3. 1 4 Vật liệu chế tạo băng tải:
3.2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển
3. 2. 1 Thiết kế hệ thống điều khiển
Mô hình mạch điều khiển cho hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc gồm Arduino nhận tín hiệu từ máy tính sau đó mạch điều khiển Arduino Mega256 điều khiển tốc độ DC thông qua cầu H L298N cho băng tải chạy, đồng thời Arduino cũng điều khiển servo quay để phân loại sản phẩm.
Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Mô tả hệ thống: khi sản phẩm được đưa vào băng truyền di chuyển đến gần vùng phân loại sẽ được cảm biến tiệm cận phát hiện và modun phân loại sẽ làm việc. Camera chụp ảnh quả cà chua gửi về cho thuật toán máy tính toán tách quả ra khỏi nền và chuyển ảnh về dạng nhị phân đen trắng. Tính số pixel màu trắng là số pixel phát hiện vật còn màu đen là pixel của nền. So sánh chúng với nhau để đưa ra phương án phân loại rồi gửi tín hiệu cho Arduino để điều khiển Servo phân loại.
Máy tính
Camera
Servo phân loại
Mạch cầu H WinForm C# Arduino Mega256 Băng tải Hộp giảm tốc Động cơ Sản phẩm Cảm biến
33
3. 2. 2 Chương trình điều khiển hệ thống cơ khí
Lưu đồ điều khiển cơ khí:
Đ
S
Khi khởi động động cơ thì quả cà chua sẽ được chạy trên băng tải. Khi quả đến gần cơ cấu phân loại sẽ được chụp lại và xử lý xem nó có đạt kích thước và màu sắc hay không để cơ cấu phân loại quả đến làn chính xác nhất.
START Motor băng chuyền chạy Thỏa mãn dk kích thước Xử lý màu quả
Màu đỏ Màu xanh
Servo gạt sang trái 180 độ
Servo gạt sang phải 180 độ Phân tích
34
3. 2. 3 Thiết kế hệ thống điện
• Thiết kế sơ bộ cho hệ thống điện
Hình 3.15 Thiết kế sơ bộ hệ thống điện
Hệ thống sẽ sử dụng điện lưới 220V thông qua các bộ chuyển đổi điện áp AC và DC để đạt được các điện áp như 12V, 5V, 3.3V để từ đó cấp điện áp phù hợp cho từng bộ phận của hệ thống.
• Thiết kế sơ đồ mạch điện trên Fritzing
35
Hệ thống mạch điện của hệ thống gồm 1 bảng mạch chứa bộ điều khiển trung tâm(Arduino Mega256), 4 led để báo hiệu kích thước của quả cà chua khi phân loại, header để cắm cảm biến tiệm cận hồng ngoại, header để cắm servo phân loại sản phẩm.
3. 2. 4 Chương trình điều khiển cho ứng dụng Winform
< ngưỡng > ngưỡng > ngưỡng < ngưỡng Phát hiện quả Chụp ảnh nền
Chụp ảnh quả
Tách nền ảnh
Tách màu xanh
So sánh tỉ lệ pixel màu xanh với số pixel của
quả Tính pixel của
ảnh và quả
So sánh tỉ lệ pixel của quả với tổng
pixel của ảnh
Kích thước lớn
Kích thước nhỏ Quả màu xanh Quả màu đỏ
Xuất tín hiệu điều khiển
36
Giao diện điều khiển sẽ bao gồm 2 phần chính : kết nối với Arduino Mega 256, phát hiện và xử lý màu của quả cà chua.
Chương trình điều khiển sẽ kết nối với vi điều khiển thông qua cổng SerialPort. Ảnh gốc được thu vào từ camera sẽ có kích thước 256x225 sẽ được chuyển đổi sang hệ màu RGB. Sau đó ảnh màu RGB sẽ được tách kênh màu theo ngưỡng theo như sau: GREEN(0,64,0) – (200,255,200). Tiếp đó ảnh sẽ được nhị phân hóa trắng đen rồi tính toán giá trị màu và so sánh với lượng pixel của ảnh để nhận diện phân loại ra màu sắc và kích thước.
3. 2. 5 Giao diện phần mềm điều khiển:
Hình 3.17 Giao diện phần mềm điều khiển
Giao diện của phần mềm điều khiển được thiết kế một cách đơn giản, dễ hiểu nhất để người dùng có thể dễ dàng sử dụng và thành thạo. Nhưng vẫn phải thể hiện được đầy đủ chức năng cần thiết mà hệ thống yêu cầu cũng như hiển thị các thông tin lên trên màn hình máy tinh. Các khối chức năng trong giao diện phải được thiết kế
37
và phân bố một cách hợp lý để không quá rườm rà, quá nhiều thao tác khi sử dụng giao diện để điều khiển hệ thống.
Các khối chức năng chính trong giao diện bao gồm:
Hình 3.18 Khối điều khiển và kết nối với vi xử lý trung tâm
Khối khởi động hệ thống với chức năng chính là bật camera và chụp ảnh quả cà chua khi đi vào khu vực chụp để phân loại. Đầu tiên sau khi bật, camera sẽ chụp BACK GROUND để lấy nền tiếp theo đó nền này sẽ được sử dụng khi quả cà chua được chụp. Thuật toán sẽ tách quả cà chua ra khỏi tấm nền đó và sẽ tiếp tục được hệ thống phân loại xử lý.
Khối hiển thị trạng thái kết nối với Arduino Mega256 thông qua cổng com với nhiều chế độ truyền Baud Rate khác nhau.Chuẩn truyền thông giữa phần mềm với Arduino Mega256 là UART(chuẩn truyền thông nối tiếp)
Hình 3.19 Hiển thị trạng thái hiện tại củ hệ thống
Khối thể hiện trạng thái của hệ thống với PORT là cổng giao tiếp. Khi DISCONNECTED là hệ thống chưa được kết nối vs Arduino còn nếu như là CONNECTED thì hệ thống đã đươc kết nối và sẵn sàng làm việc.
38
Hình 3.20 Khối cài đăt các ngưỡng kênh màu
Khối cài đặt các ngưỡng kênh màu cho phép chúng ta tùy chỉnh màu sắc, kích thước để phân loại quả theo ý muốn. Nếu muốn chỉnh màu sắc phân loại ta sử dụng MAX và MIN để chỉnh các ngưỡng màu, còn khi điều chỉnh kích thước của quả cà chua to hay nhỏ ta căn chỉnh SHAPE THRESHOLD để chọn kích thước quả đủ yêu cầu. Khi đó hệ thống sẽ so sánh pixel của quả cùng với pixel của ảnh sẽ chiếm bao nhiêu % nên lớn hơn mức đã chọn sẽ là quả to thỏa mãn yêu cầu. Thông thường tỉ lệ SHAPE THRESHOLD được chọn là 60%
39
- CAMERA: dùng để hiển thị hình ảnh trên băng tải.
- BACKGROUND: sử dụng làm nền để khi tách quả cà chua ra khỏi nền đó. - PHOTO: ảnh được chụp khi quả cà chua vào vùng chụp của modun phân loại. - DETECT OBJECT: quả cà chua sau khi được tách ra khỏi nền.
- GREEN CHANEL: nền còn lại sau khi quả cà chua được tách ra.
- QUANTITY: dùng để hiển thị số lượng quả cà chua đã được phân loại ra gồm có quả màu xanh (GREEN), quả màu đỏ (RED), quả có kích thước lớn đạt yêu câu (BIG), quả có kích thước nhỏ không thỏa mãn yêu cầu (SMALL).
40
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4. 1Kết quả đạt được
Sau thời gian thực hiện nghiên cứu, chế tạo, lắp ráp mô hình đồ án tốt nghiệp dưới sự cố gắng, nhiệt huyết của tất cả thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Nhữ Quý Thơ, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và đáp ứng yêu cầu đã đề ra và thu được kết quả là:
- Thiết kế hoàn thiện hệ thống cơ khí.
- Thi công, lắp ráp được mô hình thực tế của hệ thống.
- Lập trình cho hệ thống thực tế hoạt động theo đúng yêu cầu đã đề ra. - Các mô đun hoạt động đúng chức năng và yêu cầu đề ra.
- Hệ thống vận hành đảm bảo độ an toàn cao.
- Sản phẩm hoàn thành phân loại ra được cà chua xanh, đỏ và to với nhỏ - Ngoài ra, việc thực hiện thành công mô hình đồ án còn giúp nâng cao tinh thần làm việc nhóm, nâng cao tinh thần học hỏi tìm tòi, là bước đà cho sự phát triển của bản thân sau này.
4. 1. 1 Mô hình cơ khí
Mô hình cơ khí sau khi thi công phải đảm bảo được sự chắc chắn, an toàn trong quá trình hệ thống phân loại làm việc. Giảm đáng kể những chi tiết thừa không cần thiết gây cồng kềnh. Dây điện cần phải được đi dây hợp lý tránh để dây điện thừa ra nhiều làm giảm tính thẩm mỹ của mô hình hệ thống và gây mất an toàn trong quá trình hệ thống vận hành.
41
Hình 4.1 Mô hình sau khi được hoàn thiện
Mô hình cơ khí sau khi được hoàn thiện có khối lượng là 30kg đáp ứng được yêu cầu đặt ra về độ bền, chắc chắn và hoạt động ổn định bao gồm có các thành phần là:
Băng tải: bề mặt băng tải là bề mặt làm việc chính của hệ thống. Hệ thống sẽ phải di chuyển các quả cà chua có khối lượng trung bình là 25g đi đến hết băng tải nên nhóm đã chọn một số thông số cho băng tải
- Chiều dài 990mm. - Chiều rộng 200mm.
42
Hình 4.2 Băng tải
- Cấu tạo:
+ Động cơ DC giảm tốc là động cơ Tsukasa + Puly truyền động đai loai đai A24.
+ Con lăn có đường kính 40mm.
+ Khung băng tải gia công bằng nhôm định hình 30x30 và 30x60. + Dây đai băng tải là loại đai PVC.
43
- Chức năng:
+ Khung băng tải có chức năng cố định và định hình cho băng tải. + Động cơ DC giảm tốc độ truyền động cho băng tải.
+ Puly truyền động quay.
+ Dây đai băng tải là bề mặt làm việc chính của băng tải. + Con lăn truyền động cho băng tải.
+ Gá động cơ giúp cố định động cơ vào chân con lăn.
Modun phân loại: quả cà chua khi đi đến vùng phân loại sẽ được chụp hình và điều hướng đi theo làn đã định sẵn.
Hình 4.3 Mô đun phân loạ
- Cấu tạo:
+ Tấm nhựa PVC trắng để được cắt thành dạng thanh. + Camera chụp ảnh.
44
+ Động cơ Servo phân làn cho quả. + Cảm biến tiệm cận.
+ Thanh L gắn camera và servo, bulong lục giác. + Tấm sắt gắn các thiết bị lên trên.
+ Thanh điều hướng.
- Chức năng:
+ Tấm nhựa PVC trắng dùng để gắn cả modun phân loại lên bên trên băng tải + Khi quả cà chua di chuyển đến được cảm biến tiệm cận phát hiện
+ Sau khi quả cà chua bị phát hiện Camera sẽ chụp hình và gửi về cho hệ thống. + Thanh điều hướng sẽ cho quả cà chua chạy vào làn đã được định sẵn.
4. 1. 2 Phần mềm khi xử lý ảnh
Phần mềm được xây dụng với chức năng chính là hiển thị lên trên màn hình máy tính sự phân biệt màu sắc và kích thước của quả cà chua được đưa vào băng tải bằng các ô hiển thị những bức ảnh mà camera chụp được.
- Với quả cà chua màu đỏ được phần mềm xử lý như sau:
45
Khi phát hiện ra quả cà chua đến dần cảm biến sẽ gửi tín hiệu từ arduino vào máy tính để bắt đầu chụp ảnh, sau đó sử dụng thuật toán background subtraction để tách nền ảnh chỉ lấy quả cà chua và chuyển ảnh về dạng nhị phân đen trắng, sau đó đếm các pixel màu trắng trong ảnh đã xử lý để tính toán kích thước của quả cà chua so với lượng pixel của toàn bộ ảnh chụp sau đó trong ảnh phát hiện quả cà chua ta sẽ tách các dải màu RBG (0, 60, 0) đến (180, 255, 180), sau khi tách xong ta sẽ chuyển ảnh về dạng nhị phân và đếm các pixel màu trắng để so sánh với lượng pixel của vật thể được phát hiện trước đó, nếu nhỏ hơn 60% thì đó là quả đỏ. Động cơ servo sẽ quay sang trái một góc 180 độ để điều hướng quả cà chua màu đỏ đi vào làn bên trái. Sau khi quả được phân biệt màu giữa xanh và đỏ thì hệ thống sẽ dùng lượng pixel của vật thể so với tổng lượng pixel nếu như lớn hơn mục SHAPE THRESHOLD đã chọn (60%) thì sẽ là quả to còn nêu như nhỏ hơn sẽ là quả nhỏ. Toàn bộ kết quả đếm được sẽ được hiển thị chi tiết trên màn hình ở mục QUANTITY qua đó ta có thể đánh giá lượng quả cà chua mà hệ thống đã phân loại được cũng như từng loại quả với màu sắc và kích thước khác nhau.
- Với quả cà chua màu xanh:
46
Bằng cách phân tách tương tự như quả cà chua màu đỏ, quả cà chua màu xanh sẽ được động cơ Servo điều hướng sang làn bên phải sau đó được băng tải truyền vận chuyển tiếp tục di chuyển đến hết quãng đường băng tải.
Sau khi quả cà chua xanh quả cà chua đỏ được phân loại xong thì sẽ rơi vào thùng đựng sẵn sản phẩm phân loại ở cuối cùng băng tải.
4. 1. 3 Hạn chế
- Do ít tham gia vào quá trình thiết kế chế tạo, thi công mô hình, chưa có kinh nghiệm nên phần tính toán hệ thống cơ khí còn khá sơ sài, và chưa được đảm bảo.
- Khi đưa mô hình hoạt động vẫn gặp phải một số lỗi vận hành hệ thống, dây đai bị đứt. Quả sau khi phân loại được đưa vào làn của nó nhưng vẫn có trường hợp quả bị lệch so với làn đã định sẵn.
- Phần mềm điểu khiển tuy đã có khả năng xử lý được một vài lỗi nhưng vẫn chưa đầy đủ và hầu hết vẫn phải khắc phục thủ công.
- Tiếng ồn và rung động từ hệ thống chỉ dừng lại ở mức chấp nhận được, vẫn chưa tối ưu hoàn toàn.
- Các chi tiết thiết kế chưa tối ưu nên hoạt động chưa hoàn toàn chính xác. - Tính thẩm mĩ của hệ thống chưa hoàn hảo.
- Năng suất của hệ thống không được cao.
- Chưa có phương án giải quyết triệt để một vài lỗi như tín hiệu bị nhiễu, delay,... - Chưa thiết kết được cơ cấu đưa quả cà chua vào băng tải
- Tốc độ xử lý còn chậm, chỉ phân loại được quả theo màu sắc và kích thước vẫn chưa thể phát hiện được quả bị lỗi.
4. 1. 4 Phương hướng giải quyết
- Thiết kế và lắp đặt thêm cơ cấu cấp phôi và phân loại tinh vi hơn.
- Thiết kế chính xác các chi tiết cơ khí để mô hình đảm bảo vận hành chính xác, các mối ghép chắc chắn. Giảm tiếng ồn gây ra
47
- Nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp vận hành, giám sát và phân loại hệ thống qua phần mềm hiện hành.
- Cần phải tìm tòi và học hỏi không ngừng để ngày càng phát triển thêm những kiến thức về xử lý ảnh cũng như các kiến thức liên quan khác về hệ thống cơ khí, hệ thống điện, hệ thống điều khiển.
4. 2Định hướng phát triển
Việc ứng dụng hệ thống vào quá trình sản xuất có nhiều lợi ích như: Tăng năng suất lao động và chất lượng sản phẩm trong sản xuất. Giúp giảm giá thành sản phẩm để có thể cạnh tranh trên thị trường. Áp dụng công nghệ camera giám sát và phân tích màu trong các công ty chế biến nông sản, gạch men, các công ty dược phẩm,... Áp dụng vào công nghệ nhận biết màu để giám sát sự sinh trưởng và phát triển thực vật. Từ kết quả đạt được và hạn chế, nhóm có một số đề xuất cho hướng phát triển mô hình sau này:
- Hệ thống có thế được mở rộng ở phạm vi thí nghiệm trong các phòng lab, hoặc cũng có thể nghiên cứu sâu để ứng dụng và thay thế các hệ thống đã lỗi thời trong các nhà máy, xí nghiệp.
- Ngoài ra có thể tích hợp them một số module như: module cấp phôi, module phân nhánh…. để từ đó hệ thống có thể hoàn thiện hơn. Bên cạnh đó, có thể thay đổi phân loại đối với từng loại sản phẩm khác nhau từ đó giảm thiểu khả năng chi phí để thay lại toàn bộ hệ thống.
- Tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu về xử lý ảnh để có thể nhận diện được nhiều màu sắc hơn trên sản phẩm phân loại. Cải tiến mô hình phát hiện được sản phẩm ở nhiều mức độ cao hơn, không chỉ có màu mà còn có thể phân loại thêm được cả kích thước của sản phẩm.
- Có thể tích hợp thêm nhiều chức năng nữa như là cấp nguyên liệu và đóng thùng sản phẩm thu được sau khi phân loại.