tóm tắt: Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi

Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi .

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NĂM 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Người hướng dẫn chính: TS Nguyễn Văn Cương

Lu ận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ

c ấp trường

H ọp tại: (Hội trường…, Trường Đại học Cần Thơ)

Vào lúc … giờ … ngày … tháng … năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Trung tâm Học liệu, Trường Đại học Cần Thơ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam.

DANH M ỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

Tạp chí quốc tế

1 H.Q Khanh, N.C Ngon, V.N.H Phuc, T.N.P Lan, L.P Hung,

L.D.K Linh and N.V Cuong, 2021 “Crack Identification on the

Fresh Chilli (Capsicum) Fruit Destemmed System,” Journal of Sensors, vol 2021, Article ID 8838247 DOI: 10.1155/2021/8838247

Tạp chí trong nước

1 H.Q Khanh, V.N.H Phúc và N.V Cương, 2020 “Mô hình toán xác

định lực tách cuống trái ớt tươi,” Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 9(2020), trang 24-30

2 H.Q Khanh, N.C Ngon, T.N.P Lan, V.N.H Phuc, H.T Thuong and

N.V Cuong, 2022 “Evaluating the optimal working parameters of the

color sensor TCS3200 in the fresh chili destemming system”, Can Tho

University Journal of Science, Vol 14, No 1 (2022): 42) DOI: 10.22144/ctu.jen.2022.004

35-Chương sách

1 H.Q Khanh, N.C Ngon, W.C Lin, V.N.H Phuc, T.N.P Lan, L.D.K

Linh and N.V Cuong, 2021 “Design of Chili Fruit Flipping Mechanism for Identification of the Damages Caused by Diseases”, In: Advances in Intelligent Systems and Computing, Choudhury S., Gowri R., Sena Paul B., Do DT (eds) Singapore: Springer, 2021, vol

1341, pp 185-194 DOI: 10.1007/978-981-16-1510-8_20

2 H.Q Khanh, N.C Ngon, J.R Ho, V.N.H Phuc and N.V Cuong,

2021 “Evaluation on the Diseased Damage Grading Model of the Fresh Destemmed Chilli Fruits”, In: Smart Innovation, Systems and Technologies, Reddy A.N.R., Marla D., Favorskaya M.N., Satapathy S.C (eds) Singapore: Springer, 2021, vol 265, pp 147-155 DOI: 10.1007/978-981-16-6482-3_15

3 H.Q Khanh, N.C Ngon, J.R Ho, T.N.P Lan, N.H Cuong, V.N.H

Phuc and N.V Cuong, 2022 “A Force Model for Controlling the

Destemming Process of the Fresh Chilli Fruit”, In: Lecture Notes in Networks and Systems, N Duy Cuong et al (eds) Switzerland: Springer, vol 366, 2022, pp 1-10 DOI: 10.1007/978-3-030-92574-1_6

Kỷ yếu hội nghị quốc tế

1 H.Q Khanh, N.C Ngon, V.N.H Phuc, L.H Tam, L.D.K Linh and

N.V Cuong, 2020 “Identification of the Damages Caused by Diseases on Fresh Destemmed Chili Fruits,” In: The 2020 12th International Conference on Knowledge and Systems Engineering (KSE2020), Can Tho, Vietnam, November 2020, Vietnam: IEEE,

2020, pp 126-130 DOI: 10.1109/KSE50997.2020.9287653

Giải pháp h u ích

1 H.Q Khanh, N.V Cương, V.N.H Phúc, L.Đ.K Linh, N.H Thanh và

L.P Hưng, 2022 “Máy tách cuống ớt” B ng độc quy n Giải pháp

h u ích số 2822 theo Quyết định số 1235w/QĐ-SHTT ngày 24/01/2022

Đ tài nghiên cứu khoa học cấp cơ s

1 H.Q Khanh, L.P Hưng và T.N.P Lan, 2020 “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy tách cuống trái ớt tươi” Đ tài nghiên cứu khoa học cấp

cơ s năm 2019, Trường Đại học Cần Thơ, mã số: T2019-02 (Chủ nhiệm đ tài – đã nghiệm thu vào tháng 9/2020)

CHƯƠNG 1

GI ỚI THIỆU 1.1 Lý do ch ọn đề tài

Ớt là một nông sản phổ biến với sản lượng thu hoạch hàng năm khu vực Đồng b ng Sông Cửu Long (ĐBSCL) trên 90.000 tấn, vì vậy nhu

cầu tách cuống trái ớt tươi là rất cần thiết Khâu tách cuống ớt hiện nay được thực hiện hoàn toàn thủ công, dẫn đến nhi u khó khăn Nhi u nghiên cứu đã được thực hiện để giải quyết vấn đ này nhưng đ u có các hạn chế như: không tách hoàn toàn cuống, làm dập thân trái, còn lẫn ớt bệnh, … Luận án nghiên cứu “Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi” này được thực hiện nh m ứng dụng tự động hóa, cơ giới hóa vào khâu tách cuống trái ớt tươi Từ đó giải quyết các vấn đ và đáp ứng nhu

cầu cấp thiết của kinh tế, xã hội, nâng cao giá trị và tính cạnh tranh của chuỗi sản phẩm ớt

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án này là trái ớt tươi ngay sau khi thu hoạch cần được tách cuống Ngoài ra còn có các đối tượng nghiên cứu khác như: quy trình, phương pháp, nhu cầu tách cuống, …

1.3 M ục tiêu nghiên cứu

1.3.2 M ục tiêu cụ thể

Các mục tiêu cụ thể của luận án được trình bày như sau:

Đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống tách cuống hiện;

phù hợp, đáp ứng được yêu cầu;

Chứng minh tính khả thi và khả năng ứng dụng của nguyên lý hoạt động mô hình hệ thống đã đ xuất

1.4 N ội dung nghiên cứu

Nh ng nội dung nghiên cứu chính của luận án như sau:

Lược khảo tổng quan tài liệu, đ xuất nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động tách cuống và cụm phân loại trái ớt tươi;

Xác định các thông số thiết kế cần thiết;

Khảo nghiệm, đánh giá khả năng hoạt động và ứng dụng của mô hình hệ thống tự động tách cuống, phân loại trái ớt tươi

1.5 Nh ững đóng góp mới của luận án

Luận án đã đạt được nh ng điểm mới như sau:

· Nguyên lý sắp xếp và tách cuống được thiết lập phù hợp với đặc tính hình dạng, màu sắc của các giống ớt tại khu vực ĐBSCL;

· Mô hình toán dùng để mô tả sự thay đổi lực tách cuống cần thiết theo thời gian bảo quản;

· Mô hình lực dùng để kiểm soát lực kẹp và tách cuống được xây dựng dựa trên nguyên lý tách cuống;

· Mô hình mạng CNN phát hiện vết nứt và vết bệnh trên trái ớt

1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án này đã góp phần làm sáng tỏ luận cứ khoa học v một phương pháp dự đoán lực tách cuống cần thiết và phương pháp kiểm soát lực tách cuống, cũng như làm sáng tỏ khả năng ứng dụng trí tuệ nhân tạo

kết hợp với thị giác máy tính để giải quyết vấn đ phân loại, nâng cao chất lượng của quá trình tách cuống trái ớt tươi

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã đ xuất được mô hình hệ thống tự động tách cuống và phân loại trái ớt tươi Các thí nghiệm đã chứng minh được tính khả thi và

sự phù hợp của mô hình này với yêu cầu thực tiễn của quá trình chế biến

ớt tại khu vực ĐBSCL, có khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế, phát triển kinh tế xã hội và chuỗi giá trị cây ớt

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 Phân tích m ối liên kết giữa cuống và thân trái ớt tươi

Các giống ớt phổ biến ĐBSCL là các giống chỉ thiên, có đặc điểm trái ớt hướng lên phía trên Khi chín, trái có màu đỏ, cuống màu xanh, ăn

Hình 2.2: Biến dạng phức tạp của cuống ớt

Tại vị trí liên kết gi a cuống và thân trái ớt (Hình 2.1), lớp sợi dạng ống có xu hướng phình to ra tạo nên một vòng liên kết với thân Đây là yếu tố chính tạo ra lực liên kết gi a cuống và thân trái ớt

Trong quá trình tách cuống khỏi thân theo phương pháp kéo và tách, mối liên kết gi cuống và thân chịu biến dạng phức tạp vừa kéo vừa

uốn Sự phá hủy bắt đầu b i biến dạng uống vượt quá mức chịu đựng của cuống và điểm bắt đầu phá hủy xuất hiện vị trí kéo nhi u nhất (Hình 2.2a) Sau đó, dưới tác dụng của lực kéo-uốn, các biến dạng này lan dần

v phía còn lại cho đến khi toàn bộ cuống được tách khỏi thân trái ớt (Hình 2.2b)

2.2 Nguyên lý ho ạt động của hệ thống

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động cụm tự động tách cuống

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi được đ xuất như trình bày Hình 2.3 và Hình 2.4 Toàn bộ hệ thống được đ xuất bao gồm các cụm chức năng như sau:

• Cụm cấp ớt (Hình 2.3) được bố trí vị trí đầu tiên của hệ thống với nhiệm vụ nhận nguyên liệu ớt từ trong phễu và tách rời cụm ớt để cấp nguyên liệu dạng từng trái một cho cụm sắp xếp phía sau

• Cụm sắp xếp ớt (Hình 2.3) được bố trí ngay sau cụm cấp ớt, có nhiệm vụ sắp xếp sao cho cuống của trái ớt được đưa ra ngoài băng tải

một khoảng cách 25÷35 mm để sẵn sàng được tách rời Phía trên của cụm

là mô đun sắp xếp ớt sử dụng cảm biến màu TCS3200 để phát hiện, gạt, đưa cuống ra bên ngoài băng tải

· Cụm tách cuống (Hình 2.3) được bố trí ngay sau cụm sắp xếp Các chi tiết của cụm này có nhiệm vụ kẹp gi phần thân để tiếp tục di chuyển trên băng tải theo phương ngang, trong khi dây đai và bánh đỡ

thực hiện kẹp và di chuyển cuống v phía dưới đến khi nó tách ra khỏi phần thân đang di chuyển phía trên băng tải

· Cụm phân loại ớt bệnh và ớt nứt được thiết kế để nâng cao chất lượng thành phẩm (Hình 2.4) Cụm này được bố trí cuối cùng của hệ thống với một cơ cấu đảo có dạng bánh răng phối hợp với dây đai sẽ gi trái ớt trong rãnh và xoay 180º để đưa phần phía dưới của trái ớt lên phía trên Cơ cấu này giúp khắc phục hạn chế của máy quay phim do chỉ quay được một phía của trái ớt, nhờ đó toàn bộ thân trái ớt sẽ được kiểm tra

2.3 Xác định kích thước, trọng lượng và áp suất phá hủy cuống

Các kích thước cơ bản của trái ớt được xác định bao gồm các thông số: chi u dài phần thân trái ớt lth, chi u dài phần cuống ls, chi u dài toàn

bộ trái ớt lf , đường kính cuống tại vị trí cách thân 10 mm d s, đường kính

thân d f và độ cong toàn phần của trái ớt d co

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của cụm phân loại ớt

Trọng lượng của trái ớt được xác định b ng cách lấy mẫu ớt gồm

500 trái ớt tươi để cân tổng trọng lượng và tính trung bình trên nhóm ớt

Áp suất phá hủy cuống ớt P là áp suất tối thiểu mà tại đó cuống ớt

có thể bị phá hủy làm 2 phần Giá trị này cần thiết phải đo để làm cơ s kiểm soát quá trình tách cuống, giúp tránh tình trạng lực kẹp quá lớn làm nát cuống, dẫn đến mất khả năng kẹp Kết quả xác định áp suất phá hủy cuống ớt xác định là P = 128,8 ± 8,3 (N/mm2)

2.4 Mô hình d ự đoán lực tách cuống cần thiết

Lực tách cuống cần thiết F là lực tối thiểu cần phải tạo ra để có thể tách rời hoàn toàn phần cuống khỏi thân trái ớt Lực này phụ thuộc vào

độ dòn, độ dẻo của ớt sau thu hoạch, đồng thời cũng chịu tác động của quá trình chín và mất nước sau thu hoạch; vì vậy được đ xuất là một hàm

số thay đổi theo thời gian bảo quản trái ớt t có dạng F = f(t)

Để xây dựng mô hình toán, trước tiên lực tách cuống cần thiết được xác định b ng phương pháp đo với kết quả như Hình 2.5 Căn cứ vào đặc tính của giá trị lực tách cuống cần thiết theo thời gian bảo quản, nh ng

mô hình toán phù hợp được đ xuất Bảng 2.1

Hình 2.5: Kết quả xác định lực tách cuống cần thiết

Phương trình toán biểu diễn lực tách cuống ớt cần đảm bảo hai đặc điểm sau: (1) Có ít nhất một điểm cực đại, hàm số tăng đến điểm cực đại này sau đó đảo chi u giảm dần; (2) Tiệm cận biên phải của hàm số không tiến v giá trị 0, nếu có đạt giá trị 0 thì nên cách xa v bên phải của điểm

khảo sát 120 giờ Hai mô hình toán dạng đa thức bậc 4 (Pol4) và mô hình dạng Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính (Gauss) được giải và kiểm tra sai số

Mô hình toán được giải b ng công cụ CFTool với phương pháp hồi quy bình phương tối thiểu và các thông số đi u kiện giới hạn của thuật toán Levenberg-Marquardt được thiết lập theo chế độ mặc định

Bảng 2.1: Một số mô hình được đ xuất

Đồ thị hình quả chuông Lượng

hiệu chỉnh tuyến tính d(t-48)

đưa tiệm cận biên phải của hàm Gaussian tiến v giá trị > 0 Giá trị trả v từ công cụ CFTool khi giải cả hai mô hình Pol4, Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính với 3 giống ớt Chánh Phong F1 (CP1), Chánh Phong F4 (CP4), Mũi Tên 207 (Mten) được ghi nhận lại để phân tích, đánh giá và lựa chọn mô hình phù hợp nhất

2.5 Tính toán c ụm sắp xếp ớt và khảo sát thông số tối ưu của

c ảm biến màu TCS3200

Hình 2.6: Cụm sắp xếp

Vị trí của mô đun này trong hệ thống được mô tả trong Hình 2.3 Việc tính toán cụm sắp xếp bao gồm xác định nguyên lý hoạt động, lưu

đồ đi u khiển và các thông số hoạt động của cảm biến Nguyên lý hoạt động của mô đun sắp xếp được trình bày Hình 2.6a Cảm biến màu TCS3200 được đặt trong buồng kín tối màu để đọc giá trị cường độ màu

đỏ gây ra b i thân trái ớt khi nó chạy qua bên dưới cảm biến với tốc độ tịnh tiến là v (mm/s)

Ở một độ cao xác định h (mm) gi a cảm biến màu và mặt phẳng

băng tải chứa trái ớt thì giá trị màu ghi nhận trên cảm biến được so sánh với ngưỡng Lưu đồ đi u khiển được trình bày Hình 2.6b Nếu đạt đủ

đi u kiện cường độ thì bộ đi u khiển sẽ xuất tín hiệu đi u khiển động cơ bước tiến hành gạt trái ớt để đưa cuống ra bên ngoài băng tải

Để sử dụng hết khả năng của cảm biến màu TCS3200, các thông

số được khảo sát bao gồm: cường độ tín hiệu kênh màu xanh/đỏ, độ cao lắp đặt cảm biến và vận tốc hoạt động của băng tải Dãy độ cao lắp đặt từ 15÷40 mm và dãy vận tốc hoạt động từ 10÷180 mm/s Các kết quả được ghi nhận lại để phân tích và lựa chọn thông số làm việc phù hợp nhất

2.6 Ki ểm soát lực tách cuống

Hình 2.7: Mô hình bài toán lực tách cuống

Để kiểm soát được lực tách cuống, mô hình tính toán lực tách cuống tạo ra b i các cơ cấu được thiết kế được trình bày Hình 2.7 Trục

vít me được dẫn động b i động cơ và đi u khiển b i UNO-R3 Khi trục vít me quay sẽ đồng thời tạo lực Flc tác động lên cảm biến loadcell và lực

ép lên dây đai tách cuống để tạo nên lực căng đai T Lực căng đai này

truy n trong toàn bộ dây đến vị trí tiếp xúc với con lăn lật và tạo nên lực

hướng tâm F k ép lên cuống ớt để kéo cuống rời khỏi thân trái ớt

Nguyên lý tách cuống được đ xuất trong nghiên cứu này sử dụng dây đai kết hợp với bánh đỡ cho phép kẹp và tách hoàn toàn phần cuống

ra khỏi thân trái ớt, khắc phục được nhược điểm của nh ng nguyên lý cắt cuống đã có

Mối quan hệ gi a lực tách cuống F được tạo ra và lực đo được trên cảm biến lực Flc:

Trong đó: f là hệ số ma sát gi a dây đai và cuống ớt;

α, β, γ là các góc lắp đặt của cơ cấu (rad)

Hệ số ma sát f là thông số chưa có sẵn trong các tài liệu nên cần

được xác định b ng phương pháp đo Kết quả đo f = 0,63 ± 0,03

Hình 2.8: Kiểm soát lực tách cuống Lực tách cuống tạo ra phải đảm bảo đủ lớn để có thể tách cuống khỏi thân, đồng thời không được phá nát, làm mất khả năng kẹp cuống

Vì vậy, lực tách cuống và lực ép phải thỏa mãn hệ phương trình sau:

(min) d

Trong đó: F d(min) : l ực tách cuống tối thiểu phải tạo ra (N);

d s : đường kính trung bình cuống ớt (mm);

w b : b ề rộng dây đai tách cuống ớt (mm)

Để kiểm soát lực tách cuống, lưu đồ hoạt động được đ xuất và mô

tả chi tiết Hình 2.8a Trong đó, giá trị lực F0 được tính toán thỏa mãn

hệ phương trình (2.2) và thiết lập trước trong bộ nhớ của vi đi u khiển hoặc có thể đi u chỉnh được b ng biến tr gắn ngoài

Để bù trừ cho các rung động xảy ra trong quá trình chạy của hệ thống, một đại lượng ổn định có giá trị Δ được xác định b ng cách đo giá trị trả v của cảm biến lực khi cân vật nặng 150 g (~14,71 N) trên hệ thống liên tục trong 4 giờ Giá trị Δ được xác định là sai số gi a giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất Kết quả đo được trình bày trong Hình 2.8b Theo đó, sai lệch gi a giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất ghi nhận được là 0,04 N,

và giá trị dung sai cho phép được chọn Δ = 0,04 N

2.7 Phân lo ại trái ớt tươi sau khi tách cuống

2.7.1 Nh ững trái ớt cần phân loại

Do quá trình tách cuống theo nguyên lý kẹp và kéo cuống ra khỏi thân, trong một số trường hợp trái ớt bị nứt phần thân – nơi tiếp giáp với

cuống như mô tả Hình 2.1 Một máy quay phim được gắn bổ sung bên cạnh vị trí máy quay 1 (Hình 2.4) để chụp ảnh phần đầu quả ớt, giúp phát hiện và phân loại nh ng trái ớt nứt Nh ng trái ớt bị hư hỏng dạng nứt vỡ này được mô tả Hình 2.9a

Tương tự, nh ng trái ớt bệnh cần phân loại khỏi nhóm ớt thành

phẩm được trình bày Hình 2.9b-e Chúng sẽ được chụp ảnh để nhận dạng và phân loại tại vị trí máy quay 1 và máy quay 2 (Hình 2.4)

2.7.2 Cơ cấu đảo trái ớt

Mô hình đảo trái ớt được thiết kế để đảo phần phía dưới của trái ớt lên phía trên, nhờ đó toàn bộ trái ớt sẽ được kiểm tra, đảm bảo chất lượng của quá trình phân loại