Trong phạm vi đề tài, mỗi màu sắc được biểu diễn bằng một tổ hợp bộ 3 giá trị (H, S, V). Đối với các đặc trưng về độ bão hịa (S) và độ sáng (V), cần lấy tồn bộ các giá trị từ [0÷255] để đảm bảo có thể nhận biết được màu sắc với mọi mức bão hòa và độ sáng khác nhau. Riêng giá trị (H), cần căn cứ vào dải phổ màu (hình 2.15) để đưa ra được khoảng giá trị màu sắc phù hợp, phản ánh đúng đặc trưng màu sắc ở bề mặt cà chua. 10
Các giá trị HSV có được sau nhiều lần lấy mẫu, hiệu chỉnh, đối chiếu và so sánh
Đầu tiên, em căn cứ vào bảng màu HSV để đưa ra những giá trị HSV phù hợp. Sau q trình này, ta sẽ có được những giới hạn (hoặc ngưỡng màu) như sau:
❖ Màu đỏ: (0, 0, 0) ÷ (8, 255, 255) ❖ Màu vàng: (15, 0, 0) ÷ (60, 255 ,255) ❖ Màu xanh lục: (70, 0, 0) ÷ (150, 255, 255)
Công đoạn tiếp theo, cà chua được phân tách màu sắc bề mặt với các ngưỡng màu đã có được từ việc đối chiếu thủ cơng với bảng màu HSV từ trước. Ở giai đoạn này, sẽ có sai lệch về màu sắc chọn ngưỡng và màu sắc thực tế của cà chua nhưng không quá lớn.
thực tế của màu sắc bề mặt quả cà chua. Dưới đây là 4 loại màu sắc trong phạm vi đề tài: ⚫ Màu đỏ: Giá trị HSV (0, 100, 100) ÷ (10, 255, 255) (160, 100, 100) ÷ (179, 255, 255) Hình 2. 32 Cà chua đỏ ⚫ Màu vàng: Giá trị HSV (21, 39, 64) ÷ (40, 255, 255 ) Hình 2. 33 Cà chua vàng ⚫ Màu xanh:Giá trị HSV (45, 68, 34) ÷ (54, 86, 47 )
Hình 2. 34 Cà chua xanh
2.5.3.Phương pháp đánh giá chất lượng theo màu sắc
Với sự giúp đỡ của thư viện OpenCV, ngôn ngữ lập trình Python và kit Raspberry Pi 3, cơng việc nhận biết và phân loại màu sắc của quả cà chua sẽ gồm những cơng đoạn chính như sau:
❖ Chụp và lưu ảnh quả cà chua.
❖ Dùng thuật tốn phát hiện màu (tìm màu, tính số lượng pixel vùng màu, tính phần trăm số lượng pixel của mỗi màu trên số lượng pixel toàn bề mặt quả cà chua) và “dán nhãn” phân loại cà chua (gồm 3 loại cà chua: đỏ, vàng, xanh ) từ ảnh đã được chụp bằng camera.
❖ Lưu dữ liệu cho bộ phận phân loại làm việc
❖ Bộ phận đánh giá phân loại cà chua theo dữ liệu đã cho ❖ Cập nhật ảnh chụp mới.
2.5.4.Phương pháp đánh giá chất lượng theo kích thước
Phương pháp tìm đường biên của vật giúp ta tính tốn được kích thước của bề mặt quả cà chua được chụp, dù kết quả kích thước của cà chua khơng được chính xác nhưng cũng giúp hệ thống đánh giá được độ lớn to nhỏ của cà chua. Các cơng đoạn chính của phương pháp:
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1. QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG
Hệ thống đánh giá chất lượng ứng dụng xử lý ảnh có phần chính là bộ phận phân loại.
❖ Bộ phận đánh giá : khi được đưa qua bộ phận đánh giá , hệ thống sẽ kiểm tra trái
cây trong hai q trình chính trước khi hồn tất phân loại:
➢ Phần xử lý ảnh: khi cà chua đi qua buồng tối, camera sẽ chụp hình lại và hệ thống bắt đầu xử lí màu, xử lí diện tích bề mặt để đưa ra quyết định đây là cà chua loại gì (gồm 6 loại: xanh nhỏ, xanh to, vàng nhỏ, vàng to, đỏ nhỏ, đỏ to). ➢ Phần phân loại: sau khi cà chua được chụp ảnh sẽ đi ngang qua các ngăn
phân loại, nếu tới đúng ngăn phân loại, bộ phận đẩy sẽ đẩy cà chua vào đúng ngăn đó.
Hệ thống có giao diện người dùng được hiển thị trực tiếp trên màn hình giúp quản lí được q trình hoạt động của hệ thống.
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1.Thiết kế sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
Hình 3. 1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
❖ Khối xử lý ảnh: xử lí thơng tin ảnh chụp cà chua bằng các thuật toán xử lý ảnh.
❖ Khối phân loại: đánh giá trái cây theo màu sắc và kích thước dựa trên thông tin ảnh
chụp đã được xử lý.
❖ Khối hiển thị: giám sát thông tin trái cây được đánh giá và điều khiển các thiết bị
3.2.2.Thiết kế sơ đồ khối hệ thống đánh giá lượng trái cây
Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống đánh giá chất lương trái cây
❖ Khối nguồn: cung cấp nguồn điện cho các thiết bị trong hệ thống.
❖ Bảng điều khiển: cho phép người điều khiển tác động trực tiếp lên hệ thống.
❖ Khối xử lý ảnh: xử lí thơng tin từ ảnh chụp.
❖ Khối nhận biết: nhận biết được vị trí của trái cây được đánh giá trên hệ thống.
❖ Khối điều khiển: thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển hệ thống.
❖ Khối băng tải: vận chuyển cà chua tới các vị trí trên hệ thống.
❖ Khối phân loại: đánh giá trái cây vào đúng ngăn phân loại.
❖ Khối hiển thị: giao diện người dùng để quan sát và quản lí.
3.2.3.Chọn và giới thiệu thiết bị từng khối của hệ thống đánh giá
3.2.3.1.Khối xử lý ảnh
1.Yêu cầu:
2.Lựa chọn thiết bị:
❖ Camera: Dựa vào yêu cầu ta chọn Camera Raspberry Pi V1 5MP.
Hình 3. 3 Camera Raspberry Pi V1 5MP
⚫ Camera được kết nối với Raspberry thông qua một bus dây. ⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.1).
❖ Nguồn sáng trắng: Để ổn định nguồn sáng trắng, hệ thống sử dụng 4 led hắt loại
5054 có 3 bóng ánh sáng trắng.
Hình 3. 4 Led hắt 5054
⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.2)
3.2.3.2.Khối nhận biết
1.Yêu cầu:
biết được cà chua tới nơi cần xử lí hay chưa ta chỉ cần sử dụng cảm biến tiệm cận hồng ngoại.
2.Lựa chọn thiết bị:
Dựa vào yêu cầu, ta chọn cảm biến tiệm cận E18-D80NK.
Hình 3. 5 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của E18-D80NK
⚫ Dây màu nâu: VCC.
⚫ Dây màu xanh dương: GND.
⚫ Dây màu đen: tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần trở treo để tạo mức cao. ⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.3).
3.2.3.3.Khối điều khiển
Khối điều khiển là nơi thực thi tất cả các nhiệm vụ từ tiếp nhận yêu cầu của người dùng, xử lý thông tin và trả kết quả.Với mục tiêu của đề tài tập trung vào ứng dụng của xử lý ảnh, chúng tôi xử dụng thiết bị xử lý trung tâm là Raspberry.
1.Yêu cầu:
Hệ thống yêu cầu một bộ điều khiển đủ mạnh để vừa xử lí hình ảnh và điều khiển các ngõ ra một cách chính xác. u cầu trên địi hỏi vi điều khiển phải có bộ nhớ lớn và tốc độ xử lí gần ngang ngửa với các dòng PC Laptop tầm trung hiện tại.
Hiện nay, trên thị trường Raspberry được khá ưa chuộng trong lĩnh vực điều khiển (giống một máy tính thu nhỏ) vì những ưu điểm sau:
❖ Raspberry Pi: Dựa vào yêu cầu trên, ta chọn bộ điều khiển Raspberry Pi 3 Model B với những tính năng vượt trội hơn so với dòng raspberry cũ:
➢ Tốc độ xử lí RAM nhanh gấp nhiều lần so với dịng cũ.
➢ Tích hợp các module mới như: Ethernet, Audio, USB, HDMI,…
➢ Hỗ trợ bộ nhớ cao giúp lưu trữ dữ liệu. ➢ Giá thành rẽ và nhỏ gọn.
➢ Tiêu thụ năng lượng thấp giúp tiết kiệm điện.
Hình 3. 6 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 model B
⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.4).
❖ Arduino Mega: Để hỗ trợ Raspberry trong việc điều khiển Servo, ta dùng thêm mạch điều khiển Arduino Mega 2560.
Hình 3. 8 Sơ đồ chân Arduino Mega2560
Hình 3. 9 Arduino Mega2560 thực tế
Arduino Mega 2560 là bộ điều khiển quen thuộc trong lĩnh vực nghiên cứu hoặc mới bắt đầu làm quen với học lập trình và điều khiển. Arduino là bo mạch có thể ứng
3.2.3.4.Khối băng tải
1.Yêu cầu:
Qua khảo sát cho thấy, trọng lượng của một quả cà chua không quá 200g nên gây ra tổn hao về lực khơng đáng kể. Vì thế động cơ DC chỉ hoạt động ở chế độ có tải duy nhất là trục quay của băng chuyền.
2.Lựa chọn thiêt bị:
❖ Động cơ: Có nhiều loại động cơ DC được bày bán rộng rãi trên thị trường, trong đó động cơ giảm tốc DC 12V có các thơng số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu vận hành của hệ thống.
Hình 3. 10 Sơ đồ chân động cơ JGB37-520 12V và hình thực tế
⚫ Thơng số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.6)
❖ Băng tải: Băng tải (băng chuyền) hiểu đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B. Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng cơng nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân cơng lại tạo ra mơi trường làm việc lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó. Nó giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động.
Khối nguồn
Khối hiển thị LAN Khối điều
khiển Khối cảm biến
Hình 3. 11 Băng tải
⚫ Cấu tạo:
➢ Khung băng tải được làm bằng sắt hộp vuông 15mmx15mm dày 1,4mm. ➢ Dây băng tải: là dây băng PVC dày 1.5 mm độ dài 120cm.
3.2.3.5. Khối điều khiển
Để vận hành toàn bộ hệ thống cân một hệ thống điều khiển nhận lệnh, xử lý thông tin và truyền gửi tín hệu đến các cơ cấu chấp hành hoặc hiển thị. Với mục tiêu của để tài hệ thống điều khiển được xây dựng theo sơ đồ sau:
3.2.3.6.Khối phân loại
1.Yêu cầu:
Để đẩy quả cà chua, ta cần động cơ với kích thước nhỏ, dễ đáp ứng điều khiển góc quay phù hợp với hệ thống.
2.Lựa chọn thiết bị:
Dựa vào yêu cầu trên, động cơ Servo MG995.
Hình 3. 12 Sơ đồ kết nối Servo MG995 và hình ảnh thực tế
⚫ Dây màu đỏ: VCC. ⚫ Dây màu cam: PWM. ⚫ Dây màu nâu: GND.
⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.7).
3.2.3.7.Khối hiển thị
1.Yêu cầu:
Đối với khối hiển thị, công việc nghiên cứu cần dễ dàng giao tiếp và lập trình với Raspberry, khối hiển thị màn hình đã tích hợp sẵn trong Raspberry.
2.Lựa chọn thiết bị:
Raspberry có sẵn nhiều dịng màn hình khác nhau, nhưng màn hình cảm ứng Raspberry Pi 7 inch nhỏ gọn và tiện lợi. Raspberry Pi LCD – 7″ Touchscreen là một màn hình cảm ứng kích thước 7 inch có độ phân giải 800 x 480.
Màn hình kết nối với Raspberry qua một board adapter để cấp nguồn cho panel LCD và chuyển đổi tín hiệu từ cổng DSI trên main Raspberry.
⚫ Thông số kỹ thuật (phụ lục bảng 1.8).
3.2.3.8.Khối nguồn
1.Yêu cầu:
Hệ thống bao gồm các thiết bị sử hoạt động với 2 điện thế khác nhau là 12V (động cơ) và 5V (Raspberry, Arduino, Servo và Sensors). Khối nguồn cần hoạt động ổn định để việc xử lí của các thiết bị được hoạt động chính xác, tránh sai sót khơng đáng có.
Bảng 3. 1 Thiết bị sử dụng 12v và 5V
Thiết bị Dòng tiêu thụ Số
lượng Ghi chú
Raspberry Pi 3 900mA 1 Khi kit hoạt động độc lập
Camera 23mA 1
Bàn phím và chuột
100 – 1000mA 1
GPIO 25mA 17
Arduino I/O pin 20mA 13
Servo 1.5A 7 Khi tải 3.5kg
Cảm biến 300mA 7
Đèn led 90mA 4 12V
2.Lựa chọn thiết bị:
Để đáp ứng yêu cầu trên, ta chọn 2 bộ nguồn: ❖ Nguồn 12V 5A:
Hình 3. 14 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của nguồn 12V 5A
❖ Nguồn 5V 60A:
Hình 3. 15 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của nguồn 5V 60A
3.2.3.9.Công tắc
1.Yêu cầu:
➢ Dùng cho các cơng tắc Start, Màn hình hiển thị, Băng tải, máy bơm khí, Quạt, Led hắt sáng.
➢ Độ nhạy, chính xác cao, khơng lờn hay kẹt nút cơng tắc.
2.Lựa chọn thiết bị:
Với yêu cầu trên ta chọn cơng tắc ON-OFF 2 CHÂN KCD1-6-10A
Hình 3. 16 Cơng tắc on - off KCD1-6-10A
3.2.4.Sơ đồ kết nối hệ thống đánh giá chất lượng
3.2.5.Thiết kế giao diện
Giao diện của hệ thống được viết trên ngôn ngữ Python và hiển thị trực tiếp trên màn hình trong khi hệ thống đang vận hành.
3.2.6.Thiết kế mơ hình phần cứng 3D
3.2.6.1.Mơ hình 3D phần hệ thống đánh giá chất lương
Hình 3. 19 Băng tải của hệ thống đánh giá chất lương
Hình 3. 23 Mơ hình hệ thống_mặt trước
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1. GIỚI THIỆU
Đề tài xử lý ảnh hiện nay đã và đang đi vào trong giảng đường đại học từ sơ cấp đến nâng cao. Vì vậy, đề tài “Máy đánh giá chất lượng trái cây tự động” được ứng dụng thông qua việc xử lý hình ảnh, nhận dạng hình ảnh, đánh giá cà chua theo màu sắc, kích thước và cà chua được rửa theo mơ hình cơng nghiệp nhằm đảm bảo sản phẩm đánh giá đạt độ yêu cầu tốt nhất trước khi đưa vào xử lý ảnh. Ở phần này sẽ trình bày q trình thi cơng hệ thống. Với đề tài “Máy đánh giá chất lượng trái cây tự động” là:
Mơ hình đánh giá cà chua theo màu sắc (đỏ, xanh, vàng ) và theo kích thước (to, nhỏ).
Đề tài chỉ xây dựng với mơ hình nhỏ và gọn khơng làm thành dây chuyền sản xuất. Mơ hình được thiết kế tham khảo dựa trên một số tiêu chuẩn công nghiệp nên sẽ không thể đạt hiệu suất cao như các máy cơng nghiệp.
4.1.THI CƠNG HỆ THỐNG
4.2.1Chuẩn bị phần cứng
Sau khi tính tốn và thiết kế, chúng ta chuẩn bị linh kiện để tiến hành lắp ráp.
STT Tên linh kiện Số
lượng Chú thích
1 Raspberry 3 Mode B 1 Quạt tản nhiệt đi kèm
2 Camera Pi V1.3 1 Kèm dây cáp
3 Cảm biến hồng ngoại E18D80NK 7
4 Động cơ DC Servo mg995 7
5 Động cơ DC 12V 1
6 Động Cơ Bước 42BYGH47-401A 1
7 Băng tải loại 60X10 1 Kèm puly dây đai
9 Dây dẫn 20m Kèm băng keo ống gen nhiệt 10 Gá đỡ ổ bi 8 11 Mica 20m² Kèm mica keo 502
12 Nguồn tổ ong 5v30A 1
13 Nguồn tổ ong 12v5A 1
14 Công tắc nguồn, nút nhấn 5 1 công tắc 20A 4 công tắc 5A
15 Thanh domino 20A 12P 2
16 Cầu H L298 1
17 Arduino Mega2560 1
18 Màn hình raspberry Pi LCD 7 inch 1 Kèm bus dây cắm
19 Đèn led hắt 5054 4
20 Nhơm định hình 1m
21 Ống nhựa PVC Φ49 1m Kèm vòng đại cao su
22 Ống nhựa PVC Φ34 1m Kèm vòng đai cao su
23 Băng tải loại 30x8 có gờ 1
24 Máy bơm khí Aco003 35W 1 Kèm theo ống dẫn sục khí
25 Quạt Lileng DC 5V 1
4.2.2Lắp ráp và kiểm tra
4.2.2.1. Hệ thống đánh giá cà chua
a.Bộ phận vận chuyển cà chua
Lắp ráp băng tải và động cơ DC với trục băng tải bằng puly.
b.Bộ phận thu hình ảnh
Bộ phận thu hình ảnh gồm 1 camera Pi v1.3, buồng ảnh có đèn led và cảm biến tiệm cận hồng ngoại. Bốn mạch đèn led siêu sáng được bố trí ở 4 phía trên cùng của buồng chụp ảnh để đảm bảo cung cấp ổn định nguồn sáng trắng cho việc chụp ảnh. Bộ phận thu hình ảnh sau khi được lắp đặt.
c.Bộ phận đánh giá cà chua
Bộ phận đánh giá có cấu tạo gồm 6 động cơ servo MG995 gắn với 6 cánh tay nhỏ để thuận tiện cho việc đẩy cà chua ra khỏi băng chuyền và dẫn cà chua vào rãnh phân loại theo từng màu sắc, kích thước mong muốn. Để nhận biết được cà chua và đẩy cà chua với màu sắc, kích thước khác nhau cần thêm 6 cảm biến hồng ngoại tiệm cận E18-D80NK để nhận biết vị trí của cà chua giúp dẫn cà chua tới chính xác vị trí của bộ phận đánh giá.
Hình 4. 3 Động cơ Servo và 6 cảm biến hồng ngoại tiệm cận
d.Bộ phận điều khiển và hiển thị
Để điều khiển được nguồn cấp cho động cơ, đèn và raspberry thì cần có bộ phận cấp