基于視覺的茭白自動(dòng)分級(jí)包裝設(shè)備研究與開發(fā)*

張文蓉，王朋，鐘鳴，黃博，曹景軍，柴秀娟

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京市，100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100081；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東威海，264209)

0 引言

茭白是一種較為常見的水生蔬菜，肉質(zhì)鮮嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富，受到大量消費(fèi)者的喜愛。茭白收割期較短，若過期不采或是采收后擱置太久，均會(huì)導(dǎo)致茭白品相變差，降低商品價(jià)值。茭白按照大小、形狀、顏色、病蟲害情況和老化程度等外觀特征分級(jí)后銷售可增加附加值，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國(guó)內(nèi)茭白的采收、品質(zhì)分級(jí)、包裝等作業(yè)均由人工完成，導(dǎo)致在茭白成熟的季節(jié)需要大量勞動(dòng)力。這種人工分級(jí)包裝方式勞動(dòng)力消耗大，且成本較高、效率較低。另一方面，人工對(duì)品質(zhì)的判斷有主觀差異性會(huì)導(dǎo)致分類不一致，且人工易疲勞，易出現(xiàn)失誤，會(huì)導(dǎo)致分類的錯(cuò)誤。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，人工分級(jí)包裝的方式越來越不能滿足茭白市場(chǎng)日益擴(kuò)大的需求。因此，亟需開發(fā)一種茭白自動(dòng)分級(jí)分揀包裝設(shè)備，統(tǒng)一品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，提高茭白分揀包裝時(shí)效，降低對(duì)人力資源的依賴和需求，保證采收后的新鮮茭白及時(shí)輸入市場(chǎng)。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外開始利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)果蔬品質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和品質(zhì)分級(jí)[1-3]。隨著視覺處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)開始著手相關(guān)研究，起步相對(duì)較晚。綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，主要集中在蘋果[4-5]、柑橘[6-7]、臍橙[8-10]、哈密瓜[11]、大棗[12]、番茄[13]、馬鈴薯[14-15]等外觀呈圓形的果蔬上[16-18]，且多數(shù)停留在算法研究和實(shí)驗(yàn)室模擬研發(fā)階段，能應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的智能分級(jí)裝備并不多見。在外觀呈長(zhǎng)條形的果蔬方面研究較少，如黃瓜[19-20]、胡蘿卜、蓮藕[21]等。目前，暫無(wú)對(duì)茭白品質(zhì)分級(jí)的研究和分級(jí)分揀裝備的研發(fā)，故該方向的研究具有較大的挑戰(zhàn)性。且茭白因形狀各異、直徑變化大、圓度不好等因素，在分料的過程中不易被約束，給分級(jí)分揀設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來較大困難。

鑒于此，本文開發(fā)了一款基于機(jī)器視覺的茭白自動(dòng)分級(jí)包裝設(shè)備，農(nóng)戶僅需將采摘后的新鮮茭白放入料箱中，設(shè)備即可利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)每根茭白進(jìn)行分級(jí)并自動(dòng)完成分揀包裝工作。以期降低農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少對(duì)人力資源的高密度需求，保證分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為茭白產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)人工分揀包裝茭白的過程，完成茭白的分級(jí)包裝任務(wù)，需要對(duì)單根茭白進(jìn)行品質(zhì)分級(jí)，判定單根茭白屬于哪類品質(zhì)。再根據(jù)品質(zhì)類別，將單根茭白放入不同類別的包裝箱內(nèi)。故茭白自動(dòng)分級(jí)裝備需要完成分離出單根茭白、單根茭白品質(zhì)分級(jí)、單根茭白的分揀裝箱三個(gè)步驟。據(jù)此，設(shè)計(jì)了一款茭白自動(dòng)分級(jí)分揀包裝設(shè)備，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由上料模塊、品質(zhì)分級(jí)模塊、分揀包裝模塊三部分組成。上料模塊將采收茭白通過分料移送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逐根分離，并以一定間距依次輸入規(guī)整機(jī)構(gòu)。傳送帶將規(guī)整完畢后的茭白送入品質(zhì)分級(jí)模塊。品質(zhì)分級(jí)模塊通過機(jī)器視覺技術(shù)，自動(dòng)對(duì)茭白進(jìn)行精準(zhǔn)品質(zhì)分級(jí)。分揀包裝模塊將分級(jí)完成后的茭白根據(jù)不同的品級(jí)在機(jī)械臂的幫助下分揀到對(duì)應(yīng)的包裝箱。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanism diagram of equipment

2 設(shè)備主要功能模塊

2.1 上料模塊

上料模塊主要由上料箱、分料移送機(jī)構(gòu)和規(guī)整機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。設(shè)置分料移送機(jī)構(gòu)主要是為了分離單根茭白，以免多根茭白交錯(cuò)疊加影響品質(zhì)分級(jí)的結(jié)果。待分級(jí)分揀的茭白長(zhǎng)度決定了上料箱、分料移送機(jī)構(gòu)、規(guī)整機(jī)構(gòu)、傳輸帶及包裝箱的基本尺寸。本文研究的茭白長(zhǎng)度為32～35 cm，上料箱的寬度略寬于茭白長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)為38 cm。茭白整體上一端較粗(頭部)，另一端是較細(xì)(尾部)。將采收后的茭白放入上料箱，且頭尾順序一致，通過上料箱底振動(dòng)電機(jī)的震動(dòng)作用將上料箱中的茭白有序移至出料口。分料移送機(jī)構(gòu)緊挨出料口，該機(jī)構(gòu)由分料移送帶、激光傳感器和步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分料移送帶運(yùn)動(dòng)，將出料口位置的茭白逐步分離成單根模式，茭白傳輸軌跡如圖2中紅色虛線所示。分料移送帶傾斜的角度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。規(guī)整機(jī)構(gòu)修正茭白從分料移送帶上自由下落至傳送帶上出現(xiàn)的位置偏差，將單根茭白居中對(duì)齊，并以合理的間隔送至傳送帶上。

圖2 上料模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Feeding module mechanism diagram

2.2 品質(zhì)分級(jí)模塊

傳送帶將規(guī)整居中的茭白依次送至品質(zhì)分級(jí)模塊中，如圖3所示。圖中紅色虛線為茭白運(yùn)輸軌跡。圖中工業(yè)攝像頭對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的單根茭白進(jìn)行圖像采集獲取茭白表型特征。根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)獲得的分級(jí)模型，判斷茭白的品級(jí)，并將品級(jí)的結(jié)果傳遞給分揀包裝模塊中的機(jī)械臂。完成分級(jí)后的茭白由傳送帶輸送至末端規(guī)整槽中，兩端規(guī)整機(jī)構(gòu)將茭白夾正居中，等待機(jī)械臂分揀。規(guī)整槽的設(shè)置主要是為了分揀包裝過程中茭白排列整齊有序。為節(jié)省茭白分揀整個(gè)過程的時(shí)長(zhǎng)，傳輸帶的長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，且需與前后機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度和時(shí)間上的匹配。

圖3 品質(zhì)分級(jí)模塊Fig.3 Quality grading module

2.3 分揀包裝模塊

如圖4所示，設(shè)備分揀包裝模塊設(shè)有分揀機(jī)械臂，機(jī)械臂由四個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制機(jī)械爪開合(H)、升降(Y)、進(jìn)退(X)，旋轉(zhuǎn)(R)4個(gè)自由度。圖中設(shè)有兩個(gè)包裝箱對(duì)應(yīng)優(yōu)質(zhì)、劣質(zhì)兩類茭白品級(jí)。包裝箱底各由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制左箱旋轉(zhuǎn)(B1)、右箱旋轉(zhuǎn)(B2)，達(dá)到茭白自動(dòng)、正反、毗鄰堆疊的要求。在旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的作用下包裝箱會(huì)根據(jù)茭白的粗細(xì)頭方向，判斷是否需要使箱體旋轉(zhuǎn)180°，從而使包裝箱中同一層茭白的粗細(xì)頭朝向一致。根據(jù)茭白的長(zhǎng)度及包裝的要求確定包裝箱尺寸。根據(jù)茭白的寬度，確定機(jī)械爪的開、合尺寸分別為70 mm和15 mm。6個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂根據(jù)分級(jí)結(jié)果將單根茭白放入對(duì)應(yīng)的包裝箱中，待包裝箱裝滿后可直接打包運(yùn)輸。控制Y軸方向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)需具備抱閘功能，防止斷電后機(jī)構(gòu)受重力影響產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其他電機(jī)滿足力矩和速度要求即可。

圖4 茭白分揀包裝模塊Fig.4 Sorting and packing module for Zizania

根據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，升降動(dòng)作與機(jī)械爪開合動(dòng)作是分動(dòng)的，進(jìn)退動(dòng)作與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，故茭白整個(gè)分揀包裝時(shí)間

t(x,y)=tH+tY(y)+max(tR,tX(x))

(1)

式中：tH——機(jī)械爪開合時(shí)間；

tR——機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)時(shí)間；

tY——機(jī)械臂升降時(shí)間(Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間)，受y坐標(biāo)的影響；

tX——機(jī)械臂進(jìn)退時(shí)間(X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間)，受x坐標(biāo)的影響。

由式(1)知，為提高設(shè)備分揀包裝的時(shí)效，需盡量減少機(jī)械臂各自由度的時(shí)間，且需注意tR，tX之間的時(shí)間協(xié)調(diào)。

3 設(shè)備控制系統(tǒng)及品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)研究

3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

鑒于茭白自動(dòng)分級(jí)分揀包裝設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，選用研華科技ARK-3520P型號(hào)的工控機(jī)。該款工控機(jī)是i7處理器，WIN7 64位操作系統(tǒng)，具備靈活的擴(kuò)展PCI，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適宜長(zhǎng)時(shí)間工作。工控機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備整體運(yùn)動(dòng)控制和圖像識(shí)別品質(zhì)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)三大模塊的信號(hào)傳遞和閉環(huán)控制，完成設(shè)備啟動(dòng)、分料、傳輸、分級(jí)、分揀包裝、停機(jī)及報(bào)警燈和顯示屏的控制功能等。運(yùn)動(dòng)控制卡作為硬件交互核心[22]，根據(jù)各激光傳感器反饋信息，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)動(dòng)作有序進(jìn)行。根據(jù)品級(jí)結(jié)果指導(dǎo)分揀包裝流程，規(guī)整機(jī)構(gòu)的激光傳感器檢測(cè)到茭白后進(jìn)行茭白夾正居中，從品質(zhì)信息隊(duì)列得到品質(zhì)信息，計(jì)算茭白放置的箱號(hào)和位置，機(jī)械臂收到信息后完成茭白的分揀和裝箱動(dòng)作。

上料機(jī)構(gòu)的振動(dòng)電機(jī)通過調(diào)速器間接控制，調(diào)速器預(yù)設(shè)定速度后，工控機(jī)控制其振動(dòng)。規(guī)整機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)采用正負(fù)限位反饋，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器預(yù)設(shè)定轉(zhuǎn)速，工控機(jī)控制其正反向運(yùn)動(dòng)?？刂屏鞒虉D如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 Control flow graph

3.2 品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)

該設(shè)備集成了基于機(jī)器視覺的茭白品質(zhì)分級(jí)算法，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)茭白大小、形狀、顏色、局部區(qū)域特征、病蟲害情況和老化程度等表型特征進(jìn)行品質(zhì)分級(jí)。選用邁德威視MV-GE200GC-T型號(hào)的工業(yè)相機(jī)，分辨率為1 600×1 200，RJ45千兆以太網(wǎng)接口，適用WINXP、WIN7/8/10 32&64位系統(tǒng)、Linux和ARM Linux驅(qū)動(dòng)等操作系統(tǒng)。如圖3中，工業(yè)相機(jī)安裝在傳輸帶的正上方，調(diào)整合適的高度以獲得最好的視覺效果。工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)進(jìn)行通訊，相機(jī)采集的圖片傳給工控機(jī)，輸入到品質(zhì)分級(jí)模型，分級(jí)模型提取待檢測(cè)圖像的深度特征，從而確定茭白所屬等級(jí)，并將分級(jí)的結(jié)果傳給傳感器，指導(dǎo)機(jī)械臂的后續(xù)操作。

品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)的軟件部分主要分為數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建、訓(xùn)練模型的搭建及算法部署與運(yùn)行，如圖6所示。在基本完成組裝的茭白分揀裝備上，啟動(dòng)視覺系統(tǒng)，模擬裝備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)、手工放置茭白在圖像采集區(qū)域，使用工業(yè)相機(jī)拍攝視野中的茭白圖像，且保證采集圖像過程中的分辨率。采集完成的數(shù)據(jù)集中，根據(jù)人工分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，給對(duì)應(yīng)的圖像賦予優(yōu)質(zhì)、劣質(zhì)的標(biāo)簽。將其中90%作為訓(xùn)練集，10%作為測(cè)試集。

圖6 茭白品質(zhì)分級(jí)示意圖Fig.6 Schematic diagram of Zizania quality classification

應(yīng)用Facebook開源的深度學(xué)習(xí)框架Pytorch實(shí)現(xiàn)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。將被廣泛使用的特征提取網(wǎng)絡(luò)ResNet作為模型的主干網(wǎng)絡(luò)，考慮算法模型運(yùn)行環(huán)境為邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一個(gè)輕量級(jí)18層的ResNet二分類模型，模型輸入是茭白圖像，輸出為圖像中茭白的等級(jí)。使用訓(xùn)練集訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)輸入圖像中茭白的優(yōu)劣，最終在測(cè)試集的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到95.62%以上。保存此時(shí)模型的權(quán)重，以部署到邊緣計(jì)算設(shè)備上。

在裝備運(yùn)行過程中，當(dāng)傳送帶將茭白送至圖像采集區(qū)域時(shí)，觸發(fā)拍照信號(hào)，工業(yè)相機(jī)對(duì)其正下方的茭白采集一幀圖像作為視覺算法的輸入。在輸入深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，包括分辨率變換至512×512，直方圖均衡化等。將變換后的圖像輸入基于ResNet18的輕量級(jí)二分類模型，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果1或0，即代表對(duì)應(yīng)茭白品質(zhì)的等級(jí)為優(yōu)與劣，將此信息傳送至機(jī)械臂，指導(dǎo)其將當(dāng)前茭白放至指定位置。

3.3 機(jī)械臂協(xié)同控制

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)為四軸聯(lián)動(dòng)方式，通過協(xié)調(diào)機(jī)械爪開合(H)、升降(Y)、進(jìn)退(X)、旋轉(zhuǎn)(R)4個(gè)自由度的配合運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定高效完成茭白分揀包裝動(dòng)作。以機(jī)械臂升降運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例進(jìn)行分析，已知機(jī)械臂垂直運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量m=2.32 kg，齒輪分度圓半徑r=22.5 mm，垂直運(yùn)動(dòng)需滿足豎直方向最大加速度a=1 m/s2，最大速度v=1 m/s。電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

(2)

電機(jī)負(fù)載最大時(shí)為帶動(dòng)機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到1 m/s2加速度的瞬間，此時(shí)電機(jī)需要承受外力

F=m×g+m×a=25.056 N

(3)

電機(jī)提供力矩

(4)

乘以安全系數(shù)S=2，電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)需要提供2M=1.128 N·m力矩。參考圖7中的步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線可知選擇CL57 57CME21X型號(hào)步進(jìn)電機(jī)，在DC36V供電下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為424 r/min時(shí)可提供1.4 N·m力矩，可以滿足使用需求。

圖7 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖Fig.7 Torque frequency characteristic diagram of stepping motor

機(jī)械臂4個(gè)自由度正方向如圖4所示，H軸最大(最小)位置代表手臂完全張開(閉合)，Y軸最大位置略高于規(guī)整槽上茭白的最高點(diǎn)，最低位置可達(dá)包裝箱底部，X軸最大(最小)位置可達(dá)包裝箱內(nèi)前(后)邊緣，R軸最大(最小)位置為機(jī)械臂相對(duì)圖4位置向左(右)轉(zhuǎn)動(dòng)90°。圖4為各軸起始位置，表1為各軸最大、最小和起始位置坐標(biāo)值。

表1 各軸起始位置及極限位置坐標(biāo)Tab.1 Initial and limit position coordinates

如圖8、圖9為將茭白從后規(guī)整槽分揀至右側(cè)B2箱，X=150 mm，Y=250 mm位置時(shí)，各軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)的位置、速度隨時(shí)間變化的曲線。各軸均為勻加速運(yùn)動(dòng)，在速度拐點(diǎn)處，由運(yùn)動(dòng)控制卡自動(dòng)調(diào)節(jié)加速度，避免在此點(diǎn)出現(xiàn)過大加速度現(xiàn)象。

圖8 四軸機(jī)械臂位置曲線Fig.8 Position curve of four-axis manipulator

圖9 四軸機(jī)械臂速度曲線Fig.9 Speed curve of four-axis manipulator

圖8中，在0～0.6 s時(shí)間內(nèi)，Y軸與H軸協(xié)作，機(jī)械臂夾爪抓起茭白。在0.6～1.4 s時(shí)間內(nèi)，X軸與R軸協(xié)作，機(jī)械臂向右側(cè)旋轉(zhuǎn)，且X軸從中間位置(230 mm)向150 mm位置運(yùn)動(dòng)，1.4 s時(shí)機(jī)械臂已完全轉(zhuǎn)至初始位置右側(cè)。在1.4～2.1 s時(shí)間內(nèi)，Y軸與H軸協(xié)作，將機(jī)械臂抓起的茭白放至X=150 mm，Y=250 mm位置。在2.1～2.7 s時(shí)間內(nèi)，Y軸與X軸協(xié)作，使兩軸同時(shí)回到起始位置。當(dāng)時(shí)間為2.7 s時(shí)，Y軸已達(dá)最高點(diǎn)，高于箱壁高度。在2.7～3.5 s時(shí)間內(nèi)，R軸回到起始位置。至此，完成一次分揀裝箱動(dòng)作。

4 試驗(yàn)與分析

桐鄉(xiāng)市氣候溫暖濕潤(rùn)、生態(tài)良好，是我國(guó)茭白盛產(chǎn)地之一，桐鄉(xiāng)市“董家茭白”已入選嘉興首批名牌農(nóng)產(chǎn)品?，F(xiàn)階段仍以人工進(jìn)行茭白的分級(jí)、分揀和包裝，工作現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。為保證茭白鮮嫩可口，每年春秋兩季茭白成熟后會(huì)亟需大量的勞動(dòng)力來盡快完成茭白的分揀包裝。圖中均是年齡較大的工作人員，這正是目前農(nóng)村勞動(dòng)力的真實(shí)情況，勞動(dòng)力數(shù)量不足，且老齡化嚴(yán)重，工作時(shí)長(zhǎng)和工作效率都無(wú)法持續(xù)保證。

圖10 茭白人工分揀現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Sorting scene of Zizania by labour

茭白采收后獨(dú)立成根，外有莖葉包裹，為便于包裝運(yùn)輸，農(nóng)戶將其切割成同等長(zhǎng)度。根據(jù)農(nóng)戶對(duì)茭白的品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一般分為優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)兩大類。優(yōu)質(zhì)茭白形狀規(guī)則，肉質(zhì)肥厚，局部區(qū)域特征明顯，如圖11所示。劣質(zhì)茭白一般有老化、形狀不規(guī)則、病蟲害與尺寸過小等各種不同的情況，如圖12所示。

圖11 優(yōu)質(zhì)茭白樣品Fig.11 Good Zizania

(a)老化

采用如圖13所示的樣機(jī)，對(duì)11月份桐鄉(xiāng)市董家合作社雙季茭白進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)、分揀測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖14所示，主要是對(duì)茭白分揀包裝的效率及品質(zhì)分級(jí)的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)。

圖13 茭白自動(dòng)分級(jí)包裝樣機(jī)Fig.13 Prototype of automatic sorting and packaging of Zizania

圖14 樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.14 Prototype test graph

由于茭白置于包裝箱中的位置不同，機(jī)械臂的Y軸和X軸運(yùn)動(dòng)距離會(huì)有較大差別，會(huì)導(dǎo)致每根茭白的分揀時(shí)間略有不同。最上層茭白的分揀時(shí)間相較最底層甚至?xí)嗖?.5 s左右。故為取得設(shè)備的平均分揀效率，需以整箱茭白為單位，記錄一整箱茭白分級(jí)包裝的時(shí)長(zhǎng)，然后除以整箱茭白數(shù)量獲得平均效率。為避免茭白被分揀到不同包裝箱導(dǎo)致的位置不同引起的時(shí)間誤差，試驗(yàn)選定相同品質(zhì)的茭白進(jìn)行試驗(yàn)。選定10箱優(yōu)質(zhì)茭白，每箱有茭白72根，試驗(yàn)時(shí)暫時(shí)關(guān)閉品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)，指定所有茭白放入優(yōu)質(zhì)包裝箱中。品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)的暫停不會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)楣I(yè)相機(jī)的拍照及品質(zhì)模型處理時(shí)長(zhǎng)都是毫秒級(jí)的，是隨著傳輸帶上茭白運(yùn)輸同時(shí)進(jìn)行的，并不會(huì)延長(zhǎng)整個(gè)硬件運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)設(shè)備包裝箱的大小，分揀包裝后的整箱茭白共8層，一層為9根且頭尾一致，每層茭白頭尾交替放置。待完成以上試驗(yàn)準(zhǔn)備后，人工將每箱優(yōu)質(zhì)茭白頭尾一致的放入上料箱，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定，點(diǎn)擊顯示屏上的“開始”，設(shè)備開始工作，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄整箱茭白分揀的時(shí)長(zhǎng)。按此試驗(yàn)步驟，共進(jìn)行10箱茭白分揀包裝效率測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果記錄如表2所示。

表2 茭白分揀包裝試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of Zizania packaging

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)10箱優(yōu)質(zhì)茭白的測(cè)試結(jié)果顯示分級(jí)包裝效率平均為3.04 s/根，每箱分揀的總時(shí)間誤差在±20%以內(nèi)。茭白自動(dòng)分級(jí)分揀設(shè)備類似流水線工作模式，時(shí)間取決于最耗時(shí)環(huán)節(jié)的時(shí)長(zhǎng)。最耗時(shí)環(huán)節(jié)是機(jī)械臂分揀包裝的時(shí)長(zhǎng)，茭白分揀至箱中不同位置的耗時(shí)可由圖8、圖9的協(xié)同運(yùn)動(dòng)關(guān)系推導(dǎo)出，對(duì)每個(gè)位置的分揀時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)并取總平均值，可知分揀包裝理論值為3 s/根。測(cè)試的平均效率基本和理論預(yù)測(cè)值相符。

再進(jìn)行茭白品質(zhì)分級(jí)的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)，需隨機(jī)選取10箱茭白，即有優(yōu)質(zhì)茭白也有劣質(zhì)茭白，每箱有茭白72根。設(shè)備操作跟上述試驗(yàn)類似，但此時(shí)需開啟品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)，設(shè)備正常運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)分揀。待每箱茭白分揀完成后，記錄每箱茭白分級(jí)錯(cuò)誤的茭白個(gè)數(shù)，再結(jié)合茭白總數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確率計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 茭白品質(zhì)分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of Zizania grading

表3中數(shù)據(jù)顯示設(shè)備品質(zhì)分級(jí)的準(zhǔn)確率為97.2%～100%，可見此基于機(jī)器視覺的ResNet18輕量級(jí)二分類模型在實(shí)際落地應(yīng)用中的效果良好。當(dāng)然也可將分類錯(cuò)誤的茭白圖像增加到模型的訓(xùn)練集合，進(jìn)一步優(yōu)化分級(jí)效果。

根據(jù)桐鄉(xiāng)市董家合作社實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，6名工人工作2.5 h，完成2 000 kg茭白的分級(jí)分揀裝箱工作，其人工分揀平均效率約3.3 s/根。盡管人工分揀效率與設(shè)備分揀相差不大，但人工每日正常工作時(shí)長(zhǎng)在8 h左右，設(shè)備正?？扇旃ぷ?，1臺(tái)設(shè)備的工作總量大于3人工作總量。另一方面，人工長(zhǎng)時(shí)間工作易疲倦導(dǎo)致分揀效率明顯降低，且易出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致分類錯(cuò)誤。此外，人工對(duì)優(yōu)質(zhì)、劣質(zhì)茭白判斷的主觀差異性會(huì)導(dǎo)致分類的不一致性。而自動(dòng)分揀包裝設(shè)備因其規(guī)范化、統(tǒng)一化，可有效避免這類差異性，并降低錯(cuò)誤率。采用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，利于建立統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中，識(shí)別的準(zhǔn)確性，分揀的穩(wěn)定性，均遠(yuǎn)優(yōu)于人工，因此在實(shí)際應(yīng)用中自動(dòng)分級(jí)分揀設(shè)備具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

1)針對(duì)人工進(jìn)行茭白分揀中存在的勞動(dòng)力不足、分揀效率不高，且分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不完全統(tǒng)一等問題，開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺的茭白自動(dòng)分級(jí)分揀包裝設(shè)備。利用ResNet18輕量級(jí)二分類模型實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)質(zhì)茭白、劣質(zhì)茭白的品質(zhì)分級(jí)，識(shí)別準(zhǔn)確率為95.62%。且設(shè)備分揀包裝效率為3 s/根。滿足自動(dòng)分級(jí)分揀設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)茭白品質(zhì)等級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率及分揀效率的要求。

2)試驗(yàn)中，品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率97.2%～100%，可增加訓(xùn)練集進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。試驗(yàn)是在單傳輸帶、單機(jī)械臂情況下進(jìn)行，可通過增加傳送帶和機(jī)械臂數(shù)量，并行處理提高分揀效率，或采用機(jī)械臂以外的分揀方式來提高裝備的分揀包裝效率。

3)設(shè)備通過機(jī)器視覺技術(shù)，自動(dòng)對(duì)茭白品質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)分級(jí)，減少人工分類差異性和疲勞失誤率，利于建立統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有助于形成標(biāo)準(zhǔn)化的茭白分級(jí)產(chǎn)品?？梢?，自動(dòng)分級(jí)分揀設(shè)備替代人工分揀包裝是必然的趨勢(shì)，是我國(guó)未來茭白集約化、規(guī)?；⒅悄芑a(chǎn)的發(fā)展方向。