苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现

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４分类号：Ｓ２学校代码：１０７１２ＵＤＣ：６２１研究生学号：２０１５０５１２３２密级公开：？Ａ灶衣林哿教大学２０１７届专业学位硕士研究生学位（毕业）论文苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现类型工程硕士领域、方向农业工程研究生白小凯指导教师张海辉教授完成时间２０１７年５月中国陕西杨凌 研究生学位论文的独创性声明本人声明：所呈交的专业学位硕士论文是我个人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究结果：论文中的研究数据及结果的获得完全符合学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定如果违反此规定一切后果与法律责任均由本》，，人承担。尽我所知，除了文中特别加以标注和致樹的地方外，论文中不包念其他人已经发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：时间曰：年６月石导师指导研宄生学位论文的承诺本人承诺：我的专业学位硕士研究生孕小农ｂ所呈交的硕士学位论文是在我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照学校《关于规范西北农林科技大学研究生学米道德的暂行规定》而获得的研究结果。如果违反学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》，我愿接受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。＾：时间导师签名：山年６月曰丨？ 关于研究生学位论文使用授权的说明本学位论文的知识产权妲属西北农林科技大。人意西北学本同农林大保存或科技学国部门机送交论文的纸版和电版论文被向家有关或构质子，允许查阅和：西北借阅同意农林科技大学将本位论文的全或分内权汇编入中国优硕士学部部容授录《秀学位论文全文数据库》和《中国学位论文全文数据库进行出版受相关》，并享权益。本北人证在毕开（工调保，离或）西农林科技大后者作离学．发表或者使用本学位论工以西北农科技一文及相的时将位其关作成果林大学署，为第名单，否则愿意按，《中华人民共和国著作权法》等有关规定接受处理承担法律任。并责任何收存和保管本论文各种版的他位和人括研究生人本其单个（包本）经论文未本作者的导师同意，不得有对本论文进行复制、修改、发彳于、出租、改编侵犯著等作权的行为否则按违《中华人共和著法，，背民国作权等关规定处理法律。》有并追究责任的位论文在保（保密密期、学限内，不得以任何方式发表、借阅、印缩印或扫描复制手段保、汇论文复存縞）：研究生签名名：时间年月曰么ｔ／签名：时口导师间年：月６０｜ Classificationcode:S24Universitycode:10712UDC:621Postgraduatenumber:2015051232Confidentialitylevel:PUBLICThesisforMastersDegreeNorthwestA＆FUniversityin2017DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSORTINGTESTPLATFORMFORONLINEDETECTIONOFMOLDYCOREINAPPLESType:MasterofEngineeringResearchField:AgriculturalEngineeringNameofPostgraduate:BaiXiaokaiAdviser:Prof.ZhangHaihuiDateofSubmission:May,2017YanglingShaanxiChina 项目来源本论文由陕西省科技统筹创新工程计划项目“基于物联网的苹果全程质量安全控制技术”（2014KTCL02-15）与“苹果霉心病无损在线检测关键技术集成与示范”（2016KTCQ02-14）资助完成。 苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现摘要霉心病是一种发病率较高的苹果内部病害，近年来，光谱技术以其高效精准、可用于内部品质检测的优点被广泛应用于果品检测中。现有霉心病无损检测方式中，一类是基于分选生产线上集成全波段光谱仪进行霉心病判别，存在成本高、数据处理复杂等缺点；另一类基于特定波段LED光源的便携式霉心病无损检测设备，存在检测过程复杂、自动化程度低等问题。因此本文针对苹果霉心病在线无损伤、快速、高通量检测的需求，基于与霉心病相关的近红外特征光谱波段为701nm-728nm的已有结论，采用透射检测方式进行苹果霉心病甄别，确立了苹果霉心病在线检测分选试验平台整体设计方案，设计搭建了试验平台机械系统，完成了苹果霉心病在线检测分选试验平台信息采集系统硬件和控制系统的设计，并进行了苹果霉心病在线检测分选实验平台整体性能测试，实现了苹果霉心病多源信息获取、病害检测与实时分选。主要工作及结论如下：（1）苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现。针对霉心病在线检测方案设计，结合机械结构设计原理，利用三维软件CreoParametric2.0完成了包括在线检测试验平台支架、传动系统、检测模块、称重模块、分选模块等的设计和研制，装配完成了苹果分选试验平台三维模型，加工得到机械实体。（2）苹果霉心病多源信息获取系统硬件设计。针对各信息的在线获取，开展了苹果图像信息、透射光强以及重量信息采集技术研究，设计了各模块信息采集电路，为实现多源信息的实时采集、后期数据处理以及判别模型提供了基础。（3）基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台协同时序控制系统设计。通过在各功能模块前设有红外对射的方式，获取系统运行时序，实现苹果位置实时追踪。根据控制系统软件功能要求，分别设计图像、透射光强度、重量信息采集控制系统软件。对于图像信息的采集，采用双摄像头获取苹果图像并通过总线传输的方式将图像信息上传至上层平台；对于透射光强度的采集，基于自主设计的窄带LED光源，采用自动对靶技术实现透射光路完全正向穿透心部，保证透射光强采集精准度，最终将采集得到的透射光强度信息上传至上层平台；对于重量信息的采集，自主设计传送式称重台对其进行重量测量，数据可通过串口经由处理器对数据进行处理上传至上层平台进行保存；最后分选模块根据苹果等级信息，完成分选。（4）苹果霉心病在线检测分选试验平台性能测试。根据设计目标及实际应用需求，对在线检测试验平台进行系统测试，主要包括系统运行时间、分选效率测试、霉心病判别准确率、分选成功率和信息采集精度测试。试验结果表明，在线检测分选试验平台检测模块最大运行速度为0.15m/s。考虑到实际生产需要，检测模块运行速度为0.1m/s，重量采集模块运行速度为0.1m/s，分选模块运行速度为0.2m/s，运行时间为22.5s-25s。单 个苹果检测时间为1.5s，苹果检测效率可以达到2400个/小时；判别准确率为83.3%，分选整体成功率为98.1%，伺服系统定位精度较高，纵径测量最大相对误差为2.8%，横径测量最大相对误差为2.2%；质量测量最大相对误差为1.7%，精度较高。以上测试均满足在线检测分选试验平台检测的性能指标。关键词：苹果霉心病；在线检测；试验平台；多源信息采集；时序控制 DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSORTINGTESTPIATFORMFORONLINEDETECTIONOFMOLDYCOREINAPPLESABSTRACTAsaninternaldisease,themoldycoreinappleshasbeenhighmorbidity.Inrecentyears,becauseofitsfastdetectionspeed,spectrumtechnologyhasbeenwidelyusedinfruitdetection,whichcanrealizenondestructivedetectionofinternaldiseases.Intheexistingmethodsfornondestructivetestingofmoldycore,oneistocompletethequalityanalysis,throughonlineintegratedthewholebandspectrometerinthesortingline,whichhasthedisadvantagesofhighcostandcomplicateddataprocessing.AnotherisportableinstrumentfornondestructivetestingofmoldycorebasedonLEDlightsourceofspecificwaveband.Thereareproblemssuchastime-consumingandnotlarge-scaledetection.Therefore,thispaperaimsatthedemandofon-line,non-invasive,rapidandhigh-throughputdetectionofapplemoldycore.Adoptedtheconclusionthatthenearinfraredspectralbandof701nm-728nmisassociatedwiththeapplemoldycore,thispaperestablishedtheoveralldesignschemeoftheonlinetestandsortingtestplatformofmoldycoreinapples,designedandconstructedthemechanicalsystemofthetestplatform.Aftercompletingthedesignofthehardwareandcontrolsystemoftheonlinesortingtestplatforminformationacquisitionsystemforapplemoldycore,theoverallperformancetestoftheequipmentwasalsocarriedout,realizingthemulti-sourceinformationacquisitionandreal-timesortingofapplemoldycore.Themainworkandconclusionsareasfollows:(1)Designandimplementationofmechanicalsystemforsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapples.Accordingtothedesignoftheonlinedetectionprogramofthemoldycore,thedesignprincipleofthemechanicalstructureiscombined.Byusing3DsoftwareCreoParametric2.0,thedesignanddevelopmentoftheteststand,transmissionsystem,detectionmodule,weighingmoduleandclassificationmodulearecompleted.The3Dmodeloftheapplesortingtestplatformhasbeenfinished,andthemechanicalentityhasbeenmachined.(2)Hardwaredesignofmulti-sourceinformationacquisitionsystemforapplemoldycore.Accordingtotheinformationacquisition,Theappleimageinformation,thetransmittedintensityandtheweightoftheinformationacquisitiontechnologywerestudied.Eachmoduleinformationacquisitioncircuitisdesigned.Itprovidesthebasisforreal-timeacquisitionof multi-sourceinformation,post-processingofdataanddiscriminantmodel.(3)Designofcollaborativetimingcontrolsystemofsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapplesbasedonbus.Theinfraredshootingmodeisarrangedinfrontofeachfunctionmodule,toobtainthesystemrunningsequenceandrealizetheapplepositiontrackinginrealtime.Accordingtothefunctionalrequirementsofthecontrolsystemsoftware,thispaperrespectivelydesignimage,transmissionlightintensity,andtheweightinformationcollectioncontrolsystemsoftware.Fortheacquisitionofimageinformation,itusestwocamerastoobtaintheappleimages,whichisuploadedtotheupperplatformthroughthewayofbustransmission.Fortheacquisitionoftransmissionlightintensity,basedonaself-designednarrowbandLEDlight,theautomatictargetingtechniqueisadoptedtorealizethetargetofopticalpathandputforwardtheministry,toensuretheaccuracyoftransmissionintensitycollection,andwhichiseventuallyuploadedtotheupperplatform.Fortheacquisitionofweightinformation,byusingself-designedtransmissionweighingplatformtomeasureitsweight,thedatacanbeprocessedbytheprocessorthroughtheserialportanduploadedtotheupperplatformforpreservation.Finally,thesortingandsortingmodulecompletesthesortingaccordingtotheapplegradeinformation.(4)Performancetestofsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapples.Accordingtothedesigntargetandactualapplicationdemand,theonlinetestplatformistested.Itmainlyincludessystemrunningtime,sortingefficiencytest,discriminationaccuracy,sortingsuccessrateandinformationcollectionaccuracytest.Thetestresultsshowthat,itsmaximumrunningspeedoftheonlinetestingandsortingplatformdetectionis0.15m/s.Consideringtheactualproductionneeds,therunningspeedofthedetectionmoduleis0.1m/s,thespeedoftheweighingacquisitionmoduleis0.1m/s,thespeedofthesortingmoduleis0.2m/s,andtherunningtimeis22.5s-25s.Thesingleappledetectiontimeis1.5s,andtheappledetectionefficiencycanreachto2400/HR.Thediscriminationaccuracyis83.3%,andtheoverallsuccessrateis98.1%.Thepositioningaccuracyoftheservosystemishigh,andthemaximumrelativeerroroflongitudinalmeasurementis2.8%,andthemaximumrelativeerrorofhorizontaldiametermeasurementis2.2%.Themaximumrelativeerrorofqualitymeasurementis1.7%,andtheaccuracyishigher.Alltheabovetestscanmeettheperformanceindexesoftheon-linetestandsortingtestplatform.KEYWORDS:Applemoldycore,Onlinedetection,Testplatform,Multi-sourceinformationacquisition,Sequentialcontrol 目录第一章绪论......................................................................................................................11.1研究背景与意义.................................................................................................11.2国内外研究现状.................................................................................................21.2.1在线无损检测设备的研究..........................................................................21.2.2水果品质信息获取研究..............................................................................31.2.3分选控制系统研究......................................................................................41.3研究内容.............................................................................................................51.4技术路线.............................................................................................................61.5论文章节安排.....................................................................................................8第二章苹果霉心病在线检测分选试验平台方案设计..................................................92.1苹果霉心病在线检测分选系统整体设计.........................................................92.2苹果霉心病在线检测分选试验平台整体设计...............................................102.3系统功能及技术指标.......................................................................................11第三章苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现............................133.1苹果霉心病在线检测分选试验平台总体结构................................................133.2苹果霉心病在线检测分选试验平台机械结构设计.......................................143.2.1检测模块机械设计....................................................................................143.2.2称重模块机械设计....................................................................................153.2.3分选模块机械设计....................................................................................163.3传动系统设计...................................................................................................173.3.1确认传动方案............................................................................................173.3.2调速电机和减速器选择............................................................................183.3.3链传动设计................................................................................................183.3.4输送带设计................................................................................................193.4基于CreoParametric2.0的分选试验平台整体装配.....................................193.4.1基于CreoParametric2.0的分选试验平台流程设计..............................193.4.23D实体建模及装配...................................................................................203.5本章小结...........................................................................................................21第四章基于苹果霉心病多源信息采集系统硬件设计与实现....................................224.1多源信息信息采集系统硬件总体设计...........................................................224.1.1核心处理模块............................................................................................224.2图像采集模块...................................................................................................234.2.1图像采集模块整体架构............................................................................24 4.2.2图像采集系统电路设计............................................................................254.3透射光强度检测模块........................................................................................264.3.1透射光谱强度检测模块整体架构............................................................264.3.2LED光源及光电检测设计........................................................................264.3.3光源及光电检测系统电路设计.................................................................284.3.4伺服系统设计............................................................................................294.3.5伺服系统电路设计....................................................................................304.4重量检测模块....................................................................................................314.4.1重量采集模块整体架构............................................................................314.4.2称重系统电路设计....................................................................................324.5分选模块设计...................................................................................................334.5.1分选模块整体架构....................................................................................334.5.2分选模块电路设计....................................................................................334.6本章小结............................................................................................................34第五章基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台控制系统软件设计............355.1控制系统软件设计...........................................................................................355.1.1开发平台软件介绍....................................................................................355.1.2软件总体功能设计....................................................................................365.2数据采集控制模块设计...................................................................................375.2.1图像采集模块............................................................................................375.2.2透射光强度采集模块................................................................................375.2.3重量采集模块............................................................................................395.3分选模块控制设计...........................................................................................395.4本章小结...........................................................................................................40第六章系统测试与分析................................................................................................416.1运行时间和分选效率测试...............................................................................416.2性能验证............................................................................................................426.2.1霉心病在线分选判别准确率.....................................................................426.2.2分选成功率测试.........................................................................................436.3信息采集精度测试...........................................................................................436.3.1伺服系统精度测试....................................................................................436.3.2质量检测精度测试....................................................................................436.4误差分析...........................................................................................................446.5本章小结...........................................................................................................44第七章结论与展望........................................................................................................45 7.1结论...................................................................................................................457.2展望...................................................................................................................46参考文献..........................................................................................................................47致谢..................................................................................................................................51作者简介..........................................................................................................................53 第一章绪论1第一章绪论1.1研究背景与意义苹果产业在我国水果产业体系中占有非常大的比重，截止2015年度，中国苹果生产总量约为4261.34万吨，栽培面积3500万亩，产量和面积均占世界的45%以上，其中苹果出口量为83.3万吨，出口率极低（中华人民共和国国家统计局2016）。中国浓缩苹果汁和鲜苹果出口规模自2001年起有迅速扩大的趋势，但是由于我国苹果自身品质约束、分选不完善，加之受到欧美国家的贸易壁垒和严格的品质检疫标准等因素，导致苹果出口贸易受到限制与制约(李瑾等2012)。苹果霉心病是由多种真菌复合侵染引起的，其侵染时期可以从发芽期一直持续到幼果期，果实发病初期内部主要呈现褐变症状，造成落果现象，贮藏期病害会继续扩展引起苹果果实腐烂，丧失商业价值；苹果霉心病覆盖我国各省主要产区，多种苹果树均发生过霉心病灾害，尤其红星、北斗和富士等花萼开放的苹果品种极易发病，研究表明，高湿的气候环境以及果园缺乏科学管理是霉心病发病的主要诱因，个别年份发病率高达50%(田凤2004；刘会香2001；张团委2016)。陕西作为中国苹果生产第一大省，调查显示2015年陕西省洛川县苹果花期遭受雨雪危害，霉心病果率达到17%(冯红利等2016)，严重影响果实优果率和出口率。目前，针对霉心病防治，主要采用多种化学药剂的配合使用以及生物菌剂(党继玲等2015；辛玉成和张成2000；上官建宗2013)，但效果甚微，无法彻底从根源上抑制霉心病的侵染。因此，提高苹果内部品质、扩大出口规模、提高优果率、进一步加强苹果采后管理水平，实现规模化品质分选，是现在急需解决的问题。针对果蔬分选相关产品及研究方法从产业角度进行阐述，周晓蓉等(2007)以5BF-3型辊-带水果分选机为试验设备，对柑橘大小进行分选，但是分选过程需要人工分拣且分选效果不理想。李胜等(2010)利用6JGG-1000型可变间隙辊轴式果蔬分选机对李光杏大小分选的合格率大于92%，有很好的分选效果。但这两种型号的分选机，只针对水果的大小进行分选已经无法适应现今市场的需求。美国Penwalt公司Decco型分选机是按重量分选的果实分选机。美国Autoline公司的Model6型机器视觉水果分选机，能够按照重量、颜色、形状和缺陷分选。韩国SEHAN-TECH的果蔬分选机能够进行重量、表面缺陷、颜色和含糖量的分选(白菲和孟超英2005)。SofuMM等(2016)设计了一种基于实时处理的苹果自动分选和质量检测系统，对苹果颜色、尺寸和重量进行分选。ShendereyC等(2010)通过小型光谱仪采用可见-近红外光谱技术对苹果霉心病进行了检测研究。陈克涛(2016)针对霉心病分析其特征光谱，分析提取了与霉心病害程度相关系数高于0.61的特征波段为710nm，在此基础上设计了一种实现基于窄带LED光源的苹果霉心病在线无损检测设备。张军华(2016)设计了一种双透射波段的苹果霉心病检测方法，其中与 2苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现霉心病相关的特征波段分别为709.36nm，参考波段为779.54nm，综合总体样品判别准确率为89.8%。目前市场上已有少量霉心病针对苹果霉心病现场检测的便携式设备，这种方法虽然能够实现苹果霉心病精准检测，但现场实施十分困难，检测过程繁琐只适用于实验室研究，或者无法实现苹果出口企业产地规模化检测的需求。对于苹果出口企业，一般都是以苹果大小、色泽、重量以及外部损伤作为分选的标准，很少有对苹果内部品质和内部病害分选的分选手段，缺乏针对实际苹果生产过程的批量化霉心病在线分选平台及相应配套设备，因此，本文研究的针对产业实际需求开发规模化苹果霉心病筛选的分选试验平台具有重要意义。针对苹果霉心病无损检测问题，国内外科研工作者对霉心病关联因素及检测方法进行了探索。YangL等(2011)通过X-ray反应苹果密度的内部图像来检测苹果霉心病；苏东(2016)分析苹果霉心病关联因子并搭建相应的试验平台，验证了透射光谱、直径与重量三个因子耦合判别霉心病病害的可行性。李顺峰(2012)对苹果霉心病引起的果肉生理变化进行研究，确定了以苹果霉心病病原菌、果肉生理变化及其近红外无损检测技术进行苹果霉心病预测，并得到了较好的预测效果。李芳等(2013)基于生物阻抗特性分析进行苹果霉心病无损检测，同步理化品质测定表明，霉心病果的密度和可溶性固形物含量较好果下降，表明霉心病果引起理化进而阻抗特性改变。张卫园(2015)利用图像采集设备从不同角度获取待测苹果图像从而计算得到苹果体积，根据获取的苹果质量数据与体积数据计算出待测苹果的密度，然后通过密度值来判定该苹果是否为霉心病果实。因此，通过在线试验平台的搭建拟完成对苹果果形指数、直径、透射光强度以及重量四个与苹果霉心病相关的因子进行采集，为模型建立和分选提供基础，为各环节控制提供基本思路。因此，本研究基于霉心病高通量、快速检测的需要，研究开发一套苹果霉心病在线检测分选试验平台，提高苹果霉心病检测速度、降低检测成本，实现自动进行病害判别与分选，对提高苹果产业的品质分选筛选能力，具有重要的研究意义。1.2国内外研究现状1.2.1水果在线检测分选设备是近年来发展起来的一种高新技术，在农业中尤其是果品的内部品质检测方面得到了广泛的应用，能有效提高苹果质量分选筛选能力。但受分选线造价贵、苹果售价不高且产量受季节性影响大、劳动力成本高等因素制约，国内鲜有商家投入资金进行苹果分选技术研究。目前国内苹果分选主要采用半机械化结合人工分选的模式进行。这些传输机构大都不包含对水果品质的智能识别，只有少数种类具备简单属性（如重量，大小）的分拣，且分拣水平不高。蒋焕煜等(2002)采用了一种能使果实自由翻转的分选系统。葛纪帅等(2012)采用已有上料装置，以称重传感器为基础，设计了一种在线检测分选装置。赵广华等(2010)设计了一种基于苹果图像判定果实品质的智 第一章绪论3能化分选系统，此系统采用果爪进行分选卸料。FangQ(2014)使用SolidWorks设计了一种新型的称重式水果分选机。PlaF等(2001)结合了称重传感器和红、紫外水果图像，设计了一种分布式水果外部缺陷的自动分拣系统。GolpîraHandGolpiraH(2013)从机械的角度优化了球形水果分选机，很大程度提高了分拣效率。此类研究大都倾向于机械机构的设计和规模，或采用机器视觉来甄别果品外部品质。现有分选设备大都采用机器视觉对水果外部品质和缺陷进行分选，未能实现果品内部品质和病害的检测，近年来国内外开始利用光谱技术对水果内部品质进行分选。TokudaH(2006)利用光学传感器对桃子果实糖度进行分选。NagataM等(2005)利用近红外高光谱成像技术完成了对草莓硬度和可溶性固形物含量的内部品质在线检测。BenedettiA等(2007)利用发光二极管的辐射频谱结合光谱仪设计了一种蔬菜或水果片的内部特性无损检测装置。张立彬(2000)利用低频段的水果电特性技术，设计了用于内部品质检测的自动分选系统。于新洋(2016)使用线性渐变滤光片对贮藏期苹果进行了苹果的糖度预测，并开发了相应的便携式设备。我国水果分选装置的研究还处于初级阶段。在国外（如日本，美国），苹果分选机得到一定普及，但因其占地面积大，吞吐量高（需要有足够的苹果供分选），投资巨大，因此只限于大型批发零售企业或者大型农场使用。由于苹果霉心病发生在果实心室周围，与果品成分检测不同，目前针对苹果霉心病的光谱快速检测方法研究较少，且大都停留试验平台阶段无法推广，已有的检测系统硬件多是集成了光谱仪与PC机等仪器，具有成本高、使用复杂等不足，病害判别模型存在分析复杂、耗时等缺点。可见近红外光谱分析法，是光谱照射到果品后经过反射、折射、衍射、透射以及吸收后光谱图像发生变化，通过分析变化后的光谱图像数据便可获知果品内部品质信息。目前该技术在果品硬度、含糖量、酸度等指标的检测上得到了广泛的研究(LiuYandLianJ2007；刘燕德和应义斌2006；刘燕德等2005；应义斌等2006)。综上分析可得，苹果在线无损检测技术逐渐成熟，相比较而言，对于苹果外部品质的在线检测如大小、颜色、外部缺陷以及重量的检测技术已经相对成熟；但就内部品质而言尤其是内部病害的检测，仍然缺乏有效的在线检测手段。就市场而言现已出现苹果霉心病方面的检测手段，但现场实施十分困难，无法实现苹果出口企业产地规模化检测的需求。1.2.2水果品质信息主要包括果实的外部品质和内部品质，其中外部品质包含果形、颜色、大小、重量以及外表缺陷。内部品质主要包括糖酸度、可溶性固形物以及内部病害。本文对苹果霉心病多因子信息获取主要包括果形指数和果径获取、透射光强度获取、重量信息获取。对于水果外部品质的获取，一般采用图像信息获取技术。ChongVK等(2008)设计 4苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现的分选机系统采用6个CCD摄像头，获得六个茄子表面图像，采用特征提取算法，提取茄子长度、直径、体积、曲率、颜色均匀性、花萼颜色、花萼面积和表面缺陷的特征。NandiCS等(2014)提出了一种基于机器视觉的芒果果实成熟度和质量的分选方法，通过分析处理从放置在输送带顶部CCD相机采集到的图像，分析果实成熟度。周海英(2012)提出了一种3D光路图像采集系统，通过双目摄像头，在不同方向对同一物体进行拍摄，然后对两幅图像分析处理完成三维重构。黄辰和费继友(2017)采用机器视觉技术，采集生产线上动态的苹果图像，通过融合的判别模型对苹果果径、颜色、外部损伤以及果形进行分选。对于重量信息获取，自我国水果分选装备发展至今，目前主流称重式水果分选设备主要有机械式称重水果分选机和电子式称重水果分选机两种。其中传统的机械称重式分选机在运行过程中存在机械抖动，会直接影响机械式称重装置的分选精度(王聪玲和郭佩玉1993)，且在分选中容易造成机械损伤。随着电子技术的快速发展，近年来电子式称重技术得到了广泛的应用，Ren-HeWU等(2014)设计了一种新型高精度动态称重分选系统，该系统以PLC为硬件基础完成了生产线上实时称重的目的，能够快速的对产品分类剔除，大大降低了产品的工作强度和成本。对于透射光强度数据的获取，一般将收集到的高光谱或多光谱图像，根据光谱成像系统的数据采集和处理程序，对光谱图像进行分割，选择有利于实验研究的光谱带(WangWetal.2012；GomezDDetal.2007)。郭志明等(2016)利用近红外光透射的方式，实现了苹果内部品质的在线获取。郑朝晖等(2001)由单片机控制A/D采样器件产生不同频率用以采集光谱信号。魏旭可(2012)采用光电探测元件，经过STM32放大和模数转换后，完成对光谱数据的采集。对于透射光谱数据的采集，现阶段研究一般采用光电转换后，结合单片机和数据采样模块，对光谱数据进行获取。综上分析可得，水果品质信息获取技术相对成熟，本文拟通过在线试验平台的搭建完成对苹果果形指数、直径、透射光强度以及重量信息的采集，为模型建立和分选提供基础，为各环节控制提供基本思路。1.2.3分选试验平台控制系统需满足在线实时检测的需求，为实现苹果病害程度的分选，控制系统需利用线程对苹果的动态位置实时追踪，当水果到达相应的分选箱时，控制系统下发分选指令完成分选。现今技术一般采用现场预先分选系统分离较小和缺陷的水果控制系统，用来检出缺陷水果(MizushimaAandLuR2013b；WenZandTaoY1998)。应义斌等(2004)利用接近开关和移位寄存器设计了一套控制系统，实现了料斗式水果分选卸料机构的分选卸料过程的自动控制。孟繁臻和宫元娟(2014)结合检测技术、电动技术和PLC技术设计了寒富苹果自动分选生产线控制系统，对控制系统的软件进行设计。YamadaHandAraoK(2010)开发了一种非破坏性的结合质量分析仪和近红外检测糖度的 第一章绪论5草莓分选分拣的控制系统。OrtizcanavateJandGarciaramosFJ(2006)进行了在线单通道水果硬度测试和评价控制系统的研究。一般水果分选线上层系统包括计算机、摄像头和苹果图像采集处理软件，利用定位和输送装置实现了苹果在移动时的定位功能，使不同直径的苹果在相同的转速下滚动，从而获得更多的信息和更准确的分选结果(LiJetal.2011)。由于分选线控制系统研究较多，且大多数控制系统成本较高实现过程较复杂，所以本文拟采用PC协同总线及处理器的分层控制模式。张卫园(2015)提出了集机器视觉技术与果实生理特征于一体的基于密度特征的苹果霉心病无损检测方法，并利用ArduinoUNO实现了机器视觉系统上层平台的通讯。白东升和李康(2017)基于高速计算机视觉软件，将芒果外观图形经单片机传输给机器人系统，完成分选。李山等(2017)提出了一种以ARM为控制单元结合视觉系统的小型农产品分选机的研制方法，很大程度上降低了分选机的体积和成本。满尊(2016)基于AD数据采集卡获取鲜枣内部品质，通过USB总线数据传输，完成系统控制。综上所述，目前针对苹果霉心病检测问题，需依靠光谱仪和计算机的支持或者是基于光谱的小型化无损检测设备，存在使用成本高和无法进行规模化检测的缺点。因此，本文基于分析研究在线检测分选设备，影响苹果霉心病内部品质相关因素和在线控制系统，开展能够能进行大批量检测的苹果霉心病在线检测分选试验平台对提高霉心病产后分选水平具有重要意义。1.3研究内容本文根据以上背景意义与国内外研究现状分析，基于透射光谱技术采用多检测因子关联的方式来进行霉心病检测，开展苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计，研究多源信息采集机构与硬件电路设计方法，开发了基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台控制系统软件。研究内容主要分为以下几个方面：（1）苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现根据三维建模的常用软件和建模方法，设计苹果霉心病在线检测分选试验平台的机械系统，设计包括生产试验平台整体支架、传动系统、称重模块等机械结构，通过三维设计软件绘制分选试验平台3D实体并完成装配得到整体装配结构，加工得到苹果分选生产试验平台机械本体，为苹果霉心病在线检测分选试验平台的搭建提供机械基础。（2）苹果霉心病多源信息采集系统硬件设计与实现根据苹果霉心病检测的原理，研究多源信息采集的检测模块设计方法；分别设计了包括图像检测、透射光谱强度检测、重量检测和分选四种模块的检测机构。结合红外对射电路完成苹果图像采集。结合伺服系统和光源驱动电路和透射光强度模块的硬件电路，设计透射光强度检测控制系统。选择合适外围电路，完成重量以及分选模块硬件设计。为苹果健康程度的判别提供了完整的数据基础。 6苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现（3）基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台控制系统软件设计根据在线检测分选试验平台功能要求，设计一种基于总线协同时序控制系统，根据红外对射电路实时追踪苹果位置实现系统时序控制。分别研究了每个检测平台的程序设计和数据处理方法。对于图像信息的采集，通过总线传输数据的方式采样图像信息，通过图像预处理得到果型指数和横纵径；对于光谱数据的采集，研究了伺服系统对横纵径的解析方法，通过光电检测系统和伺服系统的配合完成对透射光强度的采集，经总线发送至上层平台；对于重量信息的采集，使用称重台对其进行重量测量，数据通过串口经由Arduino处理再上传至上层平台进行保存，最后完成苹果分选。（4）系统测试与分析根据设计目标及实际应用需求，对在线检测与分选试验平台进行系统测试，主要包括系统各部分运行时间和分选效率测试、判别准确率和分选整体成功率、信息采集精度测试。其中信息采集精度测试包括伺服系统精度测试和质量检测精度测试。1.4技术路线基于以上研究内容，以苹果霉心病在线检测分选试验平台研制过程为引线，拟从分选试验平台整体设计、机械系统设计与实现、苹果霉心病多源信息采集系统硬件设计与实现、基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台控制系统软件开发四方面展开研究，其总体技术路线如图1-1所示。 第一章绪论7系统性能方设整体方案设计试验平台设计关键技术案计设计指标在验支架线平理论分析检台传动系统测机需求分析机械系统方案设计装配分械分选模块选设技术分析试计称重模块信信统图像检测模块架构图像采集电路息息硬采采件透射光强度检测模块架构光谱强度数据采集电路集集设系系计统重量检测模块架构重量数据采集电路控软制件控制系统软上层平台图像采集透射光谱重量采集分选系设件总体设计统计运行时间与分选效率测试设验备验系统检测霉心病判别准确率与分选成功率误差分析试证伺服、重量系统精度测试图1-1技术路线图Fig.1-1Figureoftechnologyroadmap首先，在前期采用有关苹果霉心病病害程度与光谱波段相关性研究的结论上，进行光源、光源光功率、中心波长、半波宽度以及光电传感器等元器件和参数确定方案设计；然后，基于试验平台功能需求和机械原理完成试验平台机械设计；结合影响病害检测如光程、密度、质量等参数，根据性能参数和总体设计，选择适合果型指数、果径、透射光强度、重量信息采集电路，针对透射光强采，研究如何保证光程的高效传输并设计光路结构及伺服系统；其次，设计一种基于总线的苹果霉心病在线检测协同时序控制系统，实时追踪苹果位置的苹果霉心病在线检测分选试验平台，实现与上层平台之间的数据通讯，最后，对设备功能进行检验，给出检测设备的性能参数与指标。 8苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现1.5论文章节安排针对上述提出的研究内容与技术路线步骤，本文各章节安排如下：第一章：绪论。论述我国苹果种植产量的基本情况，出口现状及存在问题，介绍现有分选线型号及检测类型，介绍国内外果品在线检测技术及控制方法，介绍水果品质多源信息采集方法，分析现有成果的优缺点及市场需解决的问题，根据存在问题，提出本文研究主要内容及技术实现的研究路线。第二章：苹果霉心病在线检测分选试验平台方案设计。确定本文设计目标，分析关键技术，给出系统性能和参数指标。第三章：苹果霉心病在线检测分选试验平台的机械系统设计与实现。根据三维建模的方法设计完成了苹果霉心病在线检测分选试验平台的机械系统，绘制并装配完成分选试验平台整体三维模型，加工得到苹果分选试验平台机械本体。第四章：基于苹果霉心病多源信息采集系统硬件设计与实现。根据苹果霉心病多源信息采集需求，详细介绍了包括图像信息采集、光谱数据采集、重量信息采集的基本架构和各模块信息采集电路设计。第五章：基于总线的苹果霉心病在线检测分选试验平台控制系统软件开发。本文设计一种基于总线协同时序控制系统，详细介绍了各检测模块软件实现方法。第六章：设备试验与验证。对生产试验平台进行系统测试，验证系统各部分运行时间与分选效率测试、判别准确率和分选整体成功率、伺服系统精度测试、质量检测精度测试等设备参数指标。第七章：结论与展望。总结全文，提出本文研究中存在的问题及不足，给出后续研究的主要方向及建议。 第二章苹果霉心病在线检测分选试验平台方案设计9第二章苹果霉心病在线检测分选试验平台方案设计2.1苹果霉心病在线检测分选系统整体设计根据苹果霉心病在线检测分选设计要求，整体系统主要由上层控制平台和苹果霉心病在线检测分选试验平台2部分组成，两部分之间通过总线实现数据通讯。本文主要针对苹果霉心病在线检测分选试验平台进行研究，对上层控制平台和总线只做介绍。其整体设计图如图2-1所示。苹果霉心病在线检测分选试验平台图像采集模块透射光强检测模块重量采集模块分选模块控制器控制器控制器控制器总线判别模型控制器上层控制平台图2-1苹果霉心病在线检测分选整体设计Fig2-1Thedesignofon-linedetectionandclassificationofmoldycoreinapples其中上层控制平台包含判别模型和控制器两部分。上层平台软件基于Visualstudio/MFC采用C++语言进行开发，结合OpenCV开源计算机视觉库进行了判别模型软件设计，OpenCV中集成了正态贝叶斯、K最近邻、随机森林、人工神经网络等智能算法，操作简便，运算速度快，能够满足本研究需求。由于控制系统各检测位的传送速度和采集时间要求不同，采用多线程技术和信号同步机制可以实时有效地完成分选试验平台上不同时间段的检测任务，不受各功能检测模块检测时间或出现异常情况的影响，同时不受分选试验平台信息采集和分选模块输送速度差异的影响。为此，基于MFC提供的工作者线程，针对硬件系统各功能模块单独创 10苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现建一个工作线程。为了配合底层硬件上苹果样品在各检测位的抵达与离开状态，通过设置相应事件本身的有信号或无信号来通知其它线程，配合对相应消息做出即刻反应。2.2苹果霉心病在线检测分选试验平台整体设计苹果霉心病在线检测分选试验平台实际运行时，输送带做循环往复运动。为保证苹果输送过程中输送线能够平稳运行，同时具有一定的分选效率，查阅相关资料分选试验平台输送整体运行速度初步设计为0.1m/s~0.3m/s。分选对象为重量≤500g，横纵径≤100mm的苹果。苹果霉心病在线检测分选试验平台主要包括，试验平台机械系统设计，时序控制部分，各检测模块机构和电路设计。机械系统设计主要包括分选试验平台支架、传动系统、检测系统和分选系统，传动系统为整条分选试验平台的工作提供动力，完成苹果的输送；机械系统为分选试验平台其他机构及零部件的安装提供支撑。各检测模块机构和电路设计硬件系统主要包括核心处理模块、图像采集模块、透射光强度检测模块、重量采集模块以及分选模块。其整体设计图如图2-2所示。苹果霉心病在线检测分选试验平台苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统机械系统整体支传动系统检测机构分选机构架图像采集模透射光强检测图像采集模分选模块电块电路设计模块电路设计块电路设计路设计图像采集模透射光强检测图像采集模分选模块架块架构设计模块架构设计块架构设计构设计图像采集模块透射光强检测模块重量采集模块分选模块控制器控制器控制器控制器时序控制图2-2苹果霉心病在线检测分选试验平台整体设计Fig2-2Thedesignofsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapples运行检测时苹果单通道排列，为保证能够准确地采集到图像信息和透射光强度，苹果花萼部分需朝上放置。在单通道的运行模式下，当苹果运行到图像采集模块时，可以 第二章苹果霉心病在线检测分选试验平台方案设计11逐次完成单个苹果图像的自动采集，然后将图像上传到图像处理单元，得到相应的横纵径；当苹果运行到透射光谱强度采集区域时，根据苹果的横纵径大小驱动H型滑台运动一定的距离，实现苹果透射光强度的自动采集；当苹果运行到称重台时，一次完成重量称量；最后由图像处理后得到的果型指数与果径，结合透射光强度及重量四个判别因子，判别苹果健康程度；当带有等级信息的苹果运动到相应的分选箱时，在控制器的控制下使气动开关动作，苹果沿分选试验平台自由滑落进分选箱，实现自动分选。基于总线协同时序控制的苹果霉心病分选试验平台系统主要由红外传感器、苹果分选试验平台上层控制平台、图像采集系统控制器、透射光强度采集控制器、重量采集和分选控制器等组成。该部分主要功能是保证苹果分选试验平台各个部件之间同步工作，对各个苹果实时位置进行跟踪。其中红外对射传感器固定于各个工位前端面，当水果随输送皮带运动到检测工位时，红外对射发出脉冲信号，上层平台以总线的形式与检测工位之间传输数据，且各模块之间互不干扰。该信号可以作为苹果分选试验平台上苹果运动位置的时序信号，为苹果霉心病在线检测分选试验平台协同运作提供了基础。2.3系统功能及技术指标本文设计的规模化、低成本、大批量检测的苹果霉心病在线检测分选实验平台需要在线采集苹果果型指数、果径、透射光强度以及重量四个方面的信息，同时要设计一种各检测模块互不干扰的控制系统，为最终能将苹果健康程度分选为主要目的。本文设计的苹果霉心病在线检测分选试验平台主要功能有：（1）苹果图像采集（2）透射光强度采集（3）苹果重量采集（4）分选不同健康程度的苹果（5）总线通讯（6）透射光强度和重量数据处理（7）协同时序控制试验平台运行（8）单通道输送主要性能指标有：（1）判别准确率为83.3%（2）检测模块最大运行速度为0.15m/s（3）实际检测模块运行速度为0.1m/s（4）重量采集模块运行速度为0.1m/s（5）分选模块运行速度为0.2m/s（6）整体运行时间为22.5s-25s。（7）单个苹果检测时间为1.5s 12苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现（8）苹果检测效率可以达到2400个/小时（9）伺服系统纵径测量最大相对误差为2.8%，横径测量最大相对误差为2.2%（10）质量测量最大相对误差为1.7%（11）分选箱门从开启到关闭间隔1s（12）苹果进入分选箱整体成功率为98.1%（13）光源驱动额定电压16V（14）光源驱动PWM波占空比99%（15）伺服系统反应时间小于1s（16）称重反应时间小于1s（17）分选模块倾斜角度为30°（18）传动系统额定电压为220V，功率200W，转速90-1400rpm 第三章苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现13第三章苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现本章主要介绍苹果霉心病在线检测分选试验平台的总体结构，对各检测模块机械结构和传动系统进行设计，基于CreoParametric绘制在线检测试验平台三维图纸，最后得到机械实体。3.1苹果霉心病在线检测分选试验平台总体结构本文设计的苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统由分选试验平台支架、传动系统、检测机构和分选机构组成。苹果托盘固定在输送皮带上，输送皮带下方装有底板，保证了输送皮带的水平和平稳性。其总体结构图如图3-1所示。图像采集系统主要由双目摄像机、光源和暗箱组成，主要负责连续采集苹果图像，经总线传送至上层平台，得到苹果大小以及果型指数等信息。透射光谱强度采集系统主要由H型滑台、LED光源检测部分以及暗箱组成，主要负责连续采集输送线上运动状态下苹果的透射光强度。称重模块部分主要由称重台支架、称重台和称重台输送带组成，进行检测时苹果从托盘中自由脱落至称重台输送带上，完成称重；称重台与支架接触的部分用厚度为20mm的海绵作为缓冲以减小机械振动，称重输送带由帘布材料制成，可以最大限度的减少对水果的机械损伤。分选卸料系统主要由卸料箱、气泵、气动开关及卸料箱挡板组成，主要根据苹果分选试验平台协同实时控制系统发出的分选信号，驱动气动开关向上，打开卸料箱挡板，完成苹果的分选卸料。123456789101817161514131211图3-1苹果霉心病在线检测分选试验平台总体结构图Fig.3-1Structurediagramofsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapples1传输皮带2托盘机构3暗箱盖板4双目摄像机5暗箱6H型电机7透射光强探头8称重台传送带9气动开关10卸料箱11电机12分选系统支架13传送皮带14称重台支架15称重台16电机17检测系统支架18滚筒 14苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现3.2苹果霉心病在线检测分选试验平台机械结构设计根据实际生产情况，沿苹果运动方向，依次为检测部分、称重部分、分选卸料部分。系统机械示意图如图3-2所示。检测部分称重部分分级卸料部分图3-2苹果霉心病在线检测分选试验平台机械结构Fig.3-2Mechanicalstructureofsortingtestplatformforonlinedetectionofmoldycoreinapples由于初步设计的苹果霉心病在线检测分选试验平台运行速度为0.1m/s~0.3m/s，结合技术指标中各部分运行时间，霉心病在线检测分选试验平台支架分为三段设计安装，整体长度4m：检测部分尺寸为2000mm×800mm×500mm，称重部分尺寸为480mm×790mm×400mm，分选卸料部分尺寸为1500mm×800mm×500mm，。由于苹果在过渡部分需要自由滑落带下级检测部分，所以三个部分分选试验平台支架的高度之间需要存在一定落差，为避免苹果下落过程中有较大的机械损伤，初步选定落差为10mm，分选卸料部分可以根据实际需要对坡度进行调节，也可增加分选箱的个数适当调节设计长度。根据检测部分实际要求，检测部分输送带带宽200mm，距离左右两侧分别为95mm和25mm。根据机构和强度要求，选用铝型材(QY-10-4590B，GB5237.1~5-2008)、铝型材（QY-8-4040B，GB5237.1~5-2008）、铝型材直角件（4040直角件，GB/T6892-2006）等铝型材直接链接而成。3.2.1检测模块机械结构主要由检测模块支架、托盘、暗箱等组成，检测部分尺寸为2000mm×800mm×500mm。暗箱水平放置在支架上，为图像采集模块和透射光强检测模块的搭载提供基础，暗箱尺寸为500mm×500mm×500mm的立方体。为确保有充分的图像处理时间，两个暗箱之间预留间距300mm，为便于放置苹果，图像采集模块暗箱距离输送带始端500mm，透射光强检测模块暗箱距离输送带末端200mm；暗箱选用1mm厚钢板焊接而成，用M8螺栓固定在检测部分支架上，透射光强检测模块暗箱内部采用吸光海绵处理，以确保光电采集暗环境的同一性。托盘采用粘接的方式放置在皮带上，为能将苹果稳定的放置在托盘内并保证运动过程中不受输送带速度和机械抖动影响，苹果放置在托盘内需和托盘边缘紧密贴合，确保 第三章苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现15有足够的摩擦力，托盘尺寸50mm×50mm，托盘间距150mm，托盘数量共21个。检测模块实物图如图3-3所示图3-3检测模块实物图Fig.3-3Diagramofdetectionmodule3.2.2称重模块主要由称重台支架、称重台、输送带等组成。称重台水平放置在支架上，可以通过调节支脚调节称重台的水平高度。输送带水平放置在称重台上，为减小检测过程中所产生的振动和其他因素对称重精度的影响，本设计在称重台与输送带的接触部位放置减振海绵。称重模块整体尺寸为480mm×790mm×400mm，较检测部分低10mm（竖直方向），可确保苹果在两条输送线之间能顺利通过。传送部分选帘布结构的传输带，以便减小机械损伤，输送带尺寸为300mm×200mm的窄型通道。称重模块实物图如图3-4所示。图3-4称重模块实物图Fig.3-4Diagramofweighingmodule 16苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现由于称重模块输送带放置在称重台上，在实际运行过程中，称重台需要进行去皮操作，所以称重台的量程需大于输送带的实际重量，经过测量得输送带质量为3.2Kg。根据实际需求选择精度较高检测时间短的称重台，选择型号为幸运XY-10MA的电子称重台。秤盘尺寸为230mm×315mm，最小称重4g，最大量程10Kg，精度1g。3.2.3分选模块机械部分主要由分选模块支架、分选箱、分选箱门等组成，检测部分尺寸为1500mm×800mm×500mm。为确保分选箱能容纳足够数量的样本，分选箱尺寸设计为150mm×200mm×100mm，由于每个分选箱前端需要安装红外开关，所以三个分选箱之间间距100mm；为确保分选信号能及时下发至分选模块，系统有足够的处理时间，分选箱距离输送带始端600mm，距离末端250mm。分选箱门尺寸为150mm×100mm，重量0.21Kg，所以选用气缸完成开关门动作，并将气缸固定在分选箱门上方。分选模块实物图如图3-5所示图3-5分选模块实物图Fig.3-5Diagramofhierarchicalsortingmodule由于分选箱门重量不大，在开启关闭时所需作用力较小，所以气缸选用亚德客型TDA10×10-S双轴双杆气缸带动分选箱门开启和关闭，该型号气缸最大负荷100N，使用气压0.1-10MPa。气动开关选用型号为4V210-08，工作电压24V，使用气压为0.15-0.8MPa，反应时间0.05s。根据实际情况气泵选用OTS-550-8L空气压缩机额定气压0.7MPa，满足实际要求。当苹果得到分选信号到达分选模块时，苹果在输送带倾斜斜面上自由滚落进入分选箱，如图3-6所示为苹果在倾斜皮带上的受力分析，本文设计分选模块倾斜角度为α。 第三章苹果霉心病在线检测分选试验平台机械系统设计与实现17FNfGα图3-6倾角受力分析Fig.3-6Inclinationforceanalysis本文取苹果最大重量为500g，当重力的分量大于摩擦力时苹果可自由下落，其可表示为（3-1）式：Gsinα>𝑓（3-1）其中：𝑓为苹果所受摩擦力，G为苹果重力。摩擦力计算可表示为（3-2）式：𝑓=𝜇Gcosα（3-2）其中：𝜇为皮带摩擦系数，取0.5。最后可得分选模块倾斜角度为：1α>tan-1=26.565°2所以本文将分选模块倾角设置为30°。可以确保苹果到达分选模块后可以自由滚落到分选箱内。3.3传动系统设计本文的传动系统主要为了给输送带传动部分提供动力和扭矩，使皮带以特定的速度和方式进行运动，实现苹果托盘的运输。3.3.1皮带输送可广泛代替已有扰性传动和齿轮进行传动，由杆轮和作为扰性曳引元件的杆共同组成。作为传统的链传动的替代解决方案。皮带输送有以下优点：（1）远距离传输，适用于距离较大的传动系统；（2）传动性能稳定，柔性传动带在传动时有缓冲的功能；（3）安全性能高，过载时会出现打滑现象，可以保护系统防止发生损坏甚至事故；（4）成本低，简单的传动机构降低了造价成本和日常维护费用等。输送带在工作过程中，在带轮的轴承处会产生转矩的损失；传送带的变形会造成相应的弹性滑动，从而导致传动到从动轮的速度部分损失，弹性滑动率一般为1%-2%左右，当发生传动过载情况时，传动的稳定性变差，效率也变低，皮带的变形和在带轮上的绕曲也会引起磨损，使传动功率造成损失。综上，皮带的传动效率一般在80%-90%左右。综和考虑皮带传输的特点，确定本系统传动系统为三级传动： 18苹果霉心病在线检测分选试验平台设计与实现（1）电机和减速器内部齿轮传动部分；（2）减速器和工作主轴的链传动；（3）皮带输送部分。3.3.2根据分选试验平台预设运行速度需求，计算分选试验平台运行所需功率。传动系统总效率计算如式（3-3）所示：𝜂0=𝜂1∙𝜂2∙𝜂3∙𝜂3∙𝜂4（3-3）式中：𝜂1=0.90为减速器效率；𝜂2=0.96为链传动效率；𝜂3=0.99为输送带轴承效率；𝜂4=0.90为输送带效率。计算可得，传动系统效率𝜂为：𝜂=𝜂1∙𝜂2∙𝜂3∙𝜂3∙𝜂4=0.96×0.90×0.99×0.99×0.90=0.762对电机功率P的计算如式（3-4）所示：𝑃=𝐹𝑉𝜂（3-4）根据实际工作需要本文电机选用调速电机，输送带运行速度在0.1m/s