一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，包含机械系统、视觉测量导引系统和控制系统，机械系统包括框架、输送装置、以及剔除装置，剔除装置包括运动平移台和设于运动平移台上端的异物吸取装置，异物吸取装置包括依次相连的吸嘴、真空发生器以及可伸缩的气缸，吸嘴还通过真空发生器与异物收集箱相连，视觉测量导引系统包括光源、相机组、图像数据采集卡，相机组包括设于预检测区的预处理相机和设于检测剔除区的引导相机，控制系统包括工控机和PLC，控制系统控制输送装置、光源和相机组的开启、运动平移台的运动以及异物吸取装置的动作；本发明与人工检测相比，操作简单，漏检率低，效率和精度高，具有极大市场价值。
【专利说明】一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统
[0001]
技术领域
[0002]本发明专利涉及水果囊胞异物检测领域，特别涉一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统。
[0003]
【背景技术】
[0004]近几年，我国果汁饮料行业发展迅速，产值增长速度均超过GDP的增长速度。良好的发展前景，加之整个行业市场化程度较高，吸引了国际饮料巨头纷纷进入，行业竞争也异常激烈。然而要想在这个行业上占有一席之地，产品的质量必须得到保证。柑橘囊胞是制作果汁的农产品之一，我们通过加工柑橘得到囊胞的过程中，难免会引入囊衣、橙核、毛发以及可见颗粒等一系列异物。所以在果汁装罐之前必须进行囊胞异物剔除这一工序，以保证得到的果汁干净可口，满足大众的消费要求。
[0005]然而，目前我国并没有现成的设备能够完成这一工序，大多数公司柑橘囊胞异物检测线主要采用目视判断人工剔除的工作方式。该方式存在效率低、漏检率高、成本高等不足，并且检测效果也容易受员工的心情、身体状态等因素影响。随着劳动力资源的日趋紧张，这些问题也日显突出。为此，提出一种基于机器视觉导引的自动检测系统，以克服上述问题。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明专利的目的在于针对人工检测存在效率低、漏检率高以及成本高等不足，提出一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除的系统。该系统结构简单、操作简单，有检测范围大、效率高、精度高等优点。
[0008]为了实现上述要求，本发明专利采用以下技术方案:
一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:包含机械系统、视觉测量导引系统和控制系统，所述机械系统包括框架、用于输送柑橘囊胞的输送装置、以及用于剔除柑橘囊胞异物的剔除装置，所述剔除装置包括运动平移台和设于运动平移台上端的异物吸取装置，所述运动平移台可在输送装置上方水平移动，所述异物吸取装置包括依次相连的吸嘴、真空发生器以及可伸缩的气缸，所述吸嘴还通过真空发生器与异物收集箱相连，所述视觉测量导引系统包括光源、相机组、图像数据采集卡，所述相机组包括预处理相机和引导相机，所述输送装置按照柑橘囊胞运动方向分为预检测区和检测剔除区，所述预处理相机设于预检测区上方，所述引导相机和异物吸取装置固定相连设于检测剔除区，所述控制系统包括工控机和PLC，所述预处理相机和引导相机采集的信号通过图像数据采集卡处理后接入工控机，所述工控机通过PLC控制输送装置、光源和相机组的开启、运动平移台的运动以及异物吸取装置的动作。
[0009]作为改进，所述输送装置设于框架上，所述输送装置包括主动滚轮、从动滚轮、连接主动滚轮和从动滚轮的传输带、以及驱动主动滚轮的驱动电机，所述柑橘囊胞通过传输带进行输送，所述传输带为透明皮带。
[0010]作为改进，所述主动滚轮的联轴器上设有用于测量转速的旋转编码器，所述旋转编码器检测信号接入PLC，可以实时监测主动滚轮传输速度，并通过PLC控制传输带的输送速度。
[0011]作为改进，所述输送装置首末两端分别设有用于检测柑橘囊胞进入和离开传输带的光纤传感器，所述光纤传感器信号接入工控机，可以准确的判断柑橘囊胞是否进入和离开传输带，以便精准的对柑橘囊胞进行检测和剔除。
[0012]作为改进，所述剔除装置有多个，所述多个剔除装置在传输带方向上呈线性阵列分布，所述每一个剔除装置的异物吸取装置均固定相连有引导相机，多个剔除装置同时工作，加快异物剔除速度，有效防止了漏检漏剔除。
[0013]本发明专利的有益效果是:本发明是基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除的系统，利用视觉测量导引系统采集图片，传送给工控机分析，通过运动平移台和气缸的联合动作，引导吸嘴将异物剔除。达到了智能检测及剔除异物的目的，克服了现有人工检测的效率低、成本高的缺点。与人工检测相比，操作简单，漏检率低，效率高以及精度高。
[0014]人工检测柑橘囊胞的速度一般为0.6平方米每分钟，而机器视觉系统检测速度可达5平方米每分钟，机器视觉系统的异物剔除速度是人工的6?8倍，极大提高了生产效率。
[0015]人工检测由于环境和生理的原因，无法不间断地进行柑橘囊胞异物检测和剔除，而采用机器视觉系统检测则使其成为可能。设备的生产时间可最大限度地延长，提高了设备的利用率。
[0016]人工检测由于视觉易疲劳，很难连续观察柑橘囊胞。检测正确率靠人工很难保证，
机器视觉系统的检测精度较高，从而大大提高产品合格率以及检测质量。
[0017]
【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明系统组成图框图；
图3为本发明工作流程图；
图4为基于图像的视觉伺服系统；
图5为视觉伺服控制流程。
[0019]图1中，I万向轮，2框架，3主动滚轮，4传输带，5预处理相机，6引导相机，7，气缸，8真空发生器，9吸嘴，10异物收集箱，11工控机，12气管，13运动平移台，14导轨，15图像数据采集卡，16 IEEE1394B数据线，17 PLC，18电磁阀，19驱动器，20从动滚轮。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及实施例对本发明专利作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。
[0022]下面结合实施例和附图对本发明专利做进一步说明。
[0023]本发明是应用于柑橘囊胞异物剔除。主要以囊胞中混入的囊衣、橙核、毛发、纤维等异物为主，其中涉及到视觉识别、视觉导引、图像处理、机械传动、传感器等方面的技术。提出了一种利用机器视觉导引技术实现柑橘囊胞异物剔除的全新方案。
[0024]本系统的目的是代替生产线上人工进行柑橘囊胞异物剔除的操作，因为目前柑橘囊胞异物检测及剔除都是人工操作的，本系统达到了智能检测及剔除异物的目的，克服了现有人工检测的效率低、成本高的缺点。与人工检测相比，操作简单，漏检率低，效率高以及精度高。
[0025]如图1所示，一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，包含机械系统、视觉测量导引系统和控制系统三个主要部分。其中机械部分主要包含框架2、输送装置、剔除装置。运动平移台13负责携带气缸7、吸嘴9等执行机构移动到异物上方，气缸7负责驱动吸嘴9的上下移动以及异物吸取工作;视觉测量导引系统又由光源、相机组、图像数据采集卡15组成，承担囊胞中混入的囊衣、橙核、毛发、纤维等异物的识别任务;控制系统控制输送装置、光源和相机组的开启、运动平移台13的运动以及异物吸取装置的动作。
[0026]所述输送装置按照柑橘囊胞运动方向分为预检测区和检测剔除区，所述相机组包含安装于预检测区的预处理相机5和安装于检测剔除区的一对引导相机6，预处理相机5主要检测柑橘囊胞是否有异物，引导相机6主要对异物进行实时跟踪与定位，配合剔除装置剔除异物；
所述图像数据采集卡15分别和所述相机组通过数据线缆相连，图像数据采集卡15与工控机11的图像处理单元相连;所述光纤传感器为对射式光纤传感器，对称布置于传输带的两侧的传感器支架上，光纤传感器的输出信号引入PLC 17,PLC 17还接入到光源和相机组。
[0027]所述相机组的相机均用专用夹具安装在支架上，根据柑橘囊胞的尺寸及平铺的面积，选择镜头的焦距，调整拍摄相机的拍摄角度、拍摄距离、光圈大小、曝光时间，以便获取清晰的拍摄图像;根据设计，本实施例选用德国AVT公司的GuppyPro 125c彩色CCD相机，该相机分辨率为:1292*964，像元大小3.75um，最高满幅帧率为31FPS.相机镜头采用16mm工业定焦镜头。调整相机的高度(即物距)，使相机的视野为420*313mm区域;此时，系统的像素分辨率为0.33mm/像素;理论最高采集速度为9.7m/s ;考虑图像处理时间和机械动作时间，系统处理速度不低于500mm/s.所述输送装置包括主动滚轮3与从动滚轮20、与主动滚轮3相连的三相异步电动机、以及主动滚轮3和从动滚轮20之间的传输带4;所述传输带4是透明传输带，材质光滑，可以让柑橘囊胞平铺在传输带4上，内径宽约50 cm,最快流速10m/min;所述主动滚轮3上通过联轴器安装有旋转编码器，实时监测传输带的速度，旋转编码器的输出信号引入可编程控制器PLC 17ο
[0028]所述剔除装置包括运动平移台13、气缸7、电磁阀18、真空发生器8、吸嘴9以及异物收集箱10，所述吸嘴9连接在真空发生器8下，依靠真空发生器8给予动力吸取异物，所述异物收集箱10通过气管与真空发生器8—侧相连，所述电磁阀18用来控制气缸7运动的。
[0029]所述剔除装置在传输带4上成线性阵列分布，其在水平方向的运动范围被限制在一定范围内，各个剔除装置运行时互不影响。
[0030]基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除的系统总体框图如图1所示。当囊胞随传输带4运动先后经过预检测区和检测剔除区。在预检测区，预处理相机5采集到图像后，通过IEEE1394B数据线16传输给工控机11，工控机11对当前图像进行处理和分析，提取异物特征和相应的坐标信息。PLC 17根据异物的横向坐标，驱动运动平移台13运动到相应位置，等待异物的到来。当异物进入引导相机6的视野后，引导相机6开始对异物进行实时跟踪与定位，锁定异物后，引导运动平移台13移动到异物的正上方，气缸7伸长，真空发生器8产生负压，吸嘴9剔除异物。
系统的具体工作流程如图3所示:系统开始工作，各部分启动。旋转编码器测量传输带4和主动滚轮3的实时转速，PLC 17将其与设定值比较，如果不相符，PLC 17发出调整信号，变频器调整电机转速以调节传输带线速度；当布置在输送带旁边的光纤传感器探测到柑橘囊胞进入拍摄段时，产生一个电平信号触发光源频闪和相机拍摄柑橘囊胞的图像。
[0031]将异物从进入预处理相机5视野范围起，至到达收集箱10中作为一个工作周期。每个工作周期的具体流程为，预处理相机5摄取的图像经过图像数据采集卡15传入工控机11，由工控机11内的图像处理软件进行一系列的图像处理，工控机11检测出视野内所有的异物，并将异物坐标输入到数据库中。对数据库中的数据进行优化处理后，运动平移台13开始动作，准备迎接异物的到来。到达引导相机6拍摄区域时，引导相机6始终不断地采集图像，并将图像实时传输到工控机11中，工控机11检测视野内是否存在异物，如果不存在，此工作周期结束。如果存在异物，则发送指令，使运动平移台13跟随异物一起运动，锁定目标异物。此时，电磁阀18控制气缸7动作，气缸7驱动吸取机构伸长，吸嘴9通过真空发生器8产生负压，吸取异物。异物被剔除后，各机构复位。如此循环，直至引导相机6视野中没有异物。随后进入下一个工作周期。
[0032]需要详细说明的几点:
在检测区，所采用的基于图像的视觉伺服系统如图4所示。首先利用引导相机实时采集柑橘囊胞的图像，并提取相应的图像坐标和运动信息。进而采用基于图像的视觉伺服技术驱动剔除装置的运动，使目标始终出现在引导相机6的视野之中，达到对目标的视觉锁定目的。从而实现对柑橘囊胞异物的跟踪与绝对定位。
[0033]特征示教的目的是获取吸嘴9处于期望位姿时，异物在引导相机6中的图像，以此作为视觉伺服的期望特征。当系统处于工作模式时，由于异物和吸嘴9的当前相对位姿与期望相对位姿通常存在偏差，因此相机所获取的图像与期望的图像特征也存在差异。以该差异作为控制器的输入，控制器实时更新图像雅可比矩阵及其逆矩阵，并计算出输出控制量，从而通过电磁阀18控制气缸运动。如此递归，直至图像特征的偏差量小于容许的误差范围，最终达到精确的操作位置。
[0034]整体工作流程如图5所示。其中进行试探运动的目的是建立初始的雅可比矩阵。
[0035]本方案无需估计囊胞异物在笛卡尔坐标系中的位姿，不仅减少了运算时延，并且可以克服相机的标定误差和吸嘴位置传感器误差对定位精度的影响，甚至无需标定。所计算的图像雅可比矩阵及其逆矩阵，将图像特征参数的变化同吸嘴位姿的变化联系了起来。其本质是将伺服任务放在图像特征参数空间中进行描述和控制。该方式与基于位置的伺服方式相比，具有更好的定位与跟踪精度。
[0036]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:包含机械系统、视觉测量导引系统和控制系统，所述机械系统包括框架(2)、用于输送柑橘囊胞的输送装置、以及用于剔除柑橘囊胞异物的剔除装置，所述剔除装置包括运动平移台(13)和设于运动平移台(13)上端的异物吸取装置，所述运动平移台(13)可在输送装置上方水平移动，所述异物吸取装置包括依次相连的吸嘴(9)、真空发生器(8)以及可伸缩的气缸(7)，所述吸嘴(9)还通过真空发生器(8)与异物收集箱(10)相连，所述视觉测量导引系统包括光源、相机组、图像数据采集卡(15)，所述相机组包括预处理相机(5)和引导相机(6)，所述输送装置按照柑橘囊胞运动方向分为预检测区和检测剔除区，所述预处理相机(5)设于预检测区上方，所述引导相机(6)和异物吸取装置固定相连设于检测剔除区，所述控制系统包括工控机(11)和PLC(17)，所述预处理相机(5)和引导相机(6)采集的信号通过图像数据采集卡(15)处理后接入工控机(11)，所述工控机(11)通过PLC(17)控制输送装置、光源和相机组的开启、运动平移台(13)的运动以及异物吸取装置的动作。2.如权利要求1所述一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:所述输送装置设于框架(2)上，所述输送装置包括主动滚轮(3)、从动滚轮(20)、连接主动滚轮(3)和从动滚轮(20)的传输带(4)、以及驱动主动滚轮(3)的驱动电机，所述柑橘囊胞通过传输带(4)进行输送，所述传输带(4)为透明皮带。3.如权利要求2所述一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:所述主动滚轮(3)的联轴器上设有用于测量转速的旋转编码器，所述旋转编码器检测信号接入 PLC(17)。4.如权利要求2所述一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:所述输送装置首末两端分别设有用于检测柑橘囊胞进入和离开传输带(4)的光纤传感器，所述光纤传感器信号接入工控机(11)。5.如权利要求4所述一种基于机器视觉导引实现柑橘囊胞异物剔除系统，其特征在于:所述剔除装置有多个，所述多个剔除装置在传输带(4)方向上呈线性阵列分布，所述每一个剔除装置的异物吸取装置均固定相连有引导相机(6)。
【文档编号】B07C5/02GK106000912SQ201610330791
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】汤亮, 龚发云, 潘明铮, 张董洁, 郭卫林, 王亮, 何稳
【申请人】湖北工业大学