PHAM THANH HA a HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH

KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ  HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động Tp... Chính vì thế, với sự gợi ý và giúp đỡ của cô Đặng Phi Vân Hài, em

KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ

KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ



HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH

Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động

Tp Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2008

FACULTY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY



CASHEW NUT GRADING SYSTEM USING BY

IMAGE PROCESSING TECHNIQUE

Specialty: Automatic Control

Ho Chi Minh, city August, 2008

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng cảm ơn tất cả Quý Thầy / Cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh và Quý Thầy / Cô trong Khoa Cơ Khí đã trang bị cho em những kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy trong bộ môn Điều Khiển Tự Động đã giúp đỡ em nhiệt tình trong thời gian thực hiện Đề tài

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với cô Đặng Phi Vân Hài đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn Quý Thầy / Cô trong Hội Đồng đã dành thời gian nhận xét và góp ý để Luận Văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn thành Luận Văn

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 08 năm 2008

Sinh viên thực hiện Phạm Thanh Hà

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong vòng 6 – 7 năm trở lại đây, ngành chế biến hạt điều xuấtkhẩu Việt Nam

đã lớn mạnh vượt bậc – từ một nước chỉ xuất khẩu điều thô đã vươn lên trở thành một nước đứng hàng đầu về sản xuất và chế biến điều, với những sản phẩm nổi tiếng có mặt tại các thị trường lớn trên thế giới

Tuy vậy, đa phần các doanh nghiệp chế biến trong nước vẫn chưa đáp ứng được năng suất chế biến cũng như chất lượng sản phẩm đầu ra Việc áp dụng quy trình tự động hóa ở các công đoạn chính trong quá trình sản xuất như bóc tách hạt, lột vỏ lụa, phân loại hạt v.v…vẫn chưa cao Trong đó, công đoạn phân loại cuối cùng – khâu mang tính quyết định đến công việc kiểm tra chất lượng hạt điều nhân trước khi đóng gói xuất khẩu – lại chưa thu hút được sự quan tâm đáng kể trong công việc tự động hóa

Chính vì thế, với sự gợi ý và giúp đỡ của cô Đặng Phi Vân Hài, em đã thực hiện

đề tài này với mong muốn đưa lý thuyết về xử lý ảnh áp dụng vào quy trình phân loại,

để phần nào làm tăng hiệu suất làm việc trong dây chuyền chế biến hạt điều nhân cũng như chất lượng hạt trước khi đóng gói Cụ thể, em đã nghiên cứu và điều khiển mô hình hệ thống phân loại hạt điều với sự giám sát của camera để phân biệt độ trắng – nám của hạt điều, nhận biết và loại bỏ các hạt gãy, vỡ

Do thời gian thực hiện, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, nên dù đã cố gắng hết sức nhưng phương án giải quyết bài toán của em chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Quý Thầy / Cô và bạn bè để đề tài của em càng được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn

Sinh viên thực hiện Phạm Thanh Hà

SUMMARY

Within six or seven years recently, in Vietnam, cashew processing industry has grown stronger by leaps From a major raw cashew producing country, Vietnam has became a leading country about cashew processing export, in common with a lot of famous products, that have been traded on over the international market

Nevertheless, the majority of domestic businesses haven’t satisfied productivity and high-quality goods yet Because some automatic processes into principal manufacture’s steps, examples: separation shell-kernel, peeling, grading, ect… are not thorough Especially, the grading operation – the last important phase in quality control on the kernel before export packaging – has not acttracted interest in automatization considerably yet

Thus, along with Mrs Dang Phi Van Hai’s instruction, I had executed this thesis

to apply image processing theory to phase of cashew nuts grading in production line desirously That really improves to some extent productivity and high-quality cashews

on the increase after grading More clearly, I had investigated and controlled cashew grading model system through digital camera to differentiate white-level, to judge and reject the broken cashews

As limited duration and the thesis’ wide-level, even though I have tried my best,

my approaches cannot avoid shortcomings I desire to receive constructive ideas of your distinguished Teachers and my friends in order that I can improve my thesis more perfectly

I do thanks your distinguished Teachers and my friends from the bottom of my heart

Student Pham Thanh Ha

MỤC LỤC

Trang Trang tựa

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt v

Danh sách các hình vi

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2 TRA CỨU TÀI LIỆU, SÁCH BÁO PHỤC VỤ ĐỀ TÀI 3

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình phân loại sản phẩm rời 3

2.1.1 Khái niệm và các phương pháp phân loại 3

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá quá trình phân loại 4

2.2 Một số thiết bị phân loại 6

2.2.1 Các loại máy phân loại kích thước hạt nông sản bằng sàng cơ học 6

2.2.2 Máy phân loại màu sắc hạt nông sản bằng công nghệ tự động 7

2.2.3 Một số tiêu chuẩn Việt Nam về nhân hạt điều (TCVN 4850:1998) 13

2.2.4 Một số máy phân loại hạt điều có trên thị trường 14

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 16

3.1 Phương tiện thực hiện 16

3.1.1 Thiết bị phần cứng 16

3.1.2 Thiết bị phần mềm 16

3.2 Phương pháp thực hiện 17

3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 17

3.2.2 Bố trí phần cứng 17

3.2.3 Điều khiển cơ cấu chấp hành bằng cổng song song 18

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 19

4.1 Tổng quan về Matlab 19

4.1.1 Khái niệm Matlab 19

4.1.2 Giao diện Matlab 19

4.1.3 Khả năng và ứng dụng của Matlab 20

4.1.4 Tổng quát về các kiểu dữ liệu trong Matlab 20

4.1.5 Hệ thống lệnh trong Matlab (Matlab Function) 21

4.1.6 Hệ thống lệnh trong thu thập và xử lý ảnh 23

4.2 Xử lý ảnh 28

4.2.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh 28

4.2.2 Quá trình thu nhận ảnh 30

4.2.3 Quá trình tách đối tượng 34

4.2.4 Quá trình xử lý ảnh đối tượng 36

4.2.5 Quá trình nhận dạng đối tượng 39

4.3 Kết luận 44

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 46

5.1 Kết quả đạt được 46

5.2 Hướng phát triển đề tài 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCD – Charge Coupled Device

CIF – Common Intermediate Format

CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

MATLAB – Matrix Laboratory

PIXCEL – Picture Element

QCIF – Quarter CIF

SVGA – Super Video Graphics Array

VGA – Video Graphics Array

WEBCAM – Web Camera XGA – Xtended Graphics Array

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Đồ thị phân chia hỗn hợp thành hai cấu tử 5

Hình 2.3: Đường di chuyển của thóc gạo trên mặt sàng 7

Hình 2.5: Các công nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống 8

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý - cấu trúc hệ thống phân loại hạt theo màu sắc 9

Hình 2.8: Sự sai khác so với nền (chỉnh ngang bằng với hạt tốt) của hạt lỗi và tạp chất

9

Hình 2.9: Quan hệ giữa hệ số phản xạ và bước sóng đối với gạo và các loại tạp chất

10

Hình 2.10: Mô hình tương tác ánh sáng với bề mặt vật liệu 10

Hình 2.11: Lưu đồ thuật toán thu thập xử lý thời gian thực 11

Hình 2.12: Lưu đồ thuật toán xử lý nhận dạng 12

Hình 2.17: Máy phân loại hạt điều và một số các hạt ngũ cốc khác 15

Hình 2.18: Hạt điều bị loại và hạt điều thành phẩm sau khi phân loại 15

Chương 3

Hình 3.3: Hệ thống xử lý ảnh phân loại hạt điều 17

Chương 4

Hình 4.4: Giao diện Matlab khi sử dụng lệnh imread 24

Hình 4.5: Giao diện Matlab khi sử dụng lệnh imshow 24

Hình 4.10: Ảnh sau khi lấy cạnh bằng phương pháp Sobel 27

Hình 4.11: Ảnh sau khi thực hiện lệnh dilate và erode 27

Hình 4.12: Ảnh sau khi thực hiện lệnh bwareaopen 28

Hình 4.14: Sơ đồ các giai đoạn của quá trình xử lý ảnh 29

Hình 4.18: Cấu trúc nhận ảnh từ Camera trên Window 32

Hình 4.23: Ảnh hạt điều sau khi lấy hình chữ nhật 35

Hình 4.24: Sơ đồ các bước xử lý ảnh đối tượng 36

Hình 4.29: Ảnh hạt điều sau khi xử lý Morphology 39

Hình 4.31: Lưu đồ giải thuật nhận dạng màu hạt điều 42

Hình 4.33:Sơ đồ quá trình xử lý và nhận dạng 45

SVTH: Phạm Thanh Hà GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài

Nhận thức rõ về tiềm năng tiêu thụ trên thế giới là rất lớn, cùng với sự vận động phát triển của bản thân, ngành điều Việt Nam đã dần dần khẳng định vị trí của mình trên thương trường quốc tế trong nhiều năm trở lại đây Theo đó, các nhà máy cơ sở chế biến đã tăng lên một cách nhanh chóng với đủ loại quy mô lớn nhỏ Tuy tốc độ phát triển nhanh như vậy song thực tế, năng suất lẫn chất lượng sản phẩm ở những cơ

sở này vẫn chưa cao vì toàn bộ quy trình sản xuất vẫn chủ yếu dựa vào lao động phổ thông là chính Việc sử dụng một lượng lớn nhân công mặc dù đã giải quyết được tình trạng thiếu việc làm cho rất nhiều lao động, song điều này dẫn đến chi phí lao động chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành, làm giảm lợi nhuận cũng như sức cạnh tranh của sản phẩm điều chế biến xuất khẩu, và trong tương lai, tình trạng thiếu lao động là điều không thể tránh khỏi Để bắt kịp xu thế phát triển, tận dụng triệt để giá trị tiềm năng của mặt hàng nông sản này mang lại, việc áp dụng “cơ giới hóa, tự động hóa” trong công nghệ chế biến hạt điều là thiết yếu

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, dây chuyền chế biến hạt điều tại các doanh nghiệp Việt Nam hiện nay cũng đã cải thiện được phần lớn ở các khâu quan trọng như bóc tách hạt, lột vỏ lụa, …; riêng đối với khâu phân loại hạt cuối cùng vẫn

SVTH: Phạm Thanh Hà GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài

chưa được chú ý đến nhiều Cho đến nay, công đoạn này tuy đã được cải thiện bằng băng chuyền ở một số nhà máy chế biến lớn nhưng chưa tự động hoàn toàn, vẫn còn phụ thuộc nhiều vào nhân công

Tóm lại, ngành chế biến điều xuất khẩu Việt Nam tuy vẫn đang phát triển mạnh, nhưng muốn giữ vững được vị thế của mình như hiện nay thì cần tối ưu hóa các công đoạn sản xuất hơn nữa Trong đó, tự động hóa công đoạn phân loại sản phẩm sẽ góp phần không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, tăng độ chính xác sau khi phân loại, tăng chất lượng sản phẩm và nâng cao tính an toàn thực phẩm trước khi đóng gói

1.2 Mục đích và yêu cầu nghiên cứu

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu và khảo nghiệm hệ thống phân loại hạt điều bằng phương pháp xử lý ảnh Vì thời gian giới hạn cũng như mức độ rộng lớn của đề tài nên em chỉ thực hiện nghiên cứu các vấn đề cơ bản sau:

 Phân biệt độ trắng của hạt điều: phân biệt hạt điều trắng – nám

 Phân biệt hạt điều nguyên với hạt điều gãy ngang

Chương 2

TRA CỨU TÀI LIỆU, SÁCH BÁO PHỤC VỤ TRỰC

TIẾP ĐỀ TÀI

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình phân loại sản phẩm rời

2.1.1 Khái niệm và các phương pháp phân loại

a Khái niệm

Vật liệu rời là các vật liệu dạng hạt như đường, bột, hạt ngũ cốc, v.v… Thông thường vật liệu rời bao gồm nhiều thành phần khác nhau và thường không hoàn toàn đồng nhất

Bất kỳ một hỗn hợp nào cũng có thể phân chia một cách cơ học thành các thành

phần khác nhau theo tính chất cơ lý của chúng Những tính chất cơ lý quan trọng nhất

để phân loại hạt là hệ số thổi bay, kích thước hạt, dạng hạt, đặc tính (trạng thái) bề mặt, khối lượng riêng và tính đàn hồi

Nguyên liệu của các xí nghiệp xay xát, xí nghiệp bột, xí nghiệp chế biến thức ăn gia súc,… là hỗn hợp các hạt hoặc sản phẩm từ hạt, chúng không giống nhau về độ lớn Tất cả các hỗn hợp này đều ở dạng xốp Trong hỗn hợp này thường có lẫn tạp chất Độ tạp chất cao sẽ làm giảm phẩm chất cũng như giá trị của nguyên liệu

Như vậy, quá trình phân loại hỗn hợp được chia làm 2 quá trình nhỏ là làm sạch và phân loại theo cỡ hạt

Làm sạch hỗn hợp nguyên liệu tức là phân chia hỗn hợp sao cho loại bỏ tối đa các tạp chất lẫn trong hỗn hợp để thu được khối nguyên liệu có cùng tính chất sử dụng với những tính chất công nghệ tương tự như nhau Phân loại là phân chia hỗn hợp nguyên liệu hoặc sản phẩm thành các phần đồng nhất

b Các phương pháp phân loại

Thiết bị phân loại được phân thành 2 nhóm sau:

- Nhóm đơn giản: Các máy phân loại thuộc nhóm này có nhiệm vụ phân loại hỗn hợp thành hai thành phần theo một dấu hiệu riêng Ví dụ: mặt sàng với mội loại

lỗ (cùng kích thước và hình dạng lỗ), máy chọn theo cỡ hạt, ống phân loại,…

- Nhóm phức tạp: Các máy phân loại theo nhóm này có cấu tạo gồm hai hoặc nhiều máy đơn giản trong một hệ thống hoàn chỉnh và có thể tách hỗn hợp thành ba hoặc bốn thành phần trở lên theo những tính chất riêng Ví dụ: máy phân loại bằng sàng quạt để tách tạp chất nhẹ bằng khí động và phân hỗn hợp thành phần theo kích thước

Hiện nay trong sản suất, quá trình phân lọai có thể thực hiện trên một số máy theo các nguyên lý sau:

- Phân loại theo kích thước hình học của hạt: dùng các loại máy sàng, máy rây và ống phân loại hạt kiểu ống trụ

- Phân loại theo trạng thái bề mặt của hạt: máy gằn thóc khỏi gạo lức (máy sàng Pakis, máy sàng kiểu khay)

- Phân lọai theo khối lượng riêng: dùng băng tải nghiêng, mặt xoắn ốc, các lọai máy gằn đá, sàng Pakis, sàng kiểu khay,

- Phân loại theo tính chất khí động của hạt: dùng quạt thổi hoặc hút

- Phân lọai theo từ tính: dùng nam châm vĩnh cửu và nam châm điện để tách các tạp chất sắt

- Phân loại theo màu sắc: dùng các máy phân loại bằng điện tử và quang điện

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá quá trình phân loại

a Khả năng phân loại của hỗn hợp

Cơ sở để chọn phương pháp làm việc cho máy phân loại là dựa vào các tính chất vật lý của các cấu tử trong hỗn hợp Kết quả nghiên cứu tính chất cơ lý cho phép chọn được cách tách hỗn hợp đã cho theo một trong như thông số vật lý đã nêu sao cho cấu

tử được tách ra đảm bảo tính đồng nhất, nghĩa là xác định khả năng phân chia của hỗn hợp

Hình 2.1: Đồ thị phân chia hỗn hợp thành hai cấu tử

: độ chập nhau tính chất cơ lý x của hai cấu tử

o : khoảng tính chất cơ lý x của hai cấu tử

-  < 0 khi hai cấu tử có chung một số phần tử theo tính chất cơ lý x Hỗn hợp dạng này khó phân loại

-  = 0 khi hai cấu tử theo tính chất cơ lý x khác nhau hoàn toàn Hỗn hợp này

0 0

b Hiệu suất làm sạch và phân loại

Hiệu suất làm sạch và phân loại được đánh giá theo các chỉ tiêu sau:

- Hiệu suất làm sạch tương đối tđ

 % , 100

tđ

Trong đó:

A – tỷ lệ tạp chất trong nguyên liệu ban đầu, [%]

B – tỷ lệ tạp chất trong nguyên liệu đã làm sạch, [%]

- Hiệu suất làm sạch tuyệt đối 

 % , 100 2

B Q A Q

Trong đó:

Q1 – lượng nguyên liệu vào thiết bị làm sạch, [kg/h]

Q2 – lượng nguyên liệu được làm sạch, [kg/h]

- Hiệu suất phân loại pl được đánh giá qua hai chỉ tiêu chất lượng  và số lượng

+ Chỉ tiêu chất lượng  tính bằng cách lấy 100 g nguyên liệu đã được phân loại đưa vào sàng thí nghiệm để kiểm tra:

 % , 100 0

Trong đó:

q0 – lượng hạt đem phân tích, thường q0 = 100 g ;

q1 – lượng hạt bị loại tiếp trong khi thí nghiệm, [g]

+ Chỉ tiêu số lượngcũng được tính thông qua đo đạc bằng sàng kiểm tra:

 % , 100 2





Nếu pl > 95% là đạt yêu cầu

2.2 Một số thiết bị phân loại

2.2.1 Các loại máy phân loại kích thước hạt nông sản bằng sàng cơ học

- Sàng phẳng: có thể là công cụ đơn giản làm bằng các loại vật liệu tre trúc hoặc

có thể là các máy sàng hiện đại có khả năng phân loại chính xác các loại vật liệu rời theo các kích thước khác nhau

- Sàng ống quay: thường dùng để làm sạch các loại hạt nông sản, tách bụi, cát và các tạp chất lớn, rơm, rạ, … Thường sàng ống quay được kết hợp nhiều ống và

cả quạt hút để làm sạch tốt hơn

- Ống phân loại: sử dụng hiệu quả trong công nghiệp xay xát, dùng phân loại hạt dài và ngắn, ví dụ như phân loại tấm ra khỏi gạo

- Sàng phân loại thóc gạo: gồm hai loại

 Sàng phân loại kiểu zig-zag (sàng Pakis): đây là loại sàng công dụng đặc biệt dùng cho phân loại hỗn hợp thóc gạo sau khi xay

 Sàng khay (sàng giật): cũng dùng để phân riêng hỗn hợp thóc gạo sau khi xay

2.2.2 Máy phân loại màu sắc hạt nông sản bằng công nghệ tự động

2.2.2.1 Tổng quan về ứng dụng công nghệ xử lý ảnh trong hệ thống phân loại theo màu sắc

Hệ thống phân loại hạt nông sản bằng màu sắc do Viện máy và dụng cụ công

nghiệp - IMI Holding trong nước đã nghiên cứu và phát triển, bước đầu đang đưa vào thử nghiệm trong thực tế sản xuất cho hai loại hạt là hạt café và hạt gạo Dưới đây phân tích một số kết quả nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh trong máy phân loại hạt theo màu sắc của Viện IMI

Hình 2.2: Nguyên lý làm việc của sàng Pakis (Nguồn: Internet)

Hình 2.3: Đường di chuyển của thóc

gạo trên mặt sàng (Nguồn: Internet)

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động

của sàng khay (Nguồn: Internet)

 Hệ thống phân loại hạt theo màu sắc và những vấn đề chính phải giải quyết

Những năm gần đây, công nghệ quang học gắn kết với các hệ thống cơ điện tử rất nhanh, tạo ra số lượng lớn sản phẩm cơ điện tử - các máy móc, hệ thống với những

bộ phận quang học “thông minh” Như biểu diễn ở hình 2.5, sự hiện diện của công nghệ quang học ngày càng rõ nét, cho phép nâng cao giá trị và hiệu năng của hệ thống, bởi các phần tử quang học kết hợp với các phần tử cơ điện tử nhúng trong hệ thống đã đem lại giải pháp cho nhiều vấn đề kỹ thuật hóc búa

 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống (Hình 2.6)

Vật liệu (gạo, café) được cấp bằng bộ cấp liệu rung xuống máng dẫn, ổn định quĩ đạo trên máng rồi chuyển động qua vùng nhận dạng của camera (CCD hoặc CMOS) Màu sắc của đối tượng dịch chuyển (hạt gạo, café) được nhận biết tức thời (xử lý thời gian thực) và máy tính công nghiệp (IPC) ra quyết định về khả năng chấp nhận hạt đã nhận dạng, phát tín hiệu cho súng phun khí nén bắn hạt đó ra khỏi quĩ đạo dịch chuyển nếu không đạt yêu cầu về chất lượng (trong trường hợp này thông qua màu sắc), và ngược lại thì không phát tín hiệu

Qua khỏi vùng nhận dạng, gạo chính phẩm và phế phẩm sẽ được phân tách và chứa trong hai khoang chứa tách biệt Từ đây có thể vào kho hoặc qua máy đóng bao Việc xử lý và ra quyết định chỉ được phép diễn ra dưới 0,13 mili giây Bài toán

xử lý thời gian thực ở đây đóng vai trò vô cùng quan trọng Nó đòi hỏi hệ thống chiếu sáng phù hợp, kết cấu buồng nhận dạng chuẩn xác, cho phép phân tách các ngưỡng màu tốt, hệ thống camera ghi nhận hình ảnh gần như tức thời và tốc độ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ tính toán rất cao Nguồn sáng sử dụng là đèn fluorescence tần số cao (100

Hình 2.5: Các công nghệ then chốt đóng góp vào sự

phát triển hệ thống (Nguồn: Internet)

Hình 2.7: Yêu cầu phân loại

theo màu sắc (Nguồn: Internet)

kHz) Camera CCD quét dòng được tính toán chọn

phù hợp về tốc độ, độ phân giải, độ nhạy Các van

điện khí chuyên dụng có đặc tính trễ dưới 0,7 mili

giây Phần điều khiển điện tử được Viện IMI thiết

kế chế tạo trong nước

Độ chính xác của kết cấu cơ khí cũng đóng

vai trò quan trọng trong việc ổn định dòng liệu,

giúp cho phần xử lý chỉ phải bù các sai số hệ thống

Các hệ thống cơ khí được gia công trên máy CNC

với độ chính xác đến 10-3mm

Bài toán ở đây là tổng hợp của nhiều

nhiệm vụ phải giải quyết về cơ khí chính xác, kỹ

thuật quang điện, hệ thống điện tử điều khiển, phần mềm xử lý, điện động lực, các cơ cấu tác động nhanh, v.v…

 Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt nông sản (gạo) theo màu sắc Hình 2.7 là ảnh chụp hạt gạo đầu vào,

đầu ra Gạo đầu vào (đã qua các công đoạn

khác của dây chuyền xử lý như xay xát, sàng

sảy, đánh bóng,…) được nhận dạng và xử lý

loại bỏ các hạt ngoại lai (hạt đỏ, vàng, bạc

bụng, tạp chất) Muốn phân loại tốt, phải nhận

dạng chính xác, ra quyết định đúng và kịp thời

để xử lý loại bỏ hạt ngoại lai vốn được phân

định theo màu sắc (Hình 2.8)

Hình 2.8: Sự sai khác so với nền (chỉnh ngang bằng

với hạt tốt) của hạt lỗi và tạp chất (Nguồn Internet)

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý -

cấu trúc hệ thống phân loại hạt theo màu sắc (Nguồn: Internet)

Hình 2.9 là quan hệ xác định bằng thực nghiệm, qua đó cho phép phân định các hạt ngoại lai trên cơ sở lựa chọn nguồn sáng phù hợp Không chỉ cần nguồn sáng phù hợp, quan trọng và khó khăn hơn nhiều là phải đảm bảo camera nhận được màu sắc chuẩn xác - đây chính là mấu chốt để đảm bảo chất lượng nhận dạng

Ánh sáng là một trường hợp riêng của sóng điện từ, tương tác với bề mặt vật liệu theo phương thức: phản xạ, khuếch tán, khúc xạ, tổng hợp (Hình 2.10) Tuỳ thuộc vào tính chất bề mặt mà tương tác theo khuynh hướng nào trội nhất Với máy phân loại hạt nông sản nói chung, do tính chất vật liệu, chỉ khảo sát trường phản xạ và khuếch tán

 Phần mềm nhận dạng và điều khiển máy phân loại hạt theo màu sắc

Cấu trúc hệ thống xử lý nhận dạng trong máy phân loại hạt theo màu sắc dựa trên nền máy tính công nghiệp, gồm các nhóm chức năng chính như sau:

o Đặt ngưỡng phân loại

o Bắt đầu - Kết thúc quá trình phân loại

o Thiết đặt và kiểm tra (chọn chế độ, module, kiểm tra van, chổi quét, bộ rung)

Hình 2.9: Quan hệ giữa hệ số phản xạ và bước sóng

đối với gạo và các loại tạp chất (Nguồn: Internet)

Hình 2.10: Mô hình tương tác ánh sáng với bề mặt vật liệu

(Nguồn: Internet)

o Thiết lập các tham số và hiệu chỉnh máy (thiết đặt camera, thông số trễ bắn

và duy trì thổi khí, tự động hiệu chỉnh, theo dõi phổ)

“Phần mềm nhận dạng và điều khiển máy phân loại gạo theo màu sắc” đã được đăng ký bản quyền tác giả số 1533/2004/QTG tại Cục bản quyền tác giả Phần mềm này được chia thành 4 nhóm thuật toán chính sau:

o Thu thập và xử lí theo thời gian thực (Hình 2.11)

o Thuật toán xử lí nhận dạng hạt (Hình 2.12)

o Các hàm điều điều khiển logic chung của toàn máy (Hình 2.13)

o Các hàm và tiện ích dùng để phân tích và hiển thị ảnh số

Hình 2.11: Lưu đồ thuật toán thu thập xử lý

thời gian thực (Nguồn: Internet)

Hình 2.14: Máy Ropsotec 3.01A

(Nguồn: Viện IMI)

2.2.2.2 Một số máy phân loại do viện IMI nghiên cứu và chế tạo

a Máy phân loại gạo theo màu sắc

- Mã hiệu máy Ropsotec 3.01A có năng suất thiết kế 3 - 4tấn / giờ (Hình 2.14)

- Kết cấu của máy bao gồm 5 khối thiết bị chính sau:

+ Hệ thống cấp liệu: Bao gồm 02 bộ

cấp liệu, trong đó mỗi bộ có bộ rung điện từ, máng

rung, máng trượt

+ Hệ thống nhận dạng, xử lý, điều

khiển: Bao gồm 02 bộ camera, các đèn chiếu sáng,

đèn tạo nền, máy tính IPC, các card giao tiếp và điều

khiển van thổi

+ Thân và khung máy: bao gồm các thùng máy trước (lắp đặt hệ thống điều khiển và hệ đèn nền), thùng máy sau ( lắp đặt camera và đèn chiếu sáng), các thiết

bị trong thùng máy trước và thùng máy sau được làm mát bằng quạt gió

b Máy phân loại café theo màu sắc

- Mã máy Opsotec có năng suất thiết kế 3 – 4 tấn / giờ

- Máy gồm những phần sau:

+ Hệ thống điều khiển có khả năng

lập chương trình làm việc tự động, thay đổi độ nhạy

màu, thay đổi năng suất, thay đổi tỷ lệ hạt lỗi còn

sót lại theo yêu cầu

+ Tự động điều chỉnh độ chiếu sáng

nền, tự động hiệu chuẩn theo chu kỳ định trước

+ Hiển thị các tham số chính của hệ

thống dưới dạng bảng và đồ thị

+ Hệ thống khí nén nhận nguồn khí cấp từ ngoài máy, tiêu thụ 25 l / s (53 cfm), áp lực 5 - 7 bar (72 -102 Psi)

+ Có thiết bị tự động làm sạch bụi kính, quạt thông gió

+ Kết cấu máy chắc chắn, bảo đảm kiểu dáng công nghiệp, thuận tiện cho công tác vận chuyển, lắp đặt, vận hành

2.2.3 Một số tiêu chuẩn Việt Nam về nhân hạt điều (TCVN 4850:1998)

a Thuật ngữ - khái niệm và định nghĩa

 Hạt điều: quả thực của cây điều

 Quả điều: quả giả của cây điều

 Nhân hạt điều: phần ăn được của hạt điều sau khi bóc vỏ quả và vỏ hạt điều  Vỏ hạt điều: là phần bao bọc nhân và vỏ lụa

 Dầu vỏ hạt điều: chất lỏng chứa trong vỏ hạt điều có thành phần chính là Anacardic axit và cardol

 Vỏ lụa: vỏ bao bọc nhân hạt điều

 Nhân nguyên (W): là nhân nguyên vẹn hoặc nhân bị vỡ không quá 1/8 kích thước của nhân

Hình 2.15: Máy Opsotec

(Nguồn: Viện IMI)

 Nhân vỡ ngang (B): là nhân bị vỡ theo chiều ngang còn dính tự nhiên hoặc nhân vỡ phần nhân còn lại nhỏ hơn 7/8 và lớn hơn 3/8 nhân nguyên

 Nhân vỡ dọc (S): là nhân bị tách dọc làm hai mảnh, mảnh bị tách dọc còn nguyên vẹn hoặc bị vỡ mất 1/8

 Mảnh vỡ lớn (LP): là phần nhân bị tách dọc, phần còn lại nhỏ hơn 7/8 và không lọt qua sàng có lỗ 4,75 mm

 Mảnh vỡ nhỏ (SSP): là nhân vỡ dọc bị vỡ mất trên 3/8, phần còn lại nhỏ hơn 5/8 và không lọt qua lỗ sàng 2,8 mm

 Mảnh vỡ vụn (BB): là những mảnh vụn không lọt qua sàng 1,7 mm

b Yêu cầu kỹ thuật chung

 Nhân hạt điều là sản phẩm thu được sau khi tách vỏ hạt điều và bóc vỏ lụa Nhân hạt điều phải được sấy khô, có hình dạng đặc trưng, theo cấp hạng nhân có thể bị sém hoặc không, nguyên cả nhân hoặc mảnh, không được dính dầu vỏ hạt điều và không còn vỏ lụa, cho phép tỷ lệ nhân còn sót vỏ lụa không được quá 1% và đường kính của mảnh vỏ lụa còn sót không quá 1 mm

 Nhân hạt điều không được có sâu một, nấm mốc, không bị nhiễm bẩn do loài gặm nhấm, không bị hư hại do sâu mọt có thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc dùng kính phóng đại trong trường hợp cần thiết

 Nhân hạt điều phải có mùi tự nhiên, không được có mùi ôi dầu hoặc mùi lạ khác

 Độ ẩm của nhân hạt điều không được lớn hơn 5%, tính theo khối lượng

 Mỗi cấp hạng nhân hạt điều không lẫn quá 5% nhân cấp thấp hơn liền kề và nhân vỡ lúc đóng gói

2.2.4 Một số máy phân loại hạt điều có trên thị trường

a Máy phân loại độ lớn hạt điều

Vật liệu được dẫn từ rãnh có cơ cấu làm rung đến băng tải, phía trên được quan

sát bằng 4 camera kỹ thuật số (digital CCD camera) Tín hiệu được chuyển đến bộ vi

xử lý để hệ thống tiến hành phân lớp cho từng hạt theo độ lớn và khối lượng Sau đó, hạt được đẩy vào lớp hạt tương ứng với nó bằng một hệ thống phun khí

b Máy phân loại hạt điều theo màu

Vật kiệu được dẫn từ sàng rung đặt nghiêng một góc đến băng tải đặt dưới hai hệ thống quan sát (phía trước và phía sau) để phát hiện hạt nám, sâu, ….Các hạt xấu này

sẽ được loại bỏ bằng hệ thống khí nén Trên máy có sẵn biểu đồ của các quá trình xử

lý khác nhau tùy theo nhu cầu của người sử dụng

c Máy phân loại kích thước hạt điều

+ Kích thước: DxRxC (mét) = 7 x 1,5 x 2,5

+ Công suất: 3,7Kw (5HP) - 380V - 50Hz

+ Năng suất: 1000 kg/ giờ

+ Sau khi phân loại cho ra 05 loại hạt điều

kích thước khác nhau

Hình 2.16: Máy phân loại độ lớn hạt điều

(Nguồn: Công ty Oltremare)

Hình 2.17: Máy phân loại hạt điều

và một số các hạt ngũ cốc khác

(Nguồn: Công ty Oltremare)

Hình 2.18: Hạt điều bị loại (trái)

và hạt điều thành phẩm (phải) sau

khi phân loại

Hình 2.19: Máy phân loại

hạt điều (Nguồn: Internet)

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

Như đã tìm hiểu về cơ sở lý thuyết ở chương 2, cùng với mục đích yêu cầu của đề tài, ở chương này sẽ nêu rõ hơn về các dụng cụ, phương tiện cũng như phương pháp để thực hiện đề tài rõ hơn

3.1 Phương tiện thực hiện

Đối với phạm vi đề tài này, phương tiện thực hiện sẽ được chia làm hai phần: phần cứng và phần mềm

3.1.1 Thiết bị phần cứng

 Buồng chứa để xử lý hạt điều

 Nguồn sáng: sử dụng nguồn sáng của Led trắng

 Cơ cấu chấp hành để đẩy hạt điều ra khỏi buồng chứa sau khi đã xử lý

 Camera: sử dụng hai webcam Colorvis 1001A (độ phân giải 640 x 380)

 Tìm hiểu các lệnh cơ bản và các lệnh xử lý ảnh trong phần mềm Matlab

 Tìm hiểu cách thu nhận ảnh thông qua webcam

 Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thông qua cổng song song bằng phần mềm Labview

3.2.2 Bố trí phần cứng

 Trong buồng chứa, nguồn sáng được bố trí hợp lý sao cho công việc xử lý ảnh

đạt hiệu quả tốt nhất Cụ thể, đèn Led sẽ được đặt ở phía trên và dưới, hướng ánh sáng chiếu song song với chiều ống kính của camera

 Hai webcam được lắp đặt ở phía trên và phía dưới bàn đựng hạt điều để có thể chụp được hai mặt của hạt

 Sau khi xử lý trên máy tính xong, thông qua phần mềm Matlab, tín hiệu quyết định được truyền đến cổng song song để kích cho cơ cấu chấp hành đẩy hạt vào đúng hộp chứa theo các tiêu chuẩn định trước

Hình 3.3: Hệ thống xử lý ảnh phân loại hạt điều

3.2.3 Điều khiển cơ cấu chấp hành bằng cổng song song

Sau khi xử lý ảnh và đưa ra kết luận về hạt điều, các cơ cấu chấp hành sẽ tiếp tục thực hiện nhiệm vụ đẩy hạt vào đúng các hộp chứa thông qua chuẩn giao tiếp bằng cổng song song của máy tính kết hợp với phần mềm Labview

Với các phương pháp và phương tiện đã nêu trên, ở chương 4 tiếp theo sẽ đề cập rõ hơn về lý thuyết xử lý ảnh và phần mềm Matlab, cũng như áp dụng các lý thuyết đó vào quá trình thực hiện

Hình 3.4: Giao diện Labview

Chương 4

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 Tổng quan về Matlab

4.1.1 Khái niệm Matlab

Matlab – Matrix Laboratory là chương trình phần mềm do

tập đoàn MathWorks phát triển, trợ giúp cho việc lập trình tính

toán có hỗ trợ giao diện cực mạnh, có thể chạy trên hầu hết các

hệ máy tính từ máy tính cá nhân đến các hệ máy tính lớn

(supercomputer)

Phần tử cơ bản trong Matlab là mảng và ma trận Các câu

lệnh của Matlab được viết tương tự như cách mô tả các tính toán kỹ thuật bằng công thức toán học, vì thế viết chương trình bằng ngôn ngữ Matlab nhanh hơn và đơn giản hơn so với các ngôn ngữ cấp cao khác như Pascal, C, C++, Fortran Đồng thời ở một mức nào đó, Matlab còn cho phép người sử dụng có thể truy xuất và làm việc trực tiếp với các ngôn ngữ C, C++ hoặc Fortran Điều này đem lại sự thuận lợi cho người sử dụng Matlab

4.1.2 Giao diện Matlab

Sau khi cài đặt xong chương trình Matlab 7.3, nhấp chuột vào biểu tượng

để khởi động chương trình Lúc đó, chương trình sẽ xuất hiện một cửa sổ chia làm 3 phần:

 Cửa sổ Command Window: là

cửa sổ giao tiếp chính của Matlab

Tất cả công việc tính toán, lập trình,

sử dụng các hàm dựng sẵn trong thư

viện hoặc các hàm tự tạo đều được

làm việc trên cửa sổ này

Hình 4.1: Biểu tượng

Matlab

Hình 4.2: Giao diện cửa sổ Matlab

 Cửa sổ Workspace: là cửa sổ thể hiện các biến đang sử dụng trong quá trình sử dụng, dưới dạng mảng (array), cấu trúc (struct), v.v… tùy theo tính chất của biến Cửa

sổ sẽ tự động xóa toàn bộ dữ liệu bên trong nó sau mỗi lần tắt chương trình

 Cửa sổ Command History: là cửa sổ lưu lại tất cả các dòng lệnh được gõ vào trên cửa sổ Command Window và cho phép thực hiện các lệnh đó một lần nữa bằng cách nhấp đôi chuột vào dòng lệnh trên cửa sổ này Sau mỗi lần tắt máy, cửa sổ này vẫn không mất dữ liệu bên trong nó

4.1.3 Khả năng và ứng dụng của Matlab

Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tương tác bằng bàn phím trên cửa sổ điều khiển Đồng thời, Matlab còn cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh hay còn gọi là script file (tương tự như ngôn ngữ lập trình C)

Matlab còn rất hữu hiệu trong việc trợ giúp thao tác và truy xuất đồ họa trong không gian 2D và 3D, khả năng tạo hoạt cảnh cho việc mô tả bài toán một cách sinh động

Matlab cung cấp các công cụ trợ giúp đắc lực cho nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Xử lý ảnh, Xử lý tín hiệu số, Hệ thống điều khiển, Mạng neural, Điều khiển mờ (Fuzzy Logic); … thông qua các ToolBox

4.1.4 Tổng quát về các kiểu dữ liệu trong Matlab

Matlab sử dụng 15 kiểu dữ liệu chính Mỗi một kiểu dữ liệu này đều ở dạng của một ma trận hoặc mảng Các mảng và ma trận này có kích cỡ tối thiểu là 0-nhân-0 và

có thể phát triển đến mảng n-chiều với kích cỡ tùy ý

Ngoài ra, còn có các kiểu dữ liệu do người dùng thiết lập, kiểu hướng đối tượng

và kiểu dữ liệu liên quan đến Java

Hình 4.3: Các kiểu dữ liệu của Matlab (Nguồn: Internet)

4.1.5 Hệ thống lệnh trong Matlab (Matlab Function)

4.1.5.1 Một số lệnh hệ thống trong Matlab

 casesen off - Bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường  casesen on - Sử dụng thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường

 exit, quit - Thoát khỏi Matlab

 help - Lệnh cho xem phần trợ giúp các lệnh trong Matlab  save - Lưu giữ các biến vào file có đuôi mat

4.1.5.2 Lệnh số học

Cũng giống các ngôn ngữ lập trình khác, Matlab cũng sử dụng các phép toán đơn giản như cộng (+), trừ (-), nhân, (*), chia (/), phép toán quan hệ (<, >, =,…), phép toán logic, các hàm logarit, các hàm lượng giác, … để tính toán Ngoài các đại lượng vô hướng, các lệnh số học này còn được xây dựng để sử dụng cho các tham số là ma trận  asb(x) - Hàm tính giá trị tuyệt đối của x

 sprt(x) - Hàm tính căn bậc hai của x

 log(x) - Hàm tính log của x

 sin(x) - Hàm tính sine góc x, x có đơn vị là radian

 cos(x) - Hàm tính cosine góc x, x có đơn vị là radian  all(x) - Hàm cho giá trị là 1 nếu tất cả các phần tử của ma trận x khác 0, ngược lại cho giá trị là 0

4.1.5.3 Lệnh cấu trúc

Như các ngôn ngữ lập trình khác, Matlab cho phép sử dụng các lệnh cấu trúc như

lệnh if, vòng lặp for, while, … với cách viết tương tự

a Cấu trúc câu lệnh điều kiện (If hoặc If…else…)

Cú pháp: If (biểu thức logic> hoặc If <biểu thức logic>

Nếu biểu thức logic đúng thì Nhóm lệnh 1 được thực hiện, nếu biểu thức sai thì chương trình sẽ chuyển đến câu lệnh tiếp theo sau lệnh End (đối với dạng If đơn), hoặc chuyển đến thực hiện Nhóm lệnh 2 (đối với dạng if…else)

- Chỉ số của vòng lặp phải là biến

- Nếu ma trận biểu thức là rỗng thì không thực hiện vòng lặp

- Nếu biểu thức là một đại lượng vô hướng, vòng lặp thực hiện 1 lần và chỉ

số nhận giá gị của đại lượng vô hướng

- Nếu biểu thức là vector hàng, số lần lặp bằng số phần tử trong vector, sau mỗi lần lặp chỉ số nhận tiếp theo của vector

- Nếu biểu thức là một ma trận thì số vòng lặp bằng số cột của ma trận, sau mỗi lần lặp chỉ số sẽ nhận giá trị cột tiếp theo của ma trận

- Khi kết thúc vòng lặp, biến chỉ số nhận giá trị cuối cùng

- Có thể dùng toán tử : trong vòng lặp for i = chỉ số đầu : gia số: chỉ số cuối,

và số vòng lặp được tính ((chỉ số cuối – chỉ số đầu) / gia số + 1)

Nhóm lệnh A;

End

Nếu biểu thức đúng thì thực hiện nhóm lệnh A Khi thực hiện xong thì lại kiểm tra điều kiện Nếu điều kiện vẫn còn đúng thì nhóm lệnh A lại được thực hiện Khi điều kiện sai, vòng lặp kết thúc Trong nhóm lệnh A, nên có các biến trong biểu thức hoặc các giá trị của biểu thức không thay đổi

Ví dụ: >> num = 0; ESP = 1;

>> while (1+ESP) > 1 ESP = ESP/ 2;

num = num + 1;

4.1.6 Hệ thống lệnh trong thu thập và xử lý ảnh

Phần mềm Matlab hỗ trợ 2 Toolbox phục vụ cho quá trình xử lý ảnh đó là:

 Image Acquisition Toolbox: hỗ trợ cho quá trình thu thập dữ liệu ảnh

 Image Processing Toolbox: hỗ trợ cho quá trình xử lý ảnh

4.1.6.1 Các lệnh trong Image Acquisition Toolbox

Trong quá trình thu thập dữ liệu ảnh để đưa một hình ảnh từ môi trường bên ngoài vào Matlab, người ta phân làm 2 loại dữ liệu ảnh:

 Ảnh tĩnh: là các loại ảnh đã được chụp và lưu lại hoặc được vẽ bằng các công

cụ vẽ như Paint, Corel Draw, v.v…

 Ảnh động: là các loại ảnh được quan sát và thu lại thông qua các thiết bị thu nhận như camera

a Thu nhận ảnh tĩnh vào Matlab

 Đọc ảnh từ môi trường ngoài vào Matlab

b Thu nhận ảnh động vào Matlab

 Kết nối thiết bị camera và hiển thị quá trình thu nhận trên Matlab

obj = videoinput ('adaptorname', deviceID, 'format')

Trong đó: - adaptorname: tên thiết bị do Matlab quy định (thường là

winvideo)

- deviceID: số thiết bị được kết nối (mặc định là 1)

Hình 4.4: Giao diện Matlab khi sử dụng lệnh imread

Hình 4.5: Giao diện Matlab khi sử dụng lệnh imshow