基于计算机视觉的水果自动分级系统的设计
时间：2023-02-12 14:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
（南京科技职业学院 电气与控制工程学院，江苏南京市，210048）杨鹏仙 王惠玲＊ 宗 强 陈 琳
中国作为世界上最大的水果生产大国，水果产量和种植面积逐年提升，2019年我国的水果产量为2.84亿吨，通过测算，我国果园面积今后还会进一步增大，供应规模将继续扩大。但总体上看，我国的水果产业并不能称之为强，其中最大的痛点是缺乏产业链整合，尤其是各类水果的筛选分级技术还相对落后，严重阻碍了我国水果产业的发展。因此，实现水果的快速有效的分级，以提升我国水果品质和竞争力已经势在必行[1-2]。
本文介绍了一种基于计算机视觉技术的水果自动分级系统，将计算机视觉技术用于水果品质分级具有潜在的应用价值和很好的发展前景，也最适合走工业化的发展轨道。
目前，水果筛选分级主要有人工水果分级和机械自动化分级两种形式，其中人工分级方式需要大量的劳动力，效率低，难以满足大批量分级需求。机械自动化分级可以分为纯机械装置分级、基于光电检测技术分级和基于图像/视觉技术分级三种。随着计算机视觉技术的发展和应用，基于图像/视觉技术的水果分级简化了图像分类和处理的流程，在很大程度上提升了产品品质检测的速度和精度，降低了成本。因此，利用计算机视觉技术进行分级是自动化分级发展的必然趋势。
本系统将综合采用传感器技术、电气控制技术、计算机视觉技术等多种技术，应用智能化的控制方式实现水果的自动分级。系统的核心是以工控机为核心的控制系统，通过工业相机采集水果图像，通过各种传感器采集各项指标，通过LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant软件搭建人机界面，并进行图像分析和处理，控制执行机构，监测设备运行状态，实现水果的分级。
1.1 系统组成及功能
系统由机械结构、信号采集装置、检测与执行装置、控制系统以及人机界面等五部分组成。
系统的机械结构包括系统支架、进料机构、传送机构、物料台、卸料机构以及与系统配套的托盘机构、挡板等。其中，系统支架为其他所有部件提供支撑，决定了分级系统的整体大小。进料机构和传送装置用于水果的在线运输，传送机构由电机等动力装置带动运行，卸料机构负责把经过检测的水果从传送机构上卸下，将其集中到对应等级的收集装置中。本系统采用机械损伤小的气动式水果分级卸料机构。分级后的水果进行卸料时，继电器将储气罐阀门打开，通过高压气体将水果吹落，从而达到自动化卸料的目的。
信号采集装置包括光源、工业相机、采集卡等设备组成，检测与执行装置包括编码器、传感器、电磁阀、电动机等组成。信号采集装置可以采集图像以及各种传感器等信息，把采集到的信号发送给控制系统。
控制系统是水果自动分级系统的重要组成部分，也是实现水果分级的核心部分。本系统以工控机为核心，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant软件对各种信息进行信息信号处理，并可通过人机界面对系统进行控制。控制系统实现的功能包括运动控制功能、图像采集与数据处理功能以及通过人机界面对各种环境参数、运行参数等进行控制调节等功能。
1.2 系统硬件选择及功能
1.2.1 工业相机
完成水果的图像采集，要求像素高一些，但要考虑成本以及计算机对图像处理速度。
1.2.2 编码器编
码器的功能是确定每个料斗的实际位置，选择时要兼顾编程方便。
1.2.3 各种传感器
包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等，用于测量气压、温度以及检测物料有无等。
1.2.4 电机
包括用于传送带传输的电机、气泵电机、振动电机等。
1.3 系统软件设计
系统的软件设计是基于NI公司的LabVIEW和LabVIEW Assistant，包括数据采集及其数据处理程序、控制和输出程序、人机界面三个部分。其中，数据采集与处理程序主要包括：相机的数据采集与处理、编码器的数据采集与转换以及对各种传感器数据的采集与处理等。控制和输出程序包括对执行机构进行控制、对经处理的采集信息进行输出以及环境、系统运行情况进行报警、提示等信息输出。人机界面主要包括通讯设置、参数设置、系统状态显示、图像处理过程显示等[3-4]。
系统的工作过程为设备上电后，工控机启动，此时，系统处于待机状态。通过人机界面，点击启动指令后，系统根据设定好的程序，先判断物料入口是否有料，如果没有则继续等待，如果有则启动气泵，达到预定的压强后再进行下一步，即进料机构启动，同时，相机实时进行拍照识别，并调用图像采集与处理程序，进行图像处理分析，把信息传输给到各动作控制元件，控制何时把水果送到预定轨道，实现水果的分级。
以苹果为例，将计算机视觉技术用于苹果的自动检测和自动分级，通过提取苹果的大小、颜色、表面缺陷等特征，从而实现苹果的自动分级。系统的工作界面如图1所示。
图1 系统工作人机界面
本文设计了一种基于计算机视觉的水果自动分级系统，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant软件，介绍了系统的设计过程，包括硬件设计、软件设计，并以苹果为例进行了试验分析，包括水果的成熟度及大小等。实验报名，该系统实用性强，可根据不同需求，设置不同参数，进行多种水果的分级，可以拓展到大批量、多种水果分级处理。
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