谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置

摘要

谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置，设置在谷物参数检测箱内，该装置设置在成像板上方，其自上而下依次设有谷粒入口容器、入料分散管、反射分散棒、二次分散框和均匀分散框，谷粒入口容器的出料口与入料分散管的入料口对应设置，反射分散棒、二次分散框和均匀分散框相互对应中心设置，谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置，对进入谷物参数检测箱的谷物进行自动分散，保证分散在成像板上的谷物不粘连，分散均匀，便于检测。

说明书

技术领域

本发明涉及分散装置，尤其涉及一种应用于谷物参数检测箱体的防止谷物粘连的自动分散设备。

背景技术

谷物如小麦、水稻、玉米以及高粱等在进行收购、储存及育种考种工作中，需要在现场对谷物的不完善粒、杂质、霉变等物理品质进行检测，以确定谷物的品质和等级。

数字图像处理与模式识别技术在几十年内得到迅速发展并在工业自动化、智能交通、卫星遥感、生物医学等应用领域中得到广泛的应用。在数字化农业日益推广的今天，利用数字图像处理技术进行谷物参数的自动检测具有广阔的应用前景。计算机视觉技术已经开始在储备粮的检测中得以应用。

现有可携带的利用数字图像处理对谷物进行检测的设备，需要通过对谷物进行拍照，然后利用计算机进行数字图像处理。在现有的谷物外观品质检测方法中，虽然可以通过计算机软件算法对粘连籽粒进行切割，但切割效果不理想，因此，检测设备对谷物籽粒的放置方式有要求，要求籽粒之间要相互分离，不能粘连。

现有可携带的谷物检测设备主要通过人工方式使谷物籽粒分离，人工操作方式繁琐、工作效率低而且难度较大、不易控制，大批量检测时花费时间较长。

发明内容

   本发明为解决上述技术问题提出一种谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置，对进入谷物参数检测箱的谷物进行自动分散，保证分散在成像板上的谷物不粘连，分散均匀，便于检测。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置，设置在谷物参数检测箱内，该装置设置在成像板上方，其自上而下依次设有谷粒入口容器、入料分散管、反射分散棒、二次分散框和均匀分散框，谷粒入口容器的出料口与入料分散管的入料口对应设置，所述的入料分散管为人字型通道管，其两翼的通道尾端密封，在两翼通道的下方设有多个排粒孔，排粒孔的正下方对应设有反射分散棒，反射分散棒、二次分散框和均匀分散框相互对应中心设置，所述的反射分散棒的横截面为等边直角三角形，其棱柱直角处于三棱柱体正上端，所述的二次分散框为中间宽两边窄的长边为弧形的框式结构，其长弧边对外设置的面为向中心方向倾斜的平面，所述的均匀分散框为中间宽两边窄的长边为弧形的框式结构，其长弧边对内设置的面为向内凹的弧面。

本发明所述的多个排粒孔的排列密度从入料分散管中间位置开始向两边逐步增大。

本发明所述的二次分散框的长弧边的横截面为直角三角形。

所述谷粒入口容器为谷物籽粒的入口装置，为方便容积的计量，输入容器带有标尺刻度，容器具有谷粒进入拉栓，方便容积计量。入口容器的输出圆形出口，其口径大小与入料分散管的处理能力匹配。容器的最大容量为本分散装置能够一次均匀分散的谷粒量，一次检测可能需要多次输入。

所述的入料分散管为人字形管状通道，位于谷粒入口容器的正下方，谷粒入口容器的输出为入料分散管的输入。入料分散管管状通道的输出为双排多孔排粒孔， 排粒孔的分布左右前后对称，排料孔孔的密度从中间位置开始向两边逐步增大，从而将谷粒以线性均匀分布方式均匀输出。管状通道的终端为密封实心。对于不同管状通道长度，在排粒孔的排列密度分布一定的情况下，倾斜角度决定了入料分散管的筛出速率，筛出速率与谷粒入口容器的谷粒输出速率匹配，以使谷物籽粒在到达通道终端之前完全筛出。终端直通管的长度基本等于反射分散棒。

所述的反射分散棒为一直形长条三棱柱，其横截面为直角等腰三角形，棱柱直角处于三棱柱体正上端。反射分散棒位于入料分散管的正下方，承接入料分散管输出的谷物籽粒，将垂直下落谷物籽粒的下降动能，通过三棱柱两棱面的反射，将其转换为水平方向的动能，从而将籽粒向两个相反的水平方向分别扩散。

所述的二次分散框为一长边为半圆形的三棱柱框架，其横截面为直角等腰三角形，其直角对内斜面对外，作用与反射分散棒类似。二次分散框位于反射分散棒的正下方，用以承接分散棒下落的谷物籽粒，通过三棱柱斜面的反射，将下落谷物籽粒的下降动能，转换为水平方向的动能，从而将籽粒向外扩散。

所述均匀分散框为中间宽两边窄的长边为弧形的框式结构，其长弧边对内设置的面为向内凹的弧面，长弧边的为一长斜边，其截面为半圆弧形的直角三棱柱框架，其横截面为长斜边为弧形的直角三角形，该横截面长斜边为二次曲线的一部分，其直角对外、斜面对内，作用与二次分散框类似，但方向相反。均匀分散框位于二次分散框的正下方，用以承接二次分散框下落的谷物籽粒，通过三棱柱长斜面的反射，将下落谷物籽粒的下降动能，转换为不同方向的动能，从而达到将籽粒向内均匀分散的效果。

所述成像板为具有一定摩擦系数的白色无反射矩形板，带有标尺刻度，用以承接分散孔板散落的谷物籽粒。

本发明应用于箱体的谷物籽粒自动分散装置，将依据成像板大小、工业相机位置、箱体高度以及其他约束，确定反射分散棒、二次分散框、均匀分散框的位置、周径形状大小和粗细尺寸。

本发明的有益效果是：本发明应用于箱体的谷物籽粒自动分散装置，为全自动化设备，通过之字形管状通道、分散棒、均匀分散多层框和分散孔板，自动将谷物籽粒散落在成像板，从而实现了谷物籽粒在成像板的均匀分布，防止了籽粒粘连，提高了测量的效率，且结构精巧，实现简便。

附图说明

图1为本发明实施例的水平侧面平视结构图；

图2为本发明实施例的谷粒入料分散管水平正面平视结构图；

图3为本发明实施例的谷粒入料分散管仰视平面结构图；

图4为本发明实施例的反射分散棒、二次分散框、均匀分散框直视图；

图5为本发明实施例的反射分散棒、二次分散框、均匀分散框直视图沿图4AB方向的截面图；

图6为本发明实施例的计算反射分散棒、二次分散框、均匀分散框的原理示意图；

图7为本发明实施例的计算反射分散棒、二次分散框、均匀分散框的实例示意图；

图8为本发明实施例的计算反射分散棒、二次分散框、均匀分散框实例坐标系示意图；

图9为本发明实施例的计算均匀分散框顶端和底端反射实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例为谷物参数检测箱用的谷物籽粒自动分散装置，其应用谷物参数检测箱8内，该装置具体包括谷粒入口容器1、入料分散管2、反射分散棒3、二次分散框4、均匀分散框5、成像板6和工业相机7。

所述谷粒入口容器1为谷物籽粒的入口装置，为方便容积的计量，输入容器带有标尺刻度，容器具有谷粒进入拉栓，方便容积计量。入口容器的输出圆形出口，其口径大小与入料分散管的处理能力匹配。容器的最大容量为本分散装置能够一次均匀分散的谷粒量，一次检测可能需要多次输入。

所述的入料分散管2为人字形管状通道，位于谷粒入口容器1的正下方，谷粒入口容器的输出为入料分散管的输入，如图2所示。入料分散管2管状通道的输出为双排多孔出口， 排粒孔201的分布左右前后对称，孔的密度从中间位置开始向两边逐步增大，从而将谷粒以线性均匀分布方式均匀输出，如图3所示。管状通道的终端为密封实心。对于不同管状通道长度，在孔的密度分布一定的情况下，倾斜角度决定了入料分散管的筛出速率，筛出速率与谷粒入口容器的谷粒输出速率匹配，以使谷物籽粒在到达通道终端之前完全筛出。假定入料分散管管状通道一排中间位置的筛出速率为v_lm₁（谷粒/秒），末端位置的筛出速率为v_lm₂（谷粒/秒），则谷粒入口容器1的谷粒输出速率为（v_lm₁+ v_lm₂）/4（谷粒/秒）。入料分散管2管状通道的水平长度基本等于反射分散棒3的长度。

所述的反射分散棒3为一直形长条三棱柱，其横截面为直角等腰三角形，棱柱直角处于三棱柱体正上端。反射分散棒3位于入料分散管2的正下方，承接入料分散管2输出的谷物籽粒，将垂直下落谷物籽粒的下降动能，通过三棱柱两棱面的反射，将其转换为水平方向的动能，从而将籽粒向两个相反的水平方向分别扩散。反射分散棒3的长度不小于入料分散管2管状通道的水平长度。

所述的二次分散框4为一长边为半圆形的三棱柱框架，其横截面为直角等腰三角形，其直角对内斜面对外，作用与反射分散棒3类似，如图4所示。二次分散框4位于反射分散棒3的正下方，用以承接分散棒3下落的谷物籽粒，通过三棱柱斜面的反射，将下落谷物籽粒的下降动能，转换为水平方向的动能，从而将籽粒向外扩散。二次分散框4的大小及截面尺寸由本节后面的计算确定。

所述均匀分散框5为一长斜边为半圆弧形的直角三棱柱框架，其横截面为长斜边为弧形的直角三角形，该横截面长斜边为二次曲线的一部分，其直角对外、斜面对内，作用与二次分散框4类似，但方向相反，如图4所示。均匀分散框5位于二次分散框4的正下方，用以承接二次分散框4下落的谷物籽粒，通过三棱柱长斜面的反射，将下落谷物籽粒的下降动能，转换为不同方向的动能，从而达到将籽粒向内均匀分散的效果。均匀分散框5的大小及截面尺寸由本节后面的计算确定。

所述成像板6为具有一定摩擦系数的白色无反射有弹性矩形板，或半圆弧形板，可以使用多层塑料薄膜及其他具有类似特征的材料，带有量程刻度，用以承接均匀分散框5散落的谷物籽粒。

所述的工业相机7为三个紧位于分散孔板下前后正下方的工业相机，一个位于中间，两个位于两边。

下面阐述谷物颗粒的分散轨迹和工作原理，确定反射分散棒、二次分散框、均匀分散框的位置、周径形状大小和粗细尺寸的分析与计算方法，以及其中核心推演过程。

对于便携式箱体检测仪器，其常见的要求是体积尽可能小，检测量尽可能大，而检测效果尽可能高，这就要求，在成像盘一定的情况下，箱体的高度尽可能小，拍照效果尽可能好。

假定成像盘大小尺寸为a*b，a为长度，b为宽度，a>b。对于呈浅S形输出孔，假定其最大的水平距离为dt。入料分散管2，假定其人字形管状通道终端距离顶点的垂直距离为h_l，水平距离为d_l≈a/2。假定三个工业相机要求的最佳拍照高度为h_p，即均匀分散框离成像板的垂直距离为hp（一个可选的高度为b/4，此时，每颗谷物都将被45度以上角度直拍）。

下面首先阐述谷物颗粒的分散轨迹和工作原理及相关公式。

定义入料分散管2管状通道谷物颗粒输出位置至反射分散棒3的垂直距离为x1，该位置从反射分散棒3至二次分散框4的垂直距离为x2，从二次分散框4至均匀分散框5的垂直距离为x3。该位置从反射分散棒3至二次分散框4的最大水平距离为z1，从二次分散框4至均匀分散框5的最大水平距离为z2。离开反射分散棒3的初始最大水平速度为v1，离开二次分散框4的初始最大水平速度为v2，离开均匀分散框5的初始最大水平速度为v3。从反射分散棒3至二次分散框4的时间为t1，从二次分散框4至均匀分散框5的时间为t2，从均匀分散框5至成像板6的时间为t3。如原理示意如图5所示。

依据自由落体的时间和速度公式，可得：

                        

       

，          

从而有：

                         

                

从而有：

         （1）

下面讨论入料分散管2管状通道谷物颗粒在不同输出位置的运动轨迹，进而可以确定二次分散框、均匀分散框的周径形状

可以假定x₁为入料分散管2人字形管状通道至反射分散棒的最大距离，也就是中间顶端位置至反射分散棒3的距离。假定入料分散管2的不同位置距离中间顶点位置的垂直距离为h_x，只需要知道该位置对应的二次分散框4和均匀分散框5对应位置的水平距离，即z₁和z₂，即可。分别使用Z_1x和Z_2x表示这两个水平距离。此时，对应的二次分散框4至反射分散棒3的水平距离z_1x为：

                                       （2）

此时，均匀分散框5至二次分散框4的水平距离Z_2x为：

                                （3）

公式（2）（3）说明了入料分散管2管状通道不同位置对应的Z₁和 Z₂的值，当h_x=0时为顶端位置，h_x=h_l时为终端位置。

下面的分析计算不再考虑入料分散管2管状通道不同位置的情况。

要想使盘子尽可能大，就要使均匀分散框反射的谷粒覆盖的面积尽可能大，为此，需要：1）谷粒被反射的尽可能远；2）谷粒被反射的尽可能近；3）谷粒被反射的均匀分布。

要想谷粒被反射尽可能远，需要满足：1）水平方向的速度尽可能大；2）在空中停留的时间尽可能长。能够满足此两个条件的，就是下降的谷粒全反射，此时，水平方向的速度保持不变，而垂直方向的下降速度则改变为上升速度，从而使空中停留的时间最长。

要想谷粒被反射尽可能近，需要满足水平方向的速度尽可能小。因此，水平方向为0的速度是最近的。能够将下降谷粒反射到垂直方向的斜面满足此条件。

要使谷粒被反射的均匀分布只要使最远和最近反射之间平滑连续即可。

因此，对于均匀分散框5，考虑到最高时飞行最远，要求其顶端对谷粒全反射，底端对谷粒将垂直反射。再考虑到连续性、光滑以及简单，采用二次曲线进行拟合。

为叙述便利，以相差最远水平距离的两个输出孔为例，对这两个不同水平位置的输出孔，进行区别标识。把最靠里的输出孔对应的各变量标识为t轨迹，统一以带下标t标识，比如把顶端位置至反射分散棒3的垂直距离为x_1t，反射分散棒3至二次分散框4的垂直距离为x_2t，如此等等。同样，把最靠外的输出孔对应的各变量标识为m轨迹，统一以带下标m标识。标识示意如图6所示。这里不必区分入料分散管2人字形管状通道的不同位置。

采用区分标识后，假定二次分散框4的高度为h2，均匀分散框5的高速为h3，考虑到反射分散棒3和二次分散框4的直角三角形截面特征以及摆放角度，有以下公式成立：

                                               （4）

                                         （5）

                                       （6）

                  （7）

             （8）

同时，还有

即：                            （9）

解之，得：

 其中，要求

首先考虑均匀分散框5的最远反射情况，此为t轨迹，因为是全反射，其速度v_3t=v_2t，其水平距离为z_1t+z_2t，其时间为t_2t与垂直距离为x_3t+h₃+hp的谷粒下降时间的累加，从而得到以下表达式：

 

解之可得：

                        （10）

下面分析和讨论均匀分散框5截面的弧形曲线。

假定以均匀分散框5所能够反射到达的最远位置，也就是中心点为坐标原点，令均匀分散框5顶端位置坐标为（x_t,y_t），低端位置坐标为（x_m,y_m）, 均匀分散框5截面的弧形曲线为二次曲线方程。则曲线方程经过（x_t,y_t）和（x_m,y_m）两点。

根据，很容易获得：

同时，由于二次曲线方程经过顶端和底端两点，于是有

 ， 

即：

h₃==                    （11）

对于顶端，由于其对谷粒的全反射，考虑该点的切线，从而有

tan（θt）=          （12）

         = 

 对于底端，其反射角度θm同样为反射切面与水平方向的夹角，考虑到底端反射之后形成垂直线，从而有

tan（θm）=

tan（2θm）=

由于   tan（2θm） = 2tan（θm）/(1- tan²（θm）)

可得：

     （13）

（11）（12）合并整理得：

即： 

令,可得：

 

   

从而有：

+

    

代入（12），可得：

 

（14）

至此，有：

                                              （4）

                                          （5）

                                       （6）

                    （7）

           （8）

                                 （9）

                       （10）

 =

（14）

其中：

整理公式（4）—（10）、（14），能够确定

根据二者函数关系，选择使最小的。

当确定之后，依据公式（4）可以确定，依据公式（5）（9）可以确定和，依据公式（6）（10）（14）可以确定、和。

当所有这些参数确定之后，反射分散棒、二次分散框、均匀分散框的位置、周径形状大小以及粗细尺寸都随之确定。