荔枝自动分级机的设计研究

李嘉威，陈燕，王佳盛，聂宇平，刘威威，曾泽钦

荔枝自动分级机的设计研究

李嘉威，*陈燕，王佳盛，聂宇平，刘威威，曾泽钦

（华南农业大学工程学院，南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东广州510642）

为实现采后荔枝的快速低损自动分级，对荔枝自动分级机进行了设计。该荔枝分级机由单行等距输送装置、图像采集与处理系统、分级执行装置组成。荔枝的单行等距排布输送采用转盘孔框法，图像采集采用网口工业相机，图像处理采用荔枝品质分级视觉分级系统进行多特征提取和融合分级，通过控制移动凸轮改变分级平台的倾角完成荔枝分级。在线试验结果表明，分级系统对荔枝的分级准确率为93.75%。

荔枝；自动分级机；分级平台；图像采集与处理系统

0 引言

荔枝是广东特色佳果，其分选分级是其采后商品化处理的一个重要环节，是实现优质优价、提高市场竞争力的关键。传统的人工分级方法，不但效率低下且难以做到客观准确，无法适应规模化和产业化生产的要求；采用机械分级，如滚筒孔框分级法[1]和间距变换法[2]虽然效率高，但是分级指标单一，且容易对荔枝造成损伤。基于机器视觉的无损检测分级方法，可依据水果的多个外部品质指标进行快速智能判别分级，对水果的分级更加客观和全面。目前，相关学者对猕猴桃、红枣、李子和葡萄等水果的机器视觉无损检测自动分级设备进行研究[3-6]，但是关于基于机器视觉的荔枝自动分级机研究国内外未见文献报道。

为此，研究提出一种基于机器视觉的荔枝自动分级机，通过对荔枝进行多指标综合视觉检测分级，实现无损检测和快速分级。

1 自动分级机总体结构和工件原理

荔枝自动分级机主要由单行等距输送装置、图像采集与处理系统、分级执行装置组成。

荔枝分级机结构见图1。

图1 荔枝分级机结构

分级时，由人工将荔枝倒入圆筒，圆筒底部装有孔框转盘。转盘旋转时，荔枝将会落入孔框转盘，随转盘转动，实现等距排列。荔枝等距排列后随转盘运动进入图像采集区检测，图像采集区设有光源和网口相机系统采集荔枝图像，采集后的荔枝图像信息输送给计算机，经分级软件分析，得到荔枝的等级。图像采集检测后的荔枝进入分级平台，根据分级信息，电机控制移动凸轮运动，移动凸轮的3个轮廓面同时控制3个推杆的升程，从而改变分级平台的姿态，向相应等级出口倾斜，最终使荔枝滚动至分级通道，完成分级。

荔枝自动分级机的2个工作状态见图2。

图2 荔枝自动分级机的2个工作状态

2 关键部件设计分析

2.1 分级平台设计分析

荔枝的分级执行，主要通过移动凸轮驱动分级平台的倾斜来实现。分级平台的姿态可以由其所属平面的法向量表示，建立分级平台坐标系，记3个推杆顶点的坐标为P1（x1，y1，z1）T，P2（x2，y2，z2）T，P3（x3，y3，z3）T，则分级平台的法向方向向量n（nx，ny，nz）T可以由公式（1）表示：

式中：norm（）——对向量标准化。

由于推杆在x和y方向的位置已经确定，可视为常数，式中只有z1，z2，z33个变量，故式（1）可化简为式（2）：

式中：Ci——常数项，i=1，2，3，4，5；

Ni——向量长度，i=1，2；

zi——函数，i=1，2，3。

分级平台坐标系见图3。

分级平台的倾斜方向可以使用测量的方法得出大致值，根据式（2）使用数值方法可以求出各个推杆的升程。求取3个分级姿态和初始姿态下相应的3个推杆升程参数即可分别设计出3个推杆的凸轮廓线。

图3 分级平台坐标系

2.2 图像采集与处理系统

荔枝的图像采集主要通过1套光源、千兆网卡和网口相机系统完成，采集后的图像经自行开发的荔枝品质视觉检测融合分级系统[7]进行图像预处理、分级特征参数提取和融合分级，图像处理过程如下。2.2.1图像预处理

提取荔枝分级特征参数前，需对采集的荔枝图像进行预处理，图像预处理包括图像分割、噪声去除等。分级系统在YCrCb模式下对图像Cr通道进行了k均值聚类分割和轮廓查找。

2.2.2 分级特征参数提取

荔枝的外观品质等级指标主要包括荔枝大小、果形、缺陷（褐变、裂口等）等，该分级机暂只对荔枝大小和果皮褐变缺陷进行综合分级。

分级系统采用横径表示荔枝的大小，由于荔枝近似于圆形，所以对分割后的荔枝图像使用圆拟合，求得拟合圆的直径作为荔枝横径大小的近似值。

由于荔枝近似于球状，边缘的光照不足，图像分割时边缘部分易被误认为是褐斑（如图4（b）所示）。分级系统为防止边缘误检测，对荔枝图像进行边缘光照补偿和增强对比。

带褐斑荔枝图像分割见图4。

图4 带褐斑荔枝图像分割

2.3 融合分级

开发的荔枝品质分级视觉分级系统，融合了荔枝横径大小和果皮褐变缺陷2个特征进行分级。

荔枝分级软件界面见图5。

应用该系统，在试验台上对80个荔枝进行了视觉检测分级。

图5 荔枝分级软件界面

分级试验结果统计见表1。

表1 分级试验结果统计

3 结语

针对目前荔枝分级存在的问题，对基于机器视觉的荔枝自动分级机进行了设计。分级机通过带孔圆盘实现荔枝的单行等距输送，经图像采集与处理系统对荔枝进行品质融合分级，最后通过控制移动凸轮改变分级平台的倾角，让荔枝进入相应的收集通道，从而实现荔枝的快速低损分级。在线试验结果表明，分级系统对荔枝的分级准确率为93.75%。参考文献：

[1]梁健，梁材.荔枝保鲜分级处理工艺及设备[J].现代农业装备，2008（7）：61-63.

[2]蒙必胜，梁兆新，朱其崇.链板式间距可调果类分选机的原理及设计[J].农产品加工，2004（8）：35-37.

[3]王松磊，刘民法，何建国，等.红枣自动快速无损检测分级机研究[J].农业机械学报，2014（9）：79-83，95.

[4]张小明.小型李子水果分级机的研制[J].农产品加工，2014（8）：72-73.

[5]王丽丽.基于计算机视觉的哈密大枣无损检测分级技术及分级装置研究[D].石河子：石河子大学，2013.

[6]陈英，廖涛，林初靠，等.基于计算机视觉的葡萄检测分级系统[J].农业机械学报，2010（3）：169-172.

[7]陈石榕.国际鲜荔枝标准[J].福建标准化信息，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

广东省科技计划资助项目（2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111）；广东省自然基金项目（2015A030310258）。

李嘉威（1993—），男，硕士，研究方向为农业机器人、智能设计与制造。

*通讯作者：陈燕（1964—），女，硕士，副教授，硕士生导师，研究方向为农业机器人、农业智能装备。