水果综合分选机称重模块的设计与实现

第 25 卷 第 2 期农 业 工 程 学 报Vol.25No.2 962009 年2 月Transactions of the CSAEFeb. 2009 水果综合分选机称重模块的设计与实现 李光梅 1，魏新华2，李法德1，颜世涛1，刘果玲3 （1山东农业大学机械与电子工程学院，泰安 271018；2江苏大学农业工程研究院，镇江 212013； 3山东交通职业学院泰山校区，泰安 271018） 摘要：为满足水果外观品质和质量综合分选的实际需要，设计了水果机器视觉质量综合分选机的称重模块。通过受力 分析得出了水果质量的理论计算公式，给出了水果同步称重过程的实现方法。通过对质量不同的苹果进行实测标定，得 出了等效质量w与其 A/D 转换值之间的关系式，并进行了试验验证。试验结果表明，所设计的称重模块可以与水果机器 视觉分选机配合，对水果进行外观品质和质量的检测，称重精度约为 2%。 关键词：机器视觉，称重模块，同步控制，水果综合分选机 中图分类号：S226.5文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-2-0096-05 李光梅，魏新华，李法德，等. 水果综合分选机称重模块的设计与实现J. 农业工程学报，2009，25(2)：96100. Li Guangmei, Wei Xinhua, Li Fade, et al. Design and implementation of weighing module for fruit integrative graderJ. Transactions of the CSAE, 2009,25(2)：96100. (in Chinese with English abstract) 0引言 近年来，人们对水果品质的要求不断提高，同时为 了提高水果的商业价值，扩大鲜果出口，对水果进行严 格的质量分级就变得尤为重要。而人工分级生产率低且 分选精度不稳定，实现水果的机械化、自动化分选作业 势在必行1,2。 目前，国内外学者在利用机器视觉技术对水果外部 品质检测方面进行了大量的研究，取得了重大进展。能 够利用机器视觉技术实时检测水果的大小、颜色、表面 缺陷状况和果形等品质3- 7。现有的水果机器视觉分选机 大多采用了滚子式输送机构8- 11。在水果质量分选方面， 国外研究比较成熟，能够比较准确地检测动态水果的质 量 12，而国内在此方面研究的还较少，主要是在现有电 子称重式水果分选机基础上的部分改进13,14。 在大多数情况下，水果按外观品质要求分选完成后， 在包装上市之前还要求给出它的质量值，而目前的水果 分选机大多侧重于机器视觉或质量单一方面的研究，对 其进行综合研究的还较少。为此，本文在水果机器视觉 分选机上设计了一称重模块，使得该分选机能实时检测 水果的外观品质和质量，并将水果质量信息与外观品质 评定结果实时融合得出最终分选等级，对水果进行自动 分级卸料。 1水果机器视觉质量综合分选机的工作原理 该分选机主要由机械系统、称重模块、同步控制系 收稿日期：2007- 11- 02修订日期：2009- 01- 09 作者简介：李光梅（1981） ，女，山东日照人，硕士。泰安山东农业大 学机械与电子工程学院，271018。Email: liguangmei2008 通讯作者：李法德（1962） ，男，博士，教授，博士生导师。主要从事 新型农产品加工机械与装备的优化设计与开发、 食品物料电特性和加工新技 术等方面的研究。泰安山东农业大学机械与电子工程学院，271018。 Email: li_fade 统、图像采集系统和图像处理系统组成。分选机的结构 如图 1 所示。水果支承滚子和水果分选杠杆都安装在循 环输送链上，可随输送链一起向前运动。滚子呈双锥凹 形，水果支承在两个相邻滚子之间，分选杠杆则正好处 于水果的正下方。在图像采集区域设置有光照箱，滚子 下面还设置有摩擦带。当滚子在摩擦带上滚动时，水果 就一面在滚子上翻转滚动，一面随滚子和输送链一起向 前输送，从而将其不同表面都先后呈现在摄像机前15。 图像处理系统接收到摄像机所采集的每个水果的图像之 后，提取其品质参数，对其进行图像处理和等级判定。 在称重区域滚子下面设有一称台，称台下面两端各安装 一称重传感器。传感器检测水果质量，并通过称重模块 控制器将水果质量信息上报给水果分选机主控制器，以 实现水果质量信息与外观品质评定结果的实时融合，确 定最终的水果分选等级。分级执行机构安装在水果输送 线上方，主要由分选凸轮和步进电机组成。用以完成水 果的自动分级卸料 16。 1.分级执行机构2.摄像机3.光照箱4.水果支承滚子5.水果分选杠杆 6.循环输送链7.摩擦带8.称重传感器9.称台10.水果收集箱11.红外 光电开关传感器12.同步编码盘 13.链轮 图 1水果机器视觉质量综合分选机结构示意图 Fig.1Structure of fruit integrative grader using machine vision and weighing module 第 2 期李光梅等：水果综合分选机称重模块的设计与实现97 2称重模块的设计 如图 2 所示，滚子的外沿支承在称台上，称台下面 两端各安装一称重传感器。水果输送链的链节距为 50.8 mm，相邻滚子之间的间距为两个链节距，即为 101.6 mm，称台长度为 160 mm，保证了称台上能同时支 承两个滚子。水果支承在相邻的两个滚子上，其重力通 过滚子而传递到称台上。为避免称重过程中误差的积累， 采取每隔一个位置放置一个水果的处理方法。因此，当 支承有水果的两个滚子同时在称台上时开始采集水果的 称重数据。 图 2称重模块三维图 Fig.2Three- dimensional scheme of weighing module 称重器件选用北京航宇华科测控技术有限公司生产 的带有变送器的 HK- 816 型悬臂梁式称重传感器。 该变送 器可输出 05 V 标准电压信号。分辨率为 1 g。 2.1力学分析 称重传感器所称的总质量应为一个水果和两个滚子 及附件相对于链条的力矩在称重传感器上的等效质量与 称台的质量之和。 受力分析如图 3 所示。称重模块各部分在自重的作 用下产生一个相对于 O 点的力矩，用 M 表示。水果、滚 子和滚子轴的重力相对于 O 点的力臂设为 l1，水果、滚 子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的等效重力相对 于 O 点的力臂设为 l2，滚子轴支架的重力相对于 O 点的 力臂设为 l3。 图 3称重模块受力分析示意图 Fig.3Force analysis of weighing module 由合力矩定理可得 )()()()( 5O4O3O2O GMGMGMGM（1） 又由力矩计算公式得 O222 ()MGGl（2） O333 ()MGGl（3） O441 ()MGGl（4） O551 ()MGGl（5） 式中 2 G为滚子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的 等效重力； 3 G、 4 G、 5 G 分别为滚子轴支架、滚子 轴和滚子的重力。 又由力矩平衡得 )()( 0OO GMGM（6） 其中 O1 ( )MGGl（7） O002 ()MGGl（8） 式中G 水果的重力； 0 G 水果作用在称台上的 等效重力。 设两称重传感器所称的总质量为 w（kg） ，则有： 012 2wgGGG（9） 式中 G1 称台的重力。 经称量： 称台的质量 m1= 1.083 kg， 滚子轴支架的质 量 m3= 1.0783 kg，滚子轴的质量 m4= 0.0517 kg，滚子的 质量 m5= 0.495 kg； 经计算： l1= 104.3 mm， l2= 144.3 mm， l3=39 mm，其中力臂 l3是利用力矩平衡法来确定的，即 将滚子轴支架沿拐角处分成两部分，每部分相对于 O 点 的力矩之和等于整个滚子轴支架相对于 O 点的力矩。 求解（1）（9）式可得 1.92)1.38( wm（10） 式中m 水果的质量，kg。 同时，m与w的关系式也可以通过试验进行实测标 定的方法获得。所以，通过称重传感器的测量值即可推 知水果的质量。 2.2称重信号处理电路 称重信号处理电路结构框图如图 4 所示。在称重段， 由安装在称台下面的称重传感器检测水果质量，将水果 的质量信号转换为模拟电压信号，再经过低通滤波电路 滤波，经 A/D 转换器模数转换后，送入称重模块控制器 进行数据处理。该系统选用的 A/D 转换器型号为 TLC2543，它提供的最大采样频率为 66103s- 1，转换时 间为 10 s，内部自带采样保持器。 图 4称重信号处理电路结构框图 Fig.4Structure diagram of weighing signal processing circuit 98农业工程学报2009 年 3系统同步工作过程的控制与实现 3.1同步控制系统的总体设计及工作原理 同步控制系统采用模块化结构，其原理框图如图 5 所示。系统同步定时信号发生器负责实时检测水果的动 态位置并生成系统同步定时信号。如图 1 所示，输送链 每前进一个链节距，即链轮每转过一个齿，红外光电开 关就产生一个脉冲，此脉冲信号在系统同步定时信号发 生器内经脉冲整形和光电隔离，然后通过 485 总线发送 到系统其他模块作为整个系统的同步定时信号。相机控 制器负责监控摄像机的工作状态，并在同步定时信号的 同步下生成摄像机的外触发信号。分级执行控制器负责 水果等级信息与其实时位置的动态配准以及分级执行机 构的控制。称重模块控制器负责水果称重信息的采集及 数据处理。水果分选机主控制器则负责从图像处理系统 中接收外观品质检测结果，并从称重模块控制器接收水 果的称重信息，然后综合判定水果的最终等级，以及系 统各模块的参数设置和状态监测。 图 5同步控制系统原理框图 Fig.5Principle diagram of synchronous control system RS485 总线专用于传输同步定时信号，以确保同步 定时信号的实时传输。而水果等级信息、参数设置指令 和各模块的状态信息等则通过 CAN 总线进行传输。 3.2同步称重过程的实现 根据结构设计，水果在输送链上由相邻两支承滚子 间隔排列，而相邻两滚子之间的距离为两个链节距，因 此，两个相邻水果之间的距离为 4 个链节距。所以对水 果进行称重信息采集和数据处理的时间不能超过 4 个同 步定时信号周期，以免影响后续水果的称重信息处理。 同步定时信号进入称重模块控制器后被四分频，又经适 当延时，生成“称重开始触发信号” 。调节延时时间，可 保证载有水果的两个滚子同时在称台上时，触发称重模 块控制器开始数据采集。采集时间为一个同步定时信号 周期。以后每来一个“称重开始触发信号”脉冲，触发 称重模块控制器一次。又由于水果输送速度为 0.61 m/s， 则每个同步定时信号周期为 0.083 s。而 A/D 转换器的转 换时间为 10 s, 去除其他因素的影响，最多可对一个水 果采集上百个称重数据。在一个同步定时信号周期内对 水果采集 50 个称重数据，经过多次试验及分析，最终将 这些数据按大小顺序排列，然后剔除 5 个最大值和 5 个最 小值，并将剩余数据取平均值，得到 1 个最终确定数据。 整个系统的称重试验装置如图 6 所示。 图 6称重试验装置 Fig.6Experimental equipment for weighing 4试验验证 为验证称重模块的称量精度，选用大小不同的苹果， 用常熟双杰测试仪器厂生产的 TC- 6K 型电子天平逐个称 量后，在链速为 0.61 m/s 的条件下进行试验。试验测得的 等效质量 w 与其 A/D 转换值之间的关系如图 7 所示。 可以 看出，A/D 转换值随苹果质量的增加而增大，且增幅随苹 果质量的增加而增大。出现这一现象的原因是苹果的质量 越大，对称台的作用力就越大。 图 7等效质量与其 A/D 转换值之间的关系 Fig.7Relationship between equivalent mass and A/D conversion result 经分析研究，等效质量 w 与其 A/D 转换值之间符合 二次函数关系，对图 7 实测值拟合得： 2 0.009837.6538242yxx-（11） 即 2 37.650.0392(38242) 1.92 19.6 y x kg 由公式（10）可知，m0，即 x1.92，则取 2 37.650.0392(38242) 1.92 19.6 y x kg（12） 第 2 期李光梅等：水果综合分选机称重模块的设计与实现99 式中x 测量值w， kg；y 对应的 A/D 转换值。 将公式 （12） 代入公式 （10） 即可求出苹果的质量m： 2 1.38 37.650.0392(38242) 19.6 y m kg（13） 根据以上各式，通过修改称重模块的软件程序，就 可使其根据测出的苹果的 A/D 转换值得出其实际质量。 然后利用此称重模块，另外选取质量不等的多个苹果进 行称重试验。试验结果如表 1 所示。 表 1称重试验结果 Table 1Experimental results of weighing 实际质量 /g 测量值 w/g 测量结果 /g 相对误差 /% 平均相对 误差/% 120.02009.2122.52.0 165.22037.3162.01.9 210.02075.0214.01.8 277.52125.7283.82.3 330.02153.8322.72.2 364.52188.3370.21.6 2.0 由表 1 可知，该称重模块的称重精度约为 2%。通过 分析认为，以上误差的产生与滚子通过称台时的运动状 态及滚子对称台的冲击、振动等有一定的关系，同时， 由于苹果形状的差异造成的重心位置的变化等也对误差 的产生有一定的影响。 5结论 1）试验结果表明，该称重模块可以完成水果的同步 称重，称重精度大约为 2%。 2）所设计的称重模块可以与水果机器视觉分选机配 合，对水果进行外观品质和称重的检测。 为了分析存在的系统误差，今后还需要进一步进行 动态试验分析并选择更合理的数据处理方法，以提高水 果称重的检测精度。 参考文献 1应义斌，饶秀勤，赵匀，等机器视觉技术在农产品品 质自动识别中的应用研究进展J农业工程学报，2000， 16(3)：47 Ying Yibin, Rao Xiuqin, Zhao Yun, et al. 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