用于多品种柑橘的小型智能快速分选系统及方法

本发明涉及柑橘分选，具体涉及一种用于多品种柑橘的小型智能快速分选系统及方法。

背景技术：

1、柑橘作为我国种植范围最广、经济价值最高的特色水果之一，其采后分级分选是实现柑橘商品化、提升产品附加值的核心工序，分选的精度、效率与果实损伤率直接决定了柑橘的市场流通等级与种植户的经济效益。

2、当前，我国柑橘种植产业呈现出显著的分散化特征，种植主体为中小农户与小型家庭农场。行业数据显示，我国85%的柑橘种植主体为种植规模50亩以下的散户与小型家庭农场，同时超65%的线上柑橘订单由该类经营主体直接直发。而这类中小经营主体因柑橘种植规模小、品种类型多、作业场景分散、资金投入有限等原因，仍普遍依赖低效、分级主观性强、果实损伤率高的人工分选模式。

3、伴随国内消费升级与农产品流通业态变革，生鲜电商等新型销售模式快速兴起，对柑橘果品的分级标准化、品控一致性与交付时效性提出了更高要求，中小柑橘产业这种传统人工分选模式已无法适配当前的产销需求，自动化分选升级已经成为必然趋势。但现有柑橘自动化分选技术，均围绕大型合作社、规模化果园的集中式分选场景开发，其设备形态、核心架构与功能设计，与广大中小种植主体的实际作业需求严重脱节，存在诸多无法克服的技术缺陷，具体如下：

4、（1）现有柑橘分选技术方案均围绕规模化集中分选场景设计，设备形态以大型固定式或车载集成式为主，存在占地面积大、购置与使用成本高、作业场景受限的固有问题，完全无法适配中小农户、家庭农场的小规模分散作业需求；

5、（2）现有技术均仅能实现柑橘大小、颜色、形状等基础外观指标的检测，无法按照国家行业标准完成果面缺陷的量化识别，且重量检测与外观检测相互割裂，无法实现多维度品质的同步综合判定，分级精度与标准化程度严重不足；

6、（3）现有技术均采用“检测-分选”分步式的流程架构，检测工序与分选工序相互分离，不仅导致设备结构复杂、流程冗长，还易因检测与分选动作的时序错位造成分级错误，运行效率与分级精准度难以兼顾；

7、（4）现有技术均采用单一品种的固定分级参数设计，无多品种分选参数库与一键快速切换功能，无法适配我国柑橘产区多品种混种、小批量多批次分选的产业现状，设备通用性极差。

8、例如，公开号为cn109332200b的《一种流动式柑橘品质现场检测分级方法》，该方案以卡车为载体搭建车载流动式分选系统，通过挡板式上料、单果通道输送、工业相机外观检测、电磁阀碰击落料的方式实现柑橘果园现场分级，但其设备依赖专用车载载体，投入成本高，仅能完成大小、颜色、形状等基础外观指标检测，检测与分选分步执行易出现分级偏差，且仅适配单一品种固定分级标准，无法满足中小农户多品种、低成本的分选需求。

9、例如，公开号为cn119500612b的《一种柑橘自动排列分选装置》，该方案采用大型固定机架结构，通过工业相机完成果实好坏视觉筛选，配合倾斜转盘逐级孔径分选结构实现果径分级，但其为大型固定式设备，使用场景受限，仅能实现基础好坏果筛选与果径分级，视觉检测与果径分级分步完成、流程冗长，且分级结构仅适配单一品种果径规格，多品种适配性极差，无法适配中小农户的分散作业需求。

10、综上所述，现有柑橘自动化分选技术，均围绕规模化集中分选场景开发，在设备形态、核心架构、功能设计上存在多项无法克服的共性技术缺陷，无法同时满足中小种植主体对分选设备小型化、低成本、多品种适配、精细化分级、高可靠运行、低损伤分选的核心需求，严重制约了我国柑橘采后商品化率的提升与中小农户种植收益的增长。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种用于多品种柑橘的小型智能快速分选系统及方法，通过多级调速控制实现待分选柑橘发单果有序输送，并在同一输送流程中采集待分选柑橘的重量数据和外观数据，结合预设的柑橘多品种分类标准与模糊综合评价算法完成品质判定与分选仓位匹配，能够实现多品种柑橘的快速、精准、无损、智能化分级分选，解决现有分选设备无法兼顾小型化、高精准、多品种适配、低成本运行的核心难题，能够充分满足广大中小种植主体的智能分选作业需求。

2、本发明的目的是采用下述方案实现的：

3、一种用于多品种柑橘的小型智能快速分选系统，包括台式或可移动式整机机架、驱动组件、人机交互模块、上料除杂模块、一体化分选收集模块、控制监管模块，其中，

4、所述人机交互模块，用于提供多品种柑橘分选标准选择界面和人工修正操作界面，并展示整机运行、分选产量、设备故障信息，同时将选定的柑橘分选标准和人工修正信息传输至控制监管模块；

5、所述上料除杂模块，用于自动输送柑橘，通过多段依次提速的输送带形成速度差疏开密集柑橘，配合尾部的弧形收口结构及多个挡板实现柑橘单果有序落料，并根据待分选柑橘果径动态匹配风机风速，定向吹扫去除杂质；

6、所述一体化分选收集模块，用于通过环形载料输送单元周向布设的多组独立称重卸料单元，分别承载单颗柑橘并沿环形闭合路径循环转运，并在环形流转过程中由称重卸料单元获取柑橘的重量、由图像检测单元获取柑橘的表面缺陷指标，将柑橘的重量、表面缺陷指标以及所在称重卸料单元的id发送至控制监管模块，以获取分选卸料指令；当环形载料输送单元将柑橘输送至分选卸料指令指定的分选仓上方时，称重卸料单元倾倒柑橘完成卸料，所述分选仓按品质等级分类收纳柑橘，所述表面缺陷指标包括斑点数量、斑点直径；

7、所述控制监管模块，用于根据柑橘的重量、表面缺陷指标，采用模糊综合评价算法计算柑橘品质等级，并结合人机交互模块下发的柑橘分选标准，生成分选卸料指令，同时实时监测上料除杂模块与一体化分选收集模块的卡料故障，检测到异常后触发声光报警并控制整机停机保护，统筹协调人机交互模块、上料除杂模块、一体化分选收集模块全流程协同运转。

8、优选地，所述人机交互模块配置独立人工修正操作界面，操作人员可执行两类修正操作：

9、（1）单果分级结果修正：调取已分选柑橘的重量、表面缺陷指标以及分级结果，手动修改自动分级结果存在偏差的品质等级标签，并将修改后的品质等级标签上传至控制监管模块，作为自学习优化模块的输入数据，所述品质等级标签包括特级、一级、二级、三级；

10、（2）多品种柑橘分选标准修正：选择待修改的柑橘品种，对该柑橘品种的模糊隶属度边界参数、各品质指标权重及各品质等级阈值进行手动修改，修改完成后将更新后的多品种柑橘分类标准下发至控制监管模块，作为自学习优化模块的输入数据。

11、优选地，所述一体化分选收集模块，包括环形载料输送单元、图像检测单元、称重卸料单元，其中，

12、所述环形载料输送单元，用于搭载多个称重卸料单元沿环形闭合路径连续循环输送单颗柑橘；

13、所述图像检测单元，用于采集柑橘的正、反面图像，结合内置的图像处理器获取柑橘的表面缺陷指标，将表面缺陷指标传输至控制监管模块；

14、所述称重卸料单元，用于采集单果重量数据，并将重量数据与当前称重卸料单元的id传输至控制监管模块，同时接收控制监管模块下发的分选卸料指令，当称重卸料单元旋转至指定分选仓上方时倾倒柑橘完成卸料，并自动清空柑橘重量数据，随环形载料输送单元回流进料端循环作业。

15、优选地，所述上料除杂模块包含自动上料单元、多级调速理果单元、可调风力除杂单元，其中，

16、所述自动上料单元，用于通过阶梯式传送带将柑橘由低位输送至上料工位并自动倾倒柑橘；

17、所述多级调速理果单元，用于通过多段依次提速的输送带产生行进速度差，打散堆叠柑橘、拉大果实间距，同时通过输送带两侧相向设置、间距沿输送方向逐步收窄的一对限位挡板，对柑橘进行聚拢限位，再经输送带尾端的弧形收口结构收拢排列后，配合可升降挡板实现单果有序出料，所述可升降挡板与称重卸料单元旋转位置联动；

18、所述可调风力除杂单元，用于根据当前分选柑橘的果径匹配对应吹扫风力，通过定向气流清除柑橘表面附着的残叶、果屑及田间杂物。

19、优选地，所述控制监管模块，包括分选指令生成单元、故障报警保护单元、自学习优化单元，其中，

20、所述分选指令生成单元，用于接收人机交互模块下发的柑橘分选标准，根据柑橘的重量、表面缺陷指标，通过模糊综合评价算法计算柑橘综合品质等级，并结合柑橘分选标准生成分选卸料指令；

21、所述故障报警保护单元，用于实时监测上料除杂模块与一体化分选收集模块的卡料故障，检测到卡料异常后触发声光报警并控制整机停机保护；

22、所述自学习优化单元，用于接收人机交互模块上传的人工修正信息作为输入，内置适用于嵌入式控制器的小样本梯度下降微调策略，以最小化系统自动分级预测结果与人工修正信息之间的误差为优化目标，迭代更新多品种柑橘分类标准内各品质指标对应的权重参数；迭代优化完成后，更新后的全套指标权重同步存储至分选指令生成单元的多品种柑橘分类标准数据库，用于后续柑橘分级判定，持续降低系统分级误判率。

23、采用上述小型智能快速分选系统进行多品种柑橘快速分选的方法，包括以下步骤：

24、1）在人机交互模块选定待分选柑橘的柑橘分选标准，并将选定的柑橘分选标准传输至控制监管模块；

25、2）利用上料除杂模块将待分选柑橘自动上料后，经逐级增速分散为单果状态后，依次输出单个柑橘至一体化分选收集模块的进料端；

26、3）利用一体化分选收集模块的环形载料输送单元沿环形路径输送待分选柑橘，并在输送过程中利用称重卸料单元采集待分选柑橘的重量，利用图像检测单元获取待分选柑橘的表面缺陷指标，将待分选柑橘的重量、表面缺陷指标和称重卸料单元的id传递至控制监管模块；

27、4）控制监管模块将待分选柑橘的重量、表面缺陷指标与称重卸料单元的id进行匹配与绑定，采用模糊综合评价算法计算待分选柑橘的综合品质等级，并结合柑橘分选标准，生成待分选柑橘的分选卸料指令，将分选卸料指令传输至一体化分选收集模块；

28、5）根据分选卸料指令，一体化分选收集模块的环形载料输送单元持续转动，当承载待分选柑橘的称重卸料单元旋转至分选卸料指令指定的分选仓上方时，称重卸料单元执行卸料操作，完成柑橘的分级收集。

29、优选地，步骤4）中，所述分选指令按照下列方式生成：

30、4-1）预先为每个分选仓分配唯一编号，为每个称重卸料单元分配唯一识别id；

31、4-2）待分选柑橘落入称重卸料单元上方，由称重卸料单元自动采集待分选柑橘的重量信息，并与称重卸料单元的id共同传输至控制监管模块；

32、4-3）待分选柑橘进入图像检测单元的图像采集范围时，由图像检测单元采集待分选柑橘的正、反面图像后，利用图像处理或深度学习算法获取待分选柑橘的表面缺陷指标，并发送至控制监管模块；

33、4-4）在控制监管模块，对接受到的重量和表面缺陷信息进行匹配，将同一待分选柑橘的重量信息、表面缺陷信息与承载待分选柑橘的称重卸料单元的id进行绑定、存储；

34、4-5）在控制监管模块，利用模糊综合评价算法，根据待分选柑橘的重量、表面缺陷指标，计算待分选柑橘的综合分级判定值；

35、4-6）在控制监管模块，将计算得到的综合分级判定值，与柑橘分选标准中预设的各品质等级阈值区间进行比对，确定待分选柑橘的最终品质等级；

36、4-7）在控制监管模块，基于预先建立的品质等级与分选仓编号的映射关系，将最终品质等级匹配至对应的目标分选仓编号，生成待分选柑橘的分选指令。

37、优选地，步骤4-5）中，所述待分选柑橘的综合分级判定值按照下列方式计算：

38、4-5-1）将待分选柑橘的重量、表面缺陷指标作为品质评价指标，利用模糊隶属度函数将各个品质评价指标映射为0～1区间的连续隶属度值，分别表征待分选柑橘属于特级、一级、二级、三级的贴合程度，其中，重量采用梯形模糊隶属度函数，斑点数量和斑点直径均采用z型模糊隶属度函数；

39、4-5-2）对待分选柑橘的各个品质指标的数值进行模糊化处理，分别计算各个品质指标在特级、一级、二级、三级下的隶属度；

40、4-5-3）调取柑橘分选标准中各个品质评价指标的权重，全部指标权重之和等于1，通过加权求和方式对隶属度矩阵中各维度单项隶属度融合计算，分别得到特级、一级、二级、三级各自对应的综合隶属度；

41、

42、式中，为某一等级k的综合隶属度，wi为第i个品质评价指标的权重，为第i个指标在第k个等级下的隶属度，为品质评价指标的总数量；

43、4-5-4）对特级、一级、二级、三级的综合隶属度进行比较，将数值最大的综合隶属度作为待分选柑橘的综合分级判定值。

44、优选地，步骤5）中，完成柑橘的分级收集后，控制监管模块会对对应称重卸料单元的检测数据、分选指令全部清零，同时，称重卸料单元随环形载料输送单元回流至进料接料位置，循环承接下一颗待分选柑橘，实现柑橘的连续分级收集。

45、本发明的有益效果包括以下几点：

46、① 现有主流柑橘分选设备主要分为两类成熟方案：一是大型固定机架设备，单套购置成本高达8万元；二是卡车车载集成设计设备，单套成本更是达到15万元，高昂的投入极大抬高了设备的使用门槛，这两类方案的设备整机尺寸（长×宽×高）接近78m×6m×3.3m、主线宽度接近1.5m。

47、而本发明采用小型台式或可移动小型机架作为整机承载结构，搭配阶梯式上料、多级调速理果的精简输送布局，通过环形一体化分选收集架构压缩设备纵深，摒弃了现有技术的大型固定机架与卡车车载集成设计，将整机尺寸优化（长×宽×高）为10m×3m×1.5m，单套成本仅为0.8万元，不足现有固定机架设备的十分之一、车载集成设备的二十分之一。

48、相较于现有主流大型分选设备，本发明的整机体积实现大幅精简，不仅显著降低了设备制造成本，更具备极强的空间适配性，可灵活放置于田间地头、小型仓储等狭小空间内使用，完美适配中小农户小规模、分散化的分选作业需求，有效降低了柑橘分选设备的使用门槛。

49、② 本发明采用双相机相向安装的图像检测机构，同步采集柑橘表面图像，能够严格按照ny/t1190-2006行业标准完成果面斑点数量、斑点直径等缺陷指标的量化检测，同时将称重模块集成于环形布设的各称重卸料单元承载盘内，在柑橘沿环形路径流转的过程中同步完成重量采集与外观缺陷检测，结合模糊综合评价算法实现重量、表面缺陷多维度品质的同步综合判定，显著提升柑橘分选的分级精度与标准化程度。

50、③ 本发明采用一体化分选收集模块，将重量检测、图像检测、定点卸料三大核心工序集成于同一环形载料输送路径上完成，果实随环形载料输送单元转动流转的过程中，同步完成重量信息采集、果面图像采集，控制监管模块以称重卸料单元的唯一id为标识，绑定单果的重量、缺陷数据并完成品质分级判定后，直接控制对应称重卸料单元在指定分选仓上方通过磁吸失电、自重偏转的方式完成倾倒卸料，实现了检测与分选的一体化连贯执行，既简化了设备整体结构、缩短了作业流程，也彻底规避了检测与分选动作时序错位导致的分级错误问题，同步提升了设备的运行效率与分级精准度。

51、④ 本发明内置多品种柑橘分选参数库，覆盖市面主流宽皮柑橘、柚类、橙类等不同品种的分级标准，且各品种分级标准均配套对应的模糊综合评价算法参数（包括隶属度函数参数、指标评价权重向量、输出评判集）。该模糊综合评价算法参数基于人工修正的分级标签，通过自学习模块进行自适应参数迭代微调，持续缩小系统分级结果与人工判定标准的偏差。

52、同时，本发明在上位机设置对应品种的分级标准一键切换功能，种植主体可根据待分选柑橘的实际品种，直接在上位机快速调取对应分级标准与算法参数，无需更换设备硬件部件、无需手动修改复杂参数，即可快速完成不同品种柑橘的分选作业，充分适配多品种混种产区小批量、多批次的分选作业需求，大幅提升了设备的通用性与适用范围。

53、⑤ 本发明从输送、承载、卸料全流程优化低损伤设计，在输送环节采用带食品级硅胶柔性缓冲垫层与防滑纹理的输送带，配合多级调速控制与尾端弧形收口导向结构，实现柑橘单果有序柔性输送，缓冲果实碰撞冲击力，避免刚性接触与相互挤压造成的表皮损伤；在承载环节采用弧面凹型承载盘适配果形，卸料环节采用自重缓倾卸料方式，全程减少刚性冲击，充分保障分选后果实的商品完整性。

54、另一方面设置与控制器联动的卡料报警模块，实时监测设备全流程运行状态，一旦检测到卡料异常，立即反馈信号至控制器，同步触发声光报警并控制整机执行停机保护动作，既充分保障了分选后果实的商品完整性，也大幅提升了设备长期运行的可靠性与稳定性，降低了设备维护成本与故障停机时长。