水果分選機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r

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1、 水果分選機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r 2007年9月農(nóng)機(jī)化研究第9期 水果分選機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r 李光梅,魏新華,李陸星,李法德 (山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,山東泰安27l0l8) 摘要:概述了水果分選機(jī)研究的目的及意義,介紹了各種水果分選機(jī)的分選原理,研究現(xiàn)狀和計(jì)算機(jī)視 覺(jué)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用.同時(shí),針對(duì)水果品質(zhì)的各個(gè)檢測(cè)指標(biāo),介紹了相應(yīng)的檢測(cè)方法,分析了 當(dāng)今研究中存在的問(wèn)題,特別是檢測(cè)速度和精度的問(wèn)題,并提出了水果分選機(jī)的發(fā)展方向. 關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)工程;水果分選機(jī);綜述;電子稱(chēng)重;計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù);無(wú)損檢測(cè) 中圖分類(lèi)號(hào):$226.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003—18

2、8X(2007)09--0020--04 0引言 近年來(lái),隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和人民生活水平 的提高,國(guó)內(nèi)外水果品種越來(lái)越多,人們對(duì)水果的 品質(zhì)也有了更高的要求.為了提高水果的加工質(zhì)量 和出品等級(jí),需要對(duì)水果進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量分級(jí)和大 小分級(jí).目前,我國(guó)具備先進(jìn)水果分選設(shè)備的企業(yè) 很少,有大型生產(chǎn)線的企業(yè)也僅僅是對(duì)質(zhì)量和大小 進(jìn)行分選,裝備比較落后.因此,市場(chǎng)上銷(xiāo)售的水果 大多數(shù)依靠機(jī)械配合人工的方式實(shí)現(xiàn)分級(jí).人工分 級(jí)的主要缺點(diǎn)是:勞動(dòng)量大,生產(chǎn)率低而且分選精 度不穩(wěn)定;水果分選難以實(shí)現(xiàn)快速,準(zhǔn)確和無(wú)損化. 截止到目前為止,國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者及科研人員 在此領(lǐng)域取得了重大

3、進(jìn)展.根據(jù)水果檢測(cè)指標(biāo)的不 同,水果分選機(jī)大致可分為大小分選機(jī),重量分選 機(jī),外觀品質(zhì)分選機(jī)和內(nèi)部品質(zhì)分選機(jī). 1大小分選機(jī)的研究現(xiàn)狀 大小分選機(jī)是按照水果大小進(jìn)行分選,在水果 分選機(jī)中應(yīng)用最為廣泛.目前可用于蘋(píng)果類(lèi)圓形水 果分選的方法有篩子分選法,回轉(zhuǎn)帶分選法,輥軸 分選法,滾筒式分選法等.其中,前3種方法由 于各自存在不同的缺點(diǎn)而未能推廣使用.滾筒式分 選法其分選裝置主要由喂料機(jī)構(gòu),V型槽導(dǎo)果板, 分選滾筒,接果盤(pán)及傳動(dòng)系統(tǒng)組成.工作時(shí),水果 由傾斜輸送器提升后,先經(jīng)手選裝置由人工剔除傷 殘果,然后通過(guò)輸送帶送人果箱,打開(kāi)料門(mén),輸送 至導(dǎo)果槽板.在此,水果自然分行

4、滾動(dòng),不會(huì)出現(xiàn) 收稿日期:2007—01—06 作者簡(jiǎn)介:李光梅(i98i),女,山東日照人,碩上研究生,(E mail)liguangmei2008@. 通訊作者:李法德(1962),男,山東濰坊人,教授,博士生導(dǎo)師 (Email)lifade@. 水果堆積和阻礙現(xiàn)象.分選滾筒開(kāi)有孔徑逐級(jí)增大 的圓孔,水果從V型導(dǎo)果槽板流至滾筒外邊進(jìn)行自 動(dòng)校徑的分選.小于分選孔的水果先從第一滾筒分 選孔落人接果盤(pán),大于分選孔的則經(jīng)V型導(dǎo)果槽繼 續(xù)向前滾動(dòng),直至遇到相應(yīng)分選孔落下,于是在不 同的接果盤(pán)可得到不同等級(jí)的水果.此分選裝置結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)水果損傷小,成本較低,分選精度和效

5、率較高,適用于球形和近似球形物料的分選,在國(guó) 外應(yīng)用較廣.為了減少水果碰撞,提高好果率,有 的大小分選機(jī)是利用浮力,振動(dòng)和網(wǎng)格相配合的辦 法進(jìn)行分選,但有關(guān)此方面的報(bào)道較少. 由以上可知,水果大小機(jī)械式分選法中,滾筒 式分選法是最優(yōu)的一種.另外,隨著電子技術(shù)和計(jì) 算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展,采用光電傳感器或CCD攝像 機(jī)對(duì)水果的大小進(jìn)行測(cè)量判別已成為此類(lèi)分選機(jī)的 研究熱點(diǎn).因?yàn)樗鼈兪菍?duì)水果的大小進(jìn)行不損傷的 非接觸性計(jì)量,適用于任何種類(lèi)的水果.馮斌,汪 懋華研究了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的水果大小檢測(cè) 方法,試驗(yàn)表明該方法檢測(cè)速度快,正確率高,適 用范圍寬,能夠滿足水果自動(dòng)檢測(cè)要求.

6、 2重量分選機(jī) 按重量進(jìn)行分選的分選機(jī)械早期是利用杠桿 原理進(jìn)行分選的.目前,機(jī)械式重量分選機(jī)主要有 固定衡量秤體,運(yùn)動(dòng)輸送盤(pán)式和固定限位裝置,運(yùn) 動(dòng)衡量秤體式兩種機(jī)型.機(jī)械式重量分選對(duì)水果 的損傷較小,而且具有較廣的通用性,但是由于各 種誤差及摩擦影響等使分選精度不是很高. 近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)和稱(chēng)重傳感技術(shù)的迅速發(fā) 展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透,電子稱(chēng)重技術(shù)及應(yīng) 用有了新的發(fā)展.基于此,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始研制電子 稱(chēng)重式分選機(jī).電子稱(chēng)重式分選機(jī)一般采用壓力 20o7年9月農(nóng)機(jī)化研究第9期 傳感器稱(chēng)量水果,微機(jī)系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行 采樣,放大,濾波,模數(shù)轉(zhuǎn)換,運(yùn)算和

7、處理,并控 制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分選.王新亭等在現(xiàn)有電子 稱(chēng)重式水果分選臺(tái)的基礎(chǔ)上,對(duì)其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了 重新研制,將原有的Pc機(jī)控制替代為單片機(jī)控制. 由于系統(tǒng)采用微機(jī)控制,可按需選擇準(zhǔn)確的分選基 準(zhǔn),具有更高精度和更高的控制靈活度,在實(shí)際中 具有更廣的應(yīng)用前景.以色列ESHETEILON公司, 美國(guó)AUTOLINE公司生產(chǎn)的電子稱(chēng)重式分選機(jī),在分 選檢測(cè)技術(shù)上已經(jīng)很成熟,工作效率高,并具有較 高的分選精度.但是由于該設(shè)備操作較為復(fù)雜,而 且設(shè)備成本較高,難以在我國(guó)推廣使用.我國(guó)對(duì)該 類(lèi)型水果分選機(jī)的研制尚處于起步階段,需要科研 人員充分利用國(guó)外已經(jīng)取得的研究成果,研制適

8、合 于我國(guó)實(shí)際情況的電子稱(chēng)重式分選機(jī). 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法雖然效率較高,但描述形狀不規(guī)則的蘋(píng) 果時(shí)精度較低.采用邊界半徑和傅立葉變換對(duì)蘋(píng)果 的形狀進(jìn)行描述,不僅準(zhǔn)確性高而且速度快…. Ingrid等的研究表明,蘋(píng)果的形狀可由前l(fā)2個(gè) 正弦值和12個(gè)余弦值表達(dá),此時(shí)相關(guān)性(尺)超過(guò) 0.98.另外,在果梗檢測(cè)方面,應(yīng)義斌等通過(guò)計(jì) 算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)攝取黃花梨圖像,判別圖像中是否存 在果梗,并對(duì)果梗的完好性進(jìn)行判斷.試驗(yàn)結(jié)果表 明,該算法可以100%判斷果梗是否存在,判斷果梗 是否完好的正確率達(dá)到93%,判別速度提高4～6倍; 而且該算法具有一定的魯棒性,對(duì)旋轉(zhuǎn),移位不敏 感.徐娟等提

9、出了利用圖像形態(tài)學(xué)可以更好地進(jìn) 行果梗判別,同時(shí)還可以檢測(cè)邊緣,并為提高處理 速度進(jìn)行了改進(jìn).章文英"等研究了蘋(píng)果果梗與果 體的識(shí)別方法和果面缺陷的查找方法;根據(jù)蘋(píng)果果 梗的特性,提出用分塊掃描判斷果梗是否存在. 3外觀品質(zhì)分選機(jī)4內(nèi)部品質(zhì)分選機(jī) 外觀品質(zhì)分選機(jī)是按水果的大小,表面缺陷, 色澤,形狀,成熟度等進(jìn)行分選的分選機(jī).其分選 方法包括:光電式色澤分選法和計(jì)算機(jī)圖像處理分 選法.色澤分選法是根據(jù)顏色不同反射光的波長(zhǎng)就 不同的原理對(duì)水果顏色進(jìn)行區(qū)分.而計(jì)算機(jī)圖像處 理分選法是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)一次性完成果梗完 整性,果形,水果尺寸,果面損傷,成熟度等檢測(cè), 可以測(cè)

10、得水果大小,果面損傷面積等具體數(shù)值,并 根據(jù)其數(shù)值大小進(jìn)行分類(lèi). 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)水果外 部品質(zhì)檢測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究,并取得了重大 進(jìn)展.在缺陷檢測(cè)方面,TaoY等研制出的基于計(jì) 算機(jī)視覺(jué)的蘋(píng)果缺陷檢測(cè)系統(tǒng),達(dá)到了快速和全面 檢測(cè)的效果.LeemansV."等研究了一個(gè)基于缺 陷特征的水果實(shí)時(shí)分級(jí)方法.該方法的準(zhǔn)確率可達(dá) 73%,其中錯(cuò)誤發(fā)生的一部分情況是良性的,而另一 部分則由于缺陷是曬傷或撞傷,或者缺陷太靠近果 梗和花萼很難被檢測(cè)到.在顏色檢測(cè)…方面,目 前普遍采用色度直方圖計(jì)算各色度的累計(jì)值作為分 級(jí)特征,且識(shí)別的方法仍然是統(tǒng)計(jì)模式方法居多.

11、 Kazuhiro采用二級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行顏色分 級(jí),通過(guò)將蘋(píng)果果面沿花萼/梗方向分區(qū)并分別進(jìn)行 處理,解決了因蘋(píng)果果面曲率不同而引起的反射梯 度不同的問(wèn)題.在國(guó)內(nèi),為實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果顏色的在線檢 測(cè),李慶中等設(shè)計(jì)了蘋(píng)果顏色自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng),基 本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分級(jí)的要求.在果形檢測(cè)方面,目 前描述蘋(píng)果形狀的方法有多種,包括編碼法,統(tǒng)計(jì) 法,幾何結(jié)構(gòu)法和光譜法等.邊界編碼法雖然能夠 準(zhǔn)確地描述蘋(píng)果的形狀,但數(shù)據(jù)量大而且壓縮困難. . 21. 內(nèi)部品質(zhì)包括水果的糖度,硬度,酸度和內(nèi)部 缺陷等指標(biāo),通常水果內(nèi)部品質(zhì)主要依靠破壞性檢 驗(yàn)方法.目前用于水果硬度的檢測(cè)方法主要有變形 法和

12、聲學(xué)法.但由于變形法只能測(cè)量水果的局部硬 度,聲學(xué)法易受噪音和機(jī)械振動(dòng)的影響等而限制了 其應(yīng)用.而近紅外法和核磁共振法可用于水果糖度, 硬度的檢測(cè).近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢 測(cè)方面發(fā)展較快,具有檢測(cè)速度快,可同時(shí)檢測(cè)多 種內(nèi)部成分等優(yōu)點(diǎn).其基本原理是當(dāng)用近紅外光照 射水果時(shí),不同的水果內(nèi)部成分對(duì)于不同波長(zhǎng)的光 學(xué)吸收和散射程度不同,而內(nèi)部光譜也會(huì)隨著水果 內(nèi)部成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同而發(fā)生變化.利用這一特 性,即可根據(jù)近紅外光譜特征分析水果中的主要成 分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù).何東健等.利用近紅外分光法 檢測(cè)水果內(nèi)部品質(zhì),結(jié)果表明:近紅外分光法不但 能檢測(cè)水果糖度,酸度,而且能

13、檢測(cè)內(nèi)部缺陷,完 全滿足在線檢測(cè)水果內(nèi)部品質(zhì)的要求.劉燕德等 應(yīng)用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)設(shè)計(jì)了一種近紅外 光譜水果內(nèi)部品質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠快速 地用于水果內(nèi)部品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)和分級(jí).核磁共振 技術(shù)作為一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)在水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)方 面也有著較大的發(fā)展?jié)摿?Kim等設(shè)計(jì)了1臺(tái)NMR 在線分級(jí)設(shè)備并進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)鱷梨在帶速 50mm/S的狀態(tài)下,所得油水的共振峰值比值與成熟 度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.970.Chaughule等使用自 由感應(yīng)衰減(FID)譜的方法對(duì)人參果中的可溶性碳 水化合物進(jìn)行了測(cè)定.Zion等提出一種基于MRI 進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢測(cè)的快速方法,并對(duì)

14、不同品種的蘋(píng)果 2007年9月農(nóng)機(jī)化研究第9期 進(jìn)行損傷檢測(cè),取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果.另外,用 超聲波檢測(cè)西瓜的內(nèi)部空心已比較成熟.其它缺陷 的檢測(cè)目前有:x射線分析法,計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方 法,介電特性檢測(cè)方法,電子鼻技術(shù)等.利用計(jì)算 機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)也是近 幾年研究的一個(gè)熱門(mén)課題,到目前該技術(shù)已比較成 熟,應(yīng)用也日趨廣泛.隨著嗅覺(jué)傳感技術(shù)的不斷發(fā) 展,電子鼻技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用. Lakshmi等通過(guò)對(duì)變化的電子鼻傳感器數(shù)據(jù)進(jìn) 行了多元分析,把蘋(píng)果按成熟度分成未成熟,成熟 和過(guò)成熟3種等級(jí).通過(guò)判別式分析法,電子鼻技 術(shù)的正確分級(jí)率達(dá)8

15、3%. 5結(jié)束語(yǔ) 在眾多場(chǎng)合下,大小和重量分選機(jī)應(yīng)用較多. 而且目前常用的大多數(shù)是機(jī)械式大小和重量分選 機(jī).基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的水果大小分選機(jī)雖已用于實(shí) 際生產(chǎn),但是由于價(jià)格昂貴,還未能推廣使用.外 部品質(zhì)分選機(jī)和內(nèi)部品質(zhì)分選機(jī)還在進(jìn)一步研究 中,研究過(guò)程還存在著一些難題:水果外部品質(zhì)檢 測(cè)方面,水果的尺寸和顏色檢測(cè)技術(shù)已比較成熟, 但是果面的缺陷檢測(cè)確是水果實(shí)時(shí)分級(jí)的難點(diǎn),要 快速準(zhǔn)確地測(cè)定水果表面的各種缺陷并與梗,萼凹 陷區(qū)正確區(qū)分比較困難;內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)方面,多 是就一種產(chǎn)品某一單項(xiàng)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè),對(duì)果品多種 內(nèi)部品質(zhì)的綜合檢測(cè)方面研究較少.同時(shí),由于內(nèi) 部品質(zhì)檢測(cè)的

16、方法比較復(fù)雜,所需設(shè)備成本較高, 故用于實(shí)際檢測(cè)中的還很少.另外,在水果在線 檢測(cè)分選機(jī)的研究中,水果品質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和分級(jí) 還存在檢測(cè)精度低,速度慢等問(wèn)題,這就要求圖像 信息的處理和識(shí)別算法必須簡(jiǎn)單而有效,以滿足在 線高生產(chǎn)率的要求. 計(jì)算機(jī)技術(shù),數(shù)據(jù)處理技術(shù),無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù) 以及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代及未來(lái)的分級(jí)檢 測(cè)技術(shù)提供了廣闊的空間.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用 已成為實(shí)現(xiàn)果蔬產(chǎn)品品質(zhì)自動(dòng)識(shí)別和分級(jí)的最有效 的方法.可以預(yù)見(jiàn),將人工智能技術(shù)和圖像處理技 術(shù)相結(jié)合,是今后應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行水果品 質(zhì)評(píng)價(jià)的重要發(fā)展方向... 參考文獻(xiàn): [1]曹其新,呂恬生,永田

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28、griculturalUniversity,Tai'an271018,China) Abstracts:Thepapersummarizesthepurposeandmeaningtoresearchthefruitgrader,introducesthesorting principleofthekindsoffruitgraderanditsresearchingactuality,especiallytheapplicationofcomputervision infruitinspecting.Atthesametime,itintroducescOrrespOndingmeth

29、odsoffruitinspecting,aimatevery inspectingindexoffruitquality.Andanalyzestheexistingproblemsofthetechnology,especiallytheproblemof inspectingrateandprecision,theresearchingdirectionisputforward. Keywords:agriculturalengineering;fruitgrader;summary;electronicweighting;computervision;non— destructiveinspection 一 23—