本實(shí)用新型涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域,具體的說是一種基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測裝置。

背景技術(shù)：

為了提高我國玉米聯(lián)合收獲機(jī)的收獲質(zhì)量，降低機(jī)械脫粒及其它因素造成的玉米籽粒破碎，提升對玉米籽粒破碎率在線監(jiān)控能力，及時動態(tài)的對聯(lián)合收獲機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測，確保玉米籽粒破碎率低于某一閾值，從而保證玉米籽粒的收獲質(zhì)量。

較低的玉米籽粒破碎率，不僅降低了玉米籽粒收獲時，因籽粒太小而造成的浪費(fèi)，還有利于后期玉米籽粒倉儲及玉米育種，因?yàn)槠扑榈挠衩鬃蚜?，在破碎部位易于吸收水分，在倉儲中有利于細(xì)菌的繁殖，從而導(dǎo)致糧倉中大量的玉米籽粒發(fā)生霉變。

我國農(nóng)機(jī)目前的智能檢測技術(shù)水平相對有限，針對玉米籽粒破碎率在線檢測的相關(guān)裝置較少，相關(guān)研究學(xué)者關(guān)于破碎玉米籽粒檢測，主要集中于離線的育種檢測，并且育種檢測中的破碎情況，主要針對于單個或少量的玉米籽粒進(jìn)行研究分析，不能滿足對較多破碎玉米籽粒的情況進(jìn)行監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對玉米籽粒破碎率在線檢測較難的問題，本實(shí)用新型的目的在于提出一種基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測方法及裝置，并且該裝置具有檢測速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活性好，精度較高的特點(diǎn)，同時本實(shí)用新型彌補(bǔ)了我國玉米籽粒破碎率在線檢測裝置中存在的不足，對我國農(nóng)機(jī)智能檢測技術(shù)的發(fā)展具有推動作用，為我國加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的智能化，具有積極意義。本裝置安裝在收割機(jī)糧箱中。

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測裝置，包括：

檢測箱體單元，包括箱體以及從上至下依次安裝的分流模塊、篩板層、封閉空間模塊；用于對接收的玉米籽粒進(jìn)行分流過濾、提供圖像采集所需的封閉空間；

圖像采集單元，包括工業(yè)CCD相機(jī)、光源，均安裝在封閉空間模塊內(nèi)；工業(yè)CCD相機(jī)連接圖像處理單元；用于采集封閉空間模塊內(nèi)的玉米籽粒原始圖像并輸出給圖像處理單元；

圖像處理單元，為DSP芯片，連接數(shù)據(jù)傳輸單元；用于對玉米籽粒原始圖像進(jìn)行處理提取玉米籽粒原始圖像的邊緣輪廓、提取破碎玉米籽粒輪廓特征，并輸出給數(shù)據(jù)傳輸單元；

數(shù)據(jù)傳輸單元，為STM32F4嵌入式開發(fā)板，采用CAN總線連接車載計(jì)算控制及顯示單元，進(jìn)行發(fā)送和接收存儲數(shù)據(jù)；

車載計(jì)算控制及顯示單元，分別連接檢測箱體單元、圖像處理單元，用于驅(qū)動和控制上述各單元工作，以及將破碎玉米籽粒輪廓特征與破碎玉米籽粒特征模板進(jìn)行匹配，識別破碎玉米籽粒；從而計(jì)算出破碎玉米籽粒的個數(shù)、玉米籽粒破碎率，實(shí)現(xiàn)玉米籽粒破碎率實(shí)時在線檢測。

所述分流模塊，位于檢測箱體單元的頂部，包括：上層引流料斗、下層分流料斗，該上層引流料斗與下層分流料斗通過連接件相連，上層引流料斗的底部開有入料口，下層分流料斗的頂部開有入料口，所述上層引流料斗的入料口的開口大于下層分流料斗的入料口的開口；以便一部分玉米籽粒經(jīng)下層分流料斗的入料口落在篩板層上，另一部分玉米籽粒經(jīng)下層分流料斗的斜面分流至收割機(jī)糧箱。

所述篩板層，位于分流模塊下方。用于通過對落在篩板層的玉米籽粒過篩，實(shí)現(xiàn)分流及減小單位時間內(nèi)到達(dá)封閉空間模塊內(nèi)的玉米籽粒數(shù)量；

所述封閉空間模塊，包括頂層轉(zhuǎn)板、底層轉(zhuǎn)板以及控制上述兩個轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)的電機(jī)；頂層轉(zhuǎn)板與底層轉(zhuǎn)板安裝在檢測箱體單元內(nèi)；車載計(jì)算控制及顯示單元連接頂層轉(zhuǎn)板、底層轉(zhuǎn)板的電機(jī)；所述頂層轉(zhuǎn)板、底層轉(zhuǎn)板在電機(jī)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)豎直狀態(tài)和水平狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)使玉米籽粒通過和釋放，以及旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)承載玉米籽粒；當(dāng)頂層轉(zhuǎn)板在電機(jī)的控制下處于豎直狀態(tài)、底層轉(zhuǎn)板在電機(jī)的控制下處于水平狀態(tài)時，玉米籽粒通過頂層轉(zhuǎn)板并落在處于水平狀態(tài)的底層轉(zhuǎn)板上；當(dāng)?shù)讓愚D(zhuǎn)板在電機(jī)的控制下處于豎直狀態(tài)時，玉米籽粒卸出封閉空間模塊進(jìn)入到收割機(jī)糧箱中，完成一次玉米籽粒破碎率在線檢測；

所述底層轉(zhuǎn)板的上表面為凹槽結(jié)構(gòu)，其朝上表面上規(guī)則排列有若干個防止玉米籽粒堆疊的凹點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)籽粒單層化。

本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型采用機(jī)器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)，對破碎玉米籽粒進(jìn)行識別和模板匹配，具有較快的檢測速度，在保證實(shí)時檢測的同時，也能夠保證較高的精度。

2、本實(shí)用新型采用最直觀的視覺檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米籽粒的在線檢測，同時在線檢測時具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，并且工業(yè)相機(jī)成本相對低廉，滿足經(jīng)濟(jì)性需求。

3、本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，空間體積小，便于安裝，內(nèi)部具有篩板層，用于減弱玉米籽粒對下部圖像采集裝置的沖擊，具有緩沖的作用，并且在裝置內(nèi)部有頂層轉(zhuǎn)板和底層轉(zhuǎn)板，通過對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制，使兩板之間能夠形成相對封閉的空間，便于圖像的采集，在采集圖像一定時間后，兩板由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，釋放掉已采集的實(shí)驗(yàn)樣品，允許下一批次樣品進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)玉米籽粒的動態(tài)監(jiān)測。

4、本實(shí)用新型具有易護(hù)、易實(shí)施，檢測速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度較高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測工作流程示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的檢測裝置中的圖像采集和處理模塊的原理示意圖；

圖3為本實(shí)用新型的檢測裝置分流模塊圖；

圖4為本實(shí)用新型的檢測裝置箱體裝配圖；

圖5為本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測裝置模塊示意圖。

圖1中，11采樣裝置，獲得單層化分布的玉米籽粒，12CCD工業(yè)相機(jī)采集玉米籽粒二維彩色圖像，13玉米籽粒輪廓特征提取，14完整籽粒與破碎籽粒進(jìn)行分離，15破碎籽粒特征提取，16模板匹配，獲得破碎籽粒個數(shù)，17計(jì)算破碎率，在顯示終端輸出結(jié)果；

圖3中，31為上層引流料斗，32為下層分流料斗；33為上層引流料斗的入料口；34為下層分流料斗的入料口；35為連接件；

圖4中，41為篩板層，42為頂層轉(zhuǎn)板，43為底層轉(zhuǎn)板，44為工業(yè)CCD相機(jī)，45為光源；

圖5中，51分流模塊，52圖像采集模塊，53封閉空間模塊，54單層化模塊，55光源模塊，56圖像處理模塊，57數(shù)據(jù)傳輸模塊，將處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸；58運(yùn)算處理和顯示終端模塊。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合相關(guān)附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型針對我國玉米聯(lián)合收獲機(jī)械在玉米籽粒破碎率檢測上存在的不足，提出一種基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測方法及檢測裝置，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模式識別技術(shù)、CAN總線技術(shù)等相關(guān)技術(shù)用來區(qū)分完整的玉米籽粒和破碎的玉米籽粒，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸。本實(shí)用新型一種基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測裝置安裝在收割機(jī)糧箱中。

如圖1所示，本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測工作流程包括：

步驟11，通過所設(shè)計(jì)的檢測裝置，獲得單層化分布的玉米籽粒。

步驟12，通過工業(yè)CCD相機(jī)對檢測裝置中的玉米籽粒進(jìn)行圖像采集，獲得玉米籽粒的平面彩色圖像。

步驟13，玉米籽粒的輪廓特征提取，主要針對步驟12所采集的彩色圖像進(jìn)行灰度化、銳化、去噪、邊緣檢測等圖像處理，獲得玉米籽粒的邊緣輪廓特征。

步驟14，對步驟13處理后的圖像進(jìn)行閾值分割和二值化等處理，用于分離完整的玉米籽粒和破碎的玉米籽粒。

步驟15，對步驟14分離的完整玉米籽粒和破碎的玉米籽粒進(jìn)行特征提取。

步驟16，對步驟15提取的破碎玉米籽粒與標(biāo)準(zhǔn)玉米籽粒模板，進(jìn)行模板匹配，從而獲得破碎的玉米籽粒個數(shù)。

步驟17，在車載計(jì)算機(jī)上對步驟16所獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出玉米籽粒破碎率，并在車載終端顯示。

本實(shí)用新型的上述方法通過工業(yè)CCD相機(jī)對裝置內(nèi)的玉米籽粒進(jìn)行圖像采集，獲得玉米籽粒平面彩色圖像；從該彩色圖像中，進(jìn)行圖像處理，模板匹配等操操作，從而獲得破碎的玉米籽粒個數(shù)，并通過車載計(jì)算機(jī)計(jì)算出玉米籽粒破碎率。通過機(jī)器視覺技術(shù)可以在動態(tài)的情況下，進(jìn)行完整玉米籽粒和破碎玉米籽粒的區(qū)分，這樣增加了檢測技術(shù)的靈活性，同時機(jī)器視覺技術(shù)日臻完善，所以采集后的結(jié)果具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性。

如圖2所示，為本實(shí)用新型的檢測裝置中的圖像采集和處理模塊的原理示意圖，具體實(shí)現(xiàn)時，要搭建與檢測裝置相關(guān)的硬件平臺，如工業(yè)CCD相機(jī)安裝，車載終端的固定(包括安裝軟件的DSP板卡以及顯示屏)，車載計(jì)算機(jī)的安裝等。

下面具體說明本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測方法的實(shí)施方案。

如圖3所示，分流模塊，位于檢測箱體單元的最上層，用于分流；包括上層引流料斗31、下層分流料斗32，該31與32通過連接件35相連，31的底部開有入料口33，32的頂部開有入料口34，所述入料口33的開口大于入料口34，31與32形狀相同，均為漏斗狀，32倒置設(shè)置。上層引流料斗31主要用途在于從卸糧口處引流玉米籽粒，保證檢測結(jié)果更加真實(shí)，以便從更大范圍內(nèi)，獲取玉米籽粒的實(shí)驗(yàn)樣本。由于上層引流裝置引入了較大范圍的玉米籽粒實(shí)驗(yàn)樣品，玉米籽粒的數(shù)量較多，很容易對內(nèi)部的籽粒檢測設(shè)備造成沖擊，所以采用下層分流料斗32，過濾掉一部分的玉米籽粒，該部分分流玉米籽粒經(jīng)過下層分流料斗落入至收割機(jī)糧箱中；該模塊的作用是，保證后期圖像采集時，可以獲得較為清晰的圖像。

如圖4所示，是整個玉米籽粒破碎率在線檢測裝置的箱體裝配圖，41為篩板層，目的是減弱玉米籽粒對內(nèi)部設(shè)備的沖擊，起到一定的緩沖作用，同時有利于玉米籽粒的單層化。篩板孔較大，可以保證采集到的玉米籽粒都可以落入到43部位，43是底層轉(zhuǎn)板，42為頂層轉(zhuǎn)板，設(shè)計(jì)兩個轉(zhuǎn)板層的目的在于，獲得一個相對封閉的圖像采集空間，頂層轉(zhuǎn)板42與底層轉(zhuǎn)板43分別轉(zhuǎn)動安裝，底層轉(zhuǎn)板的上表面為凹槽結(jié)構(gòu)，即底層轉(zhuǎn)板上表面的邊緣設(shè)有凸起。

箱體具體工作流程如下：

第一，43底層轉(zhuǎn)板處于水平狀態(tài)，42頂層轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)，玉米籽粒通過41的篩板層后落入到43底層轉(zhuǎn)板。

第二，一定時間后，在步進(jìn)電機(jī)的帶動下，42的頂層轉(zhuǎn)板開始旋轉(zhuǎn)90^°，從豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，目的在于42頂層轉(zhuǎn)板和43底層轉(zhuǎn)板之間形成一個相對封閉的檢測空間，43底層轉(zhuǎn)板上，排列有規(guī)律的凹點(diǎn)，使玉米籽粒與底層轉(zhuǎn)板之間的接觸面不在是一個平面，每個玉米籽粒在空間中傾斜一定的角度，同時利用收割機(jī)在在工作時,產(chǎn)生的機(jī)械振動，可以防止玉米籽粒出現(xiàn)堆疊情況，便于玉米籽粒實(shí)現(xiàn)單層化，從而有利于圖像采集設(shè)備對進(jìn)行圖像采集和后期特征提取。

第三，采集一定時間的樣本后，步進(jìn)電機(jī)再次進(jìn)入工作狀態(tài)，將42頂層轉(zhuǎn)板和43底層轉(zhuǎn)板同時旋轉(zhuǎn)，使兩層轉(zhuǎn)板均從水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)，釋放掉已采集的實(shí)驗(yàn)樣品，一段時間后，43底層轉(zhuǎn)板恢復(fù)初始狀態(tài)，即從豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，重復(fù)第一、二、三步驟，實(shí)現(xiàn)玉米籽粒實(shí)驗(yàn)樣品的動態(tài)采集。

44為工業(yè)CCD相機(jī)，其固定在裝置內(nèi)部一側(cè)，主要采集42頂層轉(zhuǎn)板和43底層轉(zhuǎn)板形成相對封閉空間后的玉米籽粒的平面彩色圖像，在使用工業(yè)CCD相機(jī)之前需要對CCD進(jìn)行標(biāo)定，獲得標(biāo)定矩陣和相關(guān)參數(shù)，從而提高圖像的采集精度和后續(xù)圖像處理效果。

45為光源模塊，其在箱體側(cè)面貼有一定數(shù)目的LED點(diǎn)光源，其目的是為了進(jìn)行亮度補(bǔ)償，以便獲得清晰的采集圖像。

如圖5所示，為本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測裝置模塊框圖，包括：分流模塊、圖像采集模塊、封閉空間模塊、單層化模塊、光源模塊、圖像處理模塊及運(yùn)算處理和顯示終端模塊，其中51分流模塊，如上所述是為了減弱玉米籽粒流對實(shí)驗(yàn)圖像采集裝置的沖擊；52圖像采集模塊，是為了獲取玉米籽粒的圖像信息；53封閉空間模塊，是為了形成相對封閉的檢測空間，并實(shí)現(xiàn)對玉米籽粒的動態(tài)檢測；54單層化模塊，該模塊的主要功能，對檢測裝置內(nèi)部的玉米籽粒進(jìn)行單層化處理，防止玉米籽粒在裝置內(nèi)部出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象，有利于對破碎玉米籽粒進(jìn)行特征提取。55光源模塊，是為了補(bǔ)償在形成相對封閉空間后所造成的亮度缺失；56圖像處理模塊，是對所采集的圖像進(jìn)行處理，用以將完整的玉米籽粒與破碎的玉米籽粒進(jìn)行分離；57數(shù)據(jù)傳輸模塊，將處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸；58運(yùn)算處理和顯示終端模塊，主要用于計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得玉米籽粒破碎率情況，并將結(jié)果顯示到車載顯示終端。

本實(shí)用新型提供的基于機(jī)器視覺玉米籽粒破碎率在線檢測裝置，主要利用圖像處理技術(shù)，模式識別技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、CAN總線技術(shù)，對玉米籽粒收割時出現(xiàn)的破碎情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。由于所采用上述的技術(shù)，使該裝置具有快速、高精度、穩(wěn)定、全自動測量等幾大優(yōu)勢，利用該裝置可以對玉米籽粒破碎率情況進(jìn)行在線實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，以便于提高玉米籽粒的收獲質(zhì)量，并且該裝置的經(jīng)濟(jì)成本低廉，滿足農(nóng)機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)性的需求，同時該裝置可以有力的推動，我國農(nóng)機(jī)智能化檢測技術(shù)水平的提升。

本實(shí)用新型基于機(jī)器視覺的玉米籽粒破碎率在線檢測方法及裝置，由于相關(guān)技術(shù)和理論方法，已經(jīng)日臻完善，所以可以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。本實(shí)用新型裝置，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)簡單，空間體積小，適合安裝在玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)械的糧箱中，并且易于維護(hù)，便于安裝。同時，本實(shí)用新型裝置，也彌補(bǔ)了我國農(nóng)機(jī)智能檢測裝置上的不足，對于我國的智能檢測技術(shù)的水平進(jìn)一步的提升，具有積極作用。

以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。