種子精選自動化系統的製作方法
2023-05-01 00:09:41 1
專利名稱：種子精選自動化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用計算機視覺技術的自動化控制系統，特別是一種用於農業的種子精選自動化系統。
背景技術：
隨著我國加入WTO和種子貿易全球化的發展，優良品種的優質種子是衝破種子貿易壁壘，在競爭中取勝，是中國種子走向世界的基本保證。《國際種子檢驗規程》序言中有這樣一段話「農業上最大的威脅之一是播下的種子沒有生產潛力，不能使所栽培的品種獲得豐收。種子檢驗工作是為了在播種前評定種子質量，使這種風險降低到最低程度」。快速、可靠、高自動化的種子精選裝置是我國種業發展中急需解決的關鍵問題之一。
傳統的種子品質檢測主要以清選為主，通過篩筒方式可以有效去除雜渣、碎裂，但是該種方式不能有效地對種子精選與分級；傳統的以實驗室技術為主的生物學檢驗方法，雖然可以對種子精選與分級，但是不能滿足要對每一粒種子進行檢驗的要求，同時，該方法很難實現實時性的操作，而現代農業技術要求種子作為農業增收的第一關，應保品種、保大小、保形態、保出苗，這就需要對種子進行逐粒檢驗以達到農業增收的目的。
傳統的對種子進行檢驗所採用的機器視覺主要是獲得種子的表面信息，而種子的內在品質、生物學特徵是很難通過表層信息獲得的，在國家《農作物種子質量標準》(GB 4404.1-4407.1-16715.1-1996)中目前還沒有基於機器視覺的檢測規範與標準。
以生化鑑定和遺傳標記鑑定為主的生物學檢測方法，一方面要求很高的實驗技能、精密的實驗設備，另一方面主要是接觸式的破壞性檢驗，只有少部分抽樣在實驗室進行品種鑑定，不能滿足每一粒種子的檢驗要求，很難實現實時性的操作。
而計算機視覺是研究用計算機模擬生物外形或宏觀視覺功能的科學技術，通過計算機實現人的視覺功能，對客觀世界三維場景的感知、識別和理解。計算機視覺是多學科的交叉和結合，涉及到數學、光學、人工智慧和信號處理等諸多學科，其應用於種子品質檢測的優勢在於計算機視覺技術具有人工智慧的功能，最適於對壞損面積、色澤變化的識別；計算機硬體設備與圖像採集設備價格不斷下降。易於成果的轉化。
發明內容
本發明要解決的問題在於，提供一種種子精選自動化系統，對種子進行逐粒實時檢測，檢測快速，自動化程度高；另外，還可以完成種子的實時檢測與分級，無需人工操作，節省人力，成本低廉。
上述要解決的技術問題通過以下的技術方案實現一種種子精選自動化系統，包括種子送料機構、傳送機構、平種機構、圖像採集機構、分級卸料機構、數據處理控制機構，其中，所述的傳送機構依傳動方向包括落種區、平種區、採集區、分級區，待精選的種子通過傳送機構的傳動，分別經過平種區、採集區、分級區；所述的種子送料機構通過其送料口將種子送到傳送機構上的落種區；所述的平種機構位於傳送機構上的平種區，用於將種子平均分布在傳送機構上；所述的圖像採集機構位於傳送機構上的採集區正上方，實時採集種子圖像，並將該圖像傳送給數據處理控制機構，經數據處理控制機構對圖像分割、轉換，實時分析處理，給出種子品質評價結果，確定分級信息，並將分級控制信息發送給分級卸料機構；所述的分級卸料機構與傳送機構上的分級區相對應，接收數據處理控制機構發送來的分級控制信息，將不同級別的種子分別卸料進入不同的接料箱。
待測種子通過送料機構送到傳送機構的落種區，落種區的種子在傳送機構的傳送下到達平種區，位於平種區的平種機構使種子按照一定的規律排列，符合採集的要求，當符合採集要求的種子隨傳送機構運行到採集區時，圖像採集機構採集種子圖像，並將該圖像信息送到數據處理控制機構，經過數據處理控制機構的處理，得到分級信息，當種子運行到分級區時，數據處理控制機構根據該分級信息控制分級卸料機構將不同級別的種子分別卸料到不同的接料箱內，完成種子的逐粒精選。
本發明所述的系統可以按要求多行、多粒的檢測視場中的種子，通過對高速運動背景中種子群體目標的多視頻採集、分離，快速、自動的獲得運動中的每一粒種子位置，完成種子的逐粒精選、分級，檢測快速、自動化程度高，並且檢測精度高。
圖1為本發明一實施例的系統簡圖；圖2為本發明一實施例的總體結構示意圖；圖3為圖2所示總體結構示意圖的側視圖；圖4為傳送帶的結構示意圖；圖5為送料機構的結構示意圖；圖6為平種機構的主視圖；圖7為平種機構的俯視圖；圖8為平種機構的局部示意圖；圖9為分級卸料機構的結構示意圖；圖10為分級卸料機構的局部示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。
參見圖1，為本發明一實施例的系統簡圖，種子精選自動化系統包括傳送機構1、送料機構2、平種機構3、圖像採集機構4、分級卸料機構5、數據處理控制機構6，其具體的總體結構示意圖如圖2、圖3所示，其中，圖3為圖2的側視圖。
所述的傳送機構1包括電機11、傳送帶12及傳送帶支架13；所述的傳送帶支架13為一梯形結構，位於系統的工作檯7上，該梯形傳送帶支架13的上、下底邊與工作檯7平行；所述電機11位於系統的工作檯7下，在該梯形傳送帶支架13的兩個底角上各有一個皮帶輪14，電機11與皮帶輪14通過皮帶傳動帶動傳送帶12運動。
為了控制傳送帶12的速度，本實施例中的電機為調速電機，還包括調速控制裝置，該調速控制裝置可以為各種調速控制器，在本施例中，為變頻器，所述變頻器的輸入與供電線路連接，輸出與電機的供電端連接，通過人為設定，可以實現電機的無級調速，傳送帶12運行平穩。
所述的傳送帶12如圖4所示，在傳送帶12上設置有分布均勻、用於逐粒嵌置待測種子的穴孔111，該穴孔111可以為多個，並按照一定的規律排列，在本實施例中，穴孔111在沿傳送帶12的寬度方向上均勻分布3行，多列，其中，每4列為一個採集機構，沿傳送帶運動方向的第一列為該採集機構的第一列，因此，對應於圖像採集機構，在傳送帶上的採集到的一幅圖像為3×4種子圖像區，同理，分級區也對應於一個採集機構。在傳送帶12的一側邊上與第一列穴孔111對應設有一個色標112，並且，在該側傳送帶支架13上對應採集區的第一列固定一用於拍攝傳感器630，在傳送帶12的對邊在兩列穴孔之間設有一色標1120，並且，在該側傳送帶支架13上對應採集區的第一列固定一起始拍攝傳感器631，對應分級區的前一列設置一分級傳感器632。
傳感器630在每經過一列種子就觸發一次，即對種子位置進行實時跟蹤。並給出每圈從第二幅到最後一幅圖像的拍攝信息。傳感器631觸發的同時接通傳感器630，傳感器每計數到4就觸發一次攝像頭，計數工作由PLC完成。
傳感器631在每圈只有一次觸發。當傳感器631接收到色標信號時，通過控制器PLC觸發攝像頭拍攝第一幅3×4種子圖像，即給出起始拍攝信號。
傳感器632在每圈只有一次觸發。當傳感器632接收到色標信號時，標誌著種子已經進入分級區，開始從微機裡提取種子級別信息，並通過控制器PLC進行分級。
所述的送料機構2的結構如圖5所示，包括下料漏鬥21、漏鬥支撐架22；所述的下料漏鬥21固定在漏鬥支撐架22上，其出料口211將待測種子送到傳送機構1的落種區，漏鬥支撐架22安裝在該系統的工作檯面上。
為了控制送料的速度，將出料口211設計成可以大小可調的結構，具體的結構如下所述下料漏鬥的出料口211的一側設有一個轉軸212，擋板213與轉軸212轉動連接，擋板213可以沿轉軸轉動，在漏鬥支撐架22上固定一擋板控制裝置，用於控制擋板213的轉動角度，以此來改變出料口211的大小。所述的擋板控制裝置包括一羅紋絲槓214，所述的羅紋絲槓214抵在出料口211的擋板213上，通過轉動羅紋絲槓214可使擋板213繞軸212轉動，以此來改變出料口211的大小，達到控制送料速度的目的。
所述的平種機構如圖6、圖7、圖8所示，平種機構包括平種器32和刷種器33，所述的平種器32包括轉軸321、套設在轉軸321上的海綿滾輪322及固定在轉軸321一端的皮帶輪323，所述的刷種器33包括轉軸331、套設在轉軸331上的帶毛刷滾輪332及固定在轉軸一端的皮帶輪333；所述的刷種器33和平種器33沿傳送機構1的傳動方向依次設置在平種區，並通過皮帶34帶動轉動。另外，為了防止從送料機構2送到傳送單1上的種子從傳送機構1的傳送帶上滑落，在傳送帶支架上設置一裝料盒31，所述的裝料盒31為沒有上、下底的立方體結構，其將落種區和平種區圍設在其中，所述的海綿滾輪半徑比海綿滾輪軸心到傳送帶表面距離大4mm，這樣才能使海綿滾輪在滾動中壓迫傳送帶表面以起到平整作用；所述的帶毛刷滾輪的毛刷與傳送帶的上表面距離1-2mm，用於刷去多餘的種子。
其中，種子落入空穴一是靠種子自身重力在下滑過程中滾入穴中(前面所說的梯形結構中送料機構2與水平方向有傾角，此傾角剛好使種子在重力下滾動)；二是毛刷滾輪在工作中也有助於種子下滑，落入穴孔。海綿滾輪的作用是將落入孔穴的種子撫平，使種子達到最佳拍照姿態，為下一機構圖像攝取做準備。
所述的圖像採集機構5垂直固定在梯形傳送帶的上方，包括CCD彩色攝像頭41及其支架42，所述的CCD彩色攝像頭41垂直固定在梯形傳送帶12採集區的上方，用來實時拍攝種子圖像。另外，為了止拍攝過程中出現陰影還包括照明裝置，如照明燈43。
分級卸料機構5的結構如圖9、圖10所示，包括固定在傳送帶支架13上表面的上壓板51與下表面的下壓板52，在上壓板51上設有一個以上的收料孔511(3行4列共計12個)，每一個收料孔511與收料管53的一端連接，收料管53的另一端與接料箱(見圖2)連接；下壓板52上設有一個以上的噴氣孔521，所述的每一噴氣孔521通過吹嘴54與一氣管55連接，所述的氣管55通過電磁閥56與壓縮氣筒(圖中未示出)連接，所述的收料孔511、傳送帶上的穴孔111、噴氣孔521中心相對。其中，上壓板51與機構支架通過四個邊角的孔用螺栓連接，螺栓中間有彈簧，用以調節上壓板和傳送帶之間的距離，傳送帶在上、下壓板之間穿行。另外，為了防止個別小的種子在經過下分級區時落入噴氣孔中，將所述的下壓板52分為兩層，在這兩層之間加上一層鋼絲網57，網格的大小以不影響氣流通過為準。
PLC控制電磁閥56的開啟，當傳感器632接通時，標誌著種子進入分級區，這時傳感器630每經過一次色標就提取3個種子級別數，到其相應級別時實施吹離。開啟的時間由色標的寬度決定，因此電磁閥開啟時間可以調節。由色標的位置可知，當傳感劇630接收到色標信號的過程就是傳送帶孔通過上、下壓板孔的時刻。
上壓板51每一列的種子有3個，每一次讀取的3個級別數分別對應此排的3個種子。對於同一列中的3粒種子，因其處於3個不同的行中，可以通過程序設定，以行為標誌，不同行的種子在吹離過程中互不幹涉，每一行的種子都要經過4個級別的吹離區，不會漏掉。
在本實施例中，所述的數據處理控制機構6包括計算機61、PLC 62、傳感器63，所述的傳感器63為用於拍攝傳感器630，用於表示起始拍攝的傳感器631，用於表示分級的傳感器632。
傳感器的信號傳遞給PLC，再由PLC實施對電磁閥、攝像頭等的控制。計算機與PLC之間通過串口通訊進行數據交換，即由計算機將種子級別信息傳遞給PLC。
計算機61接收圖像採集機構4發送來的數據，進行圖像的分割、轉換，實時分析處理，給出種子品質評價結果，確定分級信息，並根據分級信息向PLC62發出分級控制信息。
為了對本系統的工作進行控制，還設有總控開關，用於控制系統的起動、停止。
本實施例的工作過程如下當按下總控開關，調速電機起動，並按照設定速度勻速轉動，調速電機拖動固定在梯形支撐架上的傳送帶作勻速運動。如要檢測時，種子經送料機構的漏鬥輸送到平種機構的裝料盒內，落到傳送帶上，根據傳送帶的速度，調整羅紋絲槓可使出料口的擋板繞軸轉動，以此來改變出料口的大小，達到控制送料速度的目的。
位於裝料盒內的一個皮帶輪與傳送帶的皮帶輪、海綿滾輪和帶毛刷滾輪構成一個皮帶傳動機構，當電機轉動時，帶動傳送帶的皮帶輪轉動，帶動該皮帶傳動機構動作，則海綿滾輪和帶毛刷滾輪開始轉動。當種子從送料機構落下時，種子靠自身重力在下滑過程中滾入穴中，毛刷滾輪在工作中也有助於種子下滑，落入穴孔。海綿滾輪在滾動過程中將落入孔穴的種子撫平，使種子達到最佳拍照姿態，為下一機構圖像攝取做準備。
當帶有種子的穴孔通過採集區時，傳感器631接收到色標信號時，將該信號發送給控制器PLC，PLC觸發攝像頭拍攝第一幅3×4種子圖像，即給出起始拍攝信號。傳感器630在每經過一列種子就向PLC發送一次信號，即對種子位置進行實時跟蹤，當PLC計數到4時就觸發一次攝像頭，開始第二幅種子圖像的拍攝。
計算機接受攝像頭髮送來的圖像信息，並對該數據進行圖像分割、轉換，實時分析處理，通過種子的形狀、大小、色澤及損傷程度等品質特徵給出種子品質評價結果。當傳感器632接收到色標信號時，標誌著種子已經進入分級區，計算機將該分級控制信息發送給PLC，PLC根據該信息控制與該分級信息相符合的電磁閥，啟動氣動機構，通過高速氣動噴頭將種子噴入收料口。
其中，精選分級的控制算法原理如下給每一個電磁閥都分配一個單字節地址，則本課題12個電磁閥對應於12個地址，電磁閥輸出與地址對應圖如表1將12個電磁閥按順序分為4個級別，與種子級別相對應，則每一個級別有3個電磁閥，分別將電磁閥與相應地址置1位相連接，則當地址位輸入為高電平1時，電磁閥接通，將種子吹離。
表1
以第一行的四個級別為例若取出的種子級別為一級，則一級電磁閥地址首位置1，其餘級別首位置0；若取出的種子級別為二級，則二級電磁閥地址首位置1，其餘級別首位置0；若取出的種子級別為三級，則三級電磁閥地址首位置1，其餘級別首位置0；若取出的種子級別為四級，則四級電磁閥地址首位置1，其餘級別首位置0。第二行、第三行電磁閥同理。
取數脈衝信號由色標傳感器630發出，每過一排種子，就產生一個脈衝，取出三個級別數，同時電磁閥的地址位向左移動一位，當電磁閥的地址位變為高電平1時，電磁閥接通，則種子一定是被其相應級別電磁閥吹離的。
另外，PLC通過改變變頻器的參數來改變傳送帶的速度，目的是為了通過試驗得出傳送帶在不同的速度下種子孔穴的填充率，由經驗可知，傳動帶速度越快，則填充率越低。另外，在不考慮填充率的情況下，提高傳送帶的速度可以提高整個系統的效率。由於攝像頭的採集速度非常快，每秒鐘50次左右，因此，改變傳送帶的速度不會影響圖像的採集速度，不用改變圖像採集的速度。
最後所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種種子精選自動化系統，其特徵在於，包括種子送料機構、傳送機構、平種機構、圖像採集機構、分級卸料機構、數據處理控制機構，其中，所述的傳送機構依傳動方向順次為落種區、平種區、採集區、分級區，待精選的種子通過傳送機構的傳動，分別經過平種區、採集區、分級區；所述的種子送料機構通過其送料口將種子送到傳送機構上的落種區；所述的平種機構位於傳送機構上的平種區，用於將種子平均分布在傳送機構上；所述的圖像採集機構位於傳送機構上的採集區正上方，實時採集種子圖像，並將該圖像傳送給數據處理控制機構，經數據處理控制機構對圖像分割、轉換，實時分析處理，給出種子品質評價結果，確定分級控制信息，並將分級控制信息發送給分級卸料機構；所述的分級卸料機構與傳送機構上的分級區相對應，接收數據處理控制機構發送來的分級控制信息，在分級區將不同級別的種子分別卸料進入不同的接料箱。
2.根據權利要求1所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的種子送料機構包括下料漏鬥、漏鬥支撐架；所述的下料漏鬥固定在漏鬥支撐架上，其出料口與傳送機構上的落種區相對應，將待測種子送到傳送機構上的落種區。
3.根據權利要求2所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述下料漏鬥的出料口的一側通過轉軸與擋板連接，在出料口外對應擋板的擋面設置一擋板控制裝置，所述的擋板控制裝置包括一羅紋絲槓，所述的羅紋絲槓抵在出料口的擋板上，通過轉動羅紋絲槓可使擋板繞軸轉動，以此來改變出料口的大小。
4.根據權利要求1所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的傳送機構包括電機、傳送帶及傳送帶支架；所述的傳送帶支架為一梯形結構，位於系統的工作檯上，該梯形結構的傳送帶支架的上、下底邊與工作檯平行；所述電機位於系統的工作檯下，通過皮帶傳動帶動位於傳送帶支架上的傳送帶勻速運動；所述的傳送帶上設置有均勻分布的穴孔，該穴孔用於逐粒嵌置待測種子。
5.根據權利要求4所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的電機為調速電機，所述的傳送機構還包括電機調速控制機構，用於控制電機的轉速。
6.根據權利要求5所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的電機調速控制機構為變頻器，所述變頻器的輸入與供電線路連接，輸出與電機的供電端連接，用於電機的無級調速。
7.根據權利要求1所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的平種機構包括平種器和刷種器，所述的平種器包括轉軸、套設在轉軸上的海綿滾輪及固定在轉軸一端的皮帶輪，所述的刷種器包括轉軸、套設在轉軸上的帶毛刷滾輪及固定在轉軸一端的皮帶輪；所述的刷種器和平種器沿傳送機構的傳動方向依次設置，並通過皮帶帶動轉動。
8.根據權利要求1所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的圖像採集機構垂直固定在梯形傳送帶的上方，包括CCD攝像頭及其支架，所述的CCD彩色攝像頭垂直固定在梯形傳送帶採集區的上方，用來實時拍攝種子圖像。
9.根據權利要求2所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的分級卸料機構包括位於傳送帶上表面、設有一個以上的收料孔的上壓板，位於傳送帶下表面、設有一個以上的噴氣孔的下壓板，上壓板與傳送帶支架通過孔用螺栓連接，螺栓中間設有彈簧，用以調節上壓板和傳送帶之間的距離，傳送帶在上、下壓板之間穿行，每一個收料孔與收料管的一端連接，收料管的另一端與接料箱連接；在下壓板上對應每一噴氣孔處設有網，且每一噴氣孔與一氣管連接，所述的氣管通過電磁閥與壓縮氣筒連接，所述的收料孔、傳送帶上的孔穴、噴氣孔中心相對。
10.根據權利要求1-9任一所述的種子精選自動化系統，其特徵在於，所述的數據處理控制機構包括計算機、PLC、一個以上傳感器，所述的計算機通過RS232與PLC實時通信，所述的PLC的輸入分別與一個以上的傳感器的數據端連接，輸出端分別與圖像採集機構、傳送機構、分級卸料機構連接，PLC接收傳感器發送的信號，控制圖像採集機構進行圖像採集，計算機接收圖像採集機構發送來的數據，進行圖像的分割、轉換，實時分析處理，給出種子品質評價結果，確定分級控控制信息，並向PLC發出分級控制信息；PLC根據該分級控制信息控制分級卸料機構進行分級卸料。
全文摘要
本發明公開了一種種子精選自動化系統，包括種子送料機構、傳送機構、平種機構、圖像採集機構、分級卸料機構、數據處理控制機構，其中，所述的傳送機構依傳動方向順次為落種區、平種區、採集區、分級區，所述的種子送料機構將種子送到傳送機構上的落種區；所述的平種機構用於將種子平均分布在傳送機構上；所述的圖像採集機構位於傳送機構上的採集區正上方，實時採集種子圖像，並將該圖像傳送給數據處理控制機構，經數據處理控制機構對圖像實時分析處理，將分級控制信息發送給分級卸料機構；本發明通過對高速運動背景中種子群體目標的多視頻採集，自動獲得運動中每一粒種子位置，完成種子的逐粒精選、分級，檢測快速、自動化程度高，檢測精度高。
文檔編號A01C1/00GK1586136SQ20041007803
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月20日 優先權日2004年9月20日
發明者李偉, 袁立, 蔡衛國, 荀一 申請人:中國農業大學