专利名称：种子精选自动化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用计算机视觉技术的自动化控制系统，特别是一种用于农业的种子精选自动化系统。
背景技术：
随着我国加入WTO和种子贸易全球化的发展，优良品种的优质种子是冲破种子贸易壁垒，在竞争中取胜，是中国种子走向世界的基本保证。《国际种子检验规程》序言中有这样一段话“农业上最大的威胁之一是播下的种子没有生产潜力，不能使所栽培的品种获得丰收。种子检验工作是为了在播种前评定种子质量，使这种风险降低到最低程度”。快速、可靠、高自动化的种子精选装置是我国种业发展中急需解决的关键问题之一。
传统的种子品质检测主要以清选为主，通过筛筒方式可以有效去除杂渣、碎裂，但是该种方式不能有效地对种子精选与分级；传统的以实验室技术为主的生物学检验方法，虽然可以对种子精选与分级，但是不能满足要对每一粒种子进行检验的要求，同时，该方法很难实现实时性的操作，而现代农业技术要求种子作为农业增收的第一关，应保品种、保大小、保形态、保出苗，这就需要对种子进行逐粒检验以达到农业增收的目的。
传统的对种子进行检验所采用的机器视觉主要是获得种子的表面信息，而种子的内在品质、生物学特征是很难通过表层信息获得的，在国家《农作物种子质量标准》(GB 4404.1-4407.1-16715.1-1996)中目前还没有基于机器视觉的检测规范与标准。
以生化鉴定和遗传标记鉴定为主的生物学检测方法，一方面要求很高的实验技能、精密的实验设备，另一方面主要是接触式的破坏性检验，只有少部分抽样在实验室进行品种鉴定，不能满足每一粒种子的检验要求，很难实现实时性的操作。
而计算机视觉是研究用计算机模拟生物外形或宏观视觉功能的科学技术，通过计算机实现人的视觉功能，对客观世界三维场景的感知、识别和理解。计算机视觉是多学科的交叉和结合，涉及到数学、光学、人工智能和信号处理等诸多学科，其应用于种子品质检测的优势在于计算机视觉技术具有人工智能的功能，最适于对坏损面积、色泽变化的识别；计算机硬件设备与图像采集设备价格不断下降。易于成果的转化。
发明内容
本发明要解决的问题在于，提供一种种子精选自动化系统，对种子进行逐粒实时检测，检测快速，自动化程度高；另外，还可以完成种子的实时检测与分级，无需人工操作，节省人力，成本低廉。
上述要解决的技术问题通过以下的技术方案实现一种种子精选自动化系统，包括种子送料机构、传送机构、平种机构、图像采集机构、分级卸料机构、数据处理控制机构，其中，所述的传送机构依传动方向包括落种区、平种区、采集区、分级区，待精选的种子通过传送机构的传动，分别经过平种区、采集区、分级区；所述的种子送料机构通过其送料口将种子送到传送机构上的落种区；所述的平种机构位于传送机构上的平种区，用于将种子平均分布在传送机构上；所述的图像采集机构位于传送机构上的采集区正上方，实时采集种子图像，并将该图像传送给数据处理控制机构，经数据处理控制机构对图像分割、转换，实时分析处理，给出种子品质评价结果，确定分级信息，并将分级控制信息发送给分级卸料机构；所述的分级卸料机构与传送机构上的分级区相对应，接收数据处理控制机构发送来的分级控制信息，将不同级别的种子分别卸料进入不同的接料箱。
待测种子通过送料机构送到传送机构的落种区，落种区的种子在传送机构的传送下到达平种区，位于平种区的平种机构使种子按照一定的规律排列，符合采集的要求，当符合采集要求的种子随传送机构运行到采集区时，图像采集机构采集种子图像，并将该图像信息送到数据处理控制机构，经过数据处理控制机构的处理，得到分级信息，当种子运行到分级区时，数据处理控制机构根据该分级信息控制分级卸料机构将不同级别的种子分别卸料到不同的接料箱内，完成种子的逐粒精选。
本发明所述的系统可以按要求多行、多粒的检测视场中的种子，通过对高速运动背景中种子群体目标的多视频采集、分离，快速、自动的获得运动中的每一粒种子位置，完成种子的逐粒精选、分级，检测快速、自动化程度高，并且检测精度高。
图1为本发明一实施例的系统简图；图2为本发明一实施例的总体结构示意图；图3为图2所示总体结构示意图的侧视图；图4为传送带的结构示意图；图5为送料机构的结构示意图；图6为平种机构的主视图；图7为平种机构的俯视图；图8为平种机构的局部示意图；图9为分级卸料机构的结构示意图；图10为分级卸料机构的局部示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
参见图1，为本发明一实施例的系统简图，种子精选自动化系统包括传送机构1、送料机构2、平种机构3、图像采集机构4、分级卸料机构5、数据处理控制机构6，其具体的总体结构示意图如图2、图3所示，其中，图3为图2的侧视图。
所述的传送机构1包括电机11、传送带12及传送带支架13；所述的传送带支架13为一梯形结构，位于系统的工作台7上，该梯形传送带支架13的上、下底边与工作台7平行；所述电机11位于系统的工作台7下，在该梯形传送带支架13的两个底角上各有一个皮带轮14，电机11与皮带轮14通过皮带传动带动传送带12运动。
为了控制传送带12的速度，本实施例中的电机为调速电机，还包括调速控制装置，该调速控制装置可以为各种调速控制器，在本施例中，为变频器，所述变频器的输入与供电线路连接，输出与电机的供电端连接，通过人为设定，可以实现电机的无级调速，传送带12运行平稳。
所述的传送带12如图4所示，在传送带12上设置有分布均匀、用于逐粒嵌置待测种子的穴孔111，该穴孔111可以为多个，并按照一定的规律排列，在本实施例中，穴孔111在沿传送带12的宽度方向上均匀分布3行，多列，其中，每4列为一个采集机构，沿传送带运动方向的第一列为该采集机构的第一列，因此，对应于图像采集机构，在传送带上的采集到的一幅图像为3×4种子图像区，同理，分级区也对应于一个采集机构。在传送带12的一侧边上与第一列穴孔111对应设有一个色标112，并且，在该侧传送带支架13上对应采集区的第一列固定一用于拍摄传感器630，在传送带12的对边在两列穴孔之间设有一色标1120，并且，在该侧传送带支架13上对应采集区的第一列固定一起始拍摄传感器631，对应分级区的前一列设置一分级传感器632。
传感器630在每经过一列种子就触发一次，即对种子位置进行实时跟踪。并给出每圈从第二幅到最后一幅图像的拍摄信息。传感器631触发的同时接通传感器630，传感器每计数到4就触发一次摄像头，计数工作由PLC完成。
传感器631在每圈只有一次触发。当传感器631接收到色标信号时，通过控制器PLC触发摄像头拍摄第一幅3×4种子图像，即给出起始拍摄信号。
传感器632在每圈只有一次触发。当传感器632接收到色标信号时，标志着种子已经进入分级区，开始从微机里提取种子级别信息，并通过控制器PLC进行分级。
所述的送料机构2的结构如图5所示，包括下料漏斗21、漏斗支撑架22；所述的下料漏斗21固定在漏斗支撑架22上，其出料口211将待测种子送到传送机构1的落种区，漏斗支撑架22安装在该系统的工作台面上。
为了控制送料的速度，将出料口211设计成可以大小可调的结构，具体的结构如下所述下料漏斗的出料口211的一侧设有一个转轴212，挡板213与转轴212转动连接，挡板213可以沿转轴转动，在漏斗支撑架22上固定一挡板控制装置，用于控制挡板213的转动角度，以此来改变出料口211的大小。所述的挡板控制装置包括一罗纹丝杠214，所述的罗纹丝杠214抵在出料口211的挡板213上，通过转动罗纹丝杠214可使挡板213绕轴212转动，以此来改变出料口211的大小，达到控制送料速度的目的。
所述的平种机构如图6、图7、图8所示，平种机构包括平种器32和刷种器33，所述的平种器32包括转轴321、套设在转轴321上的海绵滚轮322及固定在转轴321一端的皮带轮323，所述的刷种器33包括转轴331、套设在转轴331上的带毛刷滚轮332及固定在转轴一端的皮带轮333；所述的刷种器33和平种器33沿传送机构1的传动方向依次设置在平种区，并通过皮带34带动转动。另外，为了防止从送料机构2送到传送单1上的种子从传送机构1的传送带上滑落，在传送带支架上设置一装料盒31，所述的装料盒31为没有上、下底的立方体结构，其将落种区和平种区围设在其中，所述的海绵滚轮半径比海绵滚轮轴心到传送带表面距离大4mm，这样才能使海绵滚轮在滚动中压迫传送带表面以起到平整作用；所述的带毛刷滚轮的毛刷与传送带的上表面距离1-2mm，用于刷去多余的种子。
其中，种子落入空穴一是靠种子自身重力在下滑过程中滚入穴中(前面所说的梯形结构中送料机构2与水平方向有倾角，此倾角刚好使种子在重力下滚动)；二是毛刷滚轮在工作中也有助于种子下滑，落入穴孔。海绵滚轮的作用是将落入孔穴的种子抚平，使种子达到最佳拍照姿态，为下一机构图像摄取做准备。
所述的图像采集机构5垂直固定在梯形传送带的上方，包括CCD彩色摄像头41及其支架42，所述的CCD彩色摄像头41垂直固定在梯形传送带12采集区的上方，用来实时拍摄种子图像。另外，为了止拍摄过程中出现阴影还包括照明装置，如照明灯43。
分级卸料机构5的结构如图9、图10所示，包括固定在传送带支架13上表面的上压板51与下表面的下压板52，在上压板51上设有一个以上的收料孔511(3行4列共计12个)，每一个收料孔511与收料管53的一端连接，收料管53的另一端与接料箱(见图2)连接；下压板52上设有一个以上的喷气孔521，所述的每一喷气孔521通过吹嘴54与一气管55连接，所述的气管55通过电磁阀56与压缩气筒(图中未示出)连接，所述的收料孔511、传送带上的穴孔111、喷气孔521中心相对。其中，上压板51与机构支架通过四个边角的孔用螺栓连接，螺栓中间有弹簧，用以调节上压板和传送带之间的距离，传送带在上、下压板之间穿行。另外，为了防止个别小的种子在经过下分级区时落入喷气孔中，将所述的下压板52分为两层，在这两层之间加上一层钢丝网57，网格的大小以不影响气流通过为准。
PLC控制电磁阀56的开启，当传感器632接通时，标志着种子进入分级区，这时传感器630每经过一次色标就提取3个种子级别数，到其相应级别时实施吹离。开启的时间由色标的宽度决定，因此电磁阀开启时间可以调节。由色标的位置可知，当传感剧630接收到色标信号的过程就是传送带孔通过上、下压板孔的时刻。
上压板51每一列的种子有3个，每一次读取的3个级别数分别对应此排的3个种子。对于同一列中的3粒种子，因其处于3个不同的行中，可以通过程序设定，以行为标志，不同行的种子在吹离过程中互不干涉，每一行的种子都要经过4个级别的吹离区，不会漏掉。
在本实施例中，所述的数据处理控制机构6包括计算机61、PLC 62、传感器63，所述的传感器63为用于拍摄传感器630，用于表示起始拍摄的传感器631，用于表示分级的传感器632。
传感器的信号传递给PLC，再由PLC实施对电磁阀、摄像头等的控制。计算机与PLC之间通过串口通讯进行数据交换，即由计算机将种子级别信息传递给PLC。
计算机61接收图像采集机构4发送来的数据，进行图像的分割、转换，实时分析处理，给出种子品质评价结果，确定分级信息，并根据分级信息向PLC62发出分级控制信息。
为了对本系统的工作进行控制，还设有总控开关，用于控制系统的起动、停止。
本实施例的工作过程如下当按下总控开关，调速电机起动，并按照设定速度匀速转动，调速电机拖动固定在梯形支撑架上的传送带作匀速运动。如要检测时，种子经送料机构的漏斗输送到平种机构的装料盒内，落到传送带上，根据传送带的速度，调整罗纹丝杠可使出料口的挡板绕轴转动，以此来改变出料口的大小，达到控制送料速度的目的。
位于装料盒内的一个皮带轮与传送带的皮带轮、海绵滚轮和带毛刷滚轮构成一个皮带传动机构，当电机转动时，带动传送带的皮带轮转动，带动该皮带传动机构动作，则海绵滚轮和带毛刷滚轮开始转动。当种子从送料机构落下时，种子靠自身重力在下滑过程中滚入穴中，毛刷滚轮在工作中也有助于种子下滑，落入穴孔。海绵滚轮在滚动过程中将落入孔穴的种子抚平，使种子达到最佳拍照姿态，为下一机构图像摄取做准备。
当带有种子的穴孔通过采集区时，传感器631接收到色标信号时，将该信号发送给控制器PLC，PLC触发摄像头拍摄第一幅3×4种子图像，即给出起始拍摄信号。传感器630在每经过一列种子就向PLC发送一次信号，即对种子位置进行实时跟踪，当PLC计数到4时就触发一次摄像头，开始第二幅种子图像的拍摄。
计算机接受摄像头发送来的图像信息，并对该数据进行图像分割、转换，实时分析处理，通过种子的形状、大小、色泽及损伤程度等品质特征给出种子品质评价结果。当传感器632接收到色标信号时，标志着种子已经进入分级区，计算机将该分级控制信息发送给PLC，PLC根据该信息控制与该分级信息相符合的电磁阀，启动气动机构，通过高速气动喷头将种子喷入收料口。
其中，精选分级的控制算法原理如下给每一个电磁阀都分配一个单字节地址，则本课题12个电磁阀对应于12个地址，电磁阀输出与地址对应图如表1将12个电磁阀按顺序分为4个级别，与种子级别相对应，则每一个级别有3个电磁阀，分别将电磁阀与相应地址置1位相连接，则当地址位输入为高电平1时，电磁阀接通，将种子吹离。
表1
以第一行的四个级别为例若取出的种子级别为一级，则一级电磁阀地址首位置1，其余级别首位置0；若取出的种子级别为二级，则二级电磁阀地址首位置1，其余级别首位置0；若取出的种子级别为三级，则三级电磁阀地址首位置1，其余级别首位置0；若取出的种子级别为四级，则四级电磁阀地址首位置1，其余级别首位置0。第二行、第三行电磁阀同理。
取数脉冲信号由色标传感器630发出，每过一排种子，就产生一个脉冲，取出三个级别数，同时电磁阀的地址位向左移动一位，当电磁阀的地址位变为高电平1时，电磁阀接通，则种子一定是被其相应级别电磁阀吹离的。
另外，PLC通过改变变频器的参数来改变传送带的速度，目的是为了通过试验得出传送带在不同的速度下种子孔穴的填充率，由经验可知，传动带速度越快，则填充率越低。另外，在不考虑填充率的情况下，提高传送带的速度可以提高整个系统的效率。由于摄像头的采集速度非常快，每秒钟50次左右，因此，改变传送带的速度不会影响图像的采集速度，不用改变图像采集的速度。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种种子精选自动化系统，其特征在于，包括种子送料机构、传送机构、平种机构、图像采集机构、分级卸料机构、数据处理控制机构，其中，所述的传送机构依传动方向顺次为落种区、平种区、采集区、分级区，待精选的种子通过传送机构的传动，分别经过平种区、采集区、分级区；所述的种子送料机构通过其送料口将种子送到传送机构上的落种区；所述的平种机构位于传送机构上的平种区，用于将种子平均分布在传送机构上；所述的图像采集机构位于传送机构上的采集区正上方，实时采集种子图像，并将该图像传送给数据处理控制机构，经数据处理控制机构对图像分割、转换，实时分析处理，给出种子品质评价结果，确定分级控制信息，并将分级控制信息发送给分级卸料机构；所述的分级卸料机构与传送机构上的分级区相对应，接收数据处理控制机构发送来的分级控制信息，在分级区将不同级别的种子分别卸料进入不同的接料箱。
2.根据权利要求1所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的种子送料机构包括下料漏斗、漏斗支撑架；所述的下料漏斗固定在漏斗支撑架上，其出料口与传送机构上的落种区相对应，将待测种子送到传送机构上的落种区。
3.根据权利要求2所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述下料漏斗的出料口的一侧通过转轴与挡板连接，在出料口外对应挡板的挡面设置一挡板控制装置，所述的挡板控制装置包括一罗纹丝杠，所述的罗纹丝杠抵在出料口的挡板上，通过转动罗纹丝杠可使挡板绕轴转动，以此来改变出料口的大小。
4.根据权利要求1所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的传送机构包括电机、传送带及传送带支架；所述的传送带支架为一梯形结构，位于系统的工作台上，该梯形结构的传送带支架的上、下底边与工作台平行；所述电机位于系统的工作台下，通过皮带传动带动位于传送带支架上的传送带匀速运动；所述的传送带上设置有均匀分布的穴孔，该穴孔用于逐粒嵌置待测种子。
5.根据权利要求4所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的电机为调速电机，所述的传送机构还包括电机调速控制机构，用于控制电机的转速。
6.根据权利要求5所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的电机调速控制机构为变频器，所述变频器的输入与供电线路连接，输出与电机的供电端连接，用于电机的无级调速。
7.根据权利要求1所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的平种机构包括平种器和刷种器，所述的平种器包括转轴、套设在转轴上的海绵滚轮及固定在转轴一端的皮带轮，所述的刷种器包括转轴、套设在转轴上的带毛刷滚轮及固定在转轴一端的皮带轮；所述的刷种器和平种器沿传送机构的传动方向依次设置，并通过皮带带动转动。
8.根据权利要求1所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的图像采集机构垂直固定在梯形传送带的上方，包括CCD摄像头及其支架，所述的CCD彩色摄像头垂直固定在梯形传送带采集区的上方，用来实时拍摄种子图像。
9.根据权利要求2所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的分级卸料机构包括位于传送带上表面、设有一个以上的收料孔的上压板，位于传送带下表面、设有一个以上的喷气孔的下压板，上压板与传送带支架通过孔用螺栓连接，螺栓中间设有弹簧，用以调节上压板和传送带之间的距离，传送带在上、下压板之间穿行，每一个收料孔与收料管的一端连接，收料管的另一端与接料箱连接；在下压板上对应每一喷气孔处设有网，且每一喷气孔与一气管连接，所述的气管通过电磁阀与压缩气筒连接，所述的收料孔、传送带上的孔穴、喷气孔中心相对。
10.根据权利要求1-9任一所述的种子精选自动化系统，其特征在于，所述的数据处理控制机构包括计算机、PLC、一个以上传感器，所述的计算机通过RS232与PLC实时通信，所述的PLC的输入分别与一个以上的传感器的数据端连接，输出端分别与图像采集机构、传送机构、分级卸料机构连接，PLC接收传感器发送的信号，控制图像采集机构进行图像采集，计算机接收图像采集机构发送来的数据，进行图像的分割、转换，实时分析处理，给出种子品质评价结果，确定分级控控制信息，并向PLC发出分级控制信息；PLC根据该分级控制信息控制分级卸料机构进行分级卸料。
全文摘要
本发明公开了一种种子精选自动化系统，包括种子送料机构、传送机构、平种机构、图像采集机构、分级卸料机构、数据处理控制机构，其中，所述的传送机构依传动方向顺次为落种区、平种区、采集区、分级区，所述的种子送料机构将种子送到传送机构上的落种区；所述的平种机构用于将种子平均分布在传送机构上；所述的图像采集机构位于传送机构上的采集区正上方，实时采集种子图像，并将该图像传送给数据处理控制机构，经数据处理控制机构对图像实时分析处理，将分级控制信息发送给分级卸料机构；本发明通过对高速运动背景中种子群体目标的多视频采集，自动获得运动中每一粒种子位置，完成种子的逐粒精选、分级，检测快速、自动化程度高，检测精度高。
文档编号A01C1/00GK1586136SQ20041007803
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月20日 优先权日2004年9月20日
发明者李伟, 袁立, 蔡卫国, 荀一 申请人:中国农业大学