殷 喬，成 娟*，貢 軍

（1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230036；2.中聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

馬鈴薯是由塊莖繁殖的作物，為了增加種薯與外界的接觸面積，通常會(huì)對(duì)種薯進(jìn)行切割，以促進(jìn)種薯與種薯內(nèi)部的氧交換，從而使種薯提前打破休眠并發(fā)芽[1]。

當(dāng)前對(duì)于馬鈴薯的切塊主要通過(guò)視覺(jué)識(shí)別并設(shè)計(jì)切塊刀具切塊，Han等[2]嚴(yán)研制了一款小型馬鈴薯種薯切塊機(jī)，多組不同切刀對(duì)應(yīng)多組切割板，種薯固定在切割板的切割刀上，壓板向下移動(dòng)，可以在一次切分動(dòng)作中，一次性縱向切分多個(gè)種薯，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合小型種植戶，但操作繁瑣，仍需人工排列種薯。楊添璽[3]設(shè)計(jì)了一款帶有芽眼識(shí)別功能的馬鈴薯種薯智能切塊機(jī)，該機(jī)器首先對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行芽眼的識(shí)別，最后根據(jù)芽眼的分布情況實(shí)現(xiàn)對(duì)種薯的切塊，并提出了一種切種決策機(jī)制，芽眼的綜合識(shí)別率達(dá)到97.33%，但也具有裝載過(guò)程需要手動(dòng)進(jìn)行、耗時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題。祝珊[4]設(shè)計(jì)了一款定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)，這款切塊機(jī)有效提升了切塊效率，在機(jī)器上綜合實(shí)現(xiàn)了輸送、清洗、分類、排列、消毒、除雜等多種功能，但該設(shè)備同樣沒(méi)有芽眼識(shí)別功能。

以上幾種方法多是根據(jù)圖像對(duì)種薯幾何特征進(jìn)行測(cè)量切塊，對(duì)芽眼的研究相對(duì)較少，因此本文設(shè)計(jì)一種馬鈴薯自動(dòng)切塊機(jī)，可以自動(dòng)完成對(duì)種薯的進(jìn)料、穩(wěn)定中心、芽眼監(jiān)測(cè)、切割及消毒分類等操作，以促進(jìn)馬鈴薯種植的全程機(jī)械化。

1 自動(dòng)切塊機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)切塊機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)要求以及對(duì)傳動(dòng)方式的選擇等方面綜合考慮，將馬鈴薯種薯切塊機(jī)的結(jié)構(gòu)部分分為六個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-6]，分別是種薯進(jìn)料裝置、穩(wěn)定中心裝置、檢測(cè)識(shí)別裝置、切割裝置、分類機(jī)構(gòu)、薯塊收集裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)切塊機(jī)整體結(jié)構(gòu)

工作原理：工作人員將馬鈴薯種薯放置進(jìn)料斗中，料斗設(shè)計(jì)為棱錐體結(jié)構(gòu)，受重力作用種薯通過(guò)下方出料口落入進(jìn)料板內(nèi)，棘輪安裝在料斗支架上，并設(shè)計(jì)成六齒結(jié)構(gòu)，通過(guò)棘輪實(shí)現(xiàn)進(jìn)料板的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制出薯頻率，種薯從料斗出來(lái)后進(jìn)入篩選定位輥輪，由于輥輪中存在空隙，所以篩選出體積較小，不需要切塊的種薯，使得滿足切塊大小的種薯經(jīng)輥輪滾落后，可以平穩(wěn)放置于輸送帶中間供下一步視覺(jué)識(shí)別。隨著輸送帶的傳輸，種薯首先經(jīng)過(guò)芽眼檢測(cè)裝置對(duì)種薯上的芽眼進(jìn)行檢測(cè)，并輸出控制指令到切割刀具，切割刀具檢測(cè)到種薯到達(dá)刀具下方位置后，根據(jù)識(shí)別的控制信號(hào)選擇三種刀具中的某一種進(jìn)行切割，切割完成后，到達(dá)振動(dòng)下料板進(jìn)入第二級(jí)輸送帶，第二級(jí)輸送帶上的芽眼識(shí)別裝置首先對(duì)切塊的質(zhì)量進(jìn)行識(shí)別劃分，當(dāng)識(shí)別出薯種的生命力較低或切割出的薯種不合格，便輸出信號(hào)來(lái)控制撥動(dòng)裝置將薯種撥到輸送帶的另一側(cè)，并且落入收集器中，通過(guò)此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)薯種的分類。最后通過(guò)自動(dòng)噴藥裝置對(duì)合格的薯種進(jìn)行噴藥處理，并落入末端合格薯種的收集器中。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及切刀三部分，如圖2所示。其中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用中空旋轉(zhuǎn)分度盤(pán)，由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)蝸輪蝸桿的方式驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該裝置內(nèi)置角度閉環(huán)，通過(guò)RS485通信方式進(jìn)行控制旋轉(zhuǎn)中軸在360°內(nèi)進(jìn)行精確旋轉(zhuǎn)，精度可達(dá)0.002°；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)控制切刀的上下伸縮，為刀具提高切削力，完成對(duì)馬鈴薯的切割。本設(shè)計(jì)采用常見(jiàn)的氣缸作為馬鈴薯種薯切塊的傳動(dòng)部件，最大行程100 mm，滿足對(duì)土豆的切割工作，并通過(guò)底部螺紋與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中空軸連接在一起，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及刀具的旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到目標(biāo)切割角度。

圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)圖

種薯切刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括刀杯、刀刃，其中圓筒型刀杯主要對(duì)刀刃起到支撐作用，直徑為100 mm，遠(yuǎn)大于種薯的直徑，防止馬鈴薯切塊后卡進(jìn)杯壁內(nèi)無(wú)法掉落，采用鋼絲作為刀刃，取代了傳統(tǒng)的刀片，可有效解決粘刀的問(wèn)題。根據(jù)馬鈴薯的大小、形狀等因素，將刀具分為3組，第一組刀具形狀呈一字狀排列，第二組刀具形狀呈120°圓周排列，第三組刀具形狀呈90°圓周排列。切割裝置將根據(jù)檢測(cè)識(shí)別裝置傳來(lái)的切割信號(hào)選擇合適的刀具，對(duì)馬鈴薯種薯進(jìn)行切塊，分別將其切成兩塊、三塊和四塊。

3 種薯芽眼視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)識(shí)別裝置

種薯檢測(cè)識(shí)別裝置包括圖像采集裝置和圖像分析裝置[6-7]，圖像采集裝置的攝像頭采用邁迪微視USB 2.0接口的工業(yè)相機(jī)，相機(jī)最大分辨率為1280×960，幀率為27FPS。圖像分析裝置由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其輸入端與種薯檢測(cè)相機(jī)連接，接收來(lái)自相機(jī)采集的種薯圖像信息，并進(jìn)行圖像處理，包括芽眼檢測(cè)、種薯大小檢測(cè)、切刀選擇以及切刀旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算，最后傳送至切割控制器[5]執(zhí)行切割種薯操作，保證切割完成后的薯塊至少保留一個(gè)芽眼。

3.2 檢測(cè)原理

利用HALCON軟件進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯芽眼的檢測(cè)，檢測(cè)流程如圖3所示。其檢測(cè)過(guò)程主要包括兩個(gè)變量，即圖像變量和控制變量，其中圖像變量包括Image、GrayImage、Regions、RegionOpening、ConnectedRegions、ImaAmp、ImaDir，即實(shí)現(xiàn)讀取圖片、圖像灰度化、閾值調(diào)節(jié)、區(qū)域合并、提取質(zhì)心、提取輪廓；控制變量包括Area，Row，Column，即芽眼的面積和橫縱坐標(biāo)。

圖3 芽眼識(shí)別流程圖

在馬鈴薯種薯的切塊決策中，需要通過(guò)馬鈴薯的質(zhì)心與芽眼質(zhì)心相連來(lái)確定刀具是否需要旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)的角度，所以需要對(duì)馬鈴薯芽眼的質(zhì)心進(jìn)行提取。利用connection算子計(jì)算并運(yùn)算處理后的圖像中所有連通的區(qū)域，在利用area_center算子計(jì)算所有區(qū)域的質(zhì)心，即為各芽眼質(zhì)心，得到芽眼面積、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，同樣利用area_center算子計(jì)算閾值分割后Regions中的圖像，即可得到種薯的質(zhì)心位置。

4 種薯切種策略

4.1 切刀轉(zhuǎn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)識(shí)別后的馬鈴薯芽眼數(shù)與要分割的區(qū)域塊數(shù)的多少，可將切刀的轉(zhuǎn)動(dòng)方案分為如下三種：

方案一：種薯芽眼數(shù)小于要分割的區(qū)域塊數(shù)時(shí)，為了盡可能使更多的馬鈴薯種塊上含有芽眼，則對(duì)能檢測(cè)到的馬鈴薯芽眼進(jìn)行分散切塊。

方案二：種薯芽眼數(shù)等于要分割的區(qū)域塊數(shù)時(shí)，芽眼會(huì)均勻地落在各分割區(qū)域內(nèi)，為了盡可能保證每一塊芽眼的養(yǎng)分均衡，每一種薯種切刀需要旋轉(zhuǎn)的角度都不同。

方案三：種薯芽眼數(shù)大于要分割的區(qū)域塊數(shù)時(shí)，需要選取圖像中與分割區(qū)域一樣數(shù)目的優(yōu)質(zhì)較大芽眼，進(jìn)行分割切塊，因?yàn)檩^大的芽眼需要消耗較大的養(yǎng)分。

4.2 切刀旋轉(zhuǎn)角度

設(shè)種薯圖像中每個(gè)芽眼的面積為Ai，每個(gè)芽眼質(zhì)心的位置為P（xi，yi），i=1，2，3，……n，i為每一個(gè)馬鈴薯種上被標(biāo)記的馬鈴薯芽眼的數(shù)目，則每個(gè)馬鈴薯芽眼的信息為R（Ai，P）。

當(dāng)切刀需要根據(jù)最大的兩顆芽眼的質(zhì)心確定中心點(diǎn)的位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)心中點(diǎn)坐標(biāo)（a，b）的計(jì)算公式為：

式中，a—最大兩顆芽眼中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)；

b—最大兩顆芽眼中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)；

xmax1—第一顆芽眼質(zhì)心的橫坐標(biāo)；

xmax2—第二顆芽眼質(zhì)心的橫坐標(biāo)；

ymax1—第一顆芽眼質(zhì)心的縱坐標(biāo)；

ymax2—第二顆芽眼質(zhì)心的縱坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)角θ的計(jì)算方式為：

式中，θ—切刀需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的馬鈴薯種薯自動(dòng)切塊機(jī)的性能，首先搭建馬鈴薯種薯切塊平臺(tái)，如圖4所示，分別放置大小質(zhì)量及芽眼數(shù)不一樣的種薯，通過(guò)相機(jī)識(shí)別后，自動(dòng)選擇刀具并計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行切塊，然后觀察薯種的切塊質(zhì)量。

圖4 馬鈴薯種薯自動(dòng)識(shí)別切塊機(jī)實(shí)物圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出：對(duì)于200個(gè)大小質(zhì)量及芽眼數(shù)不一樣的種薯，人工判別實(shí)際芽眼數(shù)目為621個(gè)，通過(guò)本設(shè)計(jì)的馬鈴薯自動(dòng)切塊機(jī)的圖像識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出597個(gè)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)96.14%，識(shí)別后發(fā)送切塊指令到種薯切割裝置進(jìn)行切塊操作，切塊合格率為93.54%。以上數(shù)據(jù)表明該種薯切塊機(jī)可較好地完成對(duì)種薯的芽眼識(shí)別及切塊操作，滿足種薯切塊作業(yè)要求。

表1 種薯芽眼識(shí)別切塊試驗(yàn)參數(shù)

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、芽眼識(shí)別、切種決策三個(gè)部分的綜合考慮，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯種薯切塊機(jī)，能夠完成對(duì)馬鈴薯種薯的分類、識(shí)別、切塊、消毒等功能，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯切塊機(jī)械化，該切塊機(jī)芽眼識(shí)別率達(dá)96.14%、切塊合格率達(dá)93.54%，可以提高切塊效率、保證種薯切塊質(zhì)量、減少人工的投入、降低制種成本、促進(jìn)馬鈴薯種植的全程機(jī)械化。