CN1970173A - 一种棉花种子精选自动化***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及现代农业技术的种子质量检测、筛选的计算机自动化控制技术领域。本发明的棉花种子精选自动化***包括进料斗、皮带轮、皮带、电动机、输送带、出料斗、接料斗、摄像头、喷嘴、电磁阀、一对灯箱和计算机处理***，计算机处理***通过对棉花种子颜色信息的采集、分析，控制电磁阀和喷嘴将不合格的种子筛选出来。本发明解决了在高速运动背景中种子群体目标的采集、分离及控制技术问题，能够快速、自动的对红棕色棉花种子进行在线检测和分离。

Description

一种棉花种子精选自动化***及其方法

技术领域

本发明涉及现代农业技术领域，尤其涉及种子质量检测、筛选的计算机自动化控制的棉花种子精选自动化***及其方法。

背景技术

随着我国加入WTO和种子贸易全球化的发展，优良品种的优质种子是冲破种子贸易壁垒，在竞争中取胜，是中国种子走向世界的基本保证。《国际种子检验规程》序言中有这样一段话：“农业上最大的威胁之一是播下的种子没有生产潜力，不能使所栽培的品种获得丰收。种子检验工作是为了在播种前评定种子质量，使这种风险降低到最低程度”。快速、可靠、高自动化的种子精选装置是我国种业发展中急需解决的关键问题之一。

棉花种子是棉花生产最基本的生产资料，棉种的内在质量和外在质量千差万别，以新疆产区为例，成熟的棉籽接近黑色，而未成熟的棉籽呈红棕色。质量好的棉籽，其颜色黑、着色均匀、子粒饱满、发芽率较高，具有很高的经济价值，价格一般是红棕色棉籽的几倍到十几倍。另外在棉种的生产过程中，不可避免地产生破籽。在外观上，破籽主要表现在裂纹特征上。目前，在棉花种子生产过程中虽然引入了清选机等机械化设备，以介电、重力、窝眼、风筛、磁力、摩擦等方法清选棉花种子，在实际生产中发挥了重要作用。然而传统的清选机主要是去除原料中的石子、瘪籽等，不能有效地筛选对棉花种子品质影响极大的红棕色及裂纹种子，这样的棉种优选方式适应不了现代精密播种要求。

近年来，计算机视觉技术以其速度快、信息量大、功能多等特点在农产品品质检测中得到了广泛应用，如谷粒的表面裂纹检测，农作物种子的分级等，极大地提高了农产品品质检测的精度和效率

发明内容

本发明针对棉花种子生产中红棕色种子及裂纹种子的检测问题，提出了一种基于机器视觉的棉花种子颜色分选自动化***，包括平抛式种子输送机结构；基于RGB颜色模型的种子颜色分检技术；构建了由高速CCD线阵摄像头、气体自控喷嘴列阵、DSP处理器、工控机和传送装置为一体的自动控制***。

本发明的一个方面是提供一种棉花种子精选自动化***，该***包括平抛式种子输送机构和颜色分拣控制机构，所述颜色分拣控制机构通过对其左侧平抛式种子输送机构平抛的棉花种子进行颜色采集和分析，从而达到分拣种子的目的。

其中，所述平抛式种子输送机构包括进料斗、输送带、不合格种子出料斗和合格种子接料斗。所述颜色分拣控制机构包括摄像头、喷嘴、电磁阀和计算机处理***。

优选的，所述平抛式种子输送机构还包括皮带轮和皮带，电机带动皮带和动皮带轮转动，从而带动输送带运动。

所述计算机处理***由上位机和下位机组成，其中PC机作为上位机对摄像头采集的棉花种子图像信息进行提取和分析，下位机接收并存储上述分析结果，将其转化为控制信息控制电磁阀的动作，从而分离出不合格的棉花种子。

优选的，所述颜色分拣控制机构还包括一对灯箱，所述灯箱位于以拍摄到种子横向轨迹为中心，上下各有一个，为摄像头采集清晰的棉花种子图像提供光源。

另外，所述喷嘴采用气体自控喷嘴列阵。

本发明的另一方面是提供一种棉花种子精选自动化方法，包括如下步骤：种子从进料斗落于输送带上，随输送带前进、抛出；摄像头采集被抛出的种子的颜色信息，传输至计算机处理***；计算机处理***根据颜色分拣级别控制电磁阀的开闭；电磁阀控制空气压缩机的气路通断，从而控制喷嘴的气流；喷嘴将不合格的种子吹离抛出轨道，完成精选。

该***逐粒完成种子的实时检测与分级，要求送入检测视场中的种子目标是多行、多粒，通过多通道视频采集***对高速运动的种子采集，本发明解决在高速运动背景中种子群体目标的采集、分离及控制技术问题。使之能快速、自动的对红棕色棉花种子进行在线检测

本发明所述棉花种子精选自动化***的特点：

1)、逐粒检测，检测精度高；

2)、检测快速、自动化程度高；

3)、能有效地分选产自新疆的红棕色棉花种子，实现了精选红棕色棉花种子的自动化技术；

4)、喷气式分级卸料自动化程度高，无需人工操作；

5)、解决了棉花种子无序排列下的分选问题，获得较高精度；

6)、机器成本低。

附图说明

图1为本发明平抛式输送机构的结构示意图；

图2为本发明所述***中喷嘴的安装结构示意图；

图3为本发明所述电磁阀喷嘴的内部细节剖面示意图；

图4为本发明所述方法的处理流程图；

图5为本发明所述棉花种子分选机构控制***结构框图；

图6为本发明所述棉花种子横向无序排列示意图。

图中：1、进料斗；2、皮带轮；3、皮带；4、电动机；5、机架；6、输送带；7、张紧轮；8、摄像头；9、不合格种子出料斗；10、不合格种子接料斗；11、合格种子出料斗；12、合格种子接料斗；13、灯箱；14、喷嘴；15、电磁阀；16、辊子。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明将计算机视觉技术与自动控制技术、种子质量检测技术、机械设计等技术相结合，计算机视觉主要是获得棉花种子的颜色信息，自动控制技术主要用来控制***的传送速度、气动式分离；机械设计主要完成***气动式分离机构设计、传送***设计、视觉灯箱结构等。

如图1所示，本发明的棉花种子精选自动化***包括平抛式种子输送机构和颜色分拣控制机构，其中的平抛式种子输送机构包括进料斗1、皮带轮2、皮带3、电动机4、机架5、输送带6、张紧轮7、不合格种子出料斗9、不合格种子接料斗10、合格种子出料斗11和合格种子接料斗12，颜色分拣控制机构包括摄像头8、一对灯箱13、喷嘴14、电磁阀15和计算机处理***(图中未示出)。

其中进料斗1由固定支架固定在输送带6左侧的上方，使待检测的棉花种子均匀的撒落在输送带上；电动机4由螺栓固定在机构底部，为整个输送机构提供动力；皮带3将电动机4的动力传到皮带轮2上，由皮带轮带动辊子16转动，通过辊子和输送带之间的摩擦力而带动输送带运动；张紧轮7位于两个辊子中间的正下方，可以调节它上下的位置对传送带进行松紧的调节。出料斗9和11位于种子抛出后轨迹线的右侧下方，用来将分离的不合格种子与合格种子分别导入相应的接料斗；接料斗10和12分别安装位于相应出料斗出口处的下方，用于储存已分离的棉花种子。摄像头8安装在辊子16外侧约15cm处，以输送带为中心平面上下各有一个，摄像头镜头距离输送带所在水平面约为15cm，这两个摄像头用于获取种子上下表面的图像；灯箱13安装在摄像头内侧，为摄像头获取清晰的种子图像提供光源。喷嘴14固定于种子轨迹线上方，两摄像头连接线右侧，有20个出气口；电磁阀15安装在喷嘴的右上侧，由20个小电磁阀组合而成，具有一个进气口和20个出气口，其中进气口与空气压缩机相连，由空气压缩机提供压力，20个出气口分别通过气路与喷嘴上的20个出气口相连；计算机处理***通过数据线分别与摄像头、电磁阀相连。

电动机4通过皮带轮2和皮带3带动输送带6对种子进行输送。种子从进料斗1落于输送带6上，随高速运动的输送带前进、抛出，摄像头8采集高速抛出的种子颜色信息，计算机处理***对摄像头8采集的影像信息进行检测处理，根据颜色分检级别控制电磁阀15的开闭，电磁阀15控制喷嘴14的气路通断，如果信息处理***判断种子为合格的种子，电磁阀断开、气路断开、喷嘴无气体吹出、种子的轨迹不改变，种子落入合格种子出料斗；如果判断种子为不合格种子，电磁阀吸合、气路接通、气体从喷嘴吹出、种子的轨迹改变，种子落入不合格种子出料斗。本发明的***处理流程如图4所示。

在本发明中，电磁阀是控制吹离不合格种子的关键部件，而电磁阀的喷嘴方位对于电磁阀是否能完成吹离不合格种子任务至关重要。在本实施例中，电磁阀与喷嘴之间通过有一定长度的软管连接，因此喷嘴可以有一定的自由排列空间。其中一个优选的方式是喷嘴采用间隔交错排列进气口，直线排列出气口。如图2、图3所示，喷嘴可以随支架角钢在竖直面、水平面内调节，喷嘴组可以绕安装棒中心轴做旋转调节。可以调节电磁阀喷嘴的倾角，控制电磁阀喷嘴出气方向到容易使种子与原来的运动轨迹发生较大变化，从而更容易使不合格种子被吹至不合格种子出料斗接受的方向。

本发明提供的一个优选的实施例中，传送带上横向最多可以排列20粒种子，因此相应的设置20个由电磁阀分别控制的喷嘴，分别对应传输带抛出的种子所经过的20个小区域。本领域技术人员能够理解，可以根据传输带的宽度相应的增减喷嘴的数量，从而实现对每一粒种子进行筛选处理。

本发明的颜色分拣控制机构采用PC-DSP的主从式结构。其结构框图如图5所示，其中的计算机处理***包括上位机和下位机。PC机作为上位机主要完成对棉花种子图像信息的采集、提取和分析，其中图像信息的采集借助于安装在抛出种子上下方机架上的摄像头6进行，并控制摄像头6将采集的种子图像信息传输至PC机，PC机经过处理将最终的分析结果，即20个喷气口各自所对应的区域中棉花种子的信息发送给下位机数字信号处理器(DSP)。DSP负责接收并储存该信息，将其转化为控制信息来控制电磁阀动作，从而把不合格的棉花种子分离出去。同时还负责传送带驱动电机、灯箱等的控制。

其中的控制方法如下：在棉花种子分选检测过程中，棉花种子以无序的状态撒落在传送带上，驱动电机带动传送带以一定的速度运动，种子在到达传送带末端时被抛出，同时通过摄像机进行图像采集。由于传送带上横向最多可以排列20粒种子，其横向无序排列的示意图如图6所示，因此将采集到的图像横向分为20个相等的区域进行处理，且棉花种子只有不合格和合格两种，分别可以用逻辑值0和1来表示。同时，由电磁阀控制的喷嘴上20个喷气口分别对应这20个小区域。用逻辑值0和1来表示电磁阀的关闭与导通。这样就出现如图6所示A、B、C三种特殊情况。对于情况A，处理结果R为种子a和种子b逻辑值的与值，即R＝a&b，假设a和b中至少有一个为不合格的棉花种子，即处理结果R＝a&b＝0，此结果传送到DSP后，DSP对其进行处理，得到电磁阀的控制信号R′＝～R，此时，相对应区域的电磁阀应导通，控制喷气口喷气将此两颗种子吹落；对于情况B，取处理结果R＝c即可；对于情况C，若种子d为合格种子，则区域4和区域5的处理结果R4和R5为1，若种子d为不合格种子，取R4＝R5＝0。计算机处理结束后，将代表20个区域中所得到的处理结果传送给DSP，DSP接收完成后，执行中断处理子程序，并进一步得到电磁阀的控制信息，由I/O口输出。

在本发明中，对棉花种子的筛选是基于RGB的种子颜色分析模型进行的。棉花种子根据外表面绒毛的有无分为光子和毛子两种，在外观上，若不考虑种子的短绒，成熟种子的种皮多为黑色，未成熟种子的种皮呈红棕色，本发明就是以此为依据对棉花种子进行筛选。本发明的一个优选实施例是引入颜色特征参数(R-G-B)/(R+G)及(R-G)/(R+G+B)来计算每粒种子的颜色特征参数值。

分别对所有黑色与红棕色棉花种子的颜色特征参数做均值与标准方差计算，计算公式为：

$\stackrel{-}{\mathrm{\α}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i$ $\stackrel{-}{S_{\mathrm{\α}}}=\frac{1}{n}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\α}}_i-\stackrel{-}{\mathrm{\α}})}^2}$

$\stackrel{-}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i$ $\stackrel{-}{S_{\mathrm{\β}}}=\frac{1}{n}\sqrt{{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\β}}_i-\stackrel{-}{\mathrm{\β}})}^2}$

式中：

为(R-G-B)/(R+G)均值，

为(R-G-B)/(R+G)标准方差。

为(R-G)/(R+G+B)均值， 为(R-G)/(R+G+B)标准方差。

α_i为图像中单粒棉花种子(R-G-B)/(R+G)值。

β_i为图像中单粒棉花种子(R-G)/(R+G+B)值。

虽然本实施例表述的是根据种皮颜色对棉花种子的筛选***，但本领域技术人员可以将其应用到其它领域以解决种子或其它产品的监测、筛选问题，如根据种子的颗粒大小、单粒比重，产品的颜色或其它可监测的特性来进行相应标准的筛选，因此本领域技术人员在本实施例的基础上进行的所有相关的扩展和应用都应落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1、一种棉花种子精选自动化***，其特征在于该***包括平抛式种子输送机构和颜色分拣控制机构，所述颜色分拣控制机构通过对其左侧平抛式种子输送机构平抛的棉花种子进行颜色采集和分析，从而达到分拣种子的目的。

2、如权利要求1所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述平抛式种子输送机构包括进料斗(1)、输送带(6)、不合格种子出料斗(10)和合格种子接料斗(12)。

3、如权利要求2所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述颜色分拣控制机构包括摄像头(8)、喷嘴(14)、电磁阀(15)和计算机处理***。

4、如权利要求2所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述平抛式种子输送机构还包括皮带轮(2)和皮带(3)，电机(4)带动皮带和动皮带轮转动，从而带动输送带运动。

5、如权利要求3所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述计算机处理***由上位机和下位机组成，其中PC机作为上位机对摄像头采集的棉花种子图像信息进行提取和分析，下位机接收并存储上述分析结果，将其转化为控制信息控制电磁阀的动作，从而分离出不合格的棉花种子。

6、如权利要求3所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述颜色分拣控制机构还包括一对灯箱(13)，所述灯箱位于以拍摄到种子横向轨迹为中心，上下各有一个，为摄像头采集清晰的棉花种子图像提供光源。

7、如权利要求1所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于所述喷嘴采用气体自控喷嘴列阵。

8、如权利要求1所述的棉花种子精选自动化***，其特征在于该***基于RGB颜色模型的种子颜色分检技术来实现对棉花种子的精选。

9、一种棉花种子精选自动化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

种子从进料斗落于输送带上，随输送带前进、抛出；

摄像头采集被抛出的种子的颜色信息，传输至计算机处理***；

计算机处理***根据颜色分拣级别控制电磁阀的开闭；

电磁阀控制空气压缩机的气路通断，从而控制喷嘴的气流；

喷嘴将不合格的种子吹离抛出轨道，完成精选。

10、如权利要求9所述的棉花种子精选自动化方法，其特征在于所述喷嘴采用气体自控喷嘴列阵。

Images