一种基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级系统及分级方法与流程

本发明涉及鸡胸肉质量等级的检测和判定，属于农产品加工与检测领域，尤其是一种基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级系统及分级方法。

背景技术：

随着市场对无骨鸡肉需求的增加，家禽养殖企业越来越倾向于养殖出肉率高、生长迅速的肉鸡品种。如今，肉鸡养殖鸡龄已较50年前减少近一半，但肉鸡的活体质量却达到50年前肉鸡活体质量的两倍。然而，随着家禽市场速生肉鸡品种的推广和发展，一系列肉鸡胸肌肉疾病及品质缺陷问题相继暴露。其中影响较大的是木质鸡胸肉(woodybreast,wb)，其出现时间短，造成的影响大，同时给禽肉生产加工企业带来了巨大的经济损失。

现阶段肉鸡生产加工中，采用人工指压硬度检测法对鸡胸肉的质量等级进行分级。但是人工指压弹性评级方法有其根本的缺点：一是具有主观性，不同的评级员对相同的鸡胸肉进行木质化等级评定时，其评定结果可能不同；二是存在不一致性，当同一个评级员对相同鸡胸肉进行两次硬度等级评定时，其评定结果也可能不相同；三是该方法的评级成本高、效率低。因此，有必要设计鸡胸肉木质化程度自动分级系统及相关分级方法，以弥补人工评级的不足，实现鸡胸肉木质化等级的在线无损快速检测。

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

本发明的目的是针对鸡胸肉生产加工现场其木质化主观评级的主观性、不一致性和评级效率低等问题，提出一种能够适应禽肉加工需求的基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级系统及分级方法。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级系统，由硬件模块、特征参量提取模块、木质化分级模块组成，其特征在于，

硬件模块包括由工控机控制的激光喷气装置，主要包括触发传感器、带式输送排列装置、激光测距装置、空气增压泵、高压喷气嘴、固定支架及挡板；

特征参量提取模块所提取的特征参量包括：曲线1峰值h1、曲线2峰值h2、曲线1面积s1、曲线2面积s2、高度大于10mm的曲线2面积与曲线1面积之比ar10；

木质化分级模块通过特征参量提取模块所得到的特征参量由bp神经网络模型进行建模预测，鸡胸肉木质化程度分为正常、轻微、中度和严重四个等级。

激光测距装置为两个，通过固定支架及挡板固定于带式输送排列装置上方，所述触发传感器为两个，位于激光测距装置下方，其中沿鸡胸肉传送方向的后一激光测距装置安装有高压喷气嘴，高压喷气嘴与空气增压泵连接；

工控机与两个触发传感器、激光测距装置及空气增压泵连接，工控机包含自动分级软件。

带式输送排列装置分为两部分，分别为宽度不同且独立运转的传送带部分及宽度渐变的立式挡板部分，其中传送带部分为食品级白色pu塑料材质，立式挡板为316食用级不锈钢材质。

高压喷气嘴为空心圆柱体，安装于沿鸡胸肉传送方向的后一激光测距装置的发射接收口正下方，材质为316食用级不锈钢材质，其上方由透明塑料薄片进行密封处理；

高压喷气嘴侧面设有与高压喷气嘴主体部分垂直连接的圆柱形接口，接口终端与所述空气增压泵连接。

一种基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由经过一定训练具有评级经验的研究或工作人员对鸡胸肉进行人工指压木质化程度评级，评级标准为：正常、轻微、中度、严重4个等级，用数值0、1、2、3进行记录；

步骤2，采集鸡胸肉初始高度曲线，鸡胸肉通过自动分级系统带式输送排列装置，将鸡胸肉传送至系统激光测距装置的正下方，当检测有鸡胸肉通过时即可由激光测距装置对鸡胸肉进行测距扫描，得出鸡胸肉样本的初始高度曲线(曲线1)，并传送曲线1数据至自动分级系统的木质化分级模块；

步骤3，采集鸡胸肉经高压空气喷射后的高度曲线，鸡胸肉运动至自动分级系统中安装有高压喷气嘴的激光测距装置的正下方，空气增压泵为高压喷气嘴提供持续高压空气，激光测距装置扫描出经高压空气喷射后的鸡胸肉高度曲线(曲线2)，并传送曲线2数据至自动分级系统的木质化分级模块；

步骤4，提取鸡胸肉木质化特征参量，分级模块根据曲线1与曲线2的数据，计算出反映木质化等级的5个弹性特征参量，分别为曲线1峰值h1、曲线2峰值h2、曲线1面积s1、曲线2面积s2、高度大于10mm的曲线2面积与曲线1面积之比ar10；

步骤5，建立鸡胸肉木质化等级数据库，重复步骤1～4，建立鸡胸肉木质化等级数据库，数据库的每条记录由步骤4中的5个特征参量和步骤1中的木质化等级组成；

步骤6，建立鸡胸肉木质化分级模型，对鸡胸肉木质化等级数据库中的每条记录作为训练集，以每条记录的5个特征参量为输入，以鸡胸肉木质化等级为输出，根据bp神经网络建模方法，建立鸡胸肉木质化程度bp神经网络分级模型；

步骤7，对鸡胸肉木质化程度进行分级，将未进行人工评级的鸡胸肉置于自动分级系统带式输送排列装置上，待检测鸡胸肉依次通过两个激光测距传感器的正下方，激光测距传感器将测得的曲线1数据与曲线2数据发送至鸡胸肉木质化程度分级模块，分级模块从曲线数据中提取5个特征参量，最后根据步骤6所建立的鸡胸肉木质化程度分级模型，计算出鸡胸肉木质化程度的等级。

步骤6的木质化等级取整判定规则为：

弹性等级值小于等于0.5，木质化等级为0级；

弹性等级值介于0.5与1之间(包括1)，木质化等级为1级；

弹性等级值介于1与2之间(包括2)，木质化等级为2级；

弹性等级值大于2，木质化等级为3级。

有益效果

本发明实现禽肉加工中鸡胸肉木质化等级的自动分级，节省了生产线上评级人员的雇用、培训所对应的开支，规范禽肉品质评级标准，同时提升鸡胸肉品质检测客观性、准确率及工作效率，实现禽肉加工过程中在线品质无损检测分级。

本发明中所使用的两个激光测距装置的选型以及安装位置高度经过大量理论实验反复试验，可以精确测量鸡胸肉经高压空气作用前后的高度变化情况，精度可达0.1mm；高压喷气嘴为特有设计，其安装在激光测距装置正下方，顶部由透明塑料薄片进行密封处理，可以保证激光喷气装置能正常的接收到鸡胸肉经加压空气作用后产生的高度形变变化，方便其采集鸡胸肉硬度形变信息。

本发明中建立的鸡胸肉木质化程度分级模型，在激光测距装置选型与安装条件、高压喷气嘴喷出高压空气条件一致时，可以不对现有分级模型进行修改，适用于不同规模的鸡胸肉木质化程度分级生产线，实现鸡胸肉木质化等级的在线自动分级。

附图说明

图1是本发明系统组成图；

图2是本发明系统结构示意图；

图3是本发明带式输送排列装置细节图；

图4是本发明激光喷气装置硬件细节图；

图5是本发明激光测距传感器所测量鸡胸肉高度曲线示意图；

图中的标号说明：1-触发传感器；2-高压喷气嘴；3-特征参量提取模块；4-激光测距装置；5-空气增压泵；6-工控机；7-固定支架；8-固定挡板；9-鸡胸肉；201-透明塑料薄片；401-激光测距装置发射接收口。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

图1为本发明系统工作流程图，系统包括硬件模块、特征参量提取模块及木质化分级模块。其中硬件模块包括由工控机控制的激光喷气装置，主要包括带式输送排列装置、触发传感器、激光测距装置、空气增压泵、高压喷气嘴、固定支架及挡板；特征参量提取模块主要由工控机控制，其硬件设备分别位于传送带上两个固定支架和挡板上，通过特征参量提取模块可完成鸡胸肉的形变参量提取，共计5个，包括：曲线1峰值h1，曲线2峰值h2，曲线1面积s1，曲线2面积s2，高度大于10mm的曲线2面积与曲线1面积之比ar10；木质化分级模块主要是通过采集得到的特征参量由bp神经网络模型进行建模预测，将鸡胸肉的木质化程度分为正常、轻微、中度和严重四个等级。

图2为本发明基本结构框架示意图，系统工作时，鸡胸肉9由传送带输送至激光喷气装置处，触发传感器1检测到有鸡胸肉进入该区域，激光测距装置4对未经过高压空气作用的鸡胸肉进行高度曲线数据采集；进一步鸡胸肉通过第二个触发传感器后，由空气增压泵5产生340kpa压力空气经过高压喷气嘴2垂直作用于鸡胸肉表面区域，使其产生硬度形变，同时激光测距装置4对高压形变的鸡胸肉高度曲线数据进行采集。激光测距装置4的测量精度为0.1mm，其激光发射及接收口与传送带的垂直距离固定为150mm，通过固定支架7和固定挡板8固定。对鸡胸肉木质化程度自动分级的实现主要由工控机6与相应的自动分级软件组成，由工控机及相应的硬件采集设备组成的自动化系统连接触发传感器1、激光测距装置4和空气增压泵5，对鸡胸肉硬度形变前后所产生的曲线1和曲线2数据进行采集输入、特征参量提取及木质化程度等级的运算及输出。

图3为本发明带式输送排列装置细节图，带式输送排列装置主要目的是将生产线上的多个鸡胸肉进行有序排列并实现将其单个输送进入检测分级模块进行分级及等级判定。装置分为两部分，分别为宽度不同且独立运转的传送带部分及宽度渐变的立式挡板部分。其中传送带部分为食品级白色pu塑料材质，立式挡板为316食用级不锈钢材质，高度为50mm，以轻微接触式固定于传送带上方，并不影响传送带运转。在带式输送排列装置左边(鸡胸肉运动起始方向)其传送带由立式挡板作用后宽度为600mm，经挡板作用后宽度减少为200mm，实现鸡胸肉单向单个运输，其传送速度可由系统木质化分级模块进行控制与调节。

图4为本发明激光喷气装置硬件细节图，主要包括触发传感器1、高压喷气嘴2、特征参量提取模块3、透明塑料薄片201、激光测距装置发射接收口401，对应的硬件装置主要由固定支架7和固定挡板8所固定。当鸡胸肉运动至第二个激光测距装置时，触发传感器1检测到有鸡胸肉经过，空气增压泵5产生固定340kpa压力空气输送至高压喷气嘴2，经过高压喷气嘴作用后将输出垂直于鸡胸肉上方的压力空气，此时，激光测距装置对经过高压空气作用后发生硬度形变的鸡胸肉高度曲线进行数据采集并将数据存储至工控机。特征参量提取模块3分别位于传送带上两个固定支架和挡板上，此处为第二个，此模块的主要作用是将激光测距装置采集得到的数据提取特征参数后传送到工控机自动分级软件中进行分析。高压喷气嘴2材质为316食用级不锈钢材质，其中高压喷气嘴为内径8mm，外径10mm的空心圆柱体，在圆柱体上方由透明塑料薄片201进行材质密封处理，使其可以安装于激光测距装置4的发射接收口401正下方，透明材料可保证激光发射与接收不收影响。在此基础上，高压喷气嘴侧面部分设有为内径为6mm的圆柱形连接口，其与高压喷气嘴主体部分垂直连接，该侧边接口终端与空气增压泵5连接，高压空气经过高压喷气嘴特殊结构作用后可实现气体从侧端输入口进入，在喷气嘴腔体内实现垂直转向并输出，最终形成稳定的高压气流作用在正下方的鸡胸肉上。

图5为本发明激光测距装置测量的鸡胸肉加压形变前后高度曲线示意图，其横坐标为鸡胸肉整体扫描长度，纵坐标为激光测距装置采集得到的鸡胸肉高度数值。图中曲线1为鸡胸肉首次通过激光测距装置进行测量后的高度数据，曲线2为鸡胸肉在高压空气作用下，产生硬度形变时激光测距装置采集的高度数据。通过曲线1和曲线2的数据可以由工控机直接提取获得对应的特征参量并储存于工控机中。

一种利用如上所述的基于硬度形变的鸡胸肉木质化程度自动分级系统的方法，包括以下步骤：

(1)鸡胸肉木质化等级的人工分级与记录：由经过一定训练具有评级经验的研究或工作人员对鸡胸肉进行人工指压木质化程度评级，评级标准为：正常，鸡胸肉整体十分柔软，外表平滑、细腻，柔韧性好，掂在手中肉两端自由垂下；轻微，鸡胸肉整体柔软，在肉样顶端区域有轻微硬度触感；中度，肉样硬度主要集中在顶端区域，但底部仍然柔软，掂在手中底部仍有一定的下垂感，底部隐约可见凸起部位；严重，鸡胸肉整体触感坚硬且无柔韧性，表面呈现木质状纹理结构，掂在手中无下垂感，通常可整体立在手中，通体表面有水膜状分泌物且底部可明显看见凸起部位，部分样本表面不同部分有渗入性血迹存在。随评分分数增加，鸡胸肉整体硬度增加，最终将木质化等级人工划分为4个等级后，用数值0、1、2、3进行记录。

(2)鸡胸肉初始高度曲线的采集：鸡胸肉经过带式输送排列装置后，实现依次单个进入检测分级区域，由传送带将鸡胸肉传送至激光测距装置的正下方，当检测有鸡胸肉通过时即可由激光测距装置对鸡胸肉进行测距扫描，得出鸡胸肉样本的初始高度曲线(曲线1)，并传送曲线1数据至鸡胸肉木质化分级模块。

(3)鸡胸肉经高压空气喷射后高度曲线的采集：进一步鸡胸肉继续运动至安装有高压喷气嘴的激光测距装置的正下方，空气增压泵为高压喷气嘴提供持续的高压空气，激光测距装置扫描经高压空气喷射后的鸡胸肉样本高度曲线(曲线2)，并传送曲线2数据至鸡胸肉木质化分级模块。

(4)鸡胸肉木质化特征参量的提取：鸡胸肉木质化分级模块根据曲线1与曲线2的数据，计算出反映木质化等级的5个特征参量，特征描述如下：

特征1：曲线1峰值h1。

特征2：曲线2峰值h2。

特征3：曲线1面积s1。

特征4：曲线2面积s2。

特征5：高度大于10mm的曲线2面积与曲线1面积之比ar10。

(5)鸡胸肉木质化等级数据库的建立：重复步骤(1)～(4)，建立鸡胸肉木质化等级数据库，数据库的每条记录由步骤(4)中的5个特征参量和步骤(1)中的木质化等级组成。

(6)鸡胸肉木质化分级模型的建立：对鸡胸肉木质化等级数据库中的每条记录都作为训练集，以每条记录的5个特征参量为输入，以鸡胸肉木质化等级为输出，根据bp神经网络建模方法，建立鸡胸肉木质化程度bp神经网络分级模型(鸡胸肉木质化程度分级模型)。

(7)鸡胸肉木质化程度自动分级：将未进行人工评级的鸡胸肉置于带式输送排列装置的传送带上，待检测鸡胸肉依次通过2个激光测距传感器的正下方，激光测距传感器将测得的曲线1数据与曲线2数据发送至鸡胸肉木质化程度分级模块，鸡胸肉分级模块则从曲线数据中提取5个特征参量，最后根据步骤(6)所建立的鸡胸肉木质化程度分级模型，计算出鸡胸肉木质化程度的等级。由于分级模型为bp神经网络模型，计算所得的木质化等级值为非整数，因此有必要对鸡胸肉木质化等级进行取整判定，具体取整规定如下：

若分级模型计算所得的弹性等级值小于0.5，则判定其木质化等级为0级；

若分级模型计算所得的弹性等级值介于0.5与1之间(包括1)，则判定其木质化等级为1级；

若分级模型计算所得的弹性等级值介于1与2之间(包括2)，则判定其木质化等级为2级；

若分级模型计算所得的弹性等级值大于2，则判定其木质化等级为3级。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。