CN100470240C - 水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置 - Google Patents

水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置，装置由输送单元、尺寸检测单元、尺寸补偿单元、控制单元和驱动单元组成。水果在输送单元以滚动状态运动，尺寸检测单元获取水果的尺寸信息，编码器获取水果的位置信息，位置信息和尺寸信息传输给控制单元进行分析处理后，控制信息传输到驱动单元，驱动尺寸补偿单元实施尺寸补偿。所采用的通过水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置可以使水果的检测位置始终在水果的赤道表面，并且检测装置始终能够在距水果最佳的位置获得检测信息，可以提高在线水果内部品质检测的快速、准确、有效性，提高水果内部品质无损检测的自动化水平。

Description

水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置
技术领域
本发明涉及一种水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置，尤其是指对球形水果或球形农产品进行在线检测的方法和装置。
背景技术
基于水果内部品质光特性的在线无损检测已经受到越来越多人们的关注，因为其无损伤，检测速度快，可以很好的满足工厂化水果产后处理分级的要求，成为水果在线内部品质检测分级的重要方法之一。目前水果内部品质在线无损检测装置还不成熟且存在着较多问题：如检测精度和检测速度的有待提高。对于这些问题的解决，许多是通过改善在线预测模型的稳定性和适应性，另外是考虑在线检测的环境因素提出相应的模型补偿算法。而对于一个在线检测装置来说，好的模型可以提高在线检测的准确性，但是通过一定的补偿方法和装置准确定位水果的检测位置，以提高光信号的有效性，提高在线检测精度。
美国专利US6563579 B1介绍了一个可调节的红外发射和接收装置，但是其结构复杂，具体实施存在一定的困难，只考虑了对于由于水果尺寸引起的水果检测位置变化对检测精度的影响，而对检测探头与水果表面之间的距离的进行补偿没有考虑。其它基于水果内部品质光特性的在线无损检测装置没有考虑水果滚动时检测水果的尺寸的方法，也就没有考虑对水果尺寸引起的检测误差予以补偿。使用一种有效的检测尺寸补偿方法和装置，结合水果特有的外观形状特征，提高在线检测的精度，实现水果内部品质在线检测的准确性是非常必要的。
对于不同的水果而言，其内部品质精度会因为检测位置的不同而变化，这样要求对同一种水果进行内部品质检测时，水果的检测位置相同才可以准确反映其的内部品质。
目前，利用水果光特征检测水果内部品质方法基本上可分为反射法和透射法。
反射法：检测时由检测装置向检测水果发射检测光线，检测装置在同侧检测反射光线，通过分析得到水果内部品质信息。目前的检测方法存在一定的问题：这类装置照射光的高度和检测探头是固定的，如果被测水果的尺寸不均匀会导致对于每个水果的检测位置不尽相同，因此不同水果检测时的检测位置与建模时水果的检测位置不尽一致，从而引起较大的检测误差。
透射法：检测时由检测装置向检测水果发射检测光线，检测装置在另一侧检测透射光线，通过分析得到水果内部品质信息。由于透射光信号很弱，如果检测探头是固定的，那么在检测进行时检测探头与水果的表面之间的距离受水果尺寸影响，检测到光信号强度也随之发生变化，影响检测精度，而对于因水果的尺寸变化导致的水果检测位置变化引起的检测精度变动，在透射法中依然存在。
综上所述，在利用水果光特性进行水果内部品质在线检测时，由于水果尺寸变化，会引起的水果检测位置变化，进而引起检测精度变化；而对于透射法还应考虑水果尺寸变化后，检测探头与水果表面之间的距离变化引起的光信号传输损失及其引起检测精度变化。
总之，在利用水果光特性进行水果内部品质在线检测时，应考虑水果尺寸对检测的精度的影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种服务于水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法和装置，通过检测水果尺寸，并进行适当的补偿，以保证检测时水果的检测位置与水果内部品质检测模型建立的检测位置基本相同，从而保证检测精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法，包括下列步骤：
水果依靠输送单元输送，以滚动状态向检测位置运动；
布置在输送单元上的编码器获取滚动水果的位置信息并传输给控制单元；
同时，水果经过输送单元上先后布置的两个尺寸检测单元时，两个尺寸检测单元分别获取水果的尺寸信息并传输给控制单元；
控制单元对收到的位置信息和尺寸信息进行分析处理，转化为控制信号发给驱动单元；
驱动单元根据控制信号驱动尺寸补偿单元对到达检测位置的水果实施尺寸补偿。
用于实现上述方法的水果尺寸补偿装置，包括输送单元，尺寸补偿单元，尺寸检测单元，编码器，控制单元和驱动单元；编码器、尺寸检测单元和尺寸补偿单元依次布置在输送单元上；编码器通过导线连接尺寸检测单元；编码器和尺寸检测单元分别连接控制单元，控制单元连接驱动单元，驱动单元连接尺寸补偿单元。
所述输送单元包括驱动链轮、摩擦带、链条、滚子、小轴、摩擦带滚筒、张紧轮和调速电机，链条环绕在两个驱动链轮上，两根链条之间有支撑连接架连接，构成输送带的骨架结构；滚子通过小轴安装在链条上；摩擦带环绕在摩擦带滚筒和张紧轮上，滚子压在摩擦带上，调速电机与摩擦带滚筒连接。
所述尺寸补偿单元包括桥架，齿条一，照射装置，滑块一，支架一，x轴驱动齿轮，滑块三，支架三，齿条二，z轴驱动齿轮，滑块二，支架二，检测探头，z轴驱动步进电机和x轴驱动步进电机；支架一与支架三固定连接，支架一和支架二通过桥架三者固接，支架二与滑块三固接，支架一、桥架、支架二和支架三构成“口”字形状；照射装置与滑块一固接，检测探头与滑块二固接；滑块一可以在支架一的燕尾槽中移动，滑块二可以在支架二的燕尾槽中移动，滑块三可以在支架三的燕尾槽中移动；齿条一固接在滑块一外侧，齿条二固接在滑块三下侧；z轴驱动齿轮与齿条一啮合，x轴驱动齿轮与齿条二啮合；z轴驱动齿轮通过轴与z轴驱动步进电机连接，x轴驱动齿轮通过轴与x轴驱动步进电机连接；z轴驱动步进电机和x轴驱动步进电机通过导线连接在驱动单元上。
所述尺寸检测单元包括光发射器，光检测器和尺寸检测控制器；光发射器包括一组发光二极管，光检测器包括一组光敏感元件；光发射器和光检测器分别通过导线与尺寸检测控制器连接，编码器和控制单元分别通过导线连接尺寸检测控制器。
所述控制单元包括用于x轴方向水果尺寸补偿单元和z轴方向水果尺寸补偿单元，控制单元分别与编码器、尺寸检测单元的尺寸检测控制器相连接。
本发明的有益效果是：本发明实现了自动调整尺寸补偿单元的照射装置和检测探头，不论水果尺寸变动让照射光始终照射水果的赤道位置，让检测探头自动调节到与水果赤道表面之间的最佳检测位置，有效采集透射光。通过保证检测条件的一致性，有效提取快速运动水果的透射光，提高水果在线检测精度，提高基于水果光特性的内部品质在线无损检测自动化水平。
附图说明
图1是整体示意图；
图2是输送单元结构图；
图3是图1的B向放大图；
图4小轴结构示意图；
图5是滚子结构示意图；
图6尺寸补偿单元结构示意图；
图7是图6的C向图；
图8是尺寸补偿单元工作流程图；
图9是尺寸检测单元原理图。
附图标记：
1、输送单元；2、尺寸补偿单元；3、尺寸检测单元；4、水果；5、编码器；6、控制单元；7、驱动单元；8、检测位置；101、驱动链轮；102、摩擦带；103、链条；104、滚子；105、摩擦带滚筒；106、张紧轮；107、调速电机；108、小轴；109、支撑连接架；201、桥架；202、齿条一；203、照射装置；204、滑块一；205、支架一；206、z轴驱动齿轮；207、z轴驱动步进电机；208滑块三；209、支架三；2010、x轴驱动齿轮；2011、x轴驱动步进电机；2012、齿条二；2013、滑块二；2014、支架二；2015、检测探头；301、光发射器；302、检测光束；303、光检测器；304、尺寸检测控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
水果在线检测装置中水果尺寸补偿装置设计如图1至图8所描述。
如图1所示，该尺寸补偿装置由输送单元1，尺寸补偿单元2，尺寸检测单元3，编码器5，控制单元6，驱动单元7等组成。
如图2、图3所示，输送单元包括驱动链轮101，摩擦带102，链条103，滚子104，摩擦带滚筒105，张紧轮106，调速电机107，小轴108和支撑连接架109。
链条103环绕在两个驱动链轮101上，两根链条之间有支撑连接架109连接构成输送带的骨架结构；滚子104通过小轴108安装在链条103上，摩擦带102环绕在摩擦带滚筒105和张紧轮106上，滚子104压在摩擦带102上，调速电机107与摩擦带滚筒105连接。
如图3所示，小轴108穿过滚子104的中轴线与滚子104连接，小轴两端分别与链条连接，小轴两端装在链条103对应的小孔上，可以在链条103上转动；
如图4所示，小轴108结构为两端是圆轴，中间部分是方轴。
如图5所示，滚子104轴线位置是方孔的，滚子104通过方孔与小轴连接，两者为间隙配合。
如图6、图7所示，尺寸补偿单元2由桥架201，齿条一202，照射装置203，滑块一204，支架一205，z轴驱动齿轮206，z轴驱动步进电机207，滑块三208，支架三209，x轴驱动齿轮2010，x轴驱动步进电机2011，齿条二2012，滑块二2013，支架二2014，检测探头2015等组成。
支架一205与支架三209固定连接，支架一205和支架二2014通过桥架201三者固接，支架二2014与滑块三208固接，支架一205、桥架201、支架二2014和支架三209构成“口”字形状；照射装置203与滑块一204固接，检测探头2015与滑块二2013固接；滑块一204可以在支架一205的燕尾槽中沿z轴方向移动，滑块二2013可以在支架二2014的燕尾槽中沿z轴方向移动，滑块三208可以在支架三209的燕尾槽中沿x轴方向移动；齿条一202固接在滑块一204外侧，齿条二2012固接在滑块三208下侧；z轴驱动齿轮206与齿条一202啮合，x轴驱动齿轮2010与齿条二2012啮合；z轴驱动齿轮206通过轴与z轴驱动步进电机207连接，x轴驱动齿轮2010通过轴与x轴驱动步进电机2011连接；z轴驱动步进电机207和x轴驱动步进电机2011通过导线连接在驱动单元7上。
如图9所示，尺寸检测单元3包括光发射器301，光检测器303和尺寸检测控制器304；光发射器301包括一组发光二极管，光检测器303为一组光敏感元件。光发射器301和光检测器303分别通过电线与尺寸检测控制器304连接。每一个光检测器303所对应的水果尺寸通过试验确定，并以表格形式存放于尺寸检测控制器304。
编码器5安装在一个驱动链轮101的轴心。编码器5的输出信号分别通过电线与尺寸检测控制器304和控制单元6连接。
控制单元6包括用于x轴方向水果尺寸补偿单元和z轴方向水果尺寸补偿单元，用来实现输入、输出控制信号的处理和整合的程序；其中预先存储了一组检测前预设的值；控制单元6分别与编码器5、尺寸检测单元3的检测控制器相连接；
下面结合图8介绍工作过程：
①水果4沿输送方向检测开始之前，预设照射装置203和检测探头2015的位置高度值，预设检测探头2015与检测中心位置的距离值。
②检测开始，水果4被输送单元输送，在输送带107上的滚子104上以一定的速度转动，在滚动状态下进行尺寸检测；
③经过编码器5确定位置信息的水果先后经过尺寸检测单元3的第一个和第二个尺寸检测位置，得到的尺寸信息和位置信息输入到控制单元6，得到准确的水果尺寸值；
④控制单元6得到的水果尺寸信息结合预设初值和尺寸补偿单元2的反馈信息，经过整合和计算输出控制信号给驱动单元7，驱动单元7根据输入的控制信号驱动补偿单元2；
⑤水果到达检测位置时，尺寸补偿单元2由驱动单元7根据控制信号通过z轴驱动步进电机207驱动用于调整照射装置203高度的z轴驱动齿轮206，与z轴驱动齿轮206啮合的齿条一202及与齿条一202固接在一起的滑块一204随着z轴驱动齿轮206的转动可以沿z轴方向运动，安装在滑块一204上的照射装置203随着做z轴方向上的位置调整，使照射光照射在被测水果表面的赤道部位；通过桥架201固定连接在一起的检测探头2015同步进行z轴方向的位置调整，使检测探头2015始终收集来自于水果赤道位置透射光的信息；
⑥一套与上面描述相同结构的补偿装置用来独立对检测探头2015到水果表面的距离进行尺寸补偿，水果到达检测位置时，驱动单元7根据控制信号驱动用于调整检测探头2015与水果表面距离的x轴驱动齿轮2010，与x轴驱动齿轮2010啮合的齿条二2012及与齿条固接在一起的滑块三208随着x轴驱动齿轮2010的转动沿x轴方向运动，固接在滑块三208上的支架二2014带动检测探头2015随着可以做相应的位置调整，使检测探头2015与水果赤道表面距离保持在最佳位置，从而对有效收集水果内部的透射光信息有极大的改善。
如图9所示，水果尺寸检测的原理为：当被测水果到达传感器检测位置时，水果位于光发射器301和光检测器303之间，部分阻挡了检测光路，尺寸检测控制器304自下而上检测光检测器303的信号，找到第一条没有被水果阻挡的光检测器303的光检测信息时，根据该光检测器303编号查表即可确定水果的尺寸。
控制单元6包括用于x轴方向水果尺寸补偿单元和z轴方向水果尺寸补偿单元。
z轴方向水果尺寸补偿单元的补偿原理为：
①检测第一个水果：z＝d/2—lz，当z>0时向z的正方向移动补偿，当z<0时向z的负方向移动补偿；
②检测第n个水果(n>1)：z＝(dn—dn-1)/2，当z>0时向z的正方向移动补偿，当z<0时向z的负方向移动补偿。
x轴方向水果尺寸补偿单元的补偿原理为：
①检测第一个水果：x＝d/2—lx，当x>0时向x的正方向移动补偿，当x<0时向x的负方向移动补偿；
②检测第n个水果(n>1)：x＝(dn—dn-1)/2，当x>0时向x的正方向移动补偿，当x<0时向x的负方向移动补偿。
其中，z为补偿位移量，lz和lx为照射装置和检测探头的初设值，d为水果的横径尺寸。
例如，水果在滚动状态下得到的尺寸大小d为58mm。若第一个水果被检测，根据预先设定的照射装置的高度lx＝20mm(以传送带平面为基准)，计算得到z轴方向的补偿量为：z＝58mm/2—20mm＝9mm。若是第n个水果被检测，z轴方向的补偿量为：已知第n—1个水果的尺寸是58mm，第n个水果的尺寸是75mm，则z＝(75-58)/2mm＝8.5mm。检测探头与水果表面距离的补偿原理相同于上面的方法不作赘述。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。
本发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1、一种水果内部品质光特性在线检测的水果尺寸补偿方法，包括下列步骤：
水果依靠输送单元输送，以滚动状态向检测位置运动；
布置在输送单元上的编码器获取滚动水果的位置信息并传输给控制单元；
同时，水果经过输送单元上先后布置的两个尺寸检测单元时，两个尺寸检测单元分别获取水果的尺寸信息并传输给控制单元；
控制单元对收到的位置信息和尺寸信息进行分析处理，转化为控制信号发给驱动单元；
驱动单元根据控制信号驱动尺寸补偿单元对到达检测位置的水果实施尺寸补偿。
2、一种用于实现权利要求1的方法的水果尺寸补偿装置，包括输送单元，尺寸补偿单元，尺寸检测单元，编码器，控制单元和驱动单元；编码器、尺寸检测单元和尺寸补偿单元依次布置在输送单元上；编码器通过导线连接尺寸检测单元；编码器和尺寸检测单元分别连接控制单元，控制单元连接驱动单元，驱动单元连接尺寸补偿单元。
3、根据权利要求2所述的水果尺寸补偿装置，其特征是：所述输送单元包括驱动链轮、摩擦带、链条、滚子、小轴、摩擦带滚筒、张紧轮和调速电机，链条环绕在两个驱动链轮上，两根链条之间有支撑连接架连接，构成输送带的骨架结构；滚子通过小轴安装在链条上；摩擦带环绕在摩擦带滚筒和张紧轮上，滚子压在摩擦带上，调速电机与摩擦带滚筒连接。
4、根据权利要求2所述的水果尺寸补偿装置，其特征是：所述尺寸补偿单元包括桥架，齿条一，照射装置，滑块一，支架一，x轴驱动齿轮，滑块三，支架三，齿条二，z轴驱动齿轮，滑块二，支架二，检测探头，z轴驱动步进电机和x轴驱动步进电机；支架一与支架三固定连接，支架一和支架二通过桥架三者固接，支架二与滑块三固接，支架一、桥架、支架二和支架三构成“口”字形状；照射装置与滑块一固接，检测探头与滑块二固接；滑块一可以在支架一的燕尾槽中移动，滑块二可以在支架二的燕尾槽中移动，滑块三可以在支架三的燕尾槽中移动；齿条一固接在滑块一外侧，齿条二固接在滑块三下侧；z轴驱动齿轮与齿条一啮合，x轴驱动齿轮与齿条二啮合；z轴驱动齿轮通过轴与z轴驱动步进电机连接，x轴驱动齿轮通过轴与x轴驱动步进电机连接；z轴驱动步进电机和x轴驱动步进电机通过导线连接在驱动单元上。
5、根据权利要求2所述的水果尺寸补偿装置，其特征是：所述尺寸检测单元包括光发射器，光检测器和尺寸检测控制器；光发射器包括一组发光二极管，光检测器包括一组光敏感元件；光发射器和光检测器分别通过导线与尺寸检测控制器连接，编码器和控制单元分别通过导线连接尺寸检测控制器。
6、根据权利要求2所述的水果尺寸补偿装置，其特征是：所述控制单元包括用于x轴方向水果尺寸补偿单元和z轴方向水果尺寸补偿单元，控制单元分别与编码器、尺寸检测单元的尺寸检测控制器相连接。
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