比數據庫，從而最大限度地保證了檢測的準確度，準確率接近 100%。

6 結語

基于圖像識別技術的智能化產品分揀系統(tǒng)具備以下6個創(chuàng)新點：①分揀裝置的傳送帶尺寸可調，適用于分揀多種不同種類水果；②主傳送帶可連接多個分級系統(tǒng)，提高了工作效率；③利用傳感器控制技術，使得設備操作更加方便，并且基本實現自動化，效率更高，且可節(jié)省人工；④采用圖像識別系統(tǒng)來判斷水果表面品質信息，為分揀提供第一步保障，提高了分揀質量；⑤設備體積小，接通電源即可使用，更便于中小型產品加工廠與小型農產品廠商使用，且操作簡便、易上手，極大地提升了設備的實用性；⑥產品由多級電機與機械構件組成，精準巧妙地運用了不同的新型機械結構，在實際生產過程中不易出現故障，增強了設備的可靠性。

但該系統(tǒng)也存在需要改進和完善的地方，如優(yōu)化且細化傳送帶尺寸設計，以提高水果分級精度及分級寬度；優(yōu)化設備整體結構設計，根據各部件受力情況選取不同材質的結構材料，以達到輕量化設計 要求。