基于机器视觉水果分拣设备的设计与研究

作     者：惠宇龙 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：万宏强;寇学锋

授予年度：2024年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 083203[工学-农产品加工及贮藏工程] 

主      题：分拣设备 机器视觉 PLC控制 人机交互 

摘      要：随着生活质量的提高,人们对水果的需求量也逐渐增大,水果产业已成为了继粮食和蔬菜后的第三大产业。但随着水果产值升高,分拣任务越来越繁重,目前水果分拣主要以人力分拣为主,存在主观性强、效率低等问题影响水果分拣质量。针对以上问题,本文将机器视觉技术应用于水果分拣设备,提高水果分拣效率、保证分拣质量,具体研究内容如下: 1)结合水果分拣设备的要求,确定整体机械结构设计方案。根据功能不同将水果分拣设备划分为整理、分拣和收集单元,根据苹果重量等基本信息计算整体设备基本尺寸参数,为机构设计提供理论依据,验证了水果分拣设备的合理性,并分别对三个单元利用Solidworks软件建立三维模型。 2)在机器视觉模块,设计了图像采集方案,对三种滤波方法利用PSNR信噪比选择滤波效果较好的滤波方法对图像进行滤波,并利用最大类间方差法(Otsu)对图像进行阈值分割并结合形态学闭运算消除苹果图像中因反光造成的孔洞,得到阈值分割图。对阈值分割图采用Canny算子提取苹果图像的边缘轮廓,通过最小外接圆法计算得到苹果像素半径,利用标定试验得到的标定系数计算出苹果实际半径。将图像模型从RGB颜色模型转换为HSV颜色模型,以H分量分布情况检索符合范围的像素完成苹果表面色泽度的计算,结合苹果色泽度和果径大小对苹果进行等级分级。 3)控制系统与人机交互设计。设计控制系统实施方案,根据控制方案完成了硬件的选型以及I/O端口的分配。运用博图软件编写了控制程序以及PLC、HMI触摸屏和上位机间的TCP/IP的通信方法,设计分拣系统人机交互界面,并与控制程序的数据进行交互,实现在触摸屏上便可实时控制设备的启停和显示水果等级及PLC与上位机通讯信息,使设备控制智能化。 4)试验验证与分析。在博图软件的PLC SIM仿真器中联合人机交互界面对整体控制程序进行仿真;通过视觉测量与人工测量对比试验,验证了苹果果径大小识别的准确性,误差范围在±1.4mm;对分拣设备整体分拣正确率进行试验验证,对试验结果分析得出水果分拣设备分拣正确率高达94%。 论文结合机器视觉技术实现了对苹果果径大小和表面色泽度两个特征分拣,通过对机械模块、机器视觉模块和控制模块的设计完成了水果分拣设备样机的搭建,并进行试验验证设备分拣的正确率。