CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2 1 Lý thuyết nhận dạng và xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học và công nghệ đang phát triển nhanh chóng, thu hút sự quan tâm của nhiều trung tâm nghiên cứu và ứng dụng Ngành này, mặc dù còn mới mẻ so với các ngành khoa học khác, đã thúc đẩy sự phát triển của các máy tính chuyên dụng nhằm phục vụ cho các ứng dụng trong xử lý ảnh.
Xử lý ảnh là kỹ thuật quan trọng trong việc cải thiện và xử lý hình ảnh thu được từ các thiết bị như camera và webcam Kỹ thuật này đã được áp dụng và phát triển rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thiết yếu.
+ Trong lĩnh vực quân sự: xử lý và nhận dạng ảnh quân sự
Trong lĩnh vực giao tiếp người máy, các công nghệ như nhận dạng ảnh, xử lý âm thanh và đồ họa đóng vai trò quan trọng Đồng thời, trong lĩnh vực an ninh và bảo mật, các phương pháp như nhận diện khuôn mặt, vân tay và mẫu mắt ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả.
+ Trong lĩnh vực giải trí: trò chơi điện tử
+ Trong lĩnh vực y tế: Xử lý ảnh y sinh, chụp X quang, MRI,…
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng và phân tích ảnh
Trong quá trình xử lý ảnh, bước đầu tiên là thu nhận ảnh từ thế giới bên ngoài qua các thiết bị như Camera hay máy chụp ảnh Trước đây, ảnh được thu qua Camera thường là ảnh tương tự, nhưng với sự phát triển công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng hiện nay được chuyển đổi trực tiếp thành ảnh số, tạo điều kiện thuận lợi cho các bước xử lý tiếp theo Ngoài ra, ảnh cũng có thể được quét từ vệ tinh thông qua máy quét ảnh.
Hình 2.1 Các bước cơ bản trong cách xử lý ảnh
Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau:
Việc thu nhận ảnh có thể thực hiện qua camera màu hoặc trắng đen Thông thường, ảnh được ghi lại bằng camera analog (như camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, cho 25 dòng ảnh mỗi giây), hoặc camera số hóa như CCD (Change Coupled Device), sử dụng photodiode để tạo cường độ sáng cho từng điểm ảnh Camera quét dòng thường được sử dụng, cho ra ảnh dạng hai chiều Chất lượng ảnh thu nhận phụ thuộc vào thiết bị sử dụng và các yếu tố môi trường như ánh sáng và cảnh vật xung quanh.
2 1 2 Tiền xử lý (Image processing)
Sau khi thu nhận, ảnh có thể gặp tình trạng nhiễu và độ tương phản thấp, vì vậy cần sử dụng bộ tiền xử lý để cải thiện chất lượng hình ảnh Bộ tiền xử lý có chức năng chính là lọc nhiễu và nâng cao độ tương phản, giúp làm cho ảnh trở nên rõ nét và sắc sảo hơn.
2 1 3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh
Phân vùng ảnh là quá trình tách một bức ảnh thành các vùng thành phần để phục vụ cho việc phân tích và nhận dạng hình ảnh Chẳng hạn, để nhận diện chữ hoặc mã vạch trên phong bì thư nhằm phân loại bưu phẩm, cần chia nhỏ các thông tin về địa chỉ hoặc tên người thành từng từ, chữ cái, và số riêng biệt Đây là một trong những bước phức tạp nhất trong xử lý ảnh, dễ dẫn đến lỗi và ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả nhận dạng Do đó, chất lượng của quá trình nhận dạng hình ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn phân vùng này.
Biểu diễn ảnh là quá trình xử lý các điểm ảnh trong vùng ảnh đã phân đoạn, kết hợp với mã liên kết từ các vùng lân cận Để tiếp tục xử lý bằng máy tính, cần biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp Việc chọn lựa các tính chất để thể hiện ảnh được gọi là trích chọn đặc trưng, giúp tách biệt các đặc tính của ảnh thành thông tin định lượng, từ đó phân biệt các lớp đối tượng khác nhau trong ảnh Chẳng hạn, trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, việc mô tả các đặc trưng của từng ký tự là cần thiết để phân biệt chúng.
2 1 5 Nhận dạng và nội suy ảnh
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định và phân loại hình ảnh bằng cách so sánh với các mẫu đã học trước đó Quá trình này bao gồm nội suy, tức là phán đoán dựa trên nhận dạng, ví dụ như việc chuyển đổi một chuỗi chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thành mã điện thoại Theo lý thuyết nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân chia thành hai loại cơ bản trong nhận dạng ảnh.
- Nhận dạng theo tham số
- Nhận dạng theo cấu trúc
Hiện nay, có nhiều phương pháp nhận dạng phổ biến được ứng dụng trong khoa học và công nghệ, bao gồm nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch và nhận dạng khuôn mặt.
2 1 6 Cơ sơ tri thức (Knowledge Base)
Trong lĩnh vực xử lý và phân tích ảnh, việc đơn giản hóa các phương pháp toán học không chỉ nhằm tiện lợi hóa quá trình xử lý mà còn để bắt chước cách tiếp nhận và xử lý ảnh của con người Nhiều bước trong quy trình hiện tại đã áp dụng các phương pháp trí tuệ nhân tạo, từ đó phát huy tối đa các cơ sở tri thức.
Sau khi số hóa, 8 ảnh sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ hoặc chuyển đến các bước tiếp theo để phân tích Việc lưu trữ trực tiếp từ ảnh thô yêu cầu dung lượng bộ nhớ lớn và không hiệu quả về mặt ứng dụng và công nghệ Thay vào đó, các ảnh thường được gọi là đặc trưng ảnh, bao gồm biên ảnh và vùng ảnh.
Hình 2.2 Sơ đồ phân tích xử lý ảnh và xử lý thông tin giữa các khối
Băng tải và băng chuyền là thiết bị công nghiệp tự động hóa, giúp vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí Chúng hoạt động bằng cách di chuyển các đồ vật từ điểm A đến điểm B, phục vụ cho nhiều khoảng cách khác nhau trong quá trình sản xuất và logistics.
Hình 2.3 Hình ảnh băng truyền công nghiệp
Cấu tạo băng tải cơ bản gồm những bộ phận sau:
Khung băng tải được thiết kế với cấu trúc nhẹ và dễ dàng lắp ráp, thường sử dụng các vật liệu như thép sơn tĩnh điện, inox hoặc nhôm định hình.
- Động cơ băng tải: dùng để giảm tốc và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ
- Dây băng tải: thường sử dụng dây PVC hoặc dây PU
- Cơ cấu truyền động gồm: Rulo chủ động kéo, cơ cấu chống lệch băng, con lăn đỡ dây…
- Bàn thao tác trên băng tải thường bằng gỗ, hoặc inox, phía trên có dán lớp nhựa PVC chống trầy xước cho sản phẩm
- Hệ thống đường khí nén và đường điện có ổ cắm để lấy điện cho các máy dùng trên băng tải
Hệ thống điều khiển khí nén và đường điện chiếu sáng hỗ trợ công nhân trong quá trình lắp ráp Thiết bị này sử dụng con lăn băng tải bằng inox bền bỉ, lắp trên khung băng chuyền chắc chắn và hoạt động nhờ động cơ khởi động qua bảng điều khiển Quá trình vận hành diễn ra mượt mà, không bị nghiêng đổ do vật liệu băng tải chắc chắn Với tuổi thọ cao và khả năng vận hành liên tục, băng tải có cấu trúc đơn giản, giúp việc bảo trì và bảo dưỡng trở nên dễ dàng.
Các loại băng tải công nghiệp:
Một số loại băng tải công nghiệp được sử dụng phổ biến hiện nay có thể kể đến như là:
- Băng tải cao su: chịu nhiệt, sức tải lớn
- Băng tải xích: Khá tốt trong ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần vững chắc
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
3 1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
Thiết kế mô hình phân loại nông sản:
Hình 3.1 Mô hình thiết kế phân loại sản phẩm 3D
Quả cà chua sẽ được đưa lên bề mặt băng tải và vận chuyển từ phải sang trái dưới sự điều khiển của hộp điều khiển cùng phần mềm trên máy tính, cho đến khi hoàn tất chu trình phân loại Mô hình này bao gồm các phần chính như sau:
Băng tải là thiết bị công nghiệp tự động hóa, giúp vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu một cách hiệu quả và tiết kiệm Hệ thống băng tải có chức năng chuyển chai dầu giữa các khâu sản xuất, bao gồm động cơ dẫn động, băng tải và khung đỡ, đảm bảo quá trình vận chuyển diễn ra liên tục và ổn định.
Khu xác định vật thể và màu sắc là nơi mà quả cà chua được di chuyển bằng băng tải đến vị trí cảm biến Tại đây, cảm biến tiệm cận sẽ phát hiện và truyền tín hiệu về cho hệ thống điều khiển.
22 sản phẩm đã được đưa đến khu vực phân loại, nơi mà camera sẽ chụp hình quả cà chua và xử lý thông tin, sau đó hiển thị kết quả trên phần mềm của hệ thống.
Modun phân loại sản phẩm sử dụng camera để chụp ảnh quả cà chua khi chúng đến khu vực phân loại Hệ thống xử lý sẽ phân tích hình ảnh và đưa ra kết quả, sau đó modun phân loại sẽ hướng dẫn quả cà chua vào làn phân loại phù hợp.
Hình 3.2 Modun phân loại sản phẩm
Modun phân loại sản phẩm bao gồm 3 thành phần chính:
Thanh nhựa PVC và miếng kim loại giữ cho modun ổn định trên băng tải, giúp thực hiện nhiệm vụ phân loại cà chua Sau khi đi qua modun, cà chua được chia thành hai làn, với những quả có kích thước và màu sắc giống nhau di chuyển cùng một làn cho đến khi kết thúc quá trình phân loại.
Động cơ Servo được trang bị thanh điều hướng, cho phép kiểm soát hướng quay liên tục với góc 180 độ, giúp định hướng quả cà chua vào đúng làn đường chính xác.
Camera phân loại sản phẩm cần đáp ứng yêu cầu về độ phân giải lớn hơn 720x480 và tốc độ khung hình (fps) lớn hơn 30fps Điều này đảm bảo hình ảnh chính xác và khả năng truyền dữ liệu nhanh chóng.
3 1 1 Tính toán lí thuyết băng tải
Vật liệu con lăn: thép
Vật liêu đai: nhựa PVC
Trọng lượng quả trên 1m chiều dài băng tải: m1 = 1kg/m
Khối lượng băng tải dự kiến: m2 = 2 kg
Năng suất băng tải mong muốn: 360 quả/h
Năng suất băng tải: 360 quả/h
Tốc độ quay puly băng tải:
Hình 3.3 Lực phân bố trên puly dẫn động băng tải
Với Fms: Lực ma sát sinh ra do dây đai và bánh đai
P: Trọng lực tác động lên băng tải
M1: Momen để động cơ tải quả
M2: Momen để động cơ quay chống lại ma sát sinh ra
Lực ma sát sinh ra do bánh đai và dây đai:
𝐹 𝑚𝑠 = 2 𝜇 𝑁 1 = 2 𝜇 𝑚 2 𝑔 = 2.0,4.2.10 = 16(𝑁) (3.3) Với hệ số ma sỏt giữa bỏnh đai và đai à=0,4
Momen để khắc phục lực ma sát sinh ra:
𝑀 2 = 𝐹 𝑚𝑠 𝑟 = 16.0,18 = 0,288(N.m) (3.4) Công suất để khắc phục lực ma sát sinh ra:
𝑃 2 = 𝑀 2 𝑤 = 0,288.5,5 = 1,6(W) (3.5) Momen cần thiết để dịch chuyển quả:
Bỏ qua ma sát giữa quả và dây băng tải
Công suất cần thiết để dịch chuyển quả:
Từ kết quả trên ta chọn động cơ giảm tốc TSUKASA công xuất 30W với tốc độ quay qua giảm tốc 60 rpm momen xoắn 10 N.m
Hình 3.4 Động cơ giảm tốc TSUKASA
- Tốc độ động cơ không tải: 134 v/p
- Tốc độ đông cơ có tải: 83 v/p
Dây đai cao su được lựa chọn để truyền động từ động cơ DC giảm tốc Tsukasa cho băng tải, nhằm đảm bảo độ bền và khả năng co dãn tối ưu.
Trên thị trường hiện có rất nhiều mẫu dây đai cho 26 trình làm việc, vì vậy việc lựa chọn loại dây đai phù hợp nhất đòi hỏi phải dựa vào lý thuyết và các phương pháp tính toán chính xác.
Chiều dài của dây đai được tính theo công thức:
L: chiều dài dây đai (mm) a: khoảng cách tâm của 2 puly (mm) d1: đường kính puly 1 (mm) d2: đường kính puly 2 (mm)
4.240 = 600(𝑚𝑚) Lại có kích thước dây đai hệ inch:
=> L = 23,5 (inch) Độ rộng của dây đai là 12(mm)
Từ những kết quả trên, nhóm chọn sử dụng dây đai loại A24 có chu vi 24mm và chiều rộng 13mm
Cơ cấu phân loại quả bao gồm các bộ phận như khung phân loại, thanh điều hướng và động cơ Servo Trung bình, một quả cà chua nặng khoảng 25g, vì vậy chúng tôi đã chọn động cơ Servo SG90 với momen xoắn 1,8kg/cm để phù hợp với khối lượng này Động cơ Servo SG90 được sử dụng phổ biến trong các mô hình điều khiển nhỏ như cánh tay robot, nhờ vào tốc độ phản ứng nhanh và khả năng dễ dàng điều khiển góc quay thông qua phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Hình 3.6 Động cơ Servo SG90
- Kích thước: 23mmx12.2mmx29mm
- Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
3 1 4 Vật liệu chế tạo băng tải:
Khung băng tải nhôm định hình 30x30 và 30x60 đang trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp sản xuất lắp ráp điện tử nhờ vào khả năng chịu tải trọng nhẹ và vừa Sản phẩm này nổi bật với thiết kế đẹp, nhẹ và tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng thay đổi cấu trúc để phù hợp với yêu cầu sản xuất.
Nhôm định hình 30x30 là lựa chọn lý tưởng để làm chân cho băng tải nhờ vào độ bền cao, có khả năng nâng đỡ hệ thống băng tải lớn Với chất liệu nhôm, sản phẩm này không chỉ bền bỉ với môi trường mà còn dễ dàng trong việc lắp đặt, bảo trì và thay thế Hơn nữa, nhôm định hình 30x30 rất phổ biến trên thị trường, giúp người tiêu dùng dễ dàng tìm mua.
Hình 3.8 Chân đế nhôm định hình
Hệ thống hoàn thiện có trọng lượng khoảng 30kg, vì vậy việc chỉ sử dụng nhôm định hình có thể gây rung lắc Để đảm bảo sự ổn định cho hệ thống, nhóm đã quyết định sử dụng chân đế nhôm định hình, giúp giảm thiểu rung lắc, va đập và ngăn ngừa khả năng đổ mô hình, từ đó bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng.
Băng tải có chiều dài lớn cần sử dụng nhôm định hình 30x60 để kết nối hai đầu băng tải, nhằm tăng cường độ vững chắc và giảm thiểu rung lắc trong quá trình vận hành hệ thống.
