【摘要】：分級(jí)是蘋果采后商品化處理的重要環(huán)節(jié)之一。目前,采摘后的蘋果需運(yùn)輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)進(jìn)行分級(jí),這增加了蘋果受損傷機(jī)率,每年因受損傷腐爛造成的損失高達(dá)數(shù)百億人民幣。因此,研究適用于蘋果采摘機(jī)器人的在線分級(jí)系統(tǒng)對(duì)減少作業(yè)環(huán)節(jié),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。為了研究蘋果在線分級(jí)系統(tǒng),首先提出了分層分級(jí)的設(shè)計(jì)思路;然后研究了蘋果的硬度和摩擦學(xué)特性、闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程、搭建了基于CAN總線的通訊系統(tǒng);完成了基于機(jī)器視覺(jué)的分級(jí)算法開(kāi)發(fā);最后在室內(nèi)進(jìn)行了分級(jí)系統(tǒng)的試驗(yàn)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括:(1)基于在線分級(jí)的思想,提出了分層分級(jí)的設(shè)計(jì)思路,確定了整體設(shè)計(jì)方案。采用預(yù)分級(jí)機(jī)構(gòu)將蘋果直徑在等外的蘋果直接剔除,可以減少后續(xù)視覺(jué)分級(jí)階段不必要的工作量。介紹了兩套設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,并通過(guò)對(duì)比分析確定本研究的整體設(shè)計(jì)方案。(2)在蘋果的硬度和摩擦學(xué)特性基礎(chǔ)上,完成了分級(jí)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明:靠近果梗和花萼部位的蘋果硬度略大于中間部位的硬度;蘋果與橡膠板之間的滑動(dòng)摩擦角為30°,滾動(dòng)摩擦角為17°;蘋果的臨界損傷速度為1.53 m/s,臨界損傷高度為12 cm;預(yù)分級(jí)機(jī)構(gòu)的最佳安裝角度為23°;選擇10 mm厚硅膠發(fā)泡板材作為緩沖材料;采用旋轉(zhuǎn)果盤加單目相機(jī)的方式采集到蘋果的全表面圖像、選用黑色混紡布料作為背景布;S型稱重傳感器用來(lái)獲取蘋果的重量信息、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)蘋果的輸送,分級(jí)管道采用無(wú)毒無(wú)污染的聚乙烯材料;搭建了基于CAN總線的通訊系統(tǒng),制定了各模塊間的通訊協(xié)議;基于多線程技術(shù)和模塊設(shè)計(jì)的思想編寫上、下位機(jī)軟件;在Vi sualStud i o中調(diào)用MATLAB計(jì)算引擎實(shí)現(xiàn)圖像處理。(3)進(jìn)行了基于機(jī)器視覺(jué)的蘋果分級(jí)算法的研究。介紹了視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成;說(shuō)明了使用Flycapture2、MATLAB、Visual Studio實(shí)現(xiàn)圖像采集的方法;灰度化后的圖像利用高斯濾波濾除噪聲,然后依次進(jìn)行伽馬變換、基于Otsu法的灰度圖像分割和形態(tài)學(xué)處理提取特征區(qū)域;利用最小外接矩形法提取蘋果的大小信息,并通過(guò)回歸分析的方式建立識(shí)別大小與實(shí)際大小的關(guān)系式;缺陷信息提取的流程是:灰度變換、高斯濾波、灰度拉伸、基于Otsu法的灰度圖像分割、形態(tài)學(xué)處理,得到腐爛部位的二值圖片;使用像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法近似求取蘋果面積,并通過(guò)回歸分析的方式建立識(shí)別面積與實(shí)際面積的關(guān)系式。(4)在室內(nèi)進(jìn)行了分級(jí)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。首先通過(guò)試驗(yàn)對(duì)相機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定;在室內(nèi)條件下進(jìn)行了分級(jí)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:預(yù)分級(jí)機(jī)構(gòu)可以剔除90.67%大小在等外的蘋果,同時(shí)92.58%的65mm蘋果和93.33%的70 mm蘋果可以順利的越過(guò)分級(jí)孔。重量檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差為2.91g,平均絕對(duì)誤差為1.05 g,最大相對(duì)誤差為0.77%,平均相對(duì)誤差為0.38%。大小檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差為2.68 mm,平均絕對(duì)誤差為1.16 mm,最大相對(duì)誤差為3.49%,平均相對(duì)誤差為1.45%。缺陷檢測(cè)的最大絕對(duì)誤差為0.38 cm2,平均絕對(duì)誤差為0.11 cm2,最大相對(duì)誤差為17.39%,平均相對(duì)誤差為7.12%。分級(jí)系統(tǒng)的分級(jí)成功率可以達(dá)到89.71%,連續(xù)分級(jí)時(shí)單果平均分級(jí)時(shí)間為2.89 s。該分級(jí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,方便擴(kuò)展,有較高的分級(jí)效率和分級(jí)精度,可以滿足采摘機(jī)器人的實(shí)時(shí)分級(jí)需求。
【圖文】：

圖１－１技術(shù)路線逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｐｌａｎ逡逑．５本章小結(jié)逡逑本章首先介紹了研究背景，說(shuō)明了在線分級(jí)的必要性。然后總結(jié)了國(guó)內(nèi)外器視覺(jué)在水果尺寸和果形、顏色、缺陷分級(jí)中的應(yīng)用情況，最后闡述了本文研究目標(biāo)和研宄內(nèi)容，并給出了技術(shù)路線。逡逑

在設(shè)計(jì)時(shí)需要簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于以較低成本能的基礎(chǔ)上注意選擇性價(jià)比相對(duì)較高的元器件；因需要在果園進(jìn)用功耗比較低的器件，從而保證工作時(shí)長(zhǎng)。逡逑的拓展性逡逑多種多樣，不同階段對(duì)水果的品質(zhì)要求可也能存在差異，所以后拓展其他功能，比如不同種類球形水果的檢測(cè)、水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，尤其需要注意通信系統(tǒng)擴(kuò)展、控制系統(tǒng)擴(kuò)展計(jì)思想和設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，，初步設(shè)計(jì)了兩種設(shè)計(jì)方案。逡逑計(jì)方案一逡逑構(gòu)逡逑統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖２－１。逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242;S225

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本文編號(hào)：2606616