Thiết kế chế tạo mạch điện và phần mềm giao diện điều khiển hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa: Cơ Khí PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA của sinh viên Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM GI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa: Cơ Khí

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN

(Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA của sinh viên)

Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM GIAO DIỆN

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG HUY Mã sinh viên: 58131802

Người hướng dẫn (học hàm, học vị, họ và tên): TS NGUYỄN THIÊN CHƯƠNG

Cơ quan công tác: Bộ môn – Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang

Phần đánh giá và cho điểm của người hướng dẫn (tính theo thang điểm 10)

Tiêu chí

đánh giá

Trọng

số (%)

Mô tả mức chất lượng

Điểm Giỏi Khá Đạt yêu cầu Không đạt

Xây dựng đề cương

nghiên cứu 10

Tinh thần và thái độ

làm việc 10

Kiến thức và kỹ

năng làm việc 10

Nội dung và kết quả

đạt được 40

Kỹ năng viết và trình

bày báo cáo 30

ĐIỂM TỔNG

Ghi chú: Điểm tổng làm tròn đến 1 số lẻ

Nhận xét chung (sau khi sinh viên hoàn thành ĐA/KLTN):

……….…

……….……

………

……….………

………….Đồng ý cho sinh viên: Được bảo vệ:  Không được bảo vệ:  Khánh Hòa, ngày…….tháng…….năm………

Cán bộ hướng dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa: Cơ khí

PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dành cho cán bộ chấm phản biện)

Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM GIAO DIỆN

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG HUY Mã sinh viên: 58131802

Người phản biện (học hàm, học vị, họ và tên): TS NGUYỄN THIÊN CHƯƠNG

Cơ quan công tác: Bộ môn – Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang

I Phần đánh giá và cho điểm của người phản biện (tính theo thang điểm 10)

Tiêu chí

đánh giá

Trọng

số (%)

Mô tả mức chất lượng

Điểm Giỏi Khá Đạt yêu cầu Không đạt

LỜI CAM ĐOAN CỦA SINH VIÊN VỀ LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT

Em xin cam đoan về việc nghiên cứu đề tài tốt nghiệp này là do chúng em thực hiện với sự hỗ trợ tài chính từ gia đình và sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thiên Chương

Nếu có gì sai sót không đúng như lời cam đoan chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài tốt nghiệp này thì trong suốt quá trình thực hiện chúng

em đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, tư vấn, đóng góp ý kiến, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy hướng dẫn, các thầy cô giáo bộ môn, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy cố vấn đồng thời cũng là thầy hướng dẫn TS Nguyễn Thiên Chương đã quan tâm, tận tình hướng dẫn, truyền đạt rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm và những định hướng

vô cùng quan trọng cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này

Em xin được gửi lời cảm đến tất cả các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử Khoa

Kỹ Thuật Cơ Khí Trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em

để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố, mẹ và gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, luôn ủng hộ và động viên chúng con trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã chia sẻ, hỗ trợ nhiều kiến thức và kinh nghiệm tuyệt vời trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dạy, đóng góp ý kiến của các thầy cô để có thể bổ sung kiến thức, nâng cao trình độ và kinh nghiệm của bản thân

để phục vụ tốt hơn cho công việc thực tế sau này

Cuối cùng em xin chúc tất cả các thầy, cô và toàn thể các bạn trong lớp dồi dào sức khỏe và thành công trong công việc

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Huy

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Hầu hết các mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc trước đây thường sử dụng cảm biến màu sắc do đó tốc độ xử lý chậm và năng suất phân loại thấp Vì vậy đề tài nghiên cứu này em sẽ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra một sản phẩm mới có cùng chức năng là phân loại sản phẩm theo màu sắc nhưng có ưu điểm vượt trội và cho năng xuất cao hơn

Đề tài nghiên cứu này chúng em đã thực hiện được việc thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại ớt, ứng dụng camera để tiến hành phân loại với năng suất, tốc độ nhận dạng sản phẩm nhanh, đạt yêu cầu về tốc độ phân loại Bên cạnh đó việc thiết kế, chế tạo phần

cơ khí băng tải có thể hoạt động ổn định, liên tục trong thời gian dài nhờ sự truyền động của động cơ encoder Bộ phận phân loại sản phẩm hoạt động bằng cơ cấu xylanh khí nén do đó tốc độ đẩy phân loại nhanh đảm bảo đáp ứng được tốc độ xử lý nhận dạng của camera Bên cạnh đó mạch Shield điều khiển đã được thiết kế nhỏ gọn, ổn định trong quá trình hoạt động lâu dài Máy hoạt động cho năng suất cao với tốc độ phân loại

từ 10 đến 40 quả/phút, tùy thuộc vào mức tốc độ băng tải được do người dùng lựa chọn trên giao diện Máy có thể phân loại ớt đỏ, ớt xanh đối với nhiều loại ớt có kích cỡ khác nhau Giao diện người dùng được thiết kế đầy đủ các chức năng cho phép người dùng

có thể quản lý và kiểm soát hệ thống một cách dễ dàng

Đề tài nghiên cứu này bao gồm những nội dung chính sau đây:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại ớt ứng dụng camera xử lý ảnh

Chương này trình bày tổng quan về phần phân loại sản phẩm, giới thiệu cơ sở lý thuyết về thu nhận ảnh và xử lý ảnh Giới thiệu các mô hình các hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc trong và ngoài nước Từ đó rút ra các nhận xét, kết quả đạt được, những hạn chế để tạo cơ sở cho việc xây dựng phương pháp và nội dung nghiên cứu cho

để tài

Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Chương này trình bày về các phương án lựa chọn bản vẽ thiết kế, từ đó tạo cơ sở

để lựa chọn thiết bị vật liệu chế tạo phần cơ khí và phần điện cho hệ thống Đồng thời, đưa ra các phương án thiết kế giao diện điều khiển và chương trình điều khiển cho hệ

thống

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương này trình bày các nội dung, kết quả thực nghiệm phần điện và có liên quan đến các phương án để xuất về phương pháp điều khiển Từ đó, lựa chọn ra phương án tối ưu từ thực nghiệm để lập trình điểu khiển cho hệ thống

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương này trình bày về các kết quả đạt được từ mô hình các điểm hạn chế chưa

thực hiện được và đề ra những kiến nghị để chế tạo hệ thống hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN i

PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT KHÓA LUẬN v

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT xiii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU 4

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH 4

1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh 4

1.1.2 Nguyên lý và phương pháp thực hiện của hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh 4

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.2.1 Tổng quan về xử lý ảnh 5

1.2.2 Bộ điều khiển PID 8

1.2.3 Các công cụ hỗ trợ 11

1.3 MỘT SỐ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 11

1.3.1 Một số hệ thống phân loại sản phẩm trong nước 11

1.3.2 Một số hệ thống phân loại sản phẩm ở ngoài nước 14

1.4 KẾT LUẬN 16

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 18

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 18

2.1.3 Yêu cầu hệ thống 19

2.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 19

2.2.1 Phương án thiết kế mô hình 19

2.2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo cho mô hình 22

2.2.3 Chế tạo và lắp ráp phần cơ khí 30

2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 32

2.3.1 Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển 33

2.3.2 Webcam 45

2.3.3 Tiến hành thiết kế mạch điều khiển 46

2.3.4 Thiết kế và lắp đặt tủ điện của hệ thống 50

2.4 NHẬN DẠNG MÀU ỚT VÀ KÍCH THƯỚC DỰA TRÊN HỆ MÀU 54

2.4.1 Sử dụng màu hệ màu RGB 54

2.4.2 Sử dụng hệ màu HSV 54

2.4.3 Kết luận 55

2.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 55

2.5.1 Tính toán xác định vị trí băng tải 55

2.5.2 Chương trình điều khiển phần đệm 55

2.5.3 Giao diện điều khiển bằng Python 58

2.5.4 Chương trình điều khiển bằng Python 63

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 68

3.1 KIỂM TRA PHẦN ĐIỆN VÀ KHÍ NÉN 68

3.1.1 Kiểm tra mạch điện 68

3.1.2 Kiểm tra xylanh và khí nén 68

3.2 THỬ NGHIỆM HIỆU CHỈNH PID CHO ĐỘNG CƠ DC ENCODER 69

3.2.1 Điều chỉnh các thông số PID và lựa chọn kết quả 69

3.2.2 Thử nghiệm thông số PID cho các mức tốc độ của động cơ 71

3.3 THỬ NGHIỆM NHẬN DẠNG MÀU SẮC VÀ KÍCH THƯỚC ỚT 72

3.3.1 Thử nghiệm các giá trị màu ớt xanh và đỏ trong nhận dạng 72

3.3.2 Thử nghiệm các giá trị màu chung để phân loại kích thước ớt 74

3.4 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ XYLANH GẠT 76

3.4.1 Đề xuất 1: Giám sát bằng thời gian để phân loại 76

3.4.2 Đề xuất 2: Giám sát bằng encoder để phân loại 76

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 81

4.1.1 Phần cơ khí 81

4.1.2 Phần điện 81

4.1.3 Phần giao diện điều khiển và chương trình 81

4.1.4 Hệ thống 81

4.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHƯA ĐẠT 81

4.3 ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHẦN PHỤ LỤC 84

Phụ lục 1 Chương trình điều khiển phần đệm 84

Phụ lục 2 Chương trình giao diện và chương trình điều khiển bằng Python 85

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 5

Hình 1.2 Hệ tọa độ màu RGB 7

Hình 1.3 Hệ tọa độ màu RGB 7

Hình 1.4 Hệ màu HSV 8

Hình 1.5 Sơ đồ giải thuật PID 9

Hình 1.6 Phân loại ớt tại một số xí nghiệp nước ta 12

Hình 1.7 Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc 13

Hình 1.8 Phân loại màu sắc ứng dụng camera xử lý ảnh 14

Hình 1.9 Phân loại Dâu Tây ứng dụng xử lý ảnh 15

Hình 1.10 Phân loại hoa quả ứng dụng xử lý ảnh 16

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống phân loại ớt 17

Hình 2.1 Thiết kế hệ thống theo phương án 1 19

Hình 2.2 Thiết kế mô hình theo phương án 2 21

Hình 2.3 Sắt hộp 1.4 mm 22

Hình 2.4 Nhôm định hình 30×30 mm 23

Hình 2.5 Trục rulo nhựa 24

Hình 2.6 Sắt tròn trơn đặc 24

Hình 2.7 Trục rulo sắt 25

Hình 2.8 Băng tải PVC đen 26

Hình 2.9 Băng tải PVC trắng 26

Hình 2.10 Cơ cấu gạt sản phẩm bằng động cơ servo 27

Hình 2.11 Cơ cấu gạt sản phẩm bằng xylanh khí nén 27

Hình 2.12 Bộ truyền bánh răng nghiêng 28

Hình 2.13 Bộ truyền động bằng cơ cấu puly dây đai 29

Hình 2.14 Lắp ráp khung băng tải 31

Hình 2.15 Lắp ráp băng tải 31

Hình 2.16 Mô hình sau khi lắp ráp 32

Hình 2.17 Sơ đồ khối hoạt động của các khối trong mạch điều khiển 32

Hình 2.18 Động cơ DC giảm tốc 33

Hình 2.19 Động cơ bước 34

Hình 2.20 Động cơ DC encoder 34

Hình 2.21 Mô đun encoder 35

Hình 2.22 Mạch điều khiển động cơ L298 36

Hình 2.23 Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 36

Hình 2.24 Van đảo chiều 5/2 38

Hình 2.25 Cấu tạo van đảo chiều 5/2 38

Hình 2.26 Xylanh khí nén 39

Hình 2.27 Bình chứa khí nén 40

Hình 2.28 Cảm biến hành trình xylanh CS1 – U 40

Hình 2.29 Nguyên lý hoạt động cảm biến từ 41

Hình 2.30 Mô đun rơle 5V 41

Hình 2.31 Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 42

Hình 2.32 Mạch vi điều khiển Arduino Nano 43

Hình 2.33 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 44

Hình 2.34 Đèn led thanh 12V 44

Hình 2.35 Webcam Logitech 46

Hình 2.36 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 48

Hình 2.37 Thiết kế mạch layout 49

Hình 2.38 Mạch layout 3D 49

Hình 2.39 Sau khi kiểm tra mạch 50

Hình 2.40 Nút nhấn nhả hai cặp tiếp điểm 51

Hình 2.41 Nút nhấn dừng khẩn 51

Hình 2.42 Đèn hiển thị 52

Hình 2.43 Domino thanh 6 chân 52

Hình 2.44 Sơ đồ các khối tủ điện 53

Hình 2.45 Tủ điện của toàn bộ hệ thống 53

Hình 2.46 Bảng vận hành trên tủ điện 54

Hình 2.47 Lưu đồ giải thuật phần đệm chính 56

Hình 2.48 Lưu đồ giải thuật chương trình phụ gửi tín hiệu lên máy tính 58

Hình 2.49 Tổng quan về giao diện điều khiển 59

Hình 2.50 Giao diện của khối hiển thị 60

Hình 2.51 Giao diện thiết kế thêm khối kết nối hệ thống với máy tính 60

Hình 2.52 Giao diện thiết kế thêm khối vận hành hệ thống 61

Hình 2.53 Giao diện thiết kế thêm khối vận hành tốc độ băng tải 61

Hình 2.54 Trạng thái trên giao diện 63

Hình 2.55 Lưu đồ giải thuật chương trình phân loại màu sắc ớt 64

Hình 2.56 Lưu đồ giải thuật chương trình phân loại kích thước 66

Hình 3.1 Kiểm tra nguồn cấp 68

Hình 3.2 Kiểm tra xylanh chế độ bằng tay 68

Hình 3.3 Biểu đồ và dữ liệu số của tốc độ 1 71

Hình 3.4 Biểu đồ và dữ liệu số của tốc độ 2 71

Hình 3.5 Biểu đồ và dữ liệu số của tốc độ 3 72

Hình 3.6 Bảng giá trị không gian màu của các hệ màu HSV và RGB 72

Hình 3.7 Kết quả giá trị thử nghiệm màu tối ưu nhất trong nhận dạng màu ớt 74

Hình 3.8 Kết quả giá trị thử nghiệm màu tối ưu nhất cho việc tìm diện tích để phân loại kích thước 75

Hình 3.9 Lấy mẫu giữa hai vật thể 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thiết bị và dụng cụ hỗ trợ trong chế tạo mô hình 30

Bảng 2.2 Bảng thống kê chân tín hiệu trong Arduino 47

Bảng 2.3 Số liệu tính toán băng tải đi được trong đơn vị thời gian 55

Bảng 3.1 Kết quả của quá trình thử nghiệm điều chỉnh PID bằng tay 69

Bảng 3.2 Hiệu chỉnh giá trị hệ màu nhận dạng ớt xanh và đỏ 73

Bảng 3.3 Thử nghiệm hiệu chỉnh giới hạn màu chung 75

Bảng 3.4 Bảng khảo sát diện tích điểm ảnh trên ớt 76

Bảng 3.5 Bảng thời gian ớt di chuyển của từng tốc độ phân loại 76

Bảng 3.6 Bảng số liệu lấy mẫu tìm hằng số k 77

Bảng 3.7 Số liệu quãng đường đi của băng tải trong thời gian xylanh đẩy 79

Bảng 3.8 Số liệu thời gian không cho camera nhận diện 80

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết

Webcam Website camera Thiết bị ghi hình được kết nối với máy

tính

fps Frame per second Số khung hình trên giây

Pixcel Picture Element Đơn vị hình ảnh

CVR Conversion Rate Tỉ lệ chuyển đổi

RGB Red, Green, Blue Màu đỏ, xanh lá và xanh dương

HSV Hue, Saturation, Value Màu sắc, độ bão hòa của màu sắc, giá trị

Điều khiển bằng máy tính

PVC Poly vinyl clora Là loại nhựa dẻo được tạo thành từ phản

ứng trùng hợp vinyclorua

USB Universal Serial Bus Là một chuẩn kết nối tuần tự đa dạng

trong máy tính

PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung

PID Proportional Integral

Derivative

Đạo hàm tích phân tỉ lệ

DC Direct current Dòng điện một chiều

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nhờ sự tiến bộ của khoa học – kỹ thuật mà nền kinh tế thế giới ngày càng phát triển Việc áp dụng các thành tựu từ quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa vào sản xuất đã góp phần tăng năng suất lao động và tăng chất lượng sản phẩm đáng kể Mặt khác, với sự phát triển của kinh tế xã hội dẫn đến nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao

Do đó đòi hỏi các ngành sản xuất và chế biến cần phải có quy trình công nghệ phức tạp Bên cạnh đó, nhu cầu tiêu dùng của con người thay đổi quá nhanh dẫn đến việc sản xuất sản phẩm tiêu dùng cũng thay đổi để đáp ứng Vì vậy nhiều quy trình chế biến và sản xuất trở nên lạc hậu, việc điều chỉnh các quy trình cũ để đáp ứng nhu cầu mới là vô cùng khó khăn và tốn kém Từ đó vấn đề đặt ra cấp bách lúc này là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một quy trình sản xuất phức tạp và linh hoạt có thể đáp ứng nhiều nhu cầu của thị trường

Điều này đã dẫn đến nhiều dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại ra đời, cho phép thực hiện các nhiệm vụ với tốc độ cao, linh hoạt và chính xác Hoạt động kết hợp với robot công nghiệp để tăng khả năng liên kết giữa các dây chuyền sản xuất và đáp ứng được nhu cầu sản xuất sản phẩm phức tạp đòi hỏi độ tỉ mỉ và chính xác Bên cạnh các khâu sản xuất đó thì phân loại sản phẩm cũng là một khâu tương đối qua trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và số lượng sản phẩm Cụ thể hơn là phân loại sản phẩm trên băng tải theo màu sắc Tuy nhiên hầu hết các dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc hiện nay điều sử dụng cảm biến màu Vì vậy tốc độ xử lý còn khá chậm, số lượng màu sắc có thể phân loại còn ít và dễ bị nhiễu Do đó vấn đề đặt ra là cần tìm một thiết bị mới không những có được tất cả các chức năng của cảm biến màu sắc mà còn loại bỏ được những khuyết điểm của cảm biến màu sắc đó chính là ứng dụng xử lý ảnh trong phân loại sản phẩm camera không những xác định được màu sắc sản phẩm mà còn xác định chính xác vị trí, hình dạng và kích thước của sản phẩm đó Bên cạnh đó tốc độ xử lý của camera cực kỳ nhanh Do đó việc ứng dụng xử lý ảnh từ camera vào các quy trình phân loại là giải pháp tối ưu hiện nay

Với những nhu cầu cần thiết trong sản xuất thực tế và từ những kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Nha Trang Với sự đề xuất ý tưởng, hướng dẫn, và đóng góp ý kiến của thầy TS Nguyễn Thiên Chương nên chúng em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT ỨNG DỤNG XỬ

LÝ ẢNH”

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học: Đồ án phân loại ớt theo màu sắc sử dụng camera ghi hình vật phẩm và ứng dụng công nghệ xử lý ảnh để nhận dạng và phân loại màu sắc sản phẩm, với tốc độ lấy ảnh là 30fps, 60fps thậm chí là 120fps Vì vậy tốc độ xử lý nhanh, phân loại sản phẩm ổn định và độ chính xác cao Ứng dụng xử lý ảnh để lọc nhiễu ảnh, làm

rõ ảnh, làm rõ đường biên ảnh và làm rõ màu sắc thu được, do đó giảm được ảnh hưởng của các tác động vật lý từ bên ngoài Có thể nâng cấp, tối ưu việc xử lý ảnh để phân loại theo nhiều màu sắc hơn, phân loại theo kích thước của vật và phân loại theo hình dạng của vật thể Do đó trong một máy phân loại có thể đồng thời phân loại được đa dạng sản phẩm hơn mang lại năng suất cao và có thể đổi mới công nghệ linh hoạt hơn

Ý nghĩa thực tiễn: Đây là một đồ án mang tính chất thực tế, đáp ứng được nhu cầu của các doanh nghiệp trong cả nước Hoàn thiện và tối ưu hệ thống này sẽ mang lại rất nhiều lợi ích trong ngành công nghiệp phân loại nông sản ở nước ta hiện nay Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc này góp phần giảm chi phí sản xuất, giảm nhân công lao động và rút ngắn thời gian phân loại sản phẩm Do đó số lượng sản phẩm đầu ra gia tăng, phân loại nhanh giúp đảm bảo chất lượng vật tư nông nghiệp luôn được tươi như mới thu hoạch Tất cả những ưu điểm trên đã nói lên tầm quan trọng và nhu cầu thiết yếu của hệ thống

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài được yêu cầu như sau:

- Thiết kế chế tạo phần cơ khí cho hệ thống phân loại ớt theo màu sắc với nhiều loại ớt có kích thước lớn, nhỏ khác nhau

- Thiết kế chế tạo mạch Shield điều khiển

- Viết chương trình giao diện điều khiển

- Phân loại 5 quả ớt / phút

- Sai số phân loại 5%

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của nhóm em là: “Hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh dựa trên nền tảng Arduino”

Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế chế tạo phần cơ khí cho hệ thống

- Thiết kế mạch Shield điều khiển cho toàn bộ hệ thống

- Thiết kế chế tạo phần điện khí nén cho quá trình đẩy phân loại ớt

- Thiết kế chế tạo giao diện điều khiển trên phần mềm Python, có thể thay đổi cấp độ của băng tải trong quá trình phân loại và quản lý số lượng ớt sau khi phân loại

- Viết chương trình điều khiển trên Python và chương trình đệm trên Arduino

- Thử nghiệm và phân tích kết quả phân loại sản phẩm

- Nâng cấp tốc độ phân loại sản phẩm, phân loại theo kích thước và đếm số lượng sản phẩm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI ỚT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH 1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh

Có nhiều hệ thống phân loại sản phẩm khác nhau, tùy thuộc vào đặc tính khác nhau

và yêu cầu phân loại khác nhau của từng loại sản phẩm như: Phân loại theo khối lượng, phân loại theo kích thước, phân loại theo màu sắc, phân loại theo chiều cao, Mỗi hệ thống thì có tính năng làm việc khác nhau, đáp ứng nhu cầu phân loại khác nhau Hệ thống phân loại ớt theo màu sắc trên băng tải ứng xử lý ảnh là hệ thống tối ưu so với phân loại màu sắc dùng cảm biến màu Bên cạnh đó hệ thống phân loại bằng xử lý ảnh cũng tối ưu hơn so với phân loại chiều cao, phân loại theo kích thước và các kiểu phân loại bằng cảm biến khác Phân loại bằng xử lý ảnh có thể loại bỏ được các loại nhiễu vật

lý từ bên ngoài bằng cách lọc nhiễu từ chương trình Hệ thống bao gồm có hai quá trình chính đó là quá trình nhận biết sản phẩm và quá trình phân loại sản phẩm Về nhiệm vụ

và kết cấu cơ khí của hai quá trình này cũng khác nhau Nhận biết sản phẩm là quá trình quan trọng nhất được thực hiện bằng camera quan sát, nhận biết màu và vị trí của sản phẩm trong buồng camera Quy trình phân loại được thực hiện bởi xylanh và hệ thống điện khí nén, được điều khiển bởi chương trình đệm Arduino

Hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh gồm có các bộ phận chính sau:

- Băng tải sản phẩm: Bộ phận này chủ yếu làm nhiệm vụ đưa sản phẩm từ bên ngoài vào buồng camera để tiến hành nhận dạng, xác định vị trí sản phẩm và sau đó đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại trên băng tải

- Bộ phận nhận dạng sản phẩm: Là camera được gá đặt bên trong buồng camera,

có chức năng thu ảnh sản phẩm, lọc nhiễu, nhận dạng màu sắc và xác định vị trí của sản phẩm trên băng tải Từ vị trí sản phẩm có thể xác định được khoảng cách từ vị trí sản phẩm đến vị trí bộ phận phân loại để truyền lệnh cho chương trình đệm để phân loại

- Bộ phận phân loại sản phẩm: Là cơ cấu xylanh hoạt động đẩy vật trong quá trình phân loại sản phẩm, được truyền động từ hệ thống điện khí nén

1.1.2 Nguyên lý và phương pháp thực hiện của hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử

lý ảnh

Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống

Đối với từng sản phẩm thì sẽ có các yêu cầu phân loại khác nhau và đối với phân loại theo màu sắc cũng vậy Phân loại ớt theo màu sắc sử dụng camera thì nguyên lý hoạt động phụ thuộc vào thiết kế cơ khí, tùy thuộc vào vị trí đặt camera Ở đồ án này thì

vị trí đặt buồng camera ở đầu băng tải và vị trí phân loại ở gần cuối băng tải, do đó nguyên lý hoạt động sẽ như sau: khi hệ thống hoạt động thì Arduino liên tục gửi vị trí encoder lên máy tính, do đó máy tính sẽ kiểm soát được vị trí băng tải thông qua bộ encoder Khi camera nhận biết có ớt thì sẽ tiến hành phân tích màu sắc và xác định vị trí của ớt, sau đó máy tính sẽ liên tục giám sát vị trí của ớt trên băng tải thông qua Python Khi băng tải đưa ớt đến vị trí xylanh thì lúc đó căn cứ vào màu sắc để Python ra lệnh cho Arduino điều khiển xylanh thông qua van điện từ và hệ thống khí nén để tiến hành phân loại Sau đó sẽ hiển thị số lượng ớt đã phân loại lên giao diện điều khiển Python

Phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết có liên quan đến đề tài nghiên cứu, thu thập thông tin từ các mô hình thực tế đã thực hiện có liên quan đến hệ thống, đánh giá chất lượng kết quả đạt được và hạn chế Từ đó tạo ra những cơ sở, tiền đề để đưa ra những phương án thiết kế, chế tạo mô hình phân loại ớt tối ưu nhất và lập trình điều khiển cho hệ thống

Xử lý ảnh là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác như: Xử lý tín hiệu, cáp phép biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, Ngoài ra cũng cần các công cụ toán học như đại số tuyến tính, xác xuất, thống kê Bên cạnh đó cũng cần một số kiến thức cần thiết như trí tệ nhân tạo Có thể hình dung từ việc xét ảnh từ tự nhiên, từ thế giới bên ngoài sau đó được thu nhận qua các thiết bị như camera, máy chụp ảnh, Webcam,… Sau đó ảnh thu từ thiết bị thu nhận ảnh sẽ chuyển trực tiếp thành ảnh

số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo [1]

Các bước cơ bản trong xử lý ảnh

Hình 1.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh

Thu nhận ảnh

Ảnh có thể được thu nhận qua các thiết bị như camera, Webcam hay máy chụp ảnh Ảnh thu nhận qua camera là ảnh tương tự hoặc ảnh số camera thường dùng là loại quét vòng, ảnh tạo ra có dạng hai chiều Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu có độ phân giải cao hay thấp và phụ thuộc vào ánh sáng của môi trường Chức năng của thiết bị này là số hóa một băng tần số cơ bản của tín hiệu truyền hình cung cấp từ một camera, hoặc từ một đầu máy CVR Ảnh số sau đó được lưu trữ trong bộ đệm chính Bộ đệm này có khả năng được địa chỉ hóa đến từng điểm bằng phần mềm Thông thường thiết bị này có nhiều chương trình con điều khiển để có thể lập trình được thông qua ngôn ngữ C [1]

Tiền xử lý ảnh

Sau khi ảnh được thu từ bộ thu nhận ảnh thì ảnh có thể bị nhiễu do điều kiện ánh sáng của môi trường Ảnh bị nhiễu có thể có độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh Chứa năng chính của bộ tiền xử lý ảnh là lọc nhiễu, nâng cao độ tương phản để làm rõ ảnh, nét hơn [1]

Khái niệm màu sắc

Khái niệm màu sắc: Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người sự

tự kết hợp của ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người Sau đây, ta xem xét một số mô hình hay sử dụng nhất

Hệ tọa độ màu RGB

Khái niệm: Tổ chức quốc tế về chuẩn hóa màu CIE (Commission Internationale d’Eclairage) đưa ra một số chuẩn để biểu diễn màu Các hệ này có các chuẩn riêng Hệ chuẩn màu CIE-RGB dùng 3 màu cơ bản R, G, B và ký hiệu RGBCIE để phân biệt với các chuẩn khác Như đã nêu trên, một màu là tổ hợp của các màu cơ bản theo một tỉ lệ nào đó Như vậy, mỗi Pixel ảnh màu ký hiệu Px, được viết: (T: trong công thức dưới đây

là ký hiệu chuyển vị)

𝑃𝑥 = [𝑟𝑒𝑑, 𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛, 𝑏𝑙𝑢𝑒]𝑇Người ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B (tương ứng với hệ tọa đô x-y-z) để biểu diễn màu như sau:

Thành phần S là độ bảo hòa, S nằm trong khoảng giá trị từ 0 đến 1 S = 0 thì màu bên thành phần H sẽ không có màu (tức là màu trắng giả sử V = max), S tăng dần thì màu bên thành phần H sẽ đậm dần và S = 1 thì màu sẽ đậm nhất Vì vậy S là thành phần biểu diễn cho mức độ đậm hay nhạt của màu sắc

Thành phần V biểu thì độ sáng hay tối, V có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1 Ta có thể hiểu về giá trị V như sau: nếu chúng ta đặt một vật có màu đỏ vào một buồng tối thì

ta chỉ thấy vật đó có màu đen, ở đây vai trò của V là như vậy Khi V = 0 thì sẽ không có

ánh sáng, V tăng ánh sáng cũng tăng, khi V = 1 ta mới cảm nhận được màu đúng như bản chất vốn có của nó

Nếu H có một giá trị màu nào đó và S = 0 thì màu của H sẽ phụ thuộc vào S nhưng

ta chưa biết chắc chắn là trắng hay đen còn phụ thuộc vào V Nếu V = 0 thì kết quả sẽ

là màu đen, V = 1 thì sẽ là màu trắng, còn 0 < V < 1 thì sẽ có màu xám [2]

Hình 1.4 Hệ màu HSV

Điểm ảnh

Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng Để xử lý bằng máy tính, ảnh cần phải được số hoá Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám) Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh gọi tắt là Pixel Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi Pixel ứng với cặp tọa độ (x, y)

Định nghĩa: Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh [1]

Độ phân giải

Định nghĩa: Độ phân giải của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh

số được hiển thị Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều [1]

1.2.2 Bộ điều khiển PID

(1-1)

Tổng quan

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.[3]

Lý thuyết điều khiển PID

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

𝑀𝑉(𝑡) = 𝑃𝑜𝑢𝑡+ 𝐼𝑜𝑢𝑡+ 𝐷𝑜𝑢𝑡Trong đó:

Pout Iout, Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID

Hình 1.5 Sơ đồ giải thuật PID [3]

Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn gọi là độ lợi làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai

số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng

số Kp, được gọi là độ lợi tỷ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

(1-2)

(1-3)

( 1-4)

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 × 𝑒(𝑡) Trong đó:

- Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

- Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

- e: sai số = SP-PV

- t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá nhỏ khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống [3]

Khâu tích phân

Thừa số tích phân được cho bởi:

𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖 × ∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

𝑡 0Trong đó:

- Iout: Thừa số tích phân đầu ra

- Ki : Độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

- e: Sai số = SP-PV

- t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác) [3]

Khâu vi phân

Thừa số vi phân được cho bởi:

𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑑 × 𝑑

𝑑𝑡× 𝑒(𝑡) Trong đó:

- Dout: Thừa số vi phân của đầu ra

- Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

- e: Sai số = SP – PV

- t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này

là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được

sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra [3]

1.2.3 Các công cụ hỗ trợ

Python

Python là một ngôn ngữ lập trình bậc cao cho các mục đích lập trình đa năng, do Guido van Rossum tạo ra và lần đầu ra mắt vào năm 1991 Python được thiết kế với ưu điểm mạnh là dễ đọc, dễ học và dễ nhớ Python là ngôn ngữ có hình thức rất sáng sủa, cấu trúc rõ ràng, thuận tiện cho người mới học lập trình Cấu trúc của Python còn cho phép người sử dụng viết mã lệnh với số lần gõ phím tối thiểu [4]

OpenCV

OpenCV là một thư viện phần mềm máy tính và thị giác máy tính nguồn mở OpenCV được xây dựng để cung cấp một cơ sở hạ tầng chung cho các ứng dụng thị giác máy tính và để đẩy nhanh việc sử dụng nhận thức của máy trong các sản phẩm thương mại Là một sản phẩm được cấp phép BSD, OpenCV giúp các doanh nghiệp dễ dàng sử dụng và sửa đổi mã

Thư viện có hơn 2500 thuật toán được tối ưu hóa, bao gồm một bộ toàn diện về cả thuật toán máy tính cổ điển và hiện đại và thuật toán học máy Các thuật toán này có thể được sử dụng để phát hiện và nhận diện khuôn mặt, nhận dạng đối tượng, phân loại hành động của con người trong video, theo dõi chuyển động của camera, theo dõi các vật thể chuyển động, trích xuất mô hình 3D của vật thể, tạo ra các đám mây điểm 3D từ camera stereo, ghép các hình ảnh lại với nhau để tạo ra độ phân giải cao hình ảnh của toàn bộ cảnh, tìm hình ảnh tương tự từ cơ sở dữ liệu hình ảnh, loại bỏ mắt đỏ khỏi hình ảnh được chụp bằng đèn flash, theo dõi chuyển động của mắt, nhận ra cảnh quan và thiết lập các điểm đánh dấu để che phủ nó với thực tế tăng cường, OpenCV có hơn 47 nghìn người dùng cộng đồng và số lượt tải ước tính trên 18 triệu Thư viện được sử dụng rộng rãi trong các công ty, nhóm nghiên cứu và bởi các cơ quan chính phủ [5]

1.3 MỘT SỐ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

1.3.1 Một số hệ thống phân loại sản phẩm trong nước

Nước ta là nước đang phát triển, kinh tế phần lớn là sản xuất nông nghiệp, bên cạnh đó nước ta còn có bờ biển dài, do đó sản lượng nông – ngư nghiệp chiếm đại đa

số Vì vậy nhu cầu phân loại sản phẩm nông nghiệp và phân loại sản hải sản cao Tuy

nhiên ở nước ta hình thức phân loại sản phẩm theo thủ công là chủ yếu và dựa vào sức lao động của những người công nhân Bên cạnh đó các xí nghiệp chế biến và phân loại cũng sử dụng một số máy công cụ để hỗ trợ trong quá phân loại để góp phần tăng năng suất Tuy vậy, quá trình phân loại vẫn sử dụng phương pháp thủ công là chính

Phân loại ớt trong một số xí nghiệp ở nước ta

Đây là quy trình phân loại ớt tại xí nghiệp của công ty HAGL Agrico

Công việc cần khá nhiều công nhân thực hiện việc phân loại thủ công cùng lúc Bên cạnh đó để đảm bảo chất lượng ớt cũng như để tăng năng suất trong quá trình phân loại thì ớt được vận chuyển từ hệ thống băng tải

Hình 1.6 Phân loại ớt tại một số xí nghiệp nước ta

Đối với việc phân loại này thì có một số ưu và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Ớt được chuyển đi từ hệ thống băng tải do đó chất lượng ớt vẫn đảm bảo sau khi phân loại Quá trình phân loại sẽ nhanh hơn và cho năng suất cao hơn so với việc không sử dụng băng chuyền

- Nhược điểm: Việc phân loại bằng thủ công cần khá nhiều nhân công lao động thực hiện cùng lúc

Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc

Đây là mô hình nghiên cứu của công ty DHK Electronic

Tổng quan về để tài nghiên cứu: Mô hình phân loại ba màu theo hệ màu cơ bản đó

là màu đỏ, màu xanh lá và màu xanh dương Thực hiện việc phân loại trên băng tải sử dụng cảm biến màu được bố trí ở đầu băng tải và sau bộ phận cấp liệu tự động Cơ cấu phân loại gồm ba động cơ servo được điều khiển bằng vi điều khiển Arduino

Nguyên lý hoạt động trong quá trình phân loại: Khi cảm biến màu sắc nhận thấy

có sản phẩm chạy qua thì cảm biến sẽ đọc và phân tích màu sắc dựa trên nguyên lý hấp thụ và phản xạ ánh sáng Sau khi nhận dạng được màu sắc thì bộ điều khiển sẽ truyền lệnh cho các động cơ servo thực hiện gạt trong quá trình phân loại

Hình 1.7 Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc

Đánh giá chất lượng mô hình:

- Kết quả đạt được: Mô hình được thiết kế với phần cơ khí băng tải hoạt động ổn định Phần điểu khiển có thể phân loại được ba màu một cách chính xác, có hệ thống cấp liệu tự động giúp loại bỏ một số trường hợp đặc biệt như cấp liệu 2 sản phẩm cùng lúc, do đó máy có thể hoạt động phân loại chính xác trong thời gian dài

- Hạn chế: Thiết kế phần cơ khí cơ cấu gạt phân loại sử dụng 3 động cơ servo điều này có thể gặp khó khăn trong vấn đề phân loại các sản phẩm có trọng lượng nặng, bởi vì cơ cấu ăn khớp giữa động cơ và cần gạt khá yếu Phần điện chưa được xử lý, chưa được làm gọn Mô hình thực hiện nhận dạng trong quá trình phân loại bằng cảm biến màu vì vậy tốc độ xử lý còn chậm, số lượng màu sắc còn hạn chế và dễ bị nhiễu bởi ánh sáng từ bên ngoài Bên cạnh đó mô hình chỉ nhận được màu sắc mà không phân biệt được đâu là sản phẩm Mô hình hoạt động xử lý từng sản phẩm do đó hoạt động phân loại chưa liên tục

Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc ứng dụng xử lý ảnh

Đây là đề tài tốt nghiệp của sinh viên Võ Thị Phương Loan, sinh viên Trường Đại Học Kỹ Thuật – Công Nghệ Cần Thơ

Tổng quan về đề tài nghiên cứu: mô hình sử dụng camera để tiến hành phân loại 3 màu sắc trong hệ màu cơ bản camera được bố trí bên trên băng tải có thể nhìn thấy cả

bộ phận phân loại, mô hình được thiết kế hệ thống cấp liệu tự động, sản phẩm được đưa vào lần lượt từ hệ thống cấp liệu tự động và sử dụng khí nén để cấp sản phẩm Cơ cấu phân loại bằng cần gạt được lắp vào hai động cơ servo và được điều khiển bằng vi điều khiển Arduino

Nguyên lý hoạt động trong quá trình phân loại: Khi sản phẩm được đưa vào băng tải từ hệ thống cấp liệu tự động thì băng tải sẽ đưa sản phẩm đến vị trí camera sau đó camera sẽ tiến hành thu ảnh, máy tính sẽ lọc nhiễu, nhận dạng ảnh, sau đó gửi tín hiệu cho bộ điều khiển thực hiện việc phân loại

Hình 1.8 Phân loại màu sắc ứng dụng camera xử lý ảnh

Đánh giá chất lượng đề tài:

- Kết quả đạt được: Phần thiết kế cơ khí băng tải hoạt động ổn định, bộ nhận dạng

và điều khiển hoạt động chính xác Mô hình sử dụng camera để phân loại nên năng suất phân loại cao Mô hình được thiết kế hệ thống cấp liệu tự động có thể loại bỏ được một số trường hợp đặc biệt, do đó hệ thống có thể hoạt động ổn định hơn

- Hạn chế: Phần cơ khí cơ cấu phân loại sử dụng các động cơ servo tương đối nhỏ, cánh tay gạt quá yếu Do đó chỉ phân loại được những sản phẩm có khối lượng nhẹ Camera bố trí trên băng tải không có bộ phận chắn ánh sáng từ bên ngoài và không có bộ phận cấp ánh sáng ổn định nên camera dễ bị nhiễu trong quá trình thu ảnh Tủ điện thiết kế chưa được tốt, các nút điều khiển, nút nguồn nằm rải rác khắp mô hình Về phần điều khiển hệ thống hoạt động tương đối ổn định nhưng vẫn hoạt động chưa liên tục

1.3.2 Một số hệ thống phân loại sản phẩm ở ngoài nước

Các hệ thống phân loại sản phẩm được nghiên cứu và phát triển ở rất nhiều quốc gia Vì vậy hầu hết ở các nước đã và đang phát triển các hệ thống phân loại được sử dụng rộng rãi với quy mô lớn Việc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vào phân loại sản phẩm đang được nghiên cứu sử dụng phổ biến để thay thế cho các loại cảm biến màu sắc Bên cạnh đó con ứng dụng xử lý ảnh để tiến hành các kiểu phân loại mới và năng suất cao hơn

Quy trình phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp

Tổng quan về quy trình phân loại: Quy trình gồm hệ thống băng tải con lăn hoạt động ổn định Bộ phận camera được bố trí trong buồng camera và được đặt trên băng tải để có thể thu ảnh toàn bộ khay chứa sản phẩm Bộ phận hiển thị được bố trí ngay trên băng tải giúp công nhân có thể quan sát rõ ràng sản phẩm đạt chất lượng và sản phẩm không đạt

Nguyên lý hoạt động của quy trình phân loại: Băng tải sẽ vận chuyển khay chứa sản phẩm đến buồng camera để tiến hành thu ảnh và phân loại Sau khi thu ảnh và nhận dạng sản phẩm băng tải sẽ đưa khay sản phẩm đến vị trí hiển thị Tại đó người công nhân có thể dễ dàng loại bỏ sản phẩm không đạt chất lượng nhờ vào màn hình hiển thị phân loại

Hình 1.9 Phân loại Dâu Tây ứng dụng xử lý ảnh

Cùng một hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh, người ta có thể nâng cấp để phân loại nhiều sản phẩm nông sản khác Bên cạnh phận loại dâu tây, quy trình phân loại này còn có thể phân loại được các loại nông sản khác như: phân loại hành tây, khoai tây

Hình 1.10 Phân loại hoa quả ứng dụng xử lý ảnh

Kết quả đạt được và hạn chế của quy trình phân loại:

- Kết quả đạt được: Sản phẩm được phân loại rõ ràng, chính xác và hiệu quả Có thể phân loại được cùng lúc nhiều sản phẩm trong một khay Bên cạnh đó quy trình còn có thể phân loại được các loại nông sản khác như: Khoai tây, hành tây

- Hạn chế: Quy trình cần người công nhân loại bỏ sản phẩm không đạt dựa vào kết quả phân tích từ camera thu ảnh

1.4 KẾT LUẬN

Từ việc phân tích những kết quả đạt được và hạn chế của các mô hình, các hệ thống

đã thực hiện trong và ngoài nước Bên cạnh đó, dựa vào yêu cầu đặt ra của hệ thống phân loại ớt nên nhóm đã quyết định “THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI

ỚT ỨNG XỬ LÝ ẢNH” dựa trên các tiêu chí sau:

- Tổng quan: Mô hình cơ khí được thiết kế có kích thước khoảng 800×600×500

mm, bao gồm băng tải liệu, hệ thống thu nhận ảnh, hệ thống điện điều khiển, cơ cấu phân loại bằng xylanh khí nén

- Cơ cấu băng tải: Sử dụng băng tải phải có độ tương phản ánh sáng cao giữa

băng tải và ớt Khung băng tải phải được chế tạo chắc chắn và dễ dàng lắp ghép các chi tiết vào khung băng tải

- Cơ cấu nhận dạng màu sắc và phân loại ớt: Sử dụng Webcam logitech có độ

phân giải 720p/30fps, chế tạo buồng camera đặt ở đầu băng tải và ổn định ánh sáng bên trong bằng hệ thống đèn led

- Cơ cấu gạt phân loại: Sử dụng cơ cấu xylanh khí nén

Sơ đồ khối mô hình hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống phân loại ớt

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý hoạt động và khả năng làm việc của máy để lựa chọn phương án tối ưu nhất Bên cạnh đó cũng tham khảo ưu, nhược điểm của một số

mô hình mà sinh viên các trường đã thực hiện

Vận dụng kiến thức đã học về xử lý ảnh qua camera, các thuật toán xử lý và truyền nhận dữ liệu từ chương trình đệm Arduino với chương trình điều khiển Python ứng dụng kiến thức lý thuyết về khí nén, cảm biến hành trình xylanh Nghiên cứu kế thừa những ưu, nhược điểm của các sản phẩm trước đó đồng thời kết hợp với nhu cầu thực

tế của mô hình và giới hạn thực hiện của đề tài nghiên cứu Từ đó chúng em đã đưa ra phương án nghiên cứu tối ưu nhất

Lộ trình nghiên cứu đề tài như sau:

- Tìm hiểu lý thuyết, tham khảo các mô hình thực tế đã thực hiện

- Thiết kế bản vẽ cơ khí và lựa chọn phương án thiết kế cơ khí tối ưu

- Chế tạo cơ khí

- Lựa chọn các linh kiện và thiết bị điện phù hợp với yêu cầu cho hệ thống điều khiển, cơ khí

- Viết chương trình đệm, chương trình giao diện và chương trình điều khiển

- Kết nối mạch, chạy thử nghiệm và kiểm tra kết quả

- Thiết kế và chế tạo mạch Shield điều khiển

- Kiểm tra mạch, chạy thử nghiệm, phân tích kết quả và nâng cấp chương trình

- Viết báo cáo

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về thuật toán xử lý ảnh đã học

- Tìm hiểu lý thuyết về điện khí nén đã học và cách sử dụng cảm biến hành trình xylanh

- Tìm hiểu về các mô hình, các đề tài nghiên cứu về phân loại sản phẩm theo màu sắc đã thực hiện

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Thử nghiệm từng phần dựa theo lý thuyết, từ đó đưa ra kết luận cho các kết quả đạt được từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết

- Thử nghiệm lấy thông số của PID để điều khiển tốc độ ổn định cho động cơ

- Thử nghiệm số xung của encoder bằng cách đo thực tế và so sánh với thông số

kỹ thuật của nhà sản xuất, từ đó tính toán tốc độ phù hợp

- Thử nghiệm lấy mẫu trọng tâm giữa hai điểm ảnh, tìm ra tỉ lệ khoảng cách thực

tế hai điểm ảnh

2.1.3 Yêu cầu hệ thống

- Thiết kế chế tạo phần cơ khí cho hệ thống phân loại

- Thiết kế chế tạo mạch Shield điều khiển

- Viết chương trình giao diện điều khiển

- Phân loại 5 quả ớt / phút

- Sai số phân loại 5%

2.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ

2.2.1 Phương án thiết kế mô hình

Phương án 1:

Với yêu cầu thiết kế phần cơ khí cho hệ thống phân loại ớt dựa vào các tiêu chí được nêu ở phần trước, ta có mô hình phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh được thiết kế như hình 2.1

Hình 2.1 Thiết kế hệ thống theo phương án 1

Các bộ phận chính:

- 1: Khung băng tải

- 2: Trục rulo dẫn động

- 3, 4: Động cơ và cơ cấu truyền động bằng puly dây đai

- 5: Cơ cấu gá trục rulo dẫn động

- 6: Cảm biến

- 7: Tủ điện

- 8: Buồng camera

- 9, 10: Xylanh gạt sản phẩm và cảm biến hành trình xylanh

- 11: Cơ cấu gá trục rulo và căng băng tải

đó ở giữa băng tải phải được gá đặt chi tiết nâng đỡ băng tải

Ưu điểm:

- Thiết kế đơn giản

- Phần khung băng tải chắc chắn

Nhược điểm:

- Cơ cấu căng chỉnh ở cuối băng tải nên khó khăn trong việc căng chỉnh

- Băng tải nằm giữa hai thanh do đó tăng độ rộng không cần thiết cho băng tải và khó khăn hơn trong quá trình gạt phân loại Bên cạnh đó, còn phải tăng chiều dài kích thước trục rulo và chiều dài xylanh dẫn đến tăng chi phí trong quá trình chế tạo

- Theo mẫu thiết kế này thì tốn khá nhiều vật liệu trong việc chế tạo phần khung băng tải

Phương án 2:

Dựa vào yêu cầu về thiết kế hệ thống cơ khí được nêu ở các tiêu chí trên và những nhược điểm của phương án 1 Từ đó, để khắc phục những điểm hạn chế ở phương án 1, nhóm đã thiết kế mô hình theo phương án 2 như hình 2.2

Hình 2.2 Thiết kế mô hình theo phương án 2

Mô hình thiết kế theo phương án 2 cơ bản tương tự như phương án 1 nhưng có một

số điểm khác biệt như sau:

- 1: Cơ cấu gá đặt trục rulo dẫn động và trục bị dẫn động Cơ cấu gá đặt này không chỉ gá trụng rulo vào khung mà còn gá các chân băng tải vào phần khung băng tải

- 2: Cơ cấu căng băng tải được bố trí ở giữa băng tải

- 3: Các thanh khung được thiết kế lồng vào giữa băng tải

Đối với phương án 2 hệ thống được thiết kế có kích thước tương tự phương án 1, nhưng cơ cấu căng chỉnh được thiết kế ở giữa băng tải (vị trí số 2) Băng tải được thiết

kế nằm trên hai thanh ngang do đó có thể tận dụng hai thanh ngang để nâng đỡ băng tải

Ưu điểm:

- Cơ cấu căng chỉnh được thiết kế giữa băng tải, dễ dàng hơn cho việc căng chỉnh

- Băng tải được thiết kế nằm trên hai thanh ngang nên chiều rộng của khung sẽ bằng chiều rộng băng tải do đó sẽ giảm chi phí vật liệu khi chế tạo, giảm kích thước xylanh khí nén

cứng vững và giảm chi phí gia công chế tạo Vì vậy nhóm đã chọn phương án 2

là phương án gia công, chế tạo cho hệ thống

2.2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo cho mô hình

Chọn vật liệu chế tạo khung băng tải

Với tiêu chí lựa chọn vật liệu chế tạo khung băng tải như đã đặt ra ở chương 1 và yêu cầu và thiết kế cơ khí trong phương án 2 như hình 2.2, vật liệu chế tạo khung băng tải phải có thể dễ dàng tháo lắp được các chi tiết như: Chi tiết gá trục rulo, cơ cấu căng chỉnh băng tải, máng dẫn ớt và buồng camera Với yêu cầu như vậy nhóm đã đề một số phương án lựa chọn vật liệu chế tạo khung như sau:

Phương án 1: Thiết kế khung băng tải bằng sắt hộp 1.4

Sắt hộp 1.4 là loại sắt vuông, mạ kẽm có kích thước 14×14 mm, là loại vật liệu sử dụng khá phổ biến trong việc chế tạo khung và trong xây dựng

- Sử dụng mối ghép hàn để chế tạo dẫn đến khó khăn trong việc tháo lắp

- Độ chính xác trong việc lắp ráp, chế tạo không cao

Phương án 2: Thiết kế khung băng tải bằng nhôm định hình

Nhôm định hình có thể sử dụng trong chế tạo băng tải là nhôm có kích thước 30×30

mm, được chế tạo từ hợp kim nhôm

Hình 2.4 Nhôm định hình 30×30 mm

Ưu điểm:

- Được chế tạo từ hợp kim nhôm do đó không bị oxy hóa hay mài mòn

- Được thiết kế theo hình dạng nhất định nên thuận tiện trong việc lắp ráp và sử dụng

Phương án lựa chọn trục rulo

Dựa vào khung cơ khí được lựa chọn để chế tạo, lắp ráp mô hình là nhôm định hình có kích thước 30×30 mm Do đó, để dễ dàng cho việc gia công chế tạo băng tải thì nhóm đã thiết kế trục băng tải có kích thước Ddđ = Dbdđ = 30 mm Việc lựa chọn vật liệu chế tạo trục rulo được nhóm đề ra 2 phương án như sau:

Phương án 1: Sử dụng trục rulo nhựa

Sử dụng trục rulo nhựa cho cả cơ cấu dẫn động và cơ cấu bị dẫn động, trục rulo được thiết kế trên phần mềm Solidworks và được chế tạo từ máy in 3D CNC Phần thân trục được chế tạo các rảnh răng nhỏ để tăng độ ma sát với băng tải Đối với trục rulo bị dẫn động được thiết kế vị trí gá đặt ổ lăn để giảm ma sát với trục cố định bên trong

Hình 2.5 Trục rulo nhựa

Ưu điểm:

- Dễ thiết kế và chế tạo, đảm bảo chế tạo kích thước chính xác

- Bề mặt được chế tạo các rảnh nhỏ giúp tăng độ ma sát khi hoạt động

Nhược điểm:

- Dễ bị biến dạng khi tác dụng lực mạnh

- Độ đồng trục khi chế tạo, lắp ráp thấp

Phương án 2: Sử dụng trục rulo sắt

Trục rulo sắt được gia công chế tạo từ sắt đặc nguyên khối, đó là loại thép tròn đặc

và có bề mặt trơn láng, có nhiều kích thước khác nhau Được ứng dụng nhiều trong ngành cơ khí chế tạo dùng để gia công các loại trục quay, gia công các chi tiết máy, chế tạo bu long, ngoài ra còn sử dụng nhiều trong xây dựng

Đối với mô hình phân loại ớt thì thép tròn đặc này khá thích hợp cho việc gia công trục rulo cho cơ cấu băng tải

Hình 2.6 Sắt tròn trơn đặc

Trục rulo được gia công chế tạo từ sắt đặc có kích thước D = 30 mm, chiều dài phù hợp với chiều rộng băng tải

- Đối với trục bị dẫn động rulo sẽ chạy trơn so với trục trong do đó rulo cần thiết

kế vị trí gá đặt ổ lăn vì vậy trục bị dẫn động sẽ được thiết kế và chế tao bằng máy in 3D CNC

Lựa chọn băng tải liệu

Băng tải là bộ phận quan trọng đối với hầu hết các mô hình phân loại sản phẩm, tùy thuộc vào đặc tính của từng sản phẩm cần phân loại mà lựa chọn kiểu băng tải và màu sắc băng tải cho phù hợp Đối với mô hình phân loại ớt theo màu sắc ứng dụng camera xử lý ảnh ta cần phải lựa chọn băng tải phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Độ tương phản màu sắc giữa băng tải và sản phẩm (ớt) phải cao

- Băng tải phải không bị chói khi chiếu sáng để đảm bảo không gây nhiễu ánh sáng trong quá trình thu nhận ảnh

Từ hai yêu cầu đã đặt ra như trên nhóm đã đề ra một số phương án lựa chọn băng tải cho hệ thống phân loại ớt ứng dụng xử lý ảnh như sau:

Phương án 1: Lựa chọn băng tải màu đen