基于图像识别技术的智能化产品分拣系统设计研究

作者: 王壮 刘志豪 刘建华 武发展 李杨

基于图像识别技术的智能化产品分拣系统设计研究0

[摘 要] 我国是水果生产和消费大国,种植面积和产量均居世界第一,但是存在水果等级分拣能力低、人工分拣占比大和分拣成本高、精度低、效率低等问题。传统分拣装备根据水果大小和质量等物理特性进行等级分拣,无法对水果表面质量进行检测,具有很大的局限性。开发一款能同时完成表皮质量和果径大小分类的全自动智能化水果分拣装备具有重要的意义。基于此,以苹果、柑橘等能够区分果径大小的球状水果为例,采用图像识别技术,设计一种全自动水果分拣装备来实现两个指标的二级分拣,同时可以实现不同果种的同时分拣,提高产品分拣的自动化和智能化水平。经计算机模拟辅助运行,该全自动水果分拣装备应用效果良好。

[关键词] 产品分拣系统;图像识别技术;传感器;果径大小;表皮质量

[中图分类号] TP273 [文献标志码] A [文章编号] 1674-7909(2022)06--4

0 引言

我国是水果生产和消费大国,2021年我国水果总产量已达2.9亿t。在我国,水果产业是南方地区农村经济的一大支柱产业。虽然我国水果产值日渐升高,但是水果总体价格较低,“卖果难”等一系列问题经常出现,导致水果行业快速发展的势头受到压制。同时,我国水果以国内封闭式消费为主,参与国际贸易的比例一直不高,年总出口量未达国际水果贸易的5%,这一现状难以推动我国水果产业走向世界。出现这一现象的主要原因是水果收获后销售加工延迟,水果外观品质较差,导致其在国际市场上的竞争力较低。根据水果生产和销售趋势可知,水果生产的大部分价值是通过产后处理和产后加工创造的。产后水果的商业处理包括清洗、打蜡、分类和包装等。分类是水果销售处理中的一个重要环节,但我国存在水果等级分拣能力低、人工分拣占比大和分拣成本高、精度低、效率低等问题,因此,需要积极研制适用的水果分拣装备[1]。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

外国一些相关公司很早就开始将水果自动分拣的研究商业化。例如,Merling高速高频计算机视觉水果分级系统是美国一家企业于1995年开发的,生产率约为40 t/h,美国每年有超过50%的苹果通过该设备进行处理。美国Penwalt公司研发的Decco型分级机具有速度快、性能好、通用性强等特点,其是根据质量对水果进行分级的[2-3],利用杠杆原理进行工作,采用最新电子仪器测定质量,可根据需求选择准确的分级基准,分级精度高。但是,现有产品都是为大农场设计的,而且维修费用较高,占地面积较大。

1.2 国内研究现状

目前,我国生产的水果分级设备主要局限于机械分级,主要用于大小和质量分级。例如,山东省栖霞茂源机械设备有限责任公司生产的GXJ-W系列卧式果蔬分选机是将类似球形的水果或蔬菜(梨、苹果、柿子、桃子、柠檬、石榴、番茄和柑橘等)按质量分级的一种高效自选设备。我国水果质量检测中使用的水果品质自动检测生产线多为进口设备,这种进口设备是针对大农场生产所设计的,在我国小农户产品的检测中并不实用。

1.3 国内外同类技术比较

机械分拣基于对水果的品质鉴定和分级研究,主要涉及农产品的大小、形状、表面损伤与缺陷检测等方面[4-5]。最早的机械分拣采用多变识别技术实现对苹果和马铃薯的颜色识别,识别准确率高但效率较低,其后Blanc设计的分级系统提高了分级效率。再后来Baigvand 设计出完整的分级系统,实现了对个别水果的等级划分。国内水果机械分拣研究工作也取得了卓越的成果,叶晋涛的基于 SVM 神经网络与哈密瓜图像特征的分级方法及魏康丽的利用机器视觉方法,都为水果机械分拣开拓了新的思路。

目前,国内外对水果的分级主要有2种方式。一种是采用纯机械的方式实现,主要是利用机械自身的机构特点和水果特征进行分级,但这种方式一般由大型机构所实现,且需要消耗大量能源。另一种方式是将水果分在某一个区间值内,无法做到更加精确的分级,同样做不到对水果表面品质进行分级,且机器运行过程中易对水果造成损伤,影响水果的经济价值,甚至需要人工进行二次分拣,费时费力。

目前,我国大部分地区的水果罐头产品加工厂、水果经销商、冷鲜水果加工厂商对水果的需求量与日俱增,但我国水果分拣方式仍以人工分拣为主。

2 水果自动分拣机设计意义

2.1 解决水果分拣问题,提高生产效率

目前,我国水果的分拣方式可分为两种:人工分拣和机械分拣。人工分拣效率低,易损伤水果,准确率低,需要大量劳动力,分拣成本极大。但由于我国部分地区现代化程度不高,人工分拣在水果分拣方式的占比依然不低。由于人工分拣的资源消耗及分拣品质难以满足水果商品化市场的扩张需要,具有分拣精度与效率低的弊端,阻碍了我国水果行业的发展。智能化水果产品分拣系统的问世能有效解决这一问题。

2.2 积极响应机械工业相关政策

《中国制造2025》提出,要想实现制造强国的战略目标,必须坚持问题导向,统筹谋划,突出重点;必须凝聚社会共识,加快制造业转型升级,全面提高发展质量和核心竞争力。笔者积极响应国家政策,结合我国农业发展实际,设计并制造更有效、可靠的自动化机器,助力我国机械工业和农业共同转型发展[4]。

3 自动分拣机机械结构设计

3.1 设计要求

①该分拣装置需要符合水果、食品相关机械设备的设计标准,并确保符合机械设备制造、安全使用等原则。②装置中所包含的机构部件尽量采用国家标准件和通用设备;所涉及的生产、制造、加工和装配连接环节尽量简单,对相关辅助制造设备要求不高,操作简单;相关部件互换性好,便于设备部件的更换和维护,为设备的后期升级和改造提供方便,同时保证设备易于推向市场使用。③操作简单原则。该设备是为农业从业者设计的,因此,要求设备的操作尽可能简单、高效,显示的界面标签尽量使用简洁易懂的描述,避免使用专业术语。

3.2 设计思路及设计流程

笔者的研究思路如图1所示,基于图像识别技术的智能化产品分拣系统设计流程如图2所示。

该系统设计采用摄像头拍摄水果的图像,获取果径和表面品质信息,传送系统中的分拣导轨收到电信号后将送出的水果进行初步分级。之后通过传感器控制气压缸推动水果进入分拣装置,通过分拣装置进入不同品质等级的收集箱。重力传感器会检测收集箱的质量,当质量达到阈值时,控制气压缸推动收集箱进入传送装置,至此完成一系列分拣工作。

3.3 整体结构设计

通过对同类型机器的研究、团队讨论及查阅丰富的资料,初步确定了智能化产品分拣系统由表面识别系统、传送系统、气缸运动系统、分拣系统4部分组成[4-5]。该分拣系统的整体结构模型如图3所示。

该分拣系统在实际运行过程中主要包括三大区域——电子分类区、传动分拣区、商品传送区,包括识别装置、传动装置、气缸装置、分拣装置,四大装置之间合理搭配运作。在电子分类区,需将水果放在分拣导轨的接收水果源上,随后水果由于分拣设备的坡度原因依次向前滚落运动。通过提前设定的参照,使传感器支配分拣导轨根据果径大小来回摆动,将水果输送至相应的4个分轨道,完成初步分拣。之后水果进入传动分拣区,摄像头通过图像识别功能采集到设定的信息后,会产生相应的电子信号,并通过传感器发出,使靠近摄像头一侧的气压缸工作,将符合设定信息的水果推送到气压缸前方的分拣装置。通过前后不平行的传送带进行二级分拣(传送带根据水果大小可调)。之后将符合第2个气压缸所设定信息的水果通过传感器传输到气压缸,将其传送到对应的分拣装置来进行三级分拣。不符合这两级分拣的水果将会传送到传送带另一侧便于收集。水果分拣收集结束后进入商品传送区,通过导管传送到收集箱,而收集箱下方具有重力传感器,当传感器达到设定的参数值后,通过电磁阀控制的气压缸将对应的收集箱推出,随后被传送带送离机体,分拣机工作程序全部完成。

4 自动分拣机系统结构设计

4.1 表面识别系统

采用该设备进行水果分级时,位于传送带上方的双摄像头会以对角线的方式对水果表面进行检测,从而产生电子信号,通过传感器传输到对应的气压缸使之工作。该设备利用光电检测技术、信息处理技术等可以对果实外观品质进行快速综合分析和判断。表面受损的水果和没有受损的水果之间会有很大的差异,系统会自动进行快速分析,并与计算机数据库中的数据进行比较,从而快速得到检测结果。

4.2 传送系统

该设备的主传送带是运输水果的主要通道,可与多个分拣系统相连。传送带的长短高低可以根据实际需要进行调整,增加了系统的能动性,显著提高了工作效率。当接收装置达到一定质量后,气缸把纸箱由辊式传送器上推到底部传送带,使其被传送到指定的级别区域,便于收纳。

4.3 气缸运动系统

为便于将水果推入分拣装置,根据水果的尺寸、滑动摩擦力,参考手工分级经验,通过三维建模软件SolidWorks绘制不同的气缸用来推动物体,同时进行了动画仿真模拟。气缸运动过程是利用图像识别技术对水果进行初步分级,产生电子信号将水果推入分拣装置,当重力传感器接收信号时产生电子信号控制气缸运动,将接收装置传入底部传送带。同时,由电磁阀控制气缸,使设备更加高效与安全。

4.4 分拣系统

通过分拣导轨上的传感器使分拣导轨来回摆动,根据提前设定的水果表面品质信息,将水果以最小误差送入相应的4个分轨道。同时,分拣导轨上的传感器数值调节与分轨道的宽度相对应,从而将符合导轨宽度果径大小的水果准确地输送到分导轨。

5 设备对水果分拣指标的研究

5.1 对果径分拣研究的实施

分拣系统是整个系统对水果果径的初级分拣,并提高后续分拣效率。通过分拣导轨上的图像识别传感器检测通过水果的果径,根据提前设定的不同导轨果径参数,将水果分为多个果径等级。通过分拣导轨来回摆动,使得分拣导轨上的传感器的数值调节与分轨道的宽度相对应,从而将符合导轨宽度的果径大小的水果输送到分导轨,确保了水果流量的稳定性与可控性,实现初步分拣。

5.2 对表皮品质分拣研究的实施

水果通过分拣导轨的初步分拣后,在主传送带中,位于传送带上方的双摄像头会以对角线的方式对水果表面进行检测,从而产生电子信号,通过传感器传输到对应的气压缸使之工作。当水果传送至与气压缸弹射同一水平处,气压缸进行工作,将水果弹出主传送带进入传送系统,运用图像识别技术、光电传感技术、信息处理技术等可实现对水果外观品质的快速综合分析判断。表面受损的水果与表皮质量良好的水果存在显著差异,系统会自动进行快速分析并与电脑数据库中的数据比对,从而快速得出检测结果,运用PLC技术向后续装置传输信息,完成水果果径及表皮质量的最终分拣。为了避免新设备在使用中由于环境、温度及水果外形差异等因素对检测结果产生影响,该研究团队使用了先进的电子计算技术进行数据的修正和弥补,并建立了一定规模的数值对比数据库,从而最大限度地保证了检测的准确度,准确率接近 100%。

6 结语

基于图像识别技术的智能化产品分拣系统具备以下6个创新点:①分拣装置的传送带尺寸可调,适用于分拣多种不同种类水果;②主传送带可连接多个分级系统,提高了工作效率;③利用传感器控制技术,使得设备操作更加方便,并且基本实现自动化,效率更高,且可节省人工;④采用图像识别系统来判断水果表面品质信息,为分拣提供第一步保障,提高了分拣质量;⑤设备体积小,接通电源即可使用,更便于中小型产品加工厂与小型农产品厂商使用,且操作简便、易上手,极大地提升了设备的实用性;⑥产品由多级电机与机械构件组成,精准巧妙地运用了不同的新型机械结构,在实际生产过程中不易出现故障,增强了设备的可靠性。

但该系统也存在需要改进和完善的地方,如优化且细化传送带尺寸设计,以提高水果分级精度及分级宽度;优化设备整体结构设计,根据各部件受力情况选取不同材质的结构材料,以达到轻量化设计要求。

参考文献:

[1]赵卓.全自动水果分拣系统的设计与开发[D].长沙:湖南师范大学,2020:28.

[2]白菲,孟超英.水果自动分级技术的现状与发展[J].食品科学,2005(增刊1):145-148.

[3]青珊.我国果蔬冷藏保鲜技术发生根本性变化[J].福建轻纺,2013(5):6-8.

[4]倪云峰,叶健,樊娇娇.基于图像识别的水果分拣系统[J].江苏农业科学,2021(10):170-176.

[5]刘志强.基于卷积神经网络的水果识别分拣系统的设计[D].重庆:重庆三峡学院,2020:43-47.

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