(Đồ án hcmute) mô hình phân loại cà chua

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MƠ HÌNH PHÂN LOẠI CÀ CHUA GVHD: VŨ QUANG HUY SVTH: PHẠM THANH HUY MSSV: 15146047 SVTH: NGUYỄN NGUYÊN KHANG MSSV: 15146053 SVTH: TRẦN TRUNG NGHĨA MSSVl 15146076 SKL 0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2019 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH PHÂN LOẠI CÀ CHUA GVHD : TS VŨ QUANG HUY SVTH : PHẠM THANH HUY 15146047 NGUYỄN NGUYÊN KHANG 15146053 TRẦN TRUNG NGHĨA 15146076 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 an LỜI MỞ ĐẦU Trong thời kỳ phát triển khoa học cơng nghệ chiếm vị trí quan trọng guồng máy vận hành nhiều lĩnh vực: kinh tế, tài chính, giải trí, du lịch, giao thông vận tải đặc biệt kỹ thuật Chúng ta sống thời đại mới, thời đại phát triển rực rỡ công nghệ thông tin, bước phát triển cao số hóa tất liệu thơng tin, ln chuyển mạnh mẽ kết nối tất lại với Mọi loại thông tin, số liệu âm thanh, hình ảnh đưa dạng kỹ thuật số để máy tính lưu trữ, xử lý thông tin chuyển tiếp cho nhiều người Những công cụ kết nối thời đại kỹ thuật số cho phép dễ dàng thu thập, chia sẻ thơng tin hành động sở thông tin theo phương thức hoàn toàn mới, kéo theo thay đổi hàng loạt quan niệm, thói quen truyền thống chí cách nhìn giá trị sống Đến thời điểm này, việc ứng dụng công nghệ thông tin công việc, sống thường ngày nhiều lĩnh vực khác phổ biến rộng rãi Xu hướng cơng nghệ dù có đến đâu nhằm mục đích phục vụ cải thiện đời sống người Kể từ tiến hành công đổi mới, nông nghiệp, nông dân, nông thơn nước ta có thay đổi sâu sắc toàn diện Đời sống thu nhập người dân không ngừng cải thiện, diện mạo kinh tế - xã hội nơng thơn có thay đổi Để góp phần thúc đẩy nơng nghiệp, nơng dân, nơng thơn tiếp tục có bước phát triển mới, tận dụng lợi tiến trình hội nhập, cần ứng dụng rộng rãi thành tựu khoa học, kỹ thuật công nghệ vào sản xuất nông nghiệp Để xây dựng nông nghiệp sản xuất hàng hóa lớn, hiệu bền vững, có suất, chất lượng sức cạnh tranh cao, đáp ứng nhu cầu nước xuất khẩu, góp phần xây dựng nông thôn giàu đẹp, dân chủ, công bằng, văn minh , cần tăng cường ứng dụng khoa học, kỹ thuật công nghệ vào sản xuất nông nghiệp an LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nói chung thầy cô giáo Khoa, môn Cơ điện tử nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Vũ Quang Huy, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn chúng em suốt trình làm đồ án Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho chúng em trình học tập cơng tác sau Trong q trình hồn thành đồ án làm báo cáo đồ án, khó tránh khỏi sai sót, mong thầy bỏ qua Đồng thời trình độ lý luận kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên báo cáo tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy để chúng em học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm Chúng em xin chân thành cảm ơn! an CỢNG HỊA XÃ HỢI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỜ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Thanh Huy Họ tên sinh viên: Nguyễn Nguyên Khang Họ tên sinh viên: Trần Trung Nghĩa Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy Ngày nhận đề tài: 03/2019 MSSV: 15146047 MSSV: 15146053 MSSV: 15146076 Lớp: 15146CL2 ĐT: 0918748924 Ngày nộp đề tài: 07/2019 Tên đề tài: PHÂN LOẠI CÀ CHUA THEO MÀU SẮC VÀ KÍCH THƯỚC Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Cà chua - Xử lý ảnh Nội dung thực đề tài: - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình phân loại cà chua - Xử lý ảnh, tìm tính diện tích cà chua - Lập trình phân loại cà chua công cụ Matlab Sản phẩm: Mô hình phân loại cà chua theo màu sắc kích thước TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN an MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu cà chua 1.2 Đặc tính cà chua .1 1.3 Đặt vấn đề 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.5 Tình hình nghiên cứu nước 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .8 1.6 Mục tiêu thực đề tài 1.6.1 Đối tượng nghiên cứu .9 1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 1.6.3 Phương pháp tiếp cận nghiên cứu 10 1.6.4 Kết cần đạt .10 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .11 2.1 Ảnh gì? .11 2.2 Pixels gì? 11 2.3 Ảnh màu .11 2.4 Ảnh xám 12 2.5 Trừ ảnh 13 2.6 Lọc nhiễu ảnh 14 2.7 Ảnh nhị phân 16 2.8 Phân ngưỡng ảnh 17 2.9 Loại bỏ vật thể nhỏ ảnh 20 2.10 Tìm đường bao vật thể 20 2.11 Tìm tâm vật thể 22 CHƯƠNG III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 23 3.1 Phân tích phương pháp phân loại .23 3.2 Cấu hình tổng qt mơ hình 25 3.3 Tính tốn, thiết kế khí .26 3.3.1 Băng tải 27 an 3.3.2 Hệ dẫn động khí 28 3.3.3 Hộp giảm tốc 29 3.4 Thiết kế hệ thống điện điều khiển .40 3.4.1 Máy tính 40 3.4.2 Buồng ảnh .41 3.4.3 Mạch điều khiển .42 3.4.4 Cảm biến phát cà chua 44 3.6 Xử lý ảnh 48 3.6.1 Chuyển ảnh hệ màu xám 49 3.6.2 Nhận diện màu đối tượng .50 3.6.3 Lọc nhiễu 50 3.6.4 Tìm diện tích cà chua 51 3.6.5 So sánh sở liệu 52 3.7 Thực nghiệm, đánh giá kết 54 3.8 Kết luận hướng phát triển 63 an DANH MỤC ẢNH VÀ BIỂU ĐỜ Hình 1.1 Đặc tính cà chua .2 Hình 1.2 Máy phân loại xoài Olimpias, Hy Lạp Hình 1.3 Hệ thống phân loại nơng sản UNISORTING Hình 1.4 Hệ thống phân loại trái theo khối lượng Hình 1.5 Hệ thống phân loại xồi bán tự động GP Graders LLC (USA) Hình 1.6 Kiểm tra chất lượng cà chua sau phân loại Hình 1.7 Cà chua phân loại theo màu sắc độ chín .6 Hình 1.8 Máy phân loại táo .7 Hình 1.9 Máy phân loại dưa hấu Hình 1.10 Máy phân loại chanh Hình 1.11 Cơng nhân phân loại cà chua .8 Hình 2.1 Ba kênh màu ảnh RGB 11 Hình 2.2 Đặc tính mảng pixel ảnh RGB 12 Hình 2.3 Chuyển ảnh RGB sang Grayscale 13 Hình 2.4 Mảng 3x3 quét toàn ma trận ảnh 14 Hình 2.5 Ví dụ lọc nhiễu Median Filter 15 Hình 2.6 Một kết phương pháp lọc nhiễu 15 Hình 2.7 Ảnh nhị phân 16 Hình 2.8 Xác định vật thể có ảnh 20 Hình 2.9 Đường bao vật thể 21 Hình 2.10 Tâm vật thể 22 Hình 3.1 Phân loại nông sản theo phương pháp 23 Hình 3.2 Phân loại nơng sản theo phương pháp 23 Hình 3.3 Phân loại nông sản theo phương pháp 24 Hình 3.4 Phân loại nơng sản theo phương pháp 24 Hình 3.5 Cấu hình tổng qt mơ hình 25 Hình 3.6 Tổng quan mơ hình 25 Hình 3.7 Thiết kế mơ hình .26 Hình 3.8 Biểu đồ nội lực, momen băng tải 27 Hình 3.9 Băng tải vận chuyển cà chua 28 Hình 3.10 Hệ dẫn động khí .28 Hình 3.11 Hệ dẫn động khí .29 Hình 3.12 Hộp giảm tốc 29 Hình 3.13 Hộp giảm tốc 31 Hình 3.14 Hộp giảm tốc Japan Tsukasa 31 Hình 3.15 Động điện 32 Hình 3.16 Cơ cấu tay gạt phân loại 37 Hình 3.17 Động servo 9G SG90 .38 Hình 3.18 Hình ảnh thực tế mơ hình .39 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý cách thức điều khiển 40 Hình 3.20 Góc qt Camera 41 an Hình 3.21 Vị trí đặt Camera buồng ảnh 41 Hình 3.22 Camera LOGITECH C270 42 Hình 3.23 Mạch điều khiển 42 Hình 3.24 Sơ đồ khối hệ thống điện .43 Hình 3.25 Sơ đồ kết nối dây 43 Hình 3.26 Mạch điều khiển Arduino UNO R3 44 Hình 3.27 Cảm biến phát vật cản 45 Hình 3.28 Lưu đồ giải thuật phân loại cà chua 46 Hình 3.29 Quy trình xử lý ảnh 48 Hình 3.30 Chuyển ảnh RGB sang GRAYSCALE .49 Hình 3.31 Cà chua hệ màu khác 50 Hình 3.32 Lọc nhiễu .50 Hình 3.33 Ảnh nhị phân cà chua 51 Hình 3.34 Góc chụp Camera 51 Hình 3.35 Diện tích loại cà chua 52 Hình 3.36 Giao diện điều khiển, giám sát mơ hình phân loại cà chua .52 Hình 3.37 Dữ liệu phân loại xuất file Exel .53 Hình 3.38 Biểu đồ thực nghiệm cà chua đỏ nhỏ 55 Hình 3.39 Biểu đồ thực nghiệm cà chua đỏ lớn 57 Hình 3.40 Biểu đồ thực nghiệm cà chua xanh .59 Hình 3.41 Biểu đồ thực nghiệm loại cà chua 61 Hình 3.42 Nhận diện cà chua có màu vàng 62 Hình 3.43 Nhận dạng cà chua bị hư hỏng 62 an DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng thống kê chọn phân ngưỡng 19 Bảng 3.1 Số liệu hộp giảm tốc .35 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật mạch điều khiển Arduino 44 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cảm biến phát cà chua .45 Bảng 3.4 Bảng địa INPUT Arduino 45 Bảng 3.5 Bảng địa OUTPUT Arduino 45 Bảng 3.6 Kết phân loại cà chua đỏ nhỏ 54 Bảng 3.7 Kết phân loại cà chua đỏ lớn 56 Bảng 3.8 Kết phân loại cà chua xanh 58 Bảng 3.9 Kết phân loại tổng hợp loại cà chua 60 Bảng 3.10 Bảng cường độ màu .61 an Ở lần thử nghiệm cuối cùng, nhóm tiến hành phân loại 20 trái cà chua bao gồm loại: trái cà chua đỏ nhỏ, trái cà chua đỏ lớn trái cà chua xanh Kết thu sau: STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Đỏ nhỏ X X X X X X Máy phân loại Đỏ lớn Xanh Không nhận dạng X X Thực tế Độ xác Đỏ lớn Đỏ lớn Đỏ nhỏ Đỏ nhỏ Đỏ nhỏ X Xanh Đỏ nhỏ X Đỏ nhỏ X Xanh X Đỏ lớn X Đỏ lớn X Đỏ nhỏ X Xanh Đỏ lớn Đỏ nhỏ X Xanh X Xanh X Đỏ lớn X Đỏ nhỏ X Xanh Bảng 3.9 Kết phân loại tổng hợp loại cà chua 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 0% 100% 100% 100% 0% 100% 0% 100% 100% 0% 100% 0% 100% 60 an BIỂU ĐỒ PHÂN LOẠI LOẠI CÀ CHUA 83.33 83.33 Đỏ lớn Xanh Độ xác 62.5 Đỏ nhỏ Loại cà chua Hình 3.41 Biểu đờ thực nghiệm loại cà chua Độ xác trung bình: 62,5 + 83,33 + 83,33 = 77% Quan sát đồ thị trên, ta thấy tỉ lệ xác kết phân loại cà chua đỏ lớn cà chua xanh tương đối cao ổn định tốt (83%), tỉ lệ xác kết phân loại cà chua đỏ nhỏ thấp (62,5%) Chính vậy, thuật tốn phân loại kích thước cùa cà chua (loại cà chua đỏ nhỏ) cần chỉnh sửa, cải tiến hoàn thiện thêm Hạn chế thứ nhất, mơ hình chưa thể nhận dạng phân loại cà chua có màu vàng Ta có bảng cường độ màu để tạo màu sắc hiển thị điểm ảnh: Màu Đỏ Xanh lục Xanh lam Vàng Trắng Đen Đỏ Xanh lục 255 0 255 0 255 255 255 255 0 Bảng 3.10 Bảng cường độ màu Xanh lam 0 255 255 61 an Hình 3.42 Nhận diện cà chua có màu vàng Vì vậy, đưa loại cà chua vào, mơ hình phần lớn nhận dạng cà chua đỏ nhỏ cà chua đỏ lớn, xác suất nhỏ lại nhận dạng cà chua xanh tùy theo cường độ xanh lục có đối tượng Để nhận diện loại cà chua vàng cần chuyển sang hệ màu HSV Hạn chế thứ hai, mơ hình chưa thể nhận dạng phân loại cà chua bị hư hỏng Hình 3.43 Nhận dạng cà chua bị hư hỏng Để xử lý vấn đề trên, ta cần áp dụng Deep Learning để nhận dạng cà chua, cụ thể Convolutional Neural Network Chúng ta cho thuật tốn học nhiều hình ảnh chứa đặc tính cà chua trước dự đốn hình ảnh đầu vào mà chưa thấy Tổng kết lần thử nghiệm, ta được: Độ xác trung bình lần 1: Độ xác trung bình lần 2: Độ xác trung bình lần 3: Độ xác trung bình lần 4: 80% 76% 98% 77% 62 an → Độ xác trung bình lần thử nghiệm là: 80 + 76 + 98 + 77 = 83% Từ lần thử nghiệm trên, rút kết luận: Về bản, mơ hình đáp ứng u cầu đặt Áp dụng công nghệ kĩ thuật thị giác máy tính Số lượng loại cà chua phân loại cịn Tốc độ xử lý cịn chậm Chỉ dừng lại phân loại cà chua, chưa áp dụng cho với loại nông sản khác 3.8 Kết luận hướng phát triển Việc hồn thành mơ hình phân loại cà chua dựa màu sắc, kích thước góp phần tạo sở, tảng cho phát triển theo hướng công nghiệp khâu phân loại sản phẩm nơng nghiệp vốn xưa tiến hành hồn tồn thủ cơng Đó kết hợp thị giác máy tính thay cho mắt người việc nhận dạng bề ngồi, màu sắc, hình dạng cà chua Đem lại vị thương hiệu chỗ đứng cà chua Việt Nam thị trường quốc tế, cạnh tranh nước lớn uất Xoài khác như: Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan… đồng thời giảm chi phí, thời gian việc phân loại thủ công, tăng suất lớn Xa việc áp dụng tiến nghiên cứu khoa học không dừng lại việc phân loại cà chua mà phát triển, áp dụng mặt hàng nông sản khác nước ta như: cam, sầu riêng, vải, chôm chôm…(sự kết hợp phân loại nhiều loại nông sản máy) Phát triển từ tảng mơ hình sang yếu tố cơng nghiệp sản xuất hàng loại, góp phần phát triển ngành xuất nông sản nước ta, đem lại nguồn lợi kinh tế to lớn, đồng thời làm chủ công nghệ không phụ thuộc vào cơng nghệ nước ngồi Đưa sản phẩm nước ta đến với nước giới, đặc biệt thị trường tiềm như: châu Âu, Mĩ Từ hạn chế q trình hồn thành thực nghiệm, nhóm rút số kinh nghiệm cần thiết để khắc phục hạn chế, từ hồn thiện mơ phát triển sản phẩm toàn diện, hướng tới mục tiêu thương mại hóa sản phẩm: Tăng số loại cà chua phân loại cấu Phát triển thêm cấu cấp cà chua tự động vào mô hình Tối ưu hóa hiệu mơ hình (độ xác…) Phát triển từ mơ hình thành máy cơng nghiệp sản xuất quy mô lớn 63 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật Cơ khí [2] TS.Văn Hữu Thịnh (Chủ biên) – TS.Nguyễn Minh Kỳ, Thiết kế Đồ án Chi tiết Máy [3] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn Thiết kế Hệ dẫn động Cơ khí (tập Một) [4] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn Thiết kế Hệ dẫn động Cơ khí (tập Hai) Tiếng Anh [5] J.R.Parker, Algorithms for Image Processing and Computer Vision [6] Chris Solomon, Fundamentals of Digital Image Processing [7] Richard E.Woods, Digital Image Processing 3rd [8] Richard E.Woods, Digital Image Processing Using Matlab 2nd an 800 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 318 432 01 MƠ HÌNH PHÂN LOẠI CÀ CHUA 10 11 STT 10 11 12 13 14 S.LUONG 1 1 2 2 1 02 MƠ HÌNH PHÂN LOẠI CÀ CHUA TEN CHI TIET CHU THICH Bang tai Dong co Gia Dong co Khung Bang tai Truc Dau co dinh khung Servo Cam bien Tay gat Buong anh Banh dai Day dai Khay lon Khay nho Phạm Thanh Huy 7.2019 14 13 Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ an 12 28 B 16 85 24 20 18 60 410 580 SECTION A-A 20 C C 260 100 60 A 174 16 28 28 B A Phạm Thanh Huy 7.2019 SECTION C-C Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ an SECTION B-B 146 155 R1 BĂNG TẢI 03 124 100 125 130 220 100 50 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 25 20 20 100 20 20 BUỒNG ẢNH 04 A SECTION A-A 46 62 80 SECTION B-B R10 B 35 92 25 50 90 20 Phạm Thanh Huy 7.2019 Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ A B an 20 40 10 38 48 50 60 TAY GẠT 05 30 30 27.5 24 40 100 60 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 72.5 84 ĐỘNG CƠ 06 12 10 51.5 75 30 R2 17 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 43 53 CẢM BIẾN R6 20 07 60 56 20 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 280 08 KHAY CHỨA CÀ CHUA 133 138 Phạm Thanh Huy 7.2019 an Trường Đại học SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Lớp 15146CL2 Kiểm tra Người vẽ 20 240 09 KHAY CHỨA CÀ CHUA S an K L 0 ... Hình 1.6 Kiểm tra chất lượng cà chua sau phân loại Hình 1.7 Cà chua phân loại theo màu sắc độ chín .6 Hình 1.8 Máy phân loại táo .7 Hình 1.9 Máy phân loại dưa hấu Hình. .. Bảng 3.6 Kết phân loại cà chua đỏ nhỏ 54 Bảng 3.7 Kết phân loại cà chua đỏ lớn 56 Bảng 3.8 Kết phân loại cà chua xanh 58 Bảng 3.9 Kết phân loại tổng hợp loại cà chua 60... động phân loại cà chua, khảo nghiệm để xác định số thông số loại cà chua, khảo nghiệm nguyên lý phương pháp phân loại cà chua khả thi nhất… Qua nhóm đề xuất mơ hình hệ thống phân loại cà chua