一种人参品质智能识别方法及其系统

本发明涉及人参检测，具体为一种人参品质智能识别方法及其系统。

背景技术：

1、人参作为一种高价值中药材，其品质等级直接取决于芦碗数量、主体尺寸、环纹密度、须根完整度等外观形态以及皂苷含量等内在成分。在人参的采收加工和流通环节中，需要逐支对人参进行品质识别和分级，以确定其商品价值和用途去向。

2、现有技术中，人参品质识别多依靠人工目检结合经验判断，部分加工企业引入了基于图像或光谱的检测设备：通过相机拍摄人参外观以获取尺寸信息，或通过近红外光谱装置检测人参的成分含量，再由人工或简单规则综合给出等级，分级后由人工或气吹式分拣装置将人参拨入相应的收集仓。

3、然而，上述现有技术存在以下不足：其一，人参形态不规则且须根细密，输送过程中易翻滚、须根易受压断裂，采集基准不一致，检测误差大；其二，光谱采集位置随意，受须根、表皮破损和人参粗细差异的干扰，难以稳定表征皂苷含量；其三，外观与成分等检测数据相互独立，缺乏统一的融合定级规则，分级结果主观性强。

4、为此，本发明提供一种人参品质智能识别方法及其系统。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种人参品质智能识别方法，包括以下步骤：

3、s1、将整支人参置于仿形托盒中，所述仿形托盒设有芦头承托区、主根承托区和须根悬垂避让槽，使人参在输送过程中保持固定姿态且须根自然悬垂，由输送装置将仿形托盒依次输送经过三维形态采集工位、光谱采集工位、称重工位和分拣工位，所述分拣工位设有至少两个分拣仓；

4、s2、采集固定姿态下人参的三维点云，从所述三维点云中提取形态参数，所述形态参数至少包括芦碗数量、主体尺寸、环纹密度和须根完整度，并根据所述三维点云确定人参主根中段的光谱探测区；

5、s3、根据所述光谱探测区的位置采集人参对应区域的近红外光谱，获得表征皂苷含量的光谱特征；

6、s4、获取人参的质量，并根据三维点云计算人参的体积，由质量和体积得到人参的密度，根据所述密度和环纹密度确定人参的肉质紧实度；

7、s5、对所述形态参数、光谱特征、肉质紧实度和质量进行融合处理，确定人参的最终品质等级，并根据所述最终品质等级控制气动分拣模块中与目标分拣仓对应的气嘴，将人参吹入目标分拣仓；其中，所述气嘴的触发时刻根据称重工位与目标分拣仓之间的输送关系、气嘴响应延时和与人参质量对应的漂移时间确定，吹送压力根据人参质量确定。

8、优选的，所述仿形托盒还包括尾部承托区，所述芦头承托区、主根承托区和尾部承托区的承托深度分别与人参对应部位的径向尺寸相适配；所述须根悬垂避让槽设置于所述仿形托盒的至少一侧，用于使人参须根自然下垂；所述仿形托盒内设置有弹性内衬，所述弹性内衬用于限制人参在输送过程中的滚动和翻转。

9、优选的，所述步骤s2具体为：

10、s231、在三维形态采集工位，通过分别位于仿形托盒上方和输送路径两侧的至少三个深度相机，同步采集人参的多视角点云数据；

11、s232、将各深度相机采集的点云转换至同一坐标基准下进行拼接，根据主体点云拟合人参主体轴线；对于人参贴靠仿形托盒一侧的点云缺失区域，在同一轴向截面内，将已采集点云相对于所述人参主体轴线的径向距离映射至所述缺失区域，得到补全后的三维点云；

12、s233、对补全后的三维点云进行分割，得到芦头、主体和须根分别对应的点云分区；

13、s234、统计芦头点云分区中凹陷区域的数量，得到芦碗数量；获取主体点云分区的轴向长度和最大径向尺寸，得到主体尺寸；将主体点云分区沿轴向平均分为三段，分别统计各段内环绕主体周向的环状凸棱数量，并将各段的环状凸棱数量与对应段的轴向长度的比值作为该段的环纹密度；

14、s235、根据须根点云分区中须根的末端形态，统计末端完整须根数量占须根总数量的比值，得到须根完整度；其中，所述须根总数量为识别到的末端完整须根、末端截断须根以及须根残端的数量之和，所述须根完整度作为形态参数参与s5的融合分级。

15、优选的，所述步骤s3具体为：

16、在光谱采集工位通过定位机构对仿形托盒进行定位，使人参在光谱采集过程中保持静止；根据补全后的三维点云确定人参主根中段的中间三分之一区段，根据所述三维点云识别须根伸出位置，并根据图像采集装置采集的与所述三维点云配准的表皮图像识别表皮破损位置，将不含须根伸出位置和表皮破损位置的主根表面区域确定为光谱探测区；

17、在所述光谱探测区内确定多个探测点，光谱探头依次移动至各探测点并分别采集近红外光谱；将各探测点在预先标定的皂苷特征波段内的吸收强度，按对应探测点处的等效光程归一化，再将归一化后的各吸收强度进行平均，得到表征皂苷相对含量水平的光谱特征。

18、优选的，所述步骤s4具体为：

19、人参随仿形托盒经过设置于输送路径上的动态称重传感器时，连续采样多个质量值并取中值，再扣除预先存储的对应仿形托盒的皮重，得到人参的质量；

20、对补全后的三维点云进行封闭曲面重建并计算人参的体积，根据人参的质量和体积确定人参的密度；计算三段环纹密度的平均值，将人参密度和平均环纹密度分别按同一归一化规则换算为密度得分和环纹得分，并将所述密度得分和环纹得分的平均值作为人参的肉质紧实度得分。

21、优选的，所述步骤s5中对所述形态参数、光谱特征、肉质紧实度和质量进行融合处理，具体为：

22、s561、将人参主体的最大径向尺寸与预设的规格界限进行比较，最大径向尺寸大于所述规格界限的，将人参划入大规格门类；最大径向尺寸小于或等于所述规格界限的，将人参划入小规格门类；

23、s562、将须根完整度、光谱特征和质量分别按预先存储的归一化上下限换算为无量纲得分，并将确定的肉质紧实度得分作为肉质紧实度对应的无量纲得分；按照人参所属规格门类对应的融合权重对各无量纲得分进行加权融合，得到融合得分；其中，大规格门类对应的融合权重中，须根完整度的权重大于光谱特征的权重；小规格门类对应的融合权重中，光谱特征的权重大于须根完整度的权重；

24、s563、根据融合得分和预先存储的融合得分等级阈值，确定人参的初始品质等级；

25、s564、根据须根完整度对所述初始品质等级进行校核，确定最终品质等级；其中，当所述须根完整度低于预设完整度阈值时，将所述初始品质等级下调一级，得到最终品质等级；当所述须根完整度不低于预设完整度阈值时，将所述初始品质等级确定为最终品质等级。

26、优选的，所述步骤s5中根据所述最终品质等级控制气动分拣模块中与目标分拣仓对应的气嘴，包括：

27、s571、得到人参的最终品质等级后，调用预先存储的最终品质等级与分拣仓之间的对应关系，确定与所述最终品质等级对应的目标分拣仓，将高品质等级对应第一分拣仓、中品质等级对应第二分拣仓、低品质等级对应第三分拣仓；

28、s572、根据人参的最终品质等级及所述对应关系确定人参的目标分拣仓，生成携带目标分拣仓信息的分拣指令；

29、s573、根据人参所在仿形托盒与目标分拣仓之间沿输送路径的输送关系，确定所述分拣指令的执行时刻，并在到达所述执行时刻时将所述分拣指令发送至气动分拣模块，由气动分拣模块将人参吹入目标分拣仓。

30、优选的，所述步骤s5中确定人参的最终品质等级之后，还包括品质档案的建立与追溯，具体为：

31、将人参的最终品质等级、形态参数、光谱特征、肉质紧实度和质量与其所在仿形托盒的编号及所属批次绑定存储，形成单支人参的品质档案；

32、统计同一批次中已完成分级人参的最终品质等级分别为高、中、低品质等级的占比，当统计周期内已完成分级人参的数量达到预先存储的最小样本数量，且低品质等级占比在连续至少两个统计周期内依次上升时，生成批次质量预警提示；并根据批次信息检索同一批次中已完成分级的人参的品质档案，实现单支人参自检测、分级至入仓的全过程追溯。

33、优选的，所述气动分拣模块将人参吹入目标分拣仓的执行过程具体包括如下步骤：

34、s901、以称重工位出口为触发基准位置，根据所述触发基准位置与目标分拣仓之间沿输送路径的距离和输送装置的输送速度，确定人参自触发基准位置运动至目标分拣仓的剩余输送时间；将目标分拣仓对应气嘴的响应延时、与人参质量对应的漂移时间以及目标分拣仓对应的时间修正量之和作为触发提前量，当所述剩余输送时间达到所述触发提前量时，触发目标分拣仓对应的气嘴；

35、s902、将人参的质量与同一批次人参的质量平均值比较，当人参的质量小于所述质量平均值时，将人参确定为第一质量档位，否则将人参确定为第二质量档位；根据所述质量档位从预先存储的气动参数标定表中读取对应的漂移时间和吹送压力；

36、s903、在分拣仓入口处设置光电传感器，检测人参相对目标分拣仓入口中心的实际落点，并根据所述实际落点与目标分拣仓入口中心之间的落点偏差确定修正方向；

37、s904、当同一目标气嘴对应的人参落点偏差在连续至少两次分拣过程中均为偏后时，按预设修正步长增大所述目标气嘴对应的时间修正量；当同一目标气嘴对应的人参落点偏差在连续至少两次分拣过程中均为偏前时，按预设修正步长减小所述目标气嘴对应的时间修正量；

38、s905、各目标气嘴对应的时间修正量独立累计；当修正后的实际落点回到目标分拣仓入口中心的允许偏差范围内时，保持当前时间修正量；当后续落点偏差方向与累计修正方向相反时，将所述时间修正量向初始值回退一个修正步长。

39、一种人参品质智能识别系统，包括输送装置、间隔设置于所述输送装置上的至少两个仿形托盒、沿所述输送装置的输送路径依次设置的三维形态采集装置、图像采集装置、光谱采集装置和称重装置、设置于光谱采集工位的定位机构、分级处理模块、气动分拣模块、设置于各分拣仓入口处的至少两对光电传感器以及存储模块；

40、所述仿形托盒用于承载整支人参并使其保持固定姿态；所述三维形态采集装置用于采集人参的三维点云并提取形态参数；所述图像采集装置用于采集与所述三维点云配准的人参表皮图像；所述定位机构用于在光谱采集过程中对仿形托盒进行限位；所述光谱采集装置用于采集人参的近红外光谱并获得光谱特征；所述称重装置用于获取人参的质量；

41、所述分级处理模块用于根据人参的质量和体积确定人参密度，根据所述人参密度和环纹密度确定肉质紧实度，并对所述形态参数、光谱特征、肉质紧实度和质量进行融合处理，确定人参的最终品质等级；所述气动分拣模块包括与分拣仓一一对应设置的气嘴，用于根据所述最终品质等级将人参吹入对应的分拣仓；所述光电传感器用于检测人参的实际落点；所述存储模块用于存储仿形托盒皮重、皂苷特征波段、归一化上下限、气动参数标定表和品质档案。

42、本发明提供了一种人参品质智能识别方法及其系统。具备以下有益效果：

43、1、通过仿形托盒使人参在输送过程中保持固定姿态并使须根自然悬垂，以托盘为空间基准完成多视角点云拼接、遮挡补全和部位分割，实现了芦碗数量、环纹密度、须根完整度等外观指标的自动量化，避免了人参滚动翻转造成的检测误差，同时降低了输送和分拣过程中的须根损伤。

44、2、通过点云引导近红外光谱在主根中段定点采样，剔除出根点、破损表皮和污染区域，并按照局部等效根径对光谱吸收量进行归一化，消除了人参形态、姿态和粗细差异对光谱检测的干扰；融合形态、光谱、质量和密度特征进行品质分级，兼顾了人参的外观品相与内在成分，提高了分级结果的准确性和稳定性。

45、3、通过根据人参质量确定气嘴触发提前量和吹送压力，并利用实际落点偏差对各分拣仓的触发时序进行独立闭环修正，使检测、分级与分拣形成协同控制，能够自动补偿气压波动、气嘴老化和输送速度变化引起的落点漂移，提高了多级分拣的精度和设备长期连续运行的稳定性，减少了人工校准和干预。