胡思旋，劉 源，李 峰，于亞萍

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

1 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)是由控制器、稱重模塊、傳送帶控制模塊、圖像采集模塊、機(jī)械臂控制模塊組成?？刂破骺刂茐毫鞲衅鳈z測(cè)禽蛋質(zhì)量，控制機(jī)械手去除不合格的禽蛋，將合格禽蛋放置傳送帶，完成初步篩選；控制器控制傳送帶至攝像頭，采集禽蛋圖像，傳送到PC機(jī)，利用Matlab軟件對(duì)禽蛋圖像進(jìn)行分析和處理，判斷其新鮮度，不合格和合格分別以0或1表示。利用Matlab的Tmtool工具與Arduino取得連接，將0或1發(fā)送到Arduino的串口緩沖區(qū)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至Arduino控制器，控制機(jī)械臂完成相應(yīng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)禽蛋分揀。實(shí)現(xiàn)對(duì)禽蛋孵化前的優(yōu)質(zhì)種蛋的選擇。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

控制器采用Arduino UNO，基于ATmega328P單片機(jī)的開發(fā)板。具備14路數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6路可用于PWM輸出）和6路模擬輸入。工作電壓為5 V，驅(qū)動(dòng)電流最大為50 mA。

2.2 稱重模塊

2.2.1 稱重電路

稱重電路由壓力傳感器、24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711模塊、Arduino芯片組成。壓力傳感器采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器?？蓪⒈粶y(cè)件上質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)換成為電壓傳送給A/D轉(zhuǎn)換器。HX711模塊具有高精度、速度快、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，將電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后，傳送給Arduino單片機(jī)。單片機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)種蛋質(zhì)量相比較，控制機(jī)械手抓取動(dòng)作。

2.2.2 稱重機(jī)械手

稱重機(jī)械手用來(lái)抓放禽蛋，完成禽蛋質(zhì)量篩選。由主動(dòng)爪機(jī)構(gòu)、從動(dòng)爪機(jī)構(gòu)、基座、2個(gè)sg90舵機(jī)組成。抓握動(dòng)作由舵機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)爪，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)爪完成。舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手完成“抓”的動(dòng)作，反之完成“放”的動(dòng)作。篩選動(dòng)作由舵機(jī)帶動(dòng)基座完成。在質(zhì)量范圍內(nèi)的雞蛋將會(huì)由舵機(jī)帶動(dòng)基座，機(jī)械手將雞蛋放到蛋槽里進(jìn)入傳送帶，進(jìn)行第2步篩選。

2.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊由攝像裝置、Arduino控制器組成，控制器負(fù)責(zé)定位控制、圖像的獲取、圖像向上位機(jī)的傳輸。攝像裝置由USB高清免驅(qū)800萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)焦像頭、暗箱、燈箱組成[1]。暗箱提供不透光的拍攝環(huán)境，攝像頭負(fù)責(zé)拍攝雞蛋照片，燈箱由箱體、光源、燈泡支撐架、底座構(gòu)成，負(fù)責(zé)照射待拍照的雞蛋。

2.4 傳送帶控制模塊

2.4.1 傳送帶機(jī)械結(jié)構(gòu)

選蛋系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1。傳送帶的搭建由擋板、支撐板、轉(zhuǎn)軸、皮帶、電機(jī)構(gòu)成。兩側(cè)的擋板負(fù)責(zé)固定轉(zhuǎn)軸與電機(jī)。支撐板負(fù)責(zé)穩(wěn)定傳送帶并給皮帶提供一定的支撐力。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 The system mechanical structure

2.4.2 電機(jī)控制

系統(tǒng)采用42步進(jìn)電機(jī)17HS4401S和驅(qū)動(dòng)器TB6600完成控制。傳送帶的定位是由電機(jī)脈沖數(shù)來(lái)決定，高電平與低電平的時(shí)間和為一個(gè)脈沖，本次使用的42步進(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周需要200個(gè)脈沖，本次控制精度只需設(shè)置調(diào)為4細(xì)分，即步距角為0.45°，根據(jù)實(shí)測(cè)顯示電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1°傳送帶前進(jìn)0.5 mm，當(dāng)?shù)巴信c攝像頭垂直時(shí)，需要傳送帶前進(jìn)200 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)400°即890個(gè)脈沖。

2.5 機(jī)械臂控制模塊

機(jī)械臂采用6自由度機(jī)械臂可編程拼裝機(jī)械手臂stm32ArduinoUNOR3，由6個(gè)舵機(jī)控制6個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用Arduino舵機(jī)控制器，在線運(yùn)行模式。當(dāng)Matlab通過(guò)串行口將0或1信息發(fā)送到Arduino的硬串口時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)械臂完成相應(yīng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)禽蛋的分揀。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程見圖2。稱重控制程序完成，禽蛋質(zhì)量的采集與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量比較，完成禽蛋分揀。傳送帶控制程序完成，傳送帶電機(jī)的定位控制。當(dāng)禽蛋到照射位置時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出定位信號(hào)，觸發(fā)攝像頭動(dòng)作，調(diào)圖像采集與處理程序。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程Fig.2 Theflow chart of main program design

3.2 上位機(jī)與Arduino之間的通信

用Matlab軟件對(duì)雞蛋圖像分析后，將得到的新鮮度結(jié)果以0或1的形式輸出。利用Matlab的Tmtool工具與Arduino串口通信，將0或1發(fā)送到Arduino的串口緩沖區(qū)，然后向機(jī)械手發(fā)出執(zhí)行命令。

3.3 機(jī)械臂控制程序

當(dāng)接收到Arduino發(fā)出的分揀執(zhí)行命令后，啟動(dòng)不同的舵機(jī)，執(zhí)行動(dòng)作指令。當(dāng)收到0，將禽蛋剔除；若是1，將禽蛋放入孵化環(huán)境進(jìn)行孵化，實(shí)現(xiàn)雞蛋的篩選。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 調(diào)試條件

系統(tǒng)調(diào)試是在Windows10系統(tǒng)下，運(yùn)用ArduinoIDE軟件串口監(jiān)視器以及Matlab軟件，Arduino、USB高清免驅(qū)800萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)焦攝像頭和各種執(zhí)行部件到位下完成的。

4.2 調(diào)試方法

隨機(jī)選取30枚雞蛋作為實(shí)驗(yàn)樣本,要求蛋殼表面無(wú)污物，外表光滑且沒(méi)有裂紋。實(shí)驗(yàn)樣品隨機(jī)分為5組,每組6個(gè)，將每個(gè)樣品標(biāo)以序號(hào)區(qū)分，統(tǒng)一放置在相同環(huán)境中貯藏[2]。

啟動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)完成2級(jí)篩選。其中，圖像處理新鮮度篩選采用，用Matlab軟件對(duì)采集到禽蛋圖進(jìn)行預(yù)處理、提取雞蛋特征值、氣室特征值，并對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算等處理。

禽蛋新鮮度相關(guān)的3個(gè)特征參數(shù)為氣室面積比、氣室高度比、氣室直徑，建立圖像提取參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù)的一元哈夫值回歸模型[3]。該一元回歸模型的相關(guān)系數(shù)為0.96，擬合優(yōu)度為0.92，氣室面積比與哈夫值存在明顯的相關(guān)性，氣室面積比越小，雞蛋的哈夫值越大，證明雞蛋越新鮮。不新鮮禽蛋用0表示，新鮮為1。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)運(yùn)行后，禽蛋的質(zhì)量和新鮮度特征參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果均能在上位機(jī)界面顯示。禽蛋的分揀準(zhǔn)確率能達(dá)到98.7%，系統(tǒng)運(yùn)行正常。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，易于推廣。為禽蛋孵化過(guò)程全自動(dòng)化打下基礎(chǔ)。