（南京科技職業(yè)學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，江蘇南京市，210048）楊鵬仙 王惠玲＊ 宗 強 陳 琳

中國作為世界上最大的水果生產(chǎn)大國，水果產(chǎn)量和種植面積逐年提升，2019年我國的水果產(chǎn)量為2.84億噸，通過測算，我國果園面積今后還會進一步增大，供應(yīng)規(guī)模將繼續(xù)擴大。但總體上看，我國的水果產(chǎn)業(yè)并不能稱之為強，其中最大的痛點是缺乏產(chǎn)業(yè)鏈整合，尤其是各類水果的篩選分級技術(shù)還相對落后，嚴重阻礙了我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，實現(xiàn)水果的快速有效的分級，以提升我國水果品質(zhì)和競爭力已經(jīng)勢在必行[1-2]。

本文介紹了一種基于計算機視覺技術(shù)的水果自動分級系統(tǒng)，將計算機視覺技術(shù)用于水果品質(zhì)分級具有潛在的應(yīng)用價值和很好的發(fā)展前景，也最適合走工業(yè)化的發(fā)展軌道。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

目前，水果篩選分級主要有人工水果分級和機械自動化分級兩種形式，其中人工分級方式需要大量的勞動力，效率低，難以滿足大批量分級需求。機械自動化分級可以分為純機械裝置分級、基于光電檢測技術(shù)分級和基于圖像/視覺技術(shù)分級三種。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于圖像/視覺技術(shù)的水果分級簡化了圖像分類和處理的流程，在很大程度上提升了產(chǎn)品品質(zhì)檢測的速度和精度，降低了成本。因此，利用計算機視覺技術(shù)進行分級是自動化分級發(fā)展的必然趨勢。

本系統(tǒng)將綜合采用傳感器技術(shù)、電氣控制技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等多種技術(shù)，應(yīng)用智能化的控制方式實現(xiàn)水果的自動分級。系統(tǒng)的核心是以工控機為核心的控制系統(tǒng)，通過工業(yè)相機采集水果圖像，通過各種傳感器采集各項指標，通過LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件搭建人機界面，并進行圖像分析和處理，控制執(zhí)行機構(gòu)，監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)水果的分級。

1.1 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)、信號采集裝置、檢測與執(zhí)行裝置、控制系統(tǒng)以及人機界面等五部分組成。

系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)支架、進料機構(gòu)、傳送機構(gòu)、物料臺、卸料機構(gòu)以及與系統(tǒng)配套的托盤機構(gòu)、擋板等。其中，系統(tǒng)支架為其他所有部件提供支撐，決定了分級系統(tǒng)的整體大小。進料機構(gòu)和傳送裝置用于水果的在線運輸，傳送機構(gòu)由電機等動力裝置帶動運行，卸料機構(gòu)負責(zé)把經(jīng)過檢測的水果從傳送機構(gòu)上卸下，將其集中到對應(yīng)等級的收集裝置中。本系統(tǒng)采用機械損傷小的氣動式水果分級卸料機構(gòu)。分級后的水果進行卸料時，繼電器將儲氣罐閥門打開，通過高壓氣體將水果吹落，從而達到自動化卸料的目的。

信號采集裝置包括光源、工業(yè)相機、采集卡等設(shè)備組成，檢測與執(zhí)行裝置包括編碼器、傳感器、電磁閥、電動機等組成。信號采集裝置可以采集圖像以及各種傳感器等信息，把采集到的信號發(fā)送給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是水果自動分級系統(tǒng)的重要組成部分，也是實現(xiàn)水果分級的核心部分。本系統(tǒng)以工控機為核心，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件對各種信息進行信息信號處理，并可通過人機界面對系統(tǒng)進行控制?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)的功能包括運動控制功能、圖像采集與數(shù)據(jù)處理功能以及通過人機界面對各種環(huán)境參數(shù)、運行參數(shù)等進行控制調(diào)節(jié)等功能。

1.2 系統(tǒng)硬件選擇及功能

1.2.1 工業(yè)相機

完成水果的圖像采集，要求像素高一些，但要考慮成本以及計算機對圖像處理速度。

1.2.2 編碼器編

碼器的功能是確定每個料斗的實際位置，選擇時要兼顧編程方便。

1.2.3 各種傳感器

包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等，用于測量氣壓、溫度以及檢測物料有無等。

1.2.4 電機

包括用于傳送帶傳輸?shù)碾姍C、氣泵電機、振動電機等。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于NI公司的LabVIEW和LabVIEW Assistant，包括數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)處理程序、控制和輸出程序、人機界面三個部分。其中，數(shù)據(jù)采集與處理程序主要包括：相機的數(shù)據(jù)采集與處理、編碼器的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換以及對各種傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理等。控制和輸出程序包括對執(zhí)行機構(gòu)進行控制、對經(jīng)處理的采集信息進行輸出以及環(huán)境、系統(tǒng)運行情況進行報警、提示等信息輸出。人機界面主要包括通訊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、圖像處理過程顯示等[3-4]。

2 結(jié)果及分析

系統(tǒng)的工作過程為設(shè)備上電后，工控機啟動，此時，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。通過人機界面，點擊啟動指令后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序，先判斷物料入口是否有料，如果沒有則繼續(xù)等待，如果有則啟動氣泵，達到預(yù)定的壓強后再進行下一步，即進料機構(gòu)啟動，同時，相機實時進行拍照識別，并調(diào)用圖像采集與處理程序，進行圖像處理分析，把信息傳輸給到各動作控制元件，控制何時把水果送到預(yù)定軌道，實現(xiàn)水果的分級。

以蘋果為例，將計算機視覺技術(shù)用于蘋果的自動檢測和自動分級，通過提取蘋果的大小、顏色、表面缺陷等特征，從而實現(xiàn)蘋果的自動分級。系統(tǒng)的工作界面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作人機界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于計算機視覺的水果自動分級系統(tǒng)，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，并以蘋果為例進行了試驗分析，包括水果的成熟度及大小等。實驗報名，該系統(tǒng)實用性強，可根據(jù)不同需求，設(shè)置不同參數(shù)，進行多種水果的分級，可以拓展到大批量、多種水果分級處理。