楊濟(jì)華，孔凡克

（264670 山東省 煙臺(tái)市 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺(tái)研究院）

0 引言

目前越來(lái)越多的農(nóng)產(chǎn)品通過(guò)電子商務(wù)平臺(tái)交易，經(jīng)營(yíng)狀況良好的農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)店每日會(huì)接收到大量訂單，給經(jīng)銷顆粒類農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)店的定量包裝帶來(lái)巨大壓力。對(duì)于手工計(jì)量包裝的商家，通常由人工先靜態(tài)機(jī)械稱重，然后再手動(dòng)添加顆粒農(nóng)產(chǎn)品個(gè)體實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量和包裝。人工計(jì)量費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且稱重精度不高，很容易造成顧客和商家的利益失衡。因此，研發(fā)能滿足顆粒類農(nóng)產(chǎn)品連續(xù)精確計(jì)量稱重包裝的技術(shù)與裝備，對(duì)提高電子商務(wù)日益普及趨勢(shì)下的工作效率和公平交易意義重大[1-2]。

水果、堅(jiān)果等農(nóng)產(chǎn)品根據(jù)單個(gè)果實(shí)體積或質(zhì)量不同可分為大顆粒類和小顆粒類。菠蘿、芒果、柚子、蘋果等就屬于大顆粒類農(nóng)產(chǎn)品，其實(shí)現(xiàn)定量包裝時(shí)通常是挑選多個(gè)水果組合包裝，使其質(zhì)量達(dá)到設(shè)定的精度范圍，此類農(nóng)產(chǎn)品的研究主要集中在單個(gè)果實(shí)的稱重分選上。像冬棗、杏子、李子、核桃等個(gè)體體積較小的類球狀農(nóng)產(chǎn)品，稱量單個(gè)果實(shí)的質(zhì)量意義不大，需要整體稱重使其達(dá)到要求的質(zhì)量范圍，再通過(guò)增補(bǔ)單個(gè)個(gè)體物料以達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)量的目的[3]。故此類農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)定包裝稱重計(jì)量過(guò)程需要涉及動(dòng)態(tài)稱重和配料控制。目前相關(guān)研究主要集中在個(gè)體體積較大的瓜果類農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)稱重分選，對(duì)個(gè)體體積較小的水果、堅(jiān)果類農(nóng)產(chǎn)品定包裝稱重計(jì)量研究較少。

在水果動(dòng)態(tài)稱重方面，用機(jī)器視覺(jué)獲得圖像并快速識(shí)別的方法，李家學(xué)等[4]等設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)水果視覺(jué)檢測(cè)與質(zhì)量檢測(cè)于一體的水果分選機(jī)；PAWLOWSKI A[5]等研制了一種適合于直徑大小在45～100 mm 的球形水果的環(huán)形分選機(jī)可以實(shí)現(xiàn)最高3 個(gè)/s 的動(dòng)態(tài)稱重速度；劉建雄[6]以柚子為研究對(duì)象，針對(duì)柚子個(gè)體大分選速度慢等問(wèn)題，對(duì)基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的分選方法進(jìn)行了研究；龔中良[7]等設(shè)計(jì)了針對(duì)砂糖橘組合定量稱重的砂糖橘組合定量試驗(yàn)平臺(tái)，并研究了非均質(zhì)物料鏈?zhǔn)浇M合稱重定量算法的優(yōu)化問(wèn)題。

1 類球狀小顆粒農(nóng)產(chǎn)品定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以滿足質(zhì)量≤30 g、等效球直徑≤40 mm 的類球形小顆粒單個(gè)果實(shí)農(nóng)產(chǎn)品（如紅棗、杏子、李子、核桃等）的連續(xù)自動(dòng)定包裝稱重計(jì)量為目標(biāo)，設(shè)計(jì)的定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由皮帶運(yùn)輸裝置、自動(dòng)分流裝置、測(cè)距傳感器、配料倉(cāng)、高彈性橡膠空心滾筒、步進(jìn)電機(jī)、稱重傳感器等7 個(gè)部分組成。

圖1 類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of quantitative weighing system for quasi spherical small agricultural products

物料的連續(xù)運(yùn)輸與自動(dòng)分流是實(shí)現(xiàn)類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品定包裝稱重計(jì)量自動(dòng)化的前提，類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品若采用間歇輸送方式則存在效率低、經(jīng)濟(jì)差的問(wèn)題，采用帶式輸送等連續(xù)輸送方式則有輸送能力強(qiáng)、生產(chǎn)率高、損傷低等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且在運(yùn)輸過(guò)程中物料不會(huì)因相互擠壓、摩擦、碰撞等造成損傷，因此可選擇皮帶輸送方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性更好[8-17]。

為兼顧稱重精度與稱重效率，可采用物料連續(xù)輸送自動(dòng)分流分別并行稱重的結(jié)構(gòu)。首先在輸送皮帶上控制物料完成分流，再對(duì)每一分流的物料分別完成定包裝稱重計(jì)量。采用自動(dòng)控制分流并行計(jì)量包裝的設(shè)計(jì)，可使輸送物料通過(guò)增加分流稱重計(jì)量分支數(shù)量進(jìn)行并行計(jì)量稱重，可明顯縮短單次定包裝稱重計(jì)量的時(shí)間，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的稱重計(jì)量效率和稱重計(jì)量精度同時(shí)提高的目的。

圖1 為實(shí)現(xiàn)類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品定包裝稱重計(jì)量所設(shè)計(jì)的連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)需要計(jì)量包裝時(shí)，輸送皮帶上的物料經(jīng)分流裝置流入配料倉(cāng)中，配料倉(cāng)中物料堆積的上限和下限由測(cè)距傳感器檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)傳給控制器控制分流裝置的開(kāi)合。高彈性橡膠空心滾筒由步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，配料倉(cāng)中的農(nóng)產(chǎn)品在一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的高彈性橡膠空心滾筒擠壓下落入包裝袋上的包裝袋內(nèi)，稱重傳感器檢測(cè)落下的物料質(zhì)量并通過(guò)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)從而動(dòng)態(tài)控制物料流量，直至完成當(dāng)次的稱重，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。取走計(jì)量好質(zhì)量的包裝袋并放入新的包裝袋，則進(jìn)入下一次定包裝稱重計(jì)量。在輸送皮帶兩邊裝有多個(gè)動(dòng)態(tài)定包裝稱重計(jì)量的單元，可實(shí)現(xiàn)并行動(dòng)態(tài)定包裝稱重計(jì)量，從而可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的稱重效率[18-19]。

2 定包裝稱重計(jì)量裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性可調(diào)的定包裝稱重計(jì)量裝置是實(shí)現(xiàn)類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品連續(xù)定包裝稱重計(jì)量的關(guān)鍵部分，為保證物料在進(jìn)給時(shí)外觀品相好、不會(huì)產(chǎn)生搓擦、擠壓、碰撞等損傷，并且單個(gè)質(zhì)量在5～30 g 之間的顆粒農(nóng)產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)單個(gè)物料的進(jìn)給功能，圖1 所示的柔性可調(diào)定包裝計(jì)量裝置由步進(jìn)電機(jī)控制高彈性橡膠空心滾筒進(jìn)給結(jié)構(gòu)，其硬件系統(tǒng)由控制系統(tǒng)模塊和人機(jī)界面模塊組成。控制系統(tǒng)模塊包括STM32103ZET6 主控芯片、數(shù)據(jù)采集模塊（稱重傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器）和運(yùn)動(dòng)控制模塊（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）；人機(jī)界面模塊包括人機(jī)交互、數(shù)據(jù)I/O、計(jì)量參數(shù)設(shè)定及聲光報(bào)警等模塊。界面友好的人機(jī)交互功能模塊可將采集到的稱重?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理分析模塊生成可視化的分析報(bào)表；控制系統(tǒng)功能模塊中的STM32103ZET6 主控芯片負(fù)責(zé)和系統(tǒng)各個(gè)功能模塊間通訊，通過(guò)通信模塊不斷接受檢測(cè)信號(hào)并發(fā)出控制指令。

在定包裝稱重計(jì)量過(guò)程中，稱重傳感器感應(yīng)到稱包裝袋內(nèi)的質(zhì)量變化，采集稱重信號(hào)和進(jìn)料高度等模擬信號(hào)并進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)I/O 傳入STM32103ZET6 主控芯片，主控制模塊對(duì)AD 轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)處理并發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由此可以對(duì)連續(xù)動(dòng)態(tài)顆粒流農(nóng)產(chǎn)品的進(jìn)給和計(jì)量進(jìn)行精確控制。STM32103ZET6 對(duì)稱重信號(hào)的處理和判斷過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是數(shù)字濾波和配料控制的過(guò)程，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)上述功能要求研發(fā)的定包裝稱重計(jì)量試驗(yàn)裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖3 是定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)的硬件組成示意圖。硬件系統(tǒng)的組成主要包括主控芯片、數(shù)據(jù)采集板、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及I/O 模塊、人機(jī)交互模塊、通訊模塊和電源管理模塊。

圖2 定包裝稱重計(jì)量試驗(yàn)裝置Fig.2 Quantitative weighing test device

圖3 定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)硬件組成Fig.3 Hardware composition of quantitative weighing system

3 迭代學(xué)習(xí)控制的配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品連續(xù)定量自動(dòng)化稱重系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)合理的定量配料方案才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精度和效率。精良的動(dòng)態(tài)稱重精度和完善的定量配料方案是實(shí)現(xiàn)顆粒類物料精確計(jì)量與包裝的關(guān)鍵。由于顆粒類物料的配料必須考慮顆粒流連續(xù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程控制和單個(gè)物料滯空及單個(gè)進(jìn)給的情形，因此設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高彈性橡膠空心滾筒進(jìn)料裝置，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)顆粒物料的進(jìn)給，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)計(jì)量結(jié)果的精確控制，可以實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)下落（連續(xù)快速下料過(guò)程）、寬時(shí)間間隔的單個(gè)落料（點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料過(guò)程）和停止配料。

連續(xù)快速下料可以提高配料的速度，點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料主要用于保證最終稱重的精度。由于點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料需要進(jìn)給滾筒在較低轉(zhuǎn)速下才可實(shí)現(xiàn)，效率較低，為保證系統(tǒng)整體的稱重效率，需要在每次稱重過(guò)程中盡可能減少點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料的次數(shù)，或只通過(guò)單次點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料即可滿足定量精度。點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料次數(shù)取決于連續(xù)快速下料過(guò)程完成后秤上物料的實(shí)際質(zhì)量，連續(xù)快速下料完成后的物料實(shí)際質(zhì)量越接近設(shè)定下料量，點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料的次數(shù)就越少，整體稱重的效率就越高，因此確定精良的連續(xù)快速下料配料方案及物料無(wú)損進(jìn)給裝置設(shè)計(jì)是提高整體稱重系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。

在類球形小顆粒農(nóng)產(chǎn)品的定包裝稱重計(jì)量中，一般來(lái)說(shuō)物料的稱重是相同質(zhì)量物料定包裝稱重計(jì)量的過(guò)程，即每一次的稱重計(jì)量過(guò)程都是對(duì)動(dòng)態(tài)連續(xù)顆粒流物料的重復(fù)分流進(jìn)料控制的過(guò)程，因此用迭代學(xué)習(xí)控制配料過(guò)程就能很好地適應(yīng)此類連續(xù)動(dòng)態(tài)的物料流過(guò)程的計(jì)量。

迭代學(xué)習(xí)控制要求在每一次配料時(shí)，若設(shè)定期望下料量W期，經(jīng)過(guò)一系列的迭代學(xué)習(xí)則可以尋找到轉(zhuǎn)換值W轉(zhuǎn)，使得針對(duì)連續(xù)動(dòng)態(tài)顆粒流的物料計(jì)量系統(tǒng)在W轉(zhuǎn)的控制信號(hào)下，達(dá)到連續(xù)快速下料過(guò)程實(shí)際總下料量W實(shí)與期望下料量W期一致的精確控制效果。

通過(guò)學(xué)習(xí)迭代訓(xùn)練，若誤差e<0,則 W實(shí)k0，則 W實(shí)k>W期，是正向迭代，其結(jié)果是下一次的 W轉(zhuǎn)增大，從而下一次的 W實(shí)更接近 W期。

在迭代學(xué)習(xí)控制過(guò)程連續(xù)快速下料過(guò)程實(shí)際總下料量W實(shí)會(huì)逐漸接近期望下料量W期。經(jīng)過(guò)多次迭代后，連續(xù)快速下料過(guò)程實(shí)際總下料量W實(shí)k會(huì)在期望下料量 W期的小范圍內(nèi)浮動(dòng)，從而將點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料的次數(shù)控制在較小的范圍內(nèi)。迭代學(xué)習(xí)控制顆粒類物料動(dòng)態(tài)精確計(jì)量的過(guò)程如圖4 所示。

圖4 迭代學(xué)習(xí)控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of iterative learning control

在物料進(jìn)給系統(tǒng)中，點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料控制的精度決定包裝稱重計(jì)量的最終精度。點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料過(guò)程采集到的數(shù)據(jù)是由一段噪聲較大的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)和一段噪聲很小的靜態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)組成的，靜態(tài)稱重的數(shù)據(jù)能較為真實(shí)地反應(yīng)包裝袋中物料的質(zhì)量，是系統(tǒng)需要采集的有效數(shù)據(jù)，噪聲較大的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)是系統(tǒng)采集需要屏蔽的數(shù)據(jù)，因此點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料過(guò)程中最主要的是采集有效信息提供給系統(tǒng)作為配料控制的依據(jù)。

由于在此配料方案中靜態(tài)稱重前后數(shù)據(jù)的差值在±1 g 之間，動(dòng)態(tài)稱重前后濾波數(shù)據(jù)的差值G1在±30 g 之間，因此可以用稱重采樣前后數(shù)據(jù)差值的范圍判斷需要屏蔽的數(shù)據(jù)。靜態(tài)稱重計(jì)量到動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量的轉(zhuǎn)換，前后數(shù)據(jù)之間會(huì)存在一個(gè)較大、且相對(duì)穩(wěn)定的差值，以此來(lái)判斷一次點(diǎn)動(dòng)稱重的開(kāi)始，并屏蔽此后的60 數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了分析改進(jìn)定包裝稱重計(jì)量控制系統(tǒng)的計(jì)量精度和工作效率，研制開(kāi)發(fā)了如圖2 所示的定包裝稱重計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)的稱重系統(tǒng)采用由深圳福森泰科的微型稱重傳感器FMZK 和A/D 轉(zhuǎn)換芯片HX711 構(gòu)成的稱重模塊，控制模塊的主控芯片采用STM32103ZET6。稱重模塊與STM32103ZET6主控芯片之間的通訊采用I/O 口模擬SPI 通訊協(xié)議進(jìn)行通信。在控制模塊內(nèi)部可快速方便地采用上文所述的迭代學(xué)習(xí)控制過(guò)程，數(shù)據(jù)的采樣存儲(chǔ)采用SDIO 協(xié)議將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在SD 卡，能非常方便地輸入臺(tái)式計(jì)算機(jī)或平板電腦等終端進(jìn)行處理和分析。

采用冬棗為試驗(yàn)稱重物料，設(shè)置2 000 g 為定量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了100 次定包裝稱重計(jì)量試驗(yàn)，選取的冬棗單個(gè)質(zhì)量約為10 g，等效球徑約30 mm。連續(xù)快速下料過(guò)程步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 r/s，點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料過(guò)程步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為0.02 r/s。物料進(jìn)給系統(tǒng)采用了先連續(xù)快速下料后點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料的方案，連續(xù)快速下料過(guò)程采用了P 型迭代學(xué)習(xí)控制，選取學(xué)習(xí)增益L=0.3，期望下料量設(shè)定為1 970 g，轉(zhuǎn)換值初值為90%的期望下料量，即考慮到連續(xù)下料慣性還在空中下落過(guò)程中有1 個(gè)物料、將通過(guò)點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料1 個(gè)物料，則目標(biāo)下料量為1 980 g。在點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料控制過(guò)程中，若稱重前后數(shù)據(jù)的差值絕對(duì)值超過(guò)20 g，則判定進(jìn)入新增1 次點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料并舍棄其后60 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到的有效值達(dá)到1 980 g 目標(biāo)下料量時(shí)，則分流進(jìn)料門關(guān)閉，進(jìn)給滾筒停止旋轉(zhuǎn)，從而停止物料的進(jìn)給，完成一次定包裝稱重計(jì)量包裝。

根據(jù)對(duì)100 次迭代試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以看出，經(jīng)過(guò)5 次迭代學(xué)習(xí)后，點(diǎn)動(dòng)稱重的次數(shù)在3 次左右浮動(dòng)，在100 次的稱重結(jié)果中有90%的稱重誤差在±10 g以內(nèi)，結(jié)合單個(gè)冬棗的個(gè)體質(zhì)量范圍，即90%的稱重誤差為1 個(gè)冬棗。有10%的稱重結(jié)果的誤差為2 個(gè)冬棗。在點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)償下料過(guò)程中，通過(guò)高彈性橡膠空心滾筒能實(shí)現(xiàn)寬時(shí)間間隔的物料單個(gè)進(jìn)給，但仍存在一定概率同時(shí)下落2 個(gè)或3 個(gè)物料，因此會(huì)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)10%數(shù)據(jù)的誤差為2 個(gè)物料。由100 次計(jì)量稱重?cái)?shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析可看出，使用迭代控制和點(diǎn)動(dòng)控制的定包裝稱重計(jì)量系統(tǒng)能較好地保證小型水果定包裝稱重計(jì)量的速度和精度，能基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。