水果综合分选机称重模块的设计与实现

图 3 称重模块受力分析示意图 Fig.3 Force analysis of weighing module
图 4 称重信号处理电路结构框图 Fig.4 Structure diagram of weighing signal processing circuit
98
农业工程学报

2009 年
3
3.1
96
第 25 卷 第 2 期 2009 年 2月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.25 No.2 Feb. 2009
水果综合分选机称重模块的设计与实现
李光梅 1，魏新华 2，李法德 1※，颜世涛 1，刘果玲 3
（1．山东农业大学机械与电子工程学院，泰安 271018； 2．江苏大学农业工程研究院，镇江 212013； 3．山东交通职业学院泰山校区，泰安 271018） 摘 要：为满足水果外观品质和质量综合分选的实际需要，设计了水果机器视觉质量综合分选机的称重模块。通过受力 分析得出了水果质量的理论计算公式，给出了水果同步称重过程的实现方法。通过对质量不同的苹果进行实测标定，得 出了等效质量 w 与其 A/D 转换值之间的关系式，并进行了试验验证。试验结果表明，所设计的称重模块可以与水果机器 视觉分选机配合，对水果进行外观品质和质量的检测，称重精度约为 2%。 关键词：机器视觉，称重模块，同步控制，水果综合分选机 中图分类号：S226.5 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-2-0096-05 李光梅，魏新华，李法德，等. 水果综合分选机称重模块的设计与实现[J]. 农业工程学报，2009，25(2)：96－100. Li Guangmei, Wei Xinhua, Li Fade, et al. Design and implementation of weighing module for fruit integrative grader[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(2)：96－100. (in Chinese with English abstract)
系统同步工作过程的控制与实现
同步控制系统的总体设计及工作原理 同步控制系统采用模块化结构，其原理框图如图 5 所示。系统同步定时信号发生器负责实时检测水果的动 态位置并生成系统同步定时信号。如图 1 所示，输送链 每前进一个链节距，即链轮每转过一个齿，红外光电开 关就产生一个脉冲，此脉冲信号在系统同步定时信号发 生器内经脉冲整形和光电隔离，然后通过 485 总线发送 到系统其他模块作为整个系统的同步定时信号。相机控 制器负责监控摄像机的工作状态，并在同步定时信号的 同步下生成摄像机的外触发信号。分级执行控制器负责 水果等级信息与其实时位置的动态配准以及分级执行机 构的控制。称重模块控制器负责水果称重信息的采集及 数据处理。水果分选机主控制器则负责从图像处理系统 中接收外观品质检测结果，并从称重模块控制器接收水 果的称重信息，然后综合判定水果的最终等级，以及系 统各模块的参数设置和状态监测。
M O (G 2 ) M O (G3 ) M O (G4 ) M O (G5 )
如图 2 所示，滚子的外沿支承在称台上，称台下面 两端各安装一称重传感器。水果输送链的链节距为 50.8 mm ，相邻滚子之间的间距为两个链节距，即为 101.6 mm，称台长度为 160 mm，保证了称台上能同时支 承两个滚子。水果支承在相邻的两个滚子上，其重力通 过滚子而传递到称台上。为避免称重过程中误差的积累， 采取每隔一个位置放置一个水果的处理方法。因此，当 支承有水果的两个滚子同时在称台上时开始采集水果的 称重数据。
Fig.6
图 6 称重试验装置 Experimental equipment for weighing
4
试验验证
为验证称重模块的称量精度，选用大小不同的苹果， 用常熟双杰测试仪器厂生产的 TC-6K 型电子天平逐个称 量后，在链速为 0.61 m/s 的条件下进行试验。试验测得的 等效质量 w 与其 A/D 转换值之间的关系如图 7 所示。 可以 看出，A/D 转换值随苹果质量的增加而增大，且增幅随苹 果质量的增加而增大。出现这一现象的原因是苹果的质量 越大，对称台的作用力就越大。
经称量： 称台的质量 m1 = 1.083 kg， 滚子轴支架的质 量 m3 = 1.0783 kg，滚子轴的质量 m4 = 0.0517 kg，滚子的 质量 m5 = 0.495 kg； 经计算： l1 = 104.3 mm， l2 = 144.3 mm， l3 =39 mm，其中力臂 l3 是利用力矩平衡法来确定的，即 将滚子轴支架沿拐角处分成两部分，每部分相对于 O 点 的力矩之和等于整个滚子轴支架相对于 O 点的力矩。 求解（1）～（9）式可得
0
引
言
近年来，人们对水果品质的要求不断提高，同时为 了提高水果的商业价值，扩大鲜果出口，对水果进行严 格的质量分级就变得尤为重要。而人工分级生产率低且 分选精度不稳定，实现水果的机械化、自动化分选作业 势在必行[1,2]。 目前，国内外学者在利用机器视觉技术对水果外部 品质检测方面进行了大量的研究，取得了重大进展。能 够利用机器视觉技术实时检测水果的大小、颜色、表面 缺陷状况和果形等品质[3-7]。现有的水果机器视觉分选机 大多采用了滚子式输送机构[8-11]。在水果质量分选方面， 国外研究比较成熟，能够比较准确地检测动态水果的质 量 [12]，而国内在此方面研究的还较少，主要是在现有电 子称重式水果分选机基础上的部分改进[13,14]。 在大多数情况下，水果按外观品质要求分选完成后， 在包装上市之前还要求给出它的质量值，而目前的水果 分选机大多侧重于机器视觉或质量单一方面的研究，对 其进行综合研究的还较少。为此，本文在水果机器视觉 分选机上设计了一称重模块，使得该分选机能实时检测 水果的外观品质和质量，并将水果质量信息与外观品质 评定结果实时融合得出最终分选等级，对水果进行自动 分级卸料。
作者简介：李光梅（1981－） ，女，山东日照人，硕士。泰安 山东农业大 学机械与电子工程学院，271018。Email: liguangmei2008@ ※通讯作者：李法德（1962－） ，男，博士，教授，博士生导师。主要从事 新型农产品加工机械与装备的优化设计与开发、 食品物料电特性和加工新技 术等方面的研究。泰安 山东农业大学机械与电子工程学院，271018。 Email: li_fade@
1
水果机器视觉质量综合分选机的工作原理
该分选机主要由机械系统、称重模块、同步控制系
收稿日期：2007-11-02
修订日期：2009-01-09
1.分级执行机构 2.摄像机 3.光照箱 4.水果支承滚子 5.水果分选杠杆 6.循环输送链 7.摩擦带 8.称重传感器 9.称台 10.水果收集箱 11.红外 光电开关传感器 12.同步编码盘 13.链轮
统、图像采集系统和图像处理系统组成。分选机的结构 如图 1 所示。水果支承滚子和水果分选杠杆都安装在循 环输送链上，可随输送链一起向前运动。滚子呈双锥凹 形，水果支承在两个相邻滚子之间，分选杠杆则正好处 于水果的正下方。在图像采集区域设置有光照箱，滚子 下面还设置有摩擦带。当滚子在摩擦带上滚动时，水果 就一面在滚子上翻转滚动，一面随滚子和输送链一起向 前输送，从而将其不同表面都先后呈现在摄像机前[15]。 图像处理系统接收到摄像机所采集的每个水果的图像之 后，提取其品质参数，对其进行图像处理和等级判定。 在称重区域滚子下面设有一称台，称台下面两端各安装 一称重传感器。传感器检测水果质量，并通过称重模块 控制器将水果质量信息上报给水果分选机主控制器，以 实现水果质量信息与外观品质评定结果的实时融合，确 定最终的水果分选等级。分级执行机构安装在水果输送 线上方，主要由分选凸轮和步进电机组成。用以完成水 果的自动分级卸料 [16]。
则每个同步定时信号周期为 0.083 s。而 A/D 转换器的转 换时间为 10 μ s, 去除其他因素的影响，最多可对一个水 果采集上百个称重数据。在一个同步定时信号周期内对 水果采集 50 个称重数据，经过多次试验及分析，最终将 这些数据按大小顺序排列，然后剔除 5 个最大值和 5 个最 小值，并将剩余数据取平均值，得到 1 个最终确定数据。 整个系统的称重试验装置如图 6 所示。
（1） （2） （3） （4） （5）
又由力矩计算公式得
M O (G2 ) G2 l2 M O (G3 ) G3 l3 M O (G4 ) G4 l1 M O (G5 ) G5 l1
式中
G2 为滚子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的
等效重力； G3 、 G4 、 G5 — — 分别为滚子轴支架、滚子 轴和滚子的重力。 又由力矩平衡得
wg G0 G1 2G2
式中 G1— — 称台的重力。
（9）
Fig.2
称重器件选用北京航宇华科测控技术有限公司生产 的带有变送器的 HK-816 型悬臂梁式称重传感器。 该变送 器可输出 0～5 V 标准电压信号。分辨率为 1 g。 2.1 力学分析 称重传感器所称的总质量应为一个水果和两个滚子 及附件相对于链条的力矩在称重传感器上的等效质量与 称台的质量之和。 受力分析如图 3 所示。称重模块各部分在自重的作 用下产生一个相对于 O 点的力矩，用 M 表示。水果、滚 子和滚子轴的重力相对于 O 点的力臂设为 l1，水果、滚 子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的等效重力相对 于 O 点的力臂设为 l2，滚子轴支架的重力相对于 O 点的 力臂设为 l3。
m 1.38(w 1.92)
式中
（10）
m — — 水果的质量，kg。 同时， m 与 w 的关系式也可以通过试验进行实测标
定的方法获得。所以，通过称重传感器的测量值即可推 知水果的质量。 2.2 称重信号处理电路 称重信号处理电路结构框图如图 4 所示。在称重段， 由安装在称台下面的称重传感器检测水果质量，将水果 的质量信号转换为模拟电压信号，再经过低通滤波电路 滤波，经 A/D 转换器模数转换后，送入称重模块控制器 进 行 数 据 处 理 。 该 系 统 选 用 的 A/D 转 换 器 型 号 为 TLC2543，它提供的最大采样频率为 66×103 s-1，转换时 间为 10 μ s，内部自带采样保持器。