CN104458744B - 椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置。包括输送机构、旋转机构和高光谱成像机构，输送机构包括滚轮、滚轮支架和带弯板链条；旋转机构包括尼龙管及其中心轴、联轴器和电机；高光谱成像机构包括铝型杆框架、挡光布、光谱仪、镜头和光源；水果经由双滚轮和带弯板链条组成的输送机构送达至高光谱成像机构。经过高光谱成像机构时，水果在输送机构上匀速向前移动的同时，由旋转机构带动椭球形水果绕自身长轴旋转，实现全表面高光谱图像的采集。本发明通过第二支杆末端的铰接设计使输送机构实现循环工作，同时在线扫描成像方式下实现了椭球形水果全表面高光谱图像的在线采集，为后续水果品质检测分级提供了新在线检测手段。

Description

椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置

技术领域

本发明涉及一种水果图像采集装置，尤其是涉及一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置。

背景技术

传统的人工分级存在的缺点主要有以下方面：劳动生产量大，劳动强度大，耗时长，识别准确率不稳定，分级标准难以实现，分级精度不高。因为在水果分级标准中，凭人的视觉难以精确度量着色面积和缺陷面积，且人长时间用眼和重复单一的操作，会造成疲劳及情绪的不稳定，从而造成分级误差的波动。此外，有些轻微碰伤在可见光谱范围内很难被识别，所以人眼很难辨别。

光谱成像技术是光谱技术和图像技术的完美结合，它在获得样品空间信息的同时，还为每个图像上每个像素点提供数十至数千个窄波段的光谱信息，这样任何一个波长的光谱数据都能生成一幅图像，从而实现“图谱合一”。通过对光谱、图像的分析，即可对样品的成分含量、存在状态、空间分布及动态变化进行检测。光谱成像技术是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术。近年来，国内外学者开始将光谱成像技术应用于农产品检测，但是多数处于实验室研究阶段，离实际应用还有一定的距离。此外，学者们基本上仅采集被测对象的上表面图像，没有对其全表面进行检测，因而缺少对椭球形水果进行全表面高光谱图像在线采集的装置。

发明内容

本发明的目的在于针对上述背景技术中存在的问题，提供一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，通过第二支杆末端的铰接设计使输送机构实现循环工作，并且实现椭球形水果匀速前进的同时绕自身长轴旋转，在线扫描成像方式下在线采集椭球形水果高光谱图像，本发明不仅可以获取椭球形水果的全表面高光谱图像，而且可为椭球形水果品质检测、分级提供有利手段。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明包括输送机构、旋转机构和高光谱成像机构；输送机构和旋转机构均安装在高光谱成像机构下方；

输送机构：包括两个滚轮、两个滚轮支架和两条带弯板链条；两个滚轮支架上端分别嵌入在水果输送方向两侧的滑轨上，两个相对安装的滚轮分别固定安装在两个滚轮支架上，椭球形水果夹在两个滚轮之间，两个滚轮支架的下端连接有带弯板链条；

旋转机构：包括尼龙管、尼龙管中心轴、联轴器和电机；尼龙管中心轴为阶梯轴，两侧为小端，尼龙管中心轴两侧小端通过第四滚动轴承平行安装在机架上，尼龙管套在尼龙管中心轴中部，尼龙管中心轴一端与电机之通过联轴器相连接，尼龙管位于输送机构的两个滚轮之间的正下方，两个滚轮表面分别与尼龙管表面紧贴接触；

高光谱成像机构：包括铝型杆框架、黑色挡光布、成像光谱仪、镜头和卤素光源，铝型杆框架和覆盖在铝型杆框架上的黑色挡光布构成暗箱结构；铝型杆框架顶部沿垂直于水果输送方向平行安装有三根铝型杆，三根铝型杆位于输送机构的正上方，三根铝型杆沿垂直于水果输送方向分别为第一铝型杆、第二铝型杆和第三铝型杆；第二铝型杆中部与连接板上端固定连接，连接板向下依次装有成像光谱仪和镜头，镜头安装在成像光谱仪上；两侧的第一铝型杆、第三铝型杆中部均安装有竖直的光源安装板，光源安装板上设有两道沿竖直方向的凹槽，用于照明的卤素光源安装在两道凹槽内并沿凹槽移动。

所述的尼龙管为鼓形结构，中间部分呈圆柱形，两侧呈圆台形。

所述的尼龙管与尼龙管中心轴之间为过盈配合。

第一铝型杆和第三铝型杆上的卤素光源的朝向与光源安装板之间所成的角度为45°。

所述的两个滚轮支架结构相同，具体为：第一轴、呈L形的第二轴、第三轴和第四轴，第一轴一端与呈L形的第二轴的短边固定连接，第二轴的长边与第一轴平行，第一轴另一端与第二轴的长边端之间固定连接有第三轴，形成方形的支架固定结构，第四轴固定连接在第二轴长边上并与第三轴平行；滚轮通过第一滚动轴承套在第一轴上，第一滑块和第二滑块通过轴向固定件分别套在第四轴、第三轴上，第一支杆和第二支杆上端分别固定连接在第一滑块和第二滑块底面，第一支杆下端通过固定板与所述带弯板链条的弯板固定连接，第二支杆下端与所述带弯板链条的弯板铰接；第一滑块和第二滑块的四角上均竖直安装有第二螺栓，第二螺栓上端套有与滑轨连接的第三滚动轴承，第二螺栓中部套有轴套，第三滚动轴承嵌在滑轨槽内。

所述的轴向固定件包括弹簧板、轴箍和圆柱螺旋拉伸弹簧，弹簧板两端分别套在第四轴和第三轴上，弹簧板安装在第一滑块和第二滑块靠近第一轴一侧，轴箍安装在位于第一滑块和第二滑块之间的第二轴长边上，圆柱螺旋拉伸弹簧的两端分别连接到轴箍和弹簧板中间孔，通过圆柱螺旋拉伸弹簧的弹力将第一滑块和第二滑块分别轴向固定在第四轴和第三轴上。

所述的第二支杆下端与所述带弯板链条的弯板采用以下方式铰接：第二支杆下端安装有垂直于水果输送方向的底座轴，底座轴中间通过支杆上的紧定螺钉径向固定，底座轴两端套有第二滚动轴承，两端的第二滚动轴承通过各自的第一螺栓轴向固定，第二滚动轴承与第一螺栓之间安装有轴端挡圈，两端的第二滚动轴承下侧通过第二支杆底座与带弯板链条的弯板固定连接。

所述的第四轴远离第一轴的一端固定连接有用于平衡重力的圆形铁块。

本发明的有益效果是：

本发明在线扫描成像方式下实现了在线采集椭球形水果全表面高光谱图像，而且本发明结构简单，自动化程度高，使用方便，使高光谱图像采集更加简单化、高效化，并有利于提高生产效率，减少人力劳动。

附图说明

图1是装置总体连接结构示意图；

图2是输送机构的主视图；

图3是图2的I区域局部视图；

图4是图2的II区域局部视图；

图5是输送机构的俯视图；

图6是图5的III区域局部视图；

图7是图6的A向视图；

图8是图5的IV区域局部视图；

图9是图8的B向视图；

图10是输送机构的左视图；

图11是图10的V区域局部视图；

图12是图11的C向视图；

图13是旋转机构与输送机构装配使用状态的主视图；

图14是旋转机构与输送机构装配使用状态的俯视图；

图15是旋转机构与输送机构装配使用状态的左视图；

图16是图15的VI局部视图；

图17是高光谱成像机构的主视图；

图18是高光谱成像机构的俯视图；

图19是高光谱成像机构的左视图。

图中：A、输送机构，B、旋转机构，C、高光谱成像机构，1、滚轮，2、滚轮支架，3、带弯板链条，4、第一轴，5、第二轴，6、第三轴，7、第四轴，8、第一滚动轴承，9、第一滑块，10、第一支杆，11、第二滑块，12、第二支杆，13、第二滚动轴承，14、底座轴，15、轴端挡圈，16、第一螺栓，17、第二支杆底座，18、弹簧板，19、轴箍，20、圆柱螺旋拉伸弹簧，21、圆形铁块，22、尼龙管，23、尼龙管中心轴，24、第四滚动轴承，25、联轴器，26、电机，27、机架，28、第二螺栓，29、第三滚动轴承，30、轴套，31、滑轨，32、成像光谱仪，33、镜头，34、卤素光源，35、铝型杆框架，36、第二铝型杆，37、连接板，38、第一铝型杆，39、第三铝型杆，40、光源安装板，41、固定板，42、紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括输送机构A、旋转机构B和高光谱成像机构C；输送机构A和旋转机构B均安装在高光谱成像机构C下方；

如图2、图5和图10所示，输送机构A：包括两个滚轮1、两个滚轮支架2和两条带弯板链条3；两个滚轮支架2上端可以分别嵌入在水果输送方向两侧的滑轨31上，滑轨31只设置尼龙管22的上方，两个相对安装的滚轮1分别固定安装在两个滚轮支架2上，水果夹在两个滚轮1之间，两个滚轮1的轴线方向与输送方向相同，两个滚轮支架2的下端连接有带弯板链条3，带弯板链条3连接安装在输送架上，作为输送载体，用于输送椭球形水果。

如图13～图15所示，旋转机构B：包括尼龙管22、尼龙管中心轴23、联轴器25和电机26；尼龙管中心轴23为阶梯轴，两侧为小端，尼龙管中心轴23两侧小端通过第四滚动轴承24平行安装在机架27上，尼龙管中心轴23轴线方向与水果输送方向相同，尼龙管22套在尼龙管中心轴23中部，尼龙管中心轴23一端与电机26之通过联轴器25相连接，尼龙管22位于输送机构的两个滚轮1之间的正下方，两个滚轮1表面分别与尼龙管22表面紧贴接触；

如图17～图19所示，高光谱成像机构C：包括铝型杆框架35、黑色挡光布、成像光谱仪32、镜头33和卤素光源34，铝型杆框架35和覆盖在铝型杆框架35上的黑色挡光布构成暗箱结构；铝型杆框架35顶部沿垂直于水果输送方向平行安装有三根铝型杆，三根铝型杆位于输送机构的正上方，三根铝型杆沿垂直于水果输送方向分别为第一铝型杆38、第二铝型杆36和第三铝型杆39；第二铝型杆36中部与连接板37上端固定连接，连接板37向下依次装有成像光谱仪32、镜头33，镜头33安装在成像光谱仪32上；两侧的第一铝型杆38、第三铝型杆39中部均安装有竖直的光源安装板40，光源安装板40上设有两道沿竖直方向的凹槽，用于照明的卤素光源34安装在两道凹槽内并沿凹槽移动，保证卤素光源34照亮整个水果的可视区。

如图5所示，优选的尼龙管22为鼓形结构，两端细中间粗，中间部分呈圆柱形，两侧呈圆台形。尼龙管22与尼龙管中心轴23之间为过盈配合。

第一铝型杆38和第三铝型杆39上的卤素光源34的朝向与光源安装板40之间所成的角度为45°。

如图5所示，上述两个滚轮支架2结构相同，具体为：第一轴4、呈L形的第二轴5、第三轴6和第四轴7，第一轴4一端与呈L形的第二轴5的短边固定连接，第二轴5的长边与第一轴4平行，第一轴4另一端与第二轴5的长边端之间固定连接有第三轴6，形成方形的支架固定结构，第四轴7固定连接在第二轴5长边上并与第三轴6平行，第一轴4与第三轴6的连接方式如图8和图9所示；滚轮1通过第一滚动轴承8套在第一轴4上，位于同一输送方向的第一滑块9和第二滑块11通过轴向固定件分别套在第四轴7、第三轴6上，第一支杆10和第二支杆12上端分别固定连接在第一滑块9和第二滑块11底面，第一支杆10下端通过固定板41与所述带弯板链条3的弯板固定连接，第二支杆12下端与所述带弯板链条3的弯板铰接；如图4、图16所示，第一滑块9和第二滑块11的四角上均竖直安装有第二螺栓28，四角的四个螺纹安装孔都装有第二螺栓28，第二螺栓28上端套有与滑轨31连接的第三滚动轴承29，第二螺栓28中部套有轴套30，位于第一滑块9和第二滑块11上沿水果输送方向两侧的第三滚动轴承29嵌在滑轨31槽内，滑轨31位于尼龙管22的上方。

如图3、图6和图7所示，上述轴向固定件包括弹簧板18、轴箍19和圆柱螺旋拉伸弹簧20，弹簧板18两端分别套在第四轴7和第三轴6上，弹簧板18安装在第一滑块9和第二滑块11靠近第一轴4一侧，轴箍19安装在位于第一滑块9和第二滑块11之间的第二轴5长边上，圆柱螺旋拉伸弹簧20的两端分别连接到轴箍19和弹簧板18中间孔，通过圆柱螺旋拉伸弹簧20的弹力将第一滑块9和第二滑块11分别轴向固定在第四轴7和第三轴6上；弹簧板18中间开有两个孔，圆柱螺旋拉伸弹簧20的一端勾在弹簧板18中间的两个孔上，另一端勾在轴箍19上。

如图11和图12所示，优选的第二支杆12下端与带弯板链条3的弯板采用以下方式铰接：第二支杆12下端安装有垂直于水果输送方向的底座轴14，底座轴14中间通过支杆上的紧定螺钉42径向固定，底座轴14两端套有第二滚动轴承13，两端的第二滚动轴承13通过各自的第一螺栓16轴向固定，第二滚动轴承13与第一螺栓16之间安装有轴端挡圈15，两端的第二滚动轴承13下侧通过第二支杆底座17与带弯板链条3的弯板固定连接。

第四轴7远离第一轴4的一端固定连接有用于平衡重力的圆形铁块21，在两个滚轮1上夹有椭球形水果，使得滚轮支架2靠近滚轮1一侧的重量比远离滚轮一侧的重量大，增加圆形铁块21，可以增加滚轮支架2远离滚轮一侧的重量，达到平衡重力的作用。

本发明适用于的椭球形水果包括脐橙、柠檬和青枣等。

本发明的具体实施工作过程如下：

本发明的椭球形水果采用脐橙，脐橙先由输送结构A进行输送。输送时脐橙夹在两个相对安装的滚轮1之间，两个滚轮1的轴线方向与输送方向相同，两个滚轮1分别固定安装在两个滚轮支架2上，两个滚轮支架2通过第一支杆10和第二支杆12分别与两根带弯板的链条3连接，带弯板链条3作为输送载体连接到输送架上；两根带弯板链条3沿输送方向的运动实现其上的滚轮支架2、两个滚轮1及滚轮1之间的脐橙作同步运动，从而实现了脐橙的输送；可以通过控制带弯板链条3的速度调节脐橙的输送速度。

两个滚轮1夹着脐橙进入旋转机构B，滚轮支架2上的第一滑块9和第二滑块11的四角上均竖直安装有第二螺栓28，第二螺栓28上套有第三滚动轴承29，第三滚动轴承29与第一滑块9或者第二滑块11之间的第二螺栓28上套有轴套30，当脐橙输送到旋转机构B时，位于第一滑块9或者第二滑块11上沿脐橙输送方向两侧的第三滚动轴承29渐渐嵌入各自的滑轨31内。尼龙管中心轴23轴线方向与脐橙输送方向相同，且其平行安装在机架27上，在电机26的驱动下，尼龙管中心轴23旋转，套在尼龙管中心轴23中部的尼龙管22随着尼龙管中心轴23一起旋转，旋转方向与输送方向相垂直；尼龙管22为鼓形结构，两端细中间粗，中间部分呈圆柱形，两侧呈圆台形，两个相对安装在尼龙管22正上方并与尼龙管22表面紧贴接触的滚轮1在输送机构A的带动下先与尼龙管22的细端相接触，再沿着输送方向向前运动，滚轮1具有向前的输送运动和绕第一轴4的旋转运动。滚轮1的运动带动其上的脐橙一边沿着输送方向向前运动，一边绕自身长轴旋转。

输送机构A和旋转机构B均安装在高光谱成像机构C下方，铝型杆框架35顶部沿垂直于水果输送方向平行安装有三根铝型杆，三根铝型杆位于输送机构的正上方，三根铝型杆沿垂直于水果输送方向分别为第一铝型杆38、第二铝型杆36和第三铝型杆39；两侧的第一铝型杆38、第三铝型杆39中部均安装有竖直的光源安装板40，光源安装板40上设有两道沿竖直方向的凹槽，用于照明的卤素光源34安装在两道凹槽内并可沿凹槽调节卤素光源34的位置，卤素光源采用PHILIPS13629，朝向与光源安装板40之间所成的角度为45°，保证卤素光源34照亮整个脐橙的可视区；第二铝型杆36中部与连接板37上端固定连接，连接板37向下依次装有成像光谱仪32、镜头33，镜头33安装在成像光谱仪32上，其中成像光谱仪采用C8484-05G，镜头采用OLE23，脐橙在输送机构A和旋转机构B的作用下，一边沿着输送方向向前运动，一边绕自身长轴旋转；成像光谱仪32采集脐橙全表面图像，直到脐橙完成全表面高光谱图像采集；覆盖在铝型杆框架35上的黑色挡光布构成暗箱结构，避免外界光源对内部图像采集的影响。

在脐橙检测分级完成以后，由于输送机构A底端的第一支杆10是固定在带弯板链条3上，第二支杆12与带弯板链条3的铰接设计，使得输送机构A能够跟随带弯板链条3上的链轮在非直线方向运动，从而使得输送机构A上的滚轮1顺利绕过链轮，回到水果输送入口处，输送机构A可以循环工作。

由此，本发明实现了椭球形水果全表面高光谱图像采集，结构简单合理，使高光谱图像采集更加简单化、高效化，具有显著的技术效果，有利于提高生产效率，减少人力劳动，促进社会生产。

Claims (7)

1.一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：包括输送机构（A）、旋转机构（B）和高光谱成像机构（C）；输送机构（A）和旋转机构（B）均安装在高光谱成像机构（C）下方；

输送机构（A）：包括两个滚轮（1）、两个滚轮支架（2）和两条带弯板链条（3）；两个滚轮支架（2）上端分别嵌入在水果输送方向两侧的滑轨（31）上，两个相对安装的滚轮（1）分别固定安装在两个滚轮支架（2）上，椭球形水果夹在两个滚轮（1）之间，两个滚轮支架（2）的下端连接有带弯板链条（3）；

旋转机构（B）：包括尼龙管（22）、尼龙管中心轴（23）、联轴器（25）和电机（26）；尼龙管中心轴（23）为阶梯轴，两侧为小端，尼龙管中心轴（23）两侧小端通过第四滚动轴承（24）平行安装在机架（27）上，尼龙管（22）套在尼龙管中心轴（23）中部，尼龙管中心轴（23）一端与电机（26）之通过联轴器（25）相连接，尼龙管（22）位于输送机构的两个滚轮（1）之间的正下方，两个滚轮（1）表面分别与尼龙管（22）表面紧贴接触；

高光谱成像机构（C）：包括铝型杆框架（35）、黑色挡光布、成像光谱仪（32）、镜头（33）和卤素光源（34），铝型杆框架（35）和覆盖在铝型杆框架（35）上的黑色挡光布构成暗箱结构；铝型杆框架（35）顶部沿垂直于水果输送方向平行安装有三根铝型杆，三根铝型杆位于输送机构的正上方，三根铝型杆沿垂直于水果输送方向分别为第一铝型杆（38）、第二铝型杆（36）和第三铝型杆（39）；第二铝型杆（36）中部与连接板（37）上端固定连接，连接板（37）向下依次装有成像光谱仪（32）和镜头（33），镜头（33）安装在成像光谱仪（32）上；两侧的第一铝型杆（38）、第三铝型杆（39）中部均安装有竖直的光源安装板（40），光源安装板（40）上设有两道沿竖直方向的凹槽，用于照明的卤素光源（34）安装在两道凹槽内并沿凹槽移动；

所述的两个滚轮支架（2）结构相同，具体为：第一轴（4）、呈L形的第二轴（5）、第三轴（6）和第四轴（7），第一轴（4）一端与呈L形的第二轴（5）的短边固定连接，第二轴（5）的长边与第一轴（4）平行，第一轴（4）另一端与第二轴（5）的长边端之间固定连接有第三轴（6），形成方形的支架固定结构，第四轴（7）固定连接在第二轴（5）长边上并与第三轴（6）平行；滚轮（1）通过第一滚动轴承（8）套在第一轴（4）上，第一滑块（9）和第二滑块（11）通过轴向固定件分别套在第四轴（7）、第三轴（6）上，第一支杆（10）和第二支杆（12）上端分别固定连接在第一滑块（9）和第二滑块（11）底面，第一支杆（10）下端通过固定板（41）与所述带弯板链条（3）的弯板固定连接，第二支杆（12）下端与所述带弯板链条（3）的弯板铰接；第一滑块（9）和第二滑块（11）的四角上均竖直安装有第二螺栓（28），第二螺栓（28）上端套有与滑轨（31）连接的第三滚动轴承（29），第二螺栓（28）中部套有轴套（30），第三滚动轴承（29）嵌在滑轨（31）槽内。

2.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：所述的尼龙管（22）为鼓形结构，中间部分呈圆柱形，两侧呈圆台形。

3.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：所述的尼龙管（22）与尼龙管中心轴（23）之间为过盈配合。

4.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：第一铝型杆（38）和第三铝型杆（39）上的卤素光源（34）的朝向与光源安装板（40）之间所成的角度为45°。

5.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：所述的轴向固定件包括弹簧板（18）、轴箍（19）和圆柱螺旋拉伸弹簧（20），弹簧板（18）两端分别套在第四轴（7）和第三轴（6）上，弹簧板（18）安装在第一滑块（9）和第二滑块（11）靠近第一轴（4）一侧，轴箍（19）安装在位于第一滑块（9）和第二滑块（11）之间的第二轴（5）长边上，圆柱螺旋拉伸弹簧（20）的两端分别连接到轴箍（19）和弹簧板（18）中间孔，通过圆柱螺旋拉伸弹簧（20）的弹力将第一滑块（9）和第二滑块（11）分别轴向固定在第四轴（7）和第三轴（6）上。

6.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：所述的第二支杆（12）下端与所述带弯板链条（3）的弯板采用以下方式铰接：第二支杆（12）下端安装有垂直于水果输送方向的底座轴（14），底座轴（14）中间通过支杆上的紧定螺钉（42）径向固定，底座轴（14）两端套有第二滚动轴承（13），两端的第二滚动轴承（13）通过各自的第一螺栓（16）轴向固定，第二滚动轴承（13）与第一螺栓（16）之间安装有轴端挡圈（15），两端的第二滚动轴承（13）下侧通过第二支杆底座（17）与带弯板链条（3）的弯板固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种椭球形水果全表面高光谱图像在线采集装置，其特征在于：所述的第四轴（7）远离第一轴（4）的一端固定连接有用于平衡重力的圆形铁块（21）。