Đồ án môn học cơ điện tử: nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm phân loại dùng xử lý ảnh bằng Camera Rasberry Pi 3, đại học công nghiệp Hà Nội K13..............................................................................................................................................
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PL DÙNG XỬ LÝ ẢNH Giáo viên hướng dẫn : ThS LƯU VŨ HẢI Sinh viên thực : NGUYỄN VĂN TRƯỜNG Lớp : ĐH Cơ điện tử - K12 Hà Nội - 2020 2017600000 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG .1 1.1 Lịch sử nghiên cứu .1 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp thực đề tài .4 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết .4 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan xử lý ảnh 2.1.1 Không gian màu 2.1.2 Phương pháp nhận dạng màu sắc 2.1.2.1 Thu nhận ảnh 2.1.2.2 Tiền xử lý ảnh .9 2.1.2.3 Chuyển đổi ảnh 10 2.1.2.4 Nhận dạng phân loại .10 2.2 Các khối chức hệ thống .11 2.2.1 Động điện chiều .11 2.2.1.1 Cấu tạo động điện chiều 12 2.2.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều 12 2.2.1.3 Phân loại động điện chiều .12 2.2.1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều 13 2.2.2 Băng chuyền 13 2.2.2.1 Giới thiệu chung băng chuyền 13 2.2.2.2 Ưu điểm băng chuyền 14 2.2.2.3 Cấu tạo chung băng chuyền 14 2.2.3 Kit Raspberry Pi .14 2.2.3.1 Giới thiệu 14 2.2.3.2 Ưu điểm 15 2.2.3.3 Nhược điểm 15 2.2.3.4 Ứng dụng 15 2.2.4 Arduino Uno R3 15 2.2.4.1 Giới thiệu 15 2.2.4.2 Ứng dụng 16 2.2.5 Xy lanh khí nén 17 2.2.5.1 Giới thiệu 17 2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động 17 2.2.5.3 Ưu điểm 18 2.2.5.4 Nhược điểm 18 2.2.5.5 Phân loại xy lanh 18 2.2.5.6 Ứng dụng 18 2.2.6 Cảm biến quang phản xạ 19 2.2.6.1 Đặc điểm .19 2.2.6.2 Nguyên lý hoạt động 19 2.2.6.3 Ưu điểm 20 2.2.6.4 Nhược điểm 20 2.2.6.5 Ứng dụng 20 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống khí .21 3.1.1 Mơ hình hệ thống khí 21 3.1.2 Phân tích chức 21 3.1.3 Thiết kế hệ thống .22 3.1.3.1 Hệ thống băng truyền 22 3.1.3.2 Hệ thống cấp phôi .26 3.1.3.3 Hệ thống phân loại sản phẩm 27 3.1.3.4 Hệ thống xử lý ảnh 28 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển .29 3.2.1 Hệ thống điều khiển 29 3.2.1.1 Khối xử lý trung tâm 30 3.2.1.2 Khối cấu chấp hành 33 3.2.1.3 Khối cảm biến .35 3.2.1.4 Khối Camera .36 3.2.1.5 Khối nguồn 37 3.2.2 Mạch khí nén .39 KẾT LUẬN .40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống phân loại hành lý tự động sân bay Hình 1.2 Xử lý ảnh cơng nghiệp Hình 2.1 Hình ảnh mơ tả khơng gian màu RGB .6 Hình 2.2 Khơng gian màu HSV Hình 2.3 Ví dụ mối quan hệ khơng gian màu RGB HSV Hình 2.4: Sơ đồ bước thực phân loại màu Hình 2.5 Một số loại động thực tế 11 Hình 2.6 Cấu tạo động điện chiều .12 Hình 2.7 Băng tải dây chuyền .13 Hình 2.8 Board mạch Kit Raspberry Pi .15 Hình 2.9 Hình ảnh Arduino Uno R3 .16 Hình 2.10 Ví dụ ứng dụng Arduino 17 Hình 2.11 Xy lanh khí nén tác động kép .17 Hình 2.12 Cảm biến quang phản xạ 19 Hình 2.13 Nguyên lý thu phát cảm biến 20 Hình 3.1 Hệ thống phân loại sản phẩm xử lý ảnh 21 Hình 3.2: Hệ thống băng truyền 22 Hình 3.3: Mơ hình hố băng tải .24 Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống .29 Hình 3.5: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi 30 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 32 Hình 3.7: Động XD-42GA775 33 Hình 3.8: Rơ le chân 12V 34 Hình 3.9: Xylanh AIRTAC MA .34 Hình 3.10: Van điện từ 5/2 .35 Hình 3.11: Rơ le chân 24V 35 Hình 3.12: Camera E3F-R2N1 36 Hình 3.13: Kết nối Camera thực tế 37 Hình 3.14: Adapter 5VDC - 2A .37 Hình 3.15: Mạch hạ áp LM2596 38 Hình 3.16: Nguồn tổ ong 24VDC - 5A 38 Hình 3.17: Sơ đồ mạch khí nén .39 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Các chi tiết khác băng chuyền 23 Bảng 3.2: Bảng chi tiết hệ thống cấp phôi .26 Bảng 3.3: Bảng chi tiết hệ thống phân loại sản phẩm 27 Bảng 3.4: Các chi tiết hệ thống xử lý ảnh 28 Bảng 3.5: Cấu hình Arduino Uno R3 .31 MỞ ĐẦU Ngày nay, việc sử dụng dây chuyền, hệ thống để chế tạo sản phẩm khơng cịn điều mẻ quốc gia giới Đối với nước có cơng nghiệp phát triển hệ thống gia cơng đầu tư thiết kể, trang bị đầy đủ vô đại, có kết cấu khí xác, robot dây chuyền linh hoạt Và đặc biệt, công việc điều khiển hệ thống dây chuyền đơn giản, dễ dàng, thuận tiện cho người sử dụng dể dàng thay đổi chương trình điều khiển hoạt động dây chuyền để chế tạo chi tiết máy, sản phẩm khác theo yêu cầu thực tế thị trường Quy trình hoạt động hệ thống chu trình liên tục khép kín, từ ngun cơng cấp phơi đóng gói sản phẩm đưa vào kho dự trữ hay đưa thị trường tự động hóa Xuất phát từ kinh nghiệm học hỏi nhà máy, khu công nghiệp tham quan doanh nghiệp sản xuất, nhóm chúng em thấy nhiều khâu tự động hóa q trình sản xuất Một khâu dây chuyền sản xuất tự động hóa sử dụng băng tải để vận chuyển sản phẩm hệ thống nâng gắp để phân loại xử lí sản phẩm Tuy nhiên doanh nghiệp vừa nhỏ tự động hóa chưa hồn tồn áp dụng khâu phân loại đóng bao bì mà sử dụng nhân cơng Chính suất thấp, chưa đạt hiệu cao trình sản xuất Thấy cần thiết hệ thống tự động hóa q trình sản xuất với kiến thức học, nhóm tơi lên ý tưởng nghiên cứu thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm hình ảnh để nâng cao suất lao động, góp phần cho việc ứng dụng rộng rãi phổ biến tự động hóa doanh nghiệp sản xuất Việt Nam quốc tế Nhờ đóng góp vào phát triển chung khoa học kĩ thuật công “Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước” CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu CHƯƠNG Các hệ thống tự động hình thành từ kỷ 20 phát triển mạnh vào cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 Việc ứng dụng tự động hóa xu chung cơng nghiệp nay, hịa chung vào q trình tự động hóa sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm dây chuyền cơng nghiệp ví dụ điển hình Trước việc phân loại chủ yếu dựa vào sức người, cơng việc địi hỏi tập trung cao có tính lặp lại nên cơng nhân khó đảm bảo xác cơng việc Chưa kể đến có phân loại dựa chi tiết kỹ thuật nhỏ mà mắt thường khó nhận Điều ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm uy tín nhà sản xuất Ứng dụng băng chuyền kỹ thuật để phân loại sản phẩm hoàn toàn tự động giảm chi phí lao động, nâng cao suất hiệu nhiều so với phân loại thủ công CHƯƠNG Bên cạnh việc phân loại sản phẩm dựa vào kích thước, hình dáng bao bì, sản phẩm đa số lượng màu sắc khác nên việc phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc thực cần thiết CHƯƠNG CHƯƠNG CHƯƠNG Hình 1.1 Hệ thống phân loại hành lý tự động sân bay Để phân loại sản phẩm cách xác nhanh chóng khơng thể khơng kể đến hệ thống phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh Không hệ thống khác sử dụng cảm biến để nhận biết sản phẩm mà dùng trực tiếp hình ảnh nhận từ Camera quan sát qua q trình xử lý ảnh để truyền tín hiệu đến hệ thống để phân loại sản phẩm CHƯƠNG Xử lý ảnh lĩnh vực mang tính khoa học cơng nghệ Nó ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu, ứng dụng đặc biệt máy tính chun dụng riêng 3.2.1.1 Khối xử lý trung tâm Thơng số cấu hình Raspberry Pi CHƯƠNG 311 CHƯƠNG 312 Hình 3.20: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi Bộ xử lí Broadcom BCM2835 tốc độ xử lí 1.2ghz 64-bit quadcore ARM Cortex- A53 Mạng Wireless LAN chuẩn 802.11 b/g/n Bộ xử lý đa phương tiện Videocore IV® Dual Core 32 Bộ nhớ Ram 1GB Hỗ trợ tất phân phối ARM GNU / Linux Windows 10 iot Đầu nối microusb cho nguồn điện 2,5A 5VDC Cổng mạng x 10/100 Đầu nối video / âm x HDMI Đầu nối video / âm x RCA x USB 2.0 ports 40 GPIO pins Chip antenna Thơng số cấu hình Arduino Uno R3 CHƯƠNG 313 Ta có bảng sau: CHƯƠNG 314 Vi điều khiển CHƯƠNG 316 động CHƯƠNG 318 động CHƯƠNG 320 CHƯƠNG 322 khuyên dùng CHƯƠNG 324 hạn CHƯƠNG 326 I/O CHƯƠNG 328 Điện áp hoạt Tần số hoạt CHƯƠNG 315 ATmega328 họ 8bit CHƯƠNG 317 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) CHƯƠNG 319 16 MHz Dòng tiêu thụ Điện áp vào CHƯƠNG 321 CHƯƠNG 323 Điện áp vào giới CHƯƠNG 325 Số chân Digital Số chân Analog CHƯƠNG 330 Dòng tối đa chân I/O CHƯƠNG 332 Dòng tối đa (5V) CHƯƠNG 334 Dòng tối đa (3.3V) CHƯƠNG 336 Bộ nhớ flash CHƯƠNG 338 SRAM khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC CHƯƠNG 327 14 (6 chân hardware PWM) CHƯƠNG 329 (độ phân giải 10bit) CHƯƠNG 331 30 mA CHƯƠNG 333 500 mA CHƯƠNG 335 50 mA CHƯƠNG 337 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader CHƯƠNG 339 KB (ATmega328) 33 CHƯƠNG 340 EEPROM CHƯƠNG 342 CHƯƠNG 343 CHƯƠNG 341 (ATmega328) KB Bảng 3.5: Cấu hình Arduino Uno R3 Cấu tạo Arduino Uno R3 bao gồm phần sau: - Cổng USB: loại cổng giao tiếp để ta nạp code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời giao tiếp serial để truyền liệu vi điều khiển máy tính - Jack nguồn: để chạy Arduino lấy nguồn từ cổng USB nguồn từ 9V đến 12V Với chân điện sau: - GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với - 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA - 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND - IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân ln 5V Mặc dù khơng lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn - RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ 34 CHƯƠNG 344 CHƯƠNG 345 CHƯƠNG 346 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến, lệnh cho Raspberry hoạt động, nhận tín hiệu từ Raspberry Pi tiến hành phân tích xử lý, điều khiển hoạt động động gửi liệu sang khối hiển thị Với yêu cầu ta sử dụng nhiều loại vi điều khiển làm khối xử lý Nhưng ta chọn Kit Arduino Uno R3 Kit phổ biến với nhiều chức năng, giá thành rẻ vi điều khiển khác CHƯƠNG 347 Trong suốt trình hoạt động hệ thống, Raspberry Pi Arduino Uno cần truyền nhận liệu cách liên tục, nhóm chọn kiểu truyền Uart Kit điều khiển tích hợp sẵn chuẩn truyền nên trình thiết lập dễ dàng, đồng thời chuẩn Uart với tốc độ truyền nhận nhanh ổn định, đáp ứng tốt yêu cầu hệ thống CHƯƠNG 348 Giao tiếp Raspberry Pi Arduino Uno: CHƯƠNG 349 Chân RX Arduino Uno nối với chân TX Raspberry Pi CHƯƠNG 350 Chân TX Arduino Uno nối với chân RX Raspberry Pi 35 Nối chung chân GND CHƯƠNG 351 3.2.1.2 Khối cấu chấp hành Kết nối động Động CHƯƠNG 352 Động chọn yêu cầu phải có moment lớn yêu cầu làm băng tải có tải trọng Và băng tải chuyển động với vận tốc nhỏ nên ta chọn động có tốc độ thấp phải đảm bảo yêu cầu tốc độ tải CHƯƠNG 353 Vì chọn động XD-42GA775 Được thiết kế tích hợp giảm tốc bên nên điều khiển tải trọng lớn CHƯƠNG 354 CHƯƠNG 355 Hình 3.22: Động XD-42GA775 Động có thông số sau: - Nguồn 12VDC - Tốc độ quay n = 100 (Vịng/Phút) - Cơng suất P = 25W - Moment xoắn cực đại M = 4.58N.m - Khối lượng m = 250g - Đường kính trục D = 8mm - Hệ số giảm tốc 50:1 Rơ le chân 12V Thông số kỹ thuật: 36 - Điện áp hoạt động: 12V - Chân kết nối: chân CHƯƠNG 356 CHƯƠNG 357 Hình 3.23: Rơ le chân 12V Kết nối Xylanh Xylanh tác động kép AIRTAC MA CHƯƠNG 358 CHƯƠNG 359 Hình 3.24: Xylanh AIRTAC MA Với thông số kỹ thuật : - Nhiệt độ chịu : - 50 ~ 700 C - Áp suất chịu : ~ Bar ( kg/cm2) - Pistơng đường kính Ø : 40 mm - Hành trình Xylanh : 250 mm Van điện từ: 37 CHƯƠNG 360 CHƯƠNG 361 Hình 3.25: Van điện từ 5/2 Thơng số kỹ thuật: - Kích thước cổng: 1/4''.(ren 13) - Kích thước cổng xả: 1/8" (ren 9.6) - Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa - Loại van cửa vị trí (1 đầu coil điện) - Hãng sản xuất: AIRTAC - Nhiệt độ hoạt động: -20~70oC Rơ le chân 24V CHƯƠNG 362 CHƯƠNG 363 Hình 3.26: Rơ le chân 24V Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 24V - Số chân: 3.2.1.3 Khối cảm biến CHƯƠNG 364 Sử dụng cảm biến Khoảng Cách E3F-R2N1 bao gồm cảm biến vật cản hồng ngoại kèm với gương phản xạ, khoảng cách phát vật cản lên tối đa 2m Cảm biến sử dụng 38 bước sóng 660nm nên khơng bị nhiễm tia hồng ngoại mơi trường tự nhiên CHƯƠNG 365 CHƯƠNG 366 Hình 3.27: Camera E3F-R2N1 Thông số kỹ thuật: - Cảm biến sử dụng tia hồng ngoại: 660nm - Khoảng cách tối đa: 2m - Điện áp hoạt động: 6-36V - Dòng tiêu thụ tối đa: 300mA - Độ trễ: 1.5ms - Tín hiệu đầu mức cao (VCC) cảm biến nhìn thấy gương Mức thấp có vật che gương khơng thấy gương - Kích thước gương: 5×5 cm - Chiều dài dây cảm biến: 115cm - Cảm biến có chân: Nâu: VCC 6-36DVC Đen: Tín hiệu Xanh dương: GND-0VDC 3.2.1.4 Khối Camera CHƯƠNG 367 Sử dụng Camera Pi V2 kết nối trực tiếp với Raspberry Pi Model B thông qua cổng giao tiếp ngoại vi CSI Camera có 15 chân Để tăng cường độ sáng việc tránh ánh sáng nhiễu từ bên ngồi, nhóm thêm buồng chụp có 39 bóng đèn led với cơng suất 1W điện áp sử dụng 3V để tăng cường cho chất lượng ảnh: CHƯƠNG 368 CHƯƠNG 369 CHƯƠNG 370 - Hình 3.28: Kết nối Camera thực tế Đặc điểm tính năng: Camera có độ phân giải từ Megapixels (có thể điều chỉnh tiêu cự ) cho khả chụp ảnh kích thước 3280 x 2464 - Kích thước: 25 x 23 x 9mm - Trọng lượng 3g - Kết nối với Raspberry Pi thông qua cáp ribbon kèm dài 15 cm - Camera Module hỗ trợ với phiên Raspbian 3.2.1.5 Khối nguồn Nguồn cấp cho Raspberry Pi camera Pi V2 CHƯƠNG 371 Raspberry Pi hoạt động ổn định với nguồn 5VDC- 2A, nhóm sử dụng Adapter chuyên dụng cho Raspberry Pi 40 CHƯƠNG 372 CHƯƠNG 373 Hình 3.29: Adapter 5VDC - 2A Nguồn cấp cho Arduino Uno CHƯƠNG 374 Nguồn cung cấp cho Arduino Uno R3 mức điện áp 7-12VDC, dịng điện max Imax=50mA, nhóm sử dụng mạch hạ áp LM2596 để hạ điện áp 24VDC từ nguồn tổ ong 12VDC cấp cho Arduino Uno CHƯƠNG 375 CHƯƠNG 376 Hình 3.30: Mạch hạ áp LM2596 Nguồn cấp cho động DC CHƯƠNG 377 Ở ta sử dụng nguồn tổ ong cấp cho động DC 24VDC để điều khiển hoạt động băng tải, điện áp hoạt động lớn so với nguồn hoạt động Arduino Uno, nên sử dụng thêm module Relay 5VDC để Arduino Uno đóng ngắt trình hoạt động băng tải 41 CHƯƠNG 378 CHƯƠNG 379 Hình 3.31: Nguồn tổ ong 24VDC - 5A Nguồn cấp cho cảm biến E3F-R2N1, động XD-42GA775, Relay 5V, van điện từ 5/2: Sử dụng mạch hạ áp LM2596 để chuyển điện áp 24VDC – 5A từ nguồn tổ ong 5VDC – 5A 42 1.1.1 Mạch khí nén CHƯƠNG 380 CHƯƠNG 381 Hình 3.32: Sơ đồ mạch khí nén CHƯƠNG 382 43 KẾT LUẬN Kết đạt được: Trong thời gian tìm hiểu làm đồ án nhóm hồn thành mục tiêu sau: - Đưa phương án phân loại cà chua - Tìm hiểu phương pháp nhận dạng màu sắc thông qua xử lý ảnh - Tìm hiểu Arduino Uno R3 Raspberry Pi - Tìm hiểu camera Raspberry Pi, cảm biến quang, động nguyên lý hoạt động chúng - Xây dựng mơ hình 3D, thiết kế mạch điện mạch điều khiển Hạn chế: Đồ án dừng lại việc xây dựng sở lý thuyết mơ hình cịn nhiều thiếu sót sai lệch so với thực tế 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N H M Phan Thanh Phong, Ứng dụng xử lý ảnh hệ thống phân loại sản phẩm, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh: Chuyên ngành CNKT Điện tử - Truyền thông, 2015 [2] H D Khánh, Đồ án Phân loại sản phẩm dùng Kit Raspberry, Đồ Án Tốt Nghiệp Đại học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, 2018 [3] C B E.-R 6.-3 K Gương, https://chotroihn.vn/ca-bien-khoang-cach-e3fr2n1-6-36vdc-kem-guong? fbclid=IwAR1hqLA8FI6YONJ37ix4TBTZLFepFfD0SAmD7ZAmSitnvzkbz HL4y2ljZTg [4] Đ c XD-42GA775, https://vi.aliexpress.com/item/32966079941.html? spm=a2g14.12057483.0.0.60657d40fKigfw [5] T P V B Giáo trình mơn học Xử lý ảnh - PGS TS Đỗ Năng Toàn, https://tailieu.vn/doc/giao-trinh-mon-hoc-xu-ly-anh-pgs-ts-do-nang-toan-tspham-viet-binh-303077.html? fbclid=IwAR1ic8W2a5AdfZ4dOim0ml2jAhqdM7zEDCJdc0kOc8Xgk8n7DN 7fXeXzBVk 45 PHỤ LỤC 46