本发明涉及稻米加工技术领域，尤其涉及一种大米加工质量在线检测和控制装置及控制方法。
背景技术：
归纳中华人民共和国国家标准gb/t1354-2018《大米》规定的质量指标，可大致分为由：土壤、肥力、品种、气候、收获时间等稻谷生长条件，干燥工艺、储藏条件、储藏时间等仓储条件，加工装备、加工工艺等加工条件，几方面因素形成大米质量指标的差异性。加工条件对大米质量影响的关键指标为：碎米、爆腰、留胚、留皮等。碎米、爆腰多降低出米率和大米食用品质，留皮多影响大米的口感和观感，留胚多可大幅提高大米的营养价值。加工形成的质量指标之间关系复杂，有些呈负相关，有些呈正相关。综合评价大米的加工质量需要构造数学模型，建立加工质量与加工质量评价参数之间的关系模型，再根据加工质量调整出口阻力等参数，方可有效平衡加工质量间的关系。
近20年来，有大量关于基于机器视觉检测大米质量的论文和专利报道，其共同特点为：对加工后的大米进行质量检测和分选以提升大米商品价值，已有大量商业化的产品问世，如大米色选机。但现有文献资料表明，目前没有对正在加工中的大米进行在线检测的技术，因此无法实时调控加工参数，也无法提高大米加工质量。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种大米加工质量在线检测和控制装置及控制方法，以实现大米加工质量在线检测和自动化控制，克服传统方法仅凭人工经验调整参数的缺陷，以提升大米的加工质量。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种大米加工质量在线检测与控制装置，包括：出料斗、阻力单元、采样单元、检测单元和控制单元；
所述出料斗内设有出米通道，所述出米通道的入口位于所述出料斗的右侧壁上，出口位于所述出料斗的内部，所述阻力单元包括调节机构和阻力板，所述阻力板正对所述出米通道的出口，所述阻力板与所述出米通道的出口之间存在间距，以供大米流入至所述出料斗内，所述调节机构用于调整所述阻力板与所述出米通道的出口之间的距离；
所述采样单元包括采样板和上下设置的两个导流板，所述导流板的两端安装于所述出料斗的前侧壁和后侧壁上，并相对于所述出料斗的底壁倾斜，上层所述导流板位于所述出米通道的出口下方，两个所述导流板上均设有通孔，所述采样板包括采样板基座和若干栅格板，所述采样板基座的顶端伸入至下层所述导流板的通孔内，若干所述栅格板平行设置于所述采样板基座的上部，所述采样板基座的下部为图像采集区域，下层所述导流板、采样板基座及所述出料斗的底壁和右侧壁构成密闭空间；
所述检测单元包括相机，所述相机安装于所述密闭空间内，并能够正对所述图像采集区域；
所述控制单元与所述相机和所述调节机构连接，所述控制单元根据所述相机采集的图像经过图像处理和特征提取，并建立质量模型得到加工质量评价参数，根据所述大米的加工质量调整所述调节机构，以控制出米通道的出口阻力。
优选的，相邻两个所述栅格板之间的间距为5mm或者6mm或者7mm。
优选的，所述检测模块还包括相机支架和光源，所述相机支架安装于所述出料斗上，所述相机支架能够调整所述相机的拍摄角度。
优选的，所述检测模块还包括减震垫，所述减震垫安装于所述相机的底部。
优选的，所述采样板基座与所述出料口的底壁之间的夹角为28°。
优选的，所述图像采集区域采用黑色磨砂材料制成。
优选的，所述出料斗的右侧壁对应两个所述导流板之间的位置设有吸糠口，所述吸糠口处设有离心风机。
优选的，所述质量模型为y＝f(x)，其中：y为加工质量评价参数，x为自变量因子，x＝{大米总数，当量碎米数，爆腰米数，留皮率}，根据特征参数在国标gb/t1354-2018《大米》中的重要性进行模型训练，得到自变量因子x与加工质量评价参数y之间权重关系，计算出质量模型。
一种大米加工质量在线检测与控制装置的控制方法，包括：
步骤一：开始加工大米后，所述相机连续采集图像，并将采集到的图像输送至控制单元；
步骤二：所述控制单元对获取的图像进行预处理，然后将第i-1时间段内所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x：大米总数、当量碎米数、爆腰米数和留皮率，其中当量碎米数＝碎米总投影面积/单颗米投影面积，留皮率＝留皮面积/单颗米投影面积，建立质量模型，得到第i-1时间段的加工质量评价参数yi-1；
步骤三：将第i时间段内所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x，建立质量模型，得到第i时间段的加工质量评价参数yi；
步骤四：计算δy＝yi-yi-1，设置阈值为ε，判断δy与ε的大小，若δy<-ε，则通过调节机构增大出口阻力，若δy>ε时，则通过调节机构降低出口阻力；
步骤五：当出口阻力改变后，对大米加工质量的基础数据进行更新，并将上一次的质量模型记录到数据库，重复步骤二到四，直到大米加工结束。
本发明的有益效果：
1.本发明所述机器视觉检测装置，通过提取大米加工环节关键质量特征参数，并建立质量模型得到加工质量评价参数，从而判定大米加工质量并指导控制出口阻力的改变，进而形成加工质量与出口阻力间的闭环反馈机制，实现大米加工参数的实时调整，提高大米加工质量。
2.本发明通过构造除糠引流通道并增加相机隔振垫，消减因粉尘和振动对图像采集的干扰。
3.本发明通过设计采样板，保证所检测大米具有代表性，通过5-7mm不同间隔的栅格板分流，以适应不同品种的大米避免重叠，减少图像图像处理的复杂度，同时可适应不同品种的大米加工。
4.本发明通过5mm短焦镜头缩短物距，检测装置可以布置在狭小的空间内，通过镜头上安装的倍镜，将大米表面缺陷放大处理，以实现缺陷的准确测量。
附图说明
图1为根据本发明实施例的大米加工质量在线检测和控制装置的结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为根据本发明实施例的采样模块的结构示意图。
图4为图3的侧视图。
图5为本发明大米加工质量在线检测和控制装置的控制流程图。
附图标记：
1.出米斗，2.阻力板，3.出米通道，4.导流板，5.吸糠口，6.相机，7.减震垫，8.支架，9.采样板，901采样板基座，902栅格板，903图像采集区域，10.大米，11.集料箱，12.右侧壁。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种大米加工质量在线检测和控制装置。
请参考图1至图4，本发明实施例的一种大米加工质量在线检测和控制装置，出料斗(1)、集料箱11、阻力单元、采样单元、检测单元和控制单元。
具体的，出料斗1具有相对设置的顶壁和底壁，前侧壁和后侧壁以及左侧壁和右侧壁，出料斗1内设有出米通道3，所述出米通道3的入口位于出料斗1的右侧壁12上，出口位于出料斗1的内部，阻力单元包括调节机构和阻力板2，阻力板2正对出米通道3的出口，阻力板2与出米通道3的出口之间存在间距，以供大米流入至出料斗1内，调节机构用于调整阻力板2与出米通道3的出口之间的距离；
采样单元包括采样板9和上下设置的两个导流板4，导流板4的两端安装于出料斗1的前侧壁和后侧壁上，并相对于出料斗1的底壁倾斜，上层导流板4位于出米通道3的出口下方，加工后的大米10从设备的出米口3和阻力板2之间流出，落到导流板4上，两个导流板4上均设有通孔。出料斗1的右侧壁12对应两个导流板4之间的位置设有吸糠口5，吸糠口5处设有离心风机。两个导流板4用于引导大米10的下落方向和除糠气流方向，除糠气流方向是通过吸糠口5与外置的离心风机相连，使糠粉等粉尘在负压作用下，被抽吸至除尘袋内。
如图3和图4所示，采样板9包括采样板基座901和若干栅格板902，采样板基座901的顶端伸入至下层导流板4的通孔内，若干栅格板902平行设置于采样板基座901的上部，采样板基座901的下部为图像采集区域903，由于出料斗1的底壁未封闭，大米10在下落过程中，大部分沿导流板4下落进入集料箱11，小部分大米10连续通过两层导流板4进入采样板9。采样板9的角度根据大米和栅格板902的材质，由试验得出其休止角，再结合图像采集不留拖影的速度要求，最终确定为28°，根据不同大米的品种，相邻两个栅格板902之间的间距可选5mm、6mm和7mm三种规格，以保证大米在下落时整米和碎米顺利通过且不重叠；图像采集区域903采用黑色磨砂材料，以保证图像采集质量。
下层导流板4、采样板基座901以及出料斗1的底壁和右侧壁12构成密闭空间。检测单元包括相机6、相机支架8、光源和减震垫7，相机支架8安装于出料斗1上，相机6安装于相机支架8上，相机支架8能够调整相机6的拍摄角度，以保证相机光轴与拍摄面垂直，将相机6包围在一个无空气对流的静止空间，使相机镜头免受粉尘污染，提高图像采集质量。相机6的镜头采用5mm镜头和放大倍镜组成，以实现短距离放大拍摄；为防止米机震动影响图像采集质量，在相机底部安装减震垫7，减震垫7为o型塑胶减震垫，测试得到机器的固有频率约为15hz，通过改变减震垫7的硬度值，使其固有频率远离机器的固有频率，从而吸收95％以上的机器震动。
控制单元与相机6和调节机构连接，控制单元根据相机6采集的图像经过图像处理和特征提取，并建立质量模型得到加工质量评价参数，根据大米的加工质量调整调节机构，以控制出米通道3的出口阻力。质量模型是在大米加工过程初期建立并在加工过程中不断完善，质量模型为y＝f(x)，其中：y为加工质量评价参数，x为自变量因子，x＝{大米总数，当量碎米数，爆腰米数，留皮率}，根据特征参数在国标gb/t1354-2018《大米》中的重要性进行模型训练，得到自变量因子x与加工质量评价参数y之间权重关系，计算出质量模型。通过加工质量与出口阻力间形成的闭环反馈机制，逐步将出口阻力调整到最佳状态。
如图5所示，本发明实施例的一种大米加工质量在线检测和控制装置的控制方法如下：
步骤一：判断大米是否开始加工，确认开始加工后，相机6开始连续采集图像，并将采集到的图像输送至控制单元；
步骤二：控制单元对获取的图像进行预处理，得到去除背景的大米颗粒图像，目标图像经特征提取后与加工质量进行映射；加工质量的与图像关系的映射是将米粒投影面积进行累计，为保证采集数据的代表性避免随机误差，连续采集将第i-1时间段内共25幅图像，第i-1时间段为10s，然后对所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x：大米总数、当量碎米数、爆腰米数和留皮率，其中当量碎米数＝碎米总投影面积/单颗米投影面积，留皮率＝留皮面积/单颗米投影面积，将自变量因子x与加工质量评价参数y关联，建立基于加工质量评价参数的质量模型，累计计算自变量因子值并取其均值代入质量模型得到大米加工质量的输出值，得到加工质量评价参数yi-1；
步骤三：将第i时间段内所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x，建立质量模型，累计计算自变量因子值并取其均值代入质量模型得到大米加工质量的输出值，得到加工质量评价参数yi；
步骤四：计算δy＝yi-yi-1，设置阈值为ε，判断δy与ε的大小，若δy<-ε，则说明留皮过多，需通过调节机构增大出口阻力，即要提高加工精度，若δy>ε时，则说明碎米率、爆腰率过高，需降低出口阻力；否则说明出口阻力的前后两次调整得到的大米加工质量相似，已处于最优加工状态无需调整；
步骤五：当出口阻力改变后，对大米加工质量的基础数据进行更新，并将上一次的质量模型记录到数据库，重复步骤二到四，直到大米加工结束。
经过一定时间周期的稻米加工，不断更新出口阻力和检测大米加工质量关系，实现质量模型的自主添加和自主维护，最终实现大米加工质量的在线检测和智能控制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，包括：出料斗(1)、阻力单元、采样单元、检测单元和控制单元；
所述出料斗(1)内设有出米通道(3)，所述出米通道(3)的入口位于所述出料斗(1)的右侧壁(12)上，出口位于所述出料斗(1)的内部，所述阻力单元包括调节机构和阻力板(2)，所述阻力板(2)正对所述出米通道(3)的出口，所述阻力板(2)与所述出米通道(3)的出口之间存在间距，以供大米流入至所述出料斗(1)内，所述调节机构用于调整所述阻力板(2)与所述出米通道(3)的出口之间的距离；
所述采样单元包括采样板(9)和上下设置的两个导流板(4)，所述导流板(4)的两端安装于所述出料斗(1)的前侧壁和后侧壁上，并相对于所述出料斗(1)的底壁倾斜，上层所述导流板(4)位于所述出米通道(3)的出口下方，两个所述导流板(4)上均设有通孔，所述采样板包括采样板基座(901)和若干栅格板(902)，所述采样板基座(901)的顶端伸入至下层所述导流板(4)的通孔内，若干所述栅格板(902)平行设置于所述采样板基座(901)的上部，所述采样板基座(901)的下部为图像采集区域，下层所述导流板(4)、采样板基座(901)以及所述出料斗(1)的底壁和右侧壁(12)构成密闭空间；
所述检测单元包括相机(6)，所述相机(6)安装于所述密闭空间内，并能够正对所述图像采集区域(903)；
所述控制单元与所述相机(6)和所述调节机构连接，所述控制单元根据所述相机(6)采集的图像经过图像处理和特征提取，并建立质量模型得到加工质量评价参数，根据所述大米的加工质量调整所述调节机构，以控制出米通道(3)的出口阻力。
2.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，相邻两个所述栅格板(902)之间的间距为5mm或者6mm或者7mm。
3.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述检测模块还包括相机支架(8)和光源，所述相机支架(8)安装于所述出料斗(1)上，所述相机支架(8)能够调整所述相机(6)的拍摄角度。
4.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述检测模块还包括减震垫(7)，所述减震垫(7)安装于所述相机(6)的底部。
5.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述采样板基座(901)与所述出料口(1)的底壁之间的夹角为28°。
6.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述图像采集区域(903)采用黑色磨砂材料制成。
7.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述出料斗(1)的右侧壁(12)对应两个所述导流板(4)之间的位置设有吸糠口(5)，所述吸糠口(5)处设有离心风机。
8.根据权利要求1所述的大米加工质量在线检测与控制装置，其特征在于，所述质量模型为y＝f(x)，其中：y为加工质量评价参数，x为自变量因子，x＝{大米总数，当量碎米数，爆腰米数，留皮率}，根据特征参数在国标gb/t1354-2018《大米》中的重要性进行模型训练，得到自变量因子x与加工质量评价参数y之间权重关系，计算出质量模型。
9.根据权利要求8所述的大米加工质量在线检测与控制装置的控制方法，其特征在于，
步骤一：开始加工大米后，所述相机(6)连续采集图像，并将采集到的图像输送至控制单元；
步骤二：所述控制单元对获取的图像进行预处理，然后将第i-1时间段内所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x：大米总数、当量碎米数、爆腰米数和留皮率，其中当量碎米数＝碎米总投影面积/单颗米投影面积，留皮率＝留皮面积/单颗米投影面积，建立质量模型，得到第i-1时间段的加工质量评价参数yi-1；
步骤三：将第i时间段内所有图像上的米粒投影面积进行累计，统计出自变量因子x，建立质量模型，得到第i时间段的加工质量评价参数yi；
步骤四：计算δy＝yi-yi-1，设置阈值为ε，判断δy与ε的大小，若δy<-ε，则通过调节机构增大出口阻力，若δy>ε时，则通过调节机构降低出口阻力；
步骤五：当出口阻力改变后，对大米加工质量的基础数据进行更新，并将上一次的质量模型记录到数据库，重复步骤二到四，直到大米加工结束。
技术总结