一种马铃薯快速无损检测自动分级装置与方法与流程

本发明涉及一种分级装置与方法，尤其涉及一种马铃薯快速无损检测自动分级装置与方法。

背景技术：

目前马铃薯的分级方法主要有两种，一种是采用振动网筛式分级设备、滚筒式分级设备或平面扇型旋转锟式分级设备等，按照马铃薯的直径进行分级筛选，但是该方法无法根据马铃薯的三维尺寸和重量信息进行分级控制，因此仅仅适用于形状较为规则的马铃薯的分选，对于形状不规则的马铃薯易造成错误分级；另一种是按照重量进行分级，采用压力传感器或者天平获取马铃薯的重量信息，通过控制电路或者物理力学原理进行分级筛选，但该方法只能通过重量来进行分级，不能判断马铃薯的尺寸和形状。因此，这两种方法都未能实现基于三维重构的马铃薯智能分级。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种马铃薯快速无损检测自动分级装置与方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种马铃薯快速无损检测自动分级装置，包括爬坡辊轴输送装置、横向传送带、纵向传送带、分级输出装置；爬坡辊轴输送装置的后端向上翘起并与水平面之间具备20～60°的夹角；爬坡辊轴输送装置上套置有链条式传送带；链条式传送带的下倾斜角上垂直设置有喂料斗、上倾斜角上平行设置有滚轮毛刷；

爬坡辊轴输送装置的后端与去土输送装置相连接；去土输送装置上平行设置有多根滚轮毛刷，用于对传送来的马铃薯进行去土清理以及有序排列；去土输送装置的后端依次设置有横向传送带、纵向传送带；

横向传送带的摆放方向与滚轮毛刷相平行，其传送方向与去土输送装置的传动方向垂直；纵向传送带与横向传送带首尾相接并垂直分布，二者匹配设置用于将去土输送装置中一排多个的马铃薯输送方式转变为一排一个；

纵向传送带的后侧设置有分级输出装置；纵向传送带与分级输出装置之间具有间隔，且纵向传送带的高度高于分级输出装置中传送带的高度，使马铃薯从纵向传送带上运送至分级输出装置上时做平抛运动；

分级输出装置与纵向传送带之间的空隙中设置有光选箱；光选箱中设置有四台呈正面体排布的ccd摄像机，用于在马铃薯做平抛运动时捕捉马铃薯表面的全方位图像信息，并将图像信息上传给上位机；

分级输出装置的上端纵向设置有多个气缸，每个气缸的下端均对应设置有分级闸板；上位机在对图像信息进行判断处理后，通过气缸控制相应级别的分级闸板做下落动作，从而保证分级闸板在相应的时间把相应的马铃薯精确的引导进入相应的分级槽中，马铃薯再随着分级槽的下滑通道进入分级箱中。

纵向传送带的后端设置有光电触发开关，用于将马铃薯的通过信号传递给上位机，从而在马铃薯抛出时同步启动ccd摄像机的四方位拍摄。

分级输出装置的前端设置有光电定位开关；马铃薯从纵向传送带中抛出掉落在分级输出装置的传送带上时，由于马铃薯下落会带有一部分动能冲量，因此会在分级输出装置的传送带上发生纵向位移，此时由光电定位开关确定下落马铃薯的具体坐标，从而为后面的分级环节提供精确的位置坐标。

光选箱中设置有照明用的led灯，用于保证光选箱内光照均匀照射，形成无影光环境，使马铃薯拍摄不会出现色差和阴影。

光选箱是密闭的光照箱，箱体内壁使用粗糙的黑色材质，用于保证箱体内壁吸收光源发出的光线，并且光线会在内壁上产生漫反射，从而避免光线在光照箱内产生镜面反射效果。

一种马铃薯快速无损检测自动分级方法，其具体步骤如下：

i、将马铃薯倒入爬坡辊轴输送装置的喂料斗中后启动设备，爬坡辊轴在齿轮和链条的作用下向上运动，马铃薯在与爬坡辊轴之间摩擦力的作用下向上运动；当运动到爬坡面的斜上方时，滚轮毛刷对马铃薯外表面进行初次清理，去除马铃薯表面附着的大面积泥土，同时滚轮毛刷还固定爬坡辊轴上堆叠的马铃薯，使马铃薯以一层的形式平铺在爬坡辊轴上；由于爬坡辊轴之间具有特定间距，直径小于此间距的马铃薯会与泥土一起从爬坡辊轴间漏下，掉入下方的收集槽中；

ii、平铺排列的多排马铃薯从爬坡辊轴输送装置上运送至去土输送装置上以后，马铃薯在多个滚轮毛刷上运动，马铃薯的运动方向与滚轮毛刷的转动方向一致；马铃薯在运动的同时通过滚轮毛刷对其外表面进行二次清理，保证还原马铃薯外表面特征，为后面的光选拍摄提供可靠的基础；

iii、马铃薯先随着去土输送装置成排的掉入横向传送带中，再随着横向传送带单个的掉入后侧的纵向传送带中，从而使马铃薯从多个一排转变为一个一排的形式前行；调整纵向传送带的传输速度，使其大于横向传送带的传输速度，从而拉开相邻马铃薯之间的间距，为后面的平抛运动以及拍照奠定基础，使得马铃薯在光选时顺通无阻碍；

iv、马铃薯从纵向传送带上抛出后直接进入光选箱中，通过四个ccd摄像机用来360°捕捉每一个经过光选仪的马铃薯的整个外表面图像，ccd摄像机拍摄的马铃薯图像会储存在图像采集卡并上传至上位机中；上位机根据图像信息对马铃薯的外表面缺陷和损伤进行分析，并且通过马铃薯数据库和马铃薯的体积大小与密度来确定所分级的马铃薯质量大小属于哪一级，并向马铃薯分级输出装置发出信号指令，让所分级的马铃薯通过分级闸板的引导进入相应级别的分级箱中。

本发明利用四目立体视觉技术，从重量、薯形、外部缺陷三个指标构建了马铃薯外部品质无损检测的计算机视觉硬件系统；马铃薯在通过外表面清理以后，通过四目立体视觉技术还原其外部特征，筛除有缺陷和畸形的马铃薯，然后按照马铃薯质量的大小把不同马铃薯分别输送到相应的分级箱中，实现了快速、实时、客观、无损的对马铃薯进行检测和分级。

附图说明

图1为自动分级装置的整体结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为本发明的工作原理示意图。

图4为汇集输送机的平面工作原理示意图。

图5为本发明的整体步骤流程图。

图中：1、马铃薯；2、爬坡辊轴输送装置；3、滚轮毛刷；4、去土输送装置；5、横向传送带；6、纵向传送带；7、光电触发开关；8、光电定位开关；9、ccd摄像机；10、分级输出装置；11、分级箱；12、喂料斗；13、气缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本发明中自动分级装置包括爬坡辊轴输送装置2、横向传送带5、纵向传送带6、分级输出装置10；爬坡辊轴输送装置2的后端向上翘起并与水平面之间具备20～60°的夹角；爬坡辊轴输送装置2上套置有链条式传送带；链条式传送带的下倾斜角上垂直设置有喂料斗12、上倾斜角上平行设置有滚轮毛刷3；

爬坡辊轴输送装置2的后端与去土输送装置4相连接；去土输送装置4上平行设置有多根滚轮毛刷，用于对传送来的马铃薯进行去土清理以及有序排列；去土输送装置4的后端依次设置有横向传送带5、纵向传送带6；

横向传送带5的摆放方向与滚轮毛刷相平行，其传送方向与去土输送装置4的传动方向垂直；纵向传送带6与横向传送带5首尾相接并垂直分布，二者匹配设置用于将去上输送装置4中一排多个的马铃薯输送方式转变为一排一个；

纵向传送带6的后侧设置有分级输出装置10；纵向传送带6与分级输出装置10之间具有间隔，且纵向传送带6的高度高于分级输出装置10中传送带的高度，使马铃薯从纵向传送带6上运送至分级输出装置10上时做平抛运动；

分级输出装置10与纵向传送带6之间的空隙中设置有光选箱；光选箱中设置有四台呈正面体排布的ccd摄像机9，用于在马铃薯做平抛运动时捕捉马铃薯表面的全方位图像信息，并将图像信息上传给上位机；

分级输出装置10的上端纵向设置有多个气缸13，每个气缸13的下端均对应设置有分级闸板；上位机在对图像信息进行判断处理后，通过气缸13控制相应级别的分级闸板做下落动作，从而保证分级闸板在相应的时间把相应的马铃薯精确的引导进入相应的分级槽中，马铃薯再随着分级槽的下滑通道进入分级箱11中。

纵向传送带6的后端设置有光电触发开关7，用于将马铃薯的通过信号传递给上位机，从而在马铃薯抛出时同步启动ccd摄像机9的四方位拍摄。

分级输出装置10的前端设置有光电定位开关8；马铃薯从纵向传送带6中抛出掉落在分级输出装置10的传送带上时，由于马铃薯下落会带有一部分动能冲量，因此会在分级输出装置10的传送带上发生纵向位移，此时由光电定位开关8确定下落马铃薯的具体坐标，从而为后面的分级环节提供精确的位置坐标。

光选箱中设置有照明用的led灯，用于保证光选箱内光照均匀照射，形成无影光环境，使马铃薯拍摄不会出现色差和阴影。

光选箱是密闭的光照箱，箱体内壁使用粗糙的黑色材质，用于保证箱体内壁吸收光源发出的光线，并且光线会在内壁上产生漫反射，从而避免光线在光照箱内产生镜面反射效果。

一种马铃薯快速无损检测自动分级方法，其具体步骤如下：

i、首先将马铃薯倒入爬坡辊轴输送装置2的喂料斗12中，马铃薯会堆叠在喂料斗12下方倾斜的爬坡辊轴上，此时马铃薯之间相互挤压作用，当设备开始运转，爬坡辊轴在齿轮和链条的作用下向上运动，马铃薯在与爬坡辊轴之间摩擦力的作用下向上运动，由于爬坡辊轴上包有胶皮，所以马铃薯与胶皮之间的摩擦系数较大；当运动到爬坡面的斜上方时，滚轮毛刷3对马铃薯外表面进行初次清理，去除马铃薯表面附着的大面积泥土，同时滚轮毛刷3还固定爬坡辊轴上堆叠的马铃薯，使马铃薯以一层的形式平铺在爬坡辊轴上，并且调整好马铃薯的受力点，使得马铃薯可以卡在两个爬坡辊轴之间，假设爬坡辊轴之间的间距为在5mm，则直径小于5mm的马铃薯会与泥土一起从爬坡辊轴间漏下，掉入下方的收集槽中。而其它马铃薯会随着爬坡辊轴一直向上运动，直到被传输至去土输送装置4上。

ii、平铺排列的多排马铃薯从爬坡辊轴输送装置2上运送至去土输送装置4上以后，马铃薯在多个滚轮毛刷上运动，马铃薯的运动方向与滚轮毛刷的转动方向一致；马铃薯在运动的同时通过滚轮毛刷对其外表面进行二次清理，保证还原马铃薯外表面特征，为后面的光选拍摄提供可靠的基础；铃薯在滚轮毛刷辊轴上匀速运动，直到进入由横向传送带5和纵向传送带6组成的汇集输送机上。

iii、马铃薯先随着去土输送装置4成排的掉入横向传送带5中，由于马铃薯与传送带间的摩擦系数较大，使得马铃薯随着传送带快速运动并单个的掉入纵向传送带6中，这样就使马铃薯从多个一排转变为一个一排的形式前行，保证了马铃薯进入光选仪的时候是一个一个的过去，而不是一次多个的过去。调整纵向传送带6的传输速度，使其大于横向传送带5的传输速度；马铃薯在纵向传送带6上会随之得到一个相对较快的速度，纵向传送带6快速的运转也保证了马铃薯进入光选装置做平抛运动的时候会有一个相对较高而且固定的初速度，从而使得马铃薯可以顺利完成光选的过程。马铃薯进一步随着纵向传送带6相对静止的运动到光选仪配套输送机上。

iv、马铃薯从汇集输送机传输到光选仪配套输送机以后，会随着汇集输送机上的纵向传送皮带6直接进入光选箱中；光选仪内部采用四个ccd摄像机来360°捕捉每一个经过光选仪的马铃薯的整个外表面图像，ccd摄像机拍摄的马铃薯图像会储存在图像采集卡并上传至上位机中；马铃薯分级机光选仪的马铃薯的信息获取、处理以及马铃薯分级部分闸板的控制等工作主要依靠计算机来完成，由于马铃薯分级机获取的是马铃薯的图像信息，导致计算机需要处理大量信息，因此马铃薯分级机的光选仪使用了具备较强的运算能力以及较高的主频的计算机。上位机根据图像信息对马铃薯的外表面缺陷和损伤进行分析，并且通过马铃薯数据库和马铃薯的体积大小与密度来确定所分级的马铃薯质量大小属于哪一级，并向马铃薯分级输出装置发出信号指令，让所分级的马铃薯通过分级闸板的引导进入相应级别的分级箱11中。

马铃薯在纵向传送带6上以固定初速度做完平抛运动前，会首先激发纵向传送带后端的光电触发开关7，使得ccd摄像机9准备拍摄，此时马铃薯会以固定的抛物线经过四个ccd摄像机形成的正四面体摄影区的中心；快速拍照完成后，马铃薯会掉落到下方的传输带上，由于马铃薯下落会带有一部分动能冲量，所以下落后马铃薯会在下方传输带上发生纵向位移，此时下方传输带上的光电定位开关8会确定下落马铃薯的具体坐标，从而为最后马铃薯分级输出装置的分级环节提供精确的位置坐标。

马铃薯做完平抛运动后进入分级输出装置上，会在分级输出装置的传送带上相对静止的运动。此时计算机会给分级输出装置的分级闸板发出信号指令，控制分级闸板的运动，保证分级闸板会在相应的时间把相应的马铃薯精确的引导进入相应的分级槽中，马铃薯会随着分级槽的下滑通道进入分级箱中。不同大小以及外表面损伤的马铃薯都会进入相应不同的分级箱中，完成自动分级。

本发明利用四目立体视觉技术实现了对马铃薯外部品质的快速无损检测，然后根据尺寸或重量等指标实现自动分级，并且构建了马铃薯智能分级装置，即通过四台ccd摄像机同时对马铃薯进行图像采集，进行数字图像处理实现对马铃薯外部缺陷(包括干腐、表皮变绿、虫眼、机械损伤、裂沟、二次生长、畸形、发芽等)进行快速无损检测，同时进行三维重构，对外部无缺陷的马铃薯实现大小的自动分级处理。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。