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球形水果智能分类系统的设计

2021-10-14徐志伟文豪周劲松张小明邹伟全

农业技术与装备 2021年8期
关键词:色差外观控制器

徐志伟,文豪,周劲松,张小明,邹伟全

(广东科学技术职业学院,广东珠海 519090)

我国幅员辽阔,水果种植面积和水果产量十分巨大,随着国民经济实力和消费水平的不断提高,对水果的品质要求也不断提高,对同种水果进行品质等级的区分尤为必要。

当前,传统的人工水果分拣分类存在个人主观性分辨,作业效率低、工作量大,且人工长时间单调重复工作疲劳导致检测准确率下降。因此,研究水果等级自动分类系统具有较好的应用前景。对水果行业尤其是农户提高生产效率、分类销售具有积极的促进作用。众多学者利用计算机图像识别技术以及智能算法对水果分类进行了探索研究,取得了许多成果。如周伟等提出了基于PLC和图像处理的水果分类智能控制系统,采用了计算机视觉、人工神经智能网络和PLC电子控制技术,提出了一种基于FX3U-48MT/ES-APLC控制器的水果分类智能控制系统,利用芒果样本作为采集处理与识别模型进行智能分类;如郭继红等提出了基于RFID的水果包装和自动配送系统研究,完成了水果包装模块和基于RFID的自动配送系统的设计,实现了一套基于RFID的水果包装和自动配送系统,可以完成水果分类包装、贴RFID便签,以及识别和跟踪整个获取和供应链的信息。如吕秋霞等提出基于神经网络的水果自动分类系统设计,设计了基于神经网络的自动水果分类系统,包括系统的硬件构成和分类程序。提取了水果图像的形状、颜色、纹理3种主要特征,将3种特征向量输入到神经网络分类器进行分类识别。

然而,上述研究的分类系统由于其造价成本昂贵,操作起来比较复杂,且精细化程度高易于损坏,并不适合当前我国绝大部分果农的生产需求。因此,研究分类准确、可靠性高、成本低的水果自动化分类系统是当前水果产业的迫切需要。

本文设计出一种球形水果智能分类包装装置,通过设计机械结构、采用PLC作为控制器,结合相关功能传感器进行检测。本装置能根据水果的体积大小、色泽、成熟度等指标对水果进行智能分类,克服了人工操作的速度慢、工作量大、易出错的缺点。同时,本装置具有成本低、可靠性高的优点。

1 水果自动分类系统分类策略

我国水果种类繁多,水果的外形不一,如常见的球型水果苹果、橘子、梨子,椭圆形哈密瓜、猕猴桃、西瓜,长条形的香蕉、羊角蜜瓜等。同时水果表面的软硬坚实程度不同,水果成熟时的外观评价指标也不同,如绿色、红色、橘子黄色等。总之,形状颜色不一。综合上述水果的特点,本研究选择球型水果作为本次研究的重点,对某种球形水果体积大小的特点、成熟的指标等进行分类研究,确定其成熟品质评价指标,如体积大小、色泽、成熟度。

本研究根据先分级、再分类的多次分类筛选的原则。首先,进行第1次分类。根据水果体积大小分为一级、二级、三级共3个等级,进行机械结构设计。同时,为满足不同种类水果体积大小不一的条件,可以对分类结构尺寸进行一定范围内的调整以满足更多体积的水果;

再次,根据水果颜色进行第2次分类。根据水果外观颜色评价指标进行分类,利用色差仪对水果外观表面颜色进行检测。通过色差仪对水果表面不同部位的颜色进行采集,得到不同的颜色信息而转化为数字信号,再将数字信号传输给控制器,以PLC作为系统控制器。控制器控制系统装置部件的运动从而把水果分类成优等、次等。

通过两次分类得到3种体积大小、2个外观等级的共6个等级不同的水果。最后,通过水果分类系统输出口,将水果进行封装包装,便于进行后期的运输与销售。

2 水果自动分类系统工作原理与结构设计

水果自动分类系统整体结构示意图见图1。该系统动力来源是市电,通过输入电线接通电源驱动电动机运转。通过电动机输出动力,通过电动机输出轴传递给减速器的输入轴,进行转速的降低。再通过皮带传动,将减速器的运动动力传递给分拣系统的传动轴L。转动轴L顺时针旋转带动隔板a、b顺时针转动。将水果倒入分类系统隔板a、b之间的空间内,在两隔板的顺时针推动下一起作顺时针旋转运动。

图1 整体结构示意图Fig.1 The overall structure diagram

隔板顺时针运动将水果推动至分类口1。此时直径小于分类口D1尺寸的水果由于重力作用顺势下落至通道T1。在通道T1内,利用色差仪对水果3个部位外观进行颜色采集,之后色差仪将水果颜色信息转化为数字信息,并将数字信息传输给PLC控制器。PLC控制器控制运动部件的动作,即打开通道T1内的阀口K1或K2,从而将水果又分为优、次2类。至此,完成了直径D<D1的水果的分类。

与上述D<D1的水果分类情况类似,隔板a、b在转动轴L的传动下继续旋转,当推动水果至分类口2时,直径小于D2(D2>D1)尺寸的水果由于重力作用顺势下落至通道T2。在通道T2内通过色差仪采集水果3个部位的外观验收信息,色差仪根据颜色信息转化为数字信息传输给PLC控制器,控制器控制通道T2动作,将直径D1<D<D2的水果进行2次分类。至此,完成了直径D1<D<D2的水果的分类工作。

类似地,由于通道T3的尺寸足够大,直径为D>D2的水果全部进入通道T3内,并在通道T3内进行2次优、次的分类。最终,所有的水果分类完成。

由于水果抗损伤性能极差,在分类过程中水果运动可能会对水果表面产生损伤,而损伤的水果在外观、果肉品质、销售过程中表现不佳。故在本设计系统结构上进行表面粘贴海绵等软化处理措施,保证了在分类过程中不损伤水果,保证分类水果质量。

3 结语

本文设计的球型水果分类系统,能应用于不同体积大小、外观颜色的水果分类,同时不伤害其外观和内部,保证了水果分类质量,同时也保证一定的分类作业速率。该系统较之于视觉分类、机器人分类具有成本低、操作简单、可靠性高,更适用于农业应用的优点。本系统的设计研究积极响应了乡村振兴战略,有助于推动乡村产业振兴,发展乡村产业。解决当前农村生产劳动力不足、缺乏生产要素和作业效率效率不高等问题,有助于提高农业生产效率和竞争力实力,有利于促进农民的收入增收致富,让小农户分享现代农业发展的成果。在一定程度上帮助果农实现水果自动分类从而实现经济收入增长。此外,本系统需要后期的不断改进和优化,提高分类质量和效率,后期还有许多工作要完成。

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