Xác định kích thước và diện tích khuyết tật

Chương 4 : LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

4.3.5 Xác định kích thước và diện tích khuyết tật

1.3.5.1 Xác định kích thước

Ta xây dựng thuật toán để lấy chiều rộng và chiều cao của trái xoài theo nguyên tắc tính khoảng cách giữa các pixel theo chiều ngang và dọc, sau đó tìm khoảng lớn nhất theo từng chiều để lấy chiều rộng và chiều cao theo pixel.

42

Kích thước quả xồi tìm được tính theo đơn vị pixels

4.3.5.2: Tính diện tích khuyết tật

Bước 1: Tìm contours: Contour là thuật tốn được sử dụng trong xử lý ảnh nhằm tách, trích xuất các đối tượng, tạo điều kiện để các xử lý sau được chính xác. Contour tìm được sẽ là phần viền bao quanh trái xoài và phần khuyết tật trên bề mặt trái xồi.

Bước 2: Giới hạn mỗi contour tìm được bằng việc vẽ hình chữ nhật bao quanh. Sử dụng hàm Cv2.BoundingRect() và Cv2.Rectangle()

43 4.3.6 Phân loại dựa trên diện tích khuyết tật

Tính tốn xấp xỉ diện tích của một điểm ảnh:

Với khoảng cách từ camera tới băng tải là khơng đổi, kích thước thực chiều dài, chiều rộng, chiều cao của trái xoài được đo bằng thước kẹp. Sau đó đếm số điểm ảnh tương ứng với mỗi kích thước trên.

Kết quả đo kích thước thực của một trái xoài mẫu và số điểm ảnh tương ứng: Chiều dài(L): 13,69 cm - 426 pixels

Chiều rộng(R): 8,51 cm - 281 pixels Chiều cao(H): 7,28 cm - 258 pixels

Từ trên tính được xấp xỉ diện tích của một pixel: 1369

4260 × 851

2810= 0,09732 𝑚𝑚2

Phân loại: Tìm phần diện tích khuyết tật lớn nhất nếu lớn hơn …hoặc số vùng

44

Số vùng khuyết tật tìm thấy

Bước 3: Tính thể tích xồi

 Phương pháp thống kê:

Bư ớc 1: Thống kê kích thước thể tích

Ở bước này chúng ta đo kích thước chiều dài chiều rộng chiều cao thực tế của xoài cát Chu và xồi cát Hịa Lộc. Ở đây nhóm sử dụng thước kẹp 20cm để đo kích thước xồi với sai số của thước là 0.01mm

Tiếp theo để đo thể tích thực của xồi, nhóm sử dụng ngun lý bình tràn để đo thể tích của xồi.

45

Hình 4.2.6: Ngun lý đo thể tích sử dụng bình tràn (Nguồn: Internet)

Khi ta xác định được chiều dài, chiều rộng, chiều cao và thể tích thực của xồi, ta bắt đầu tìm mối liên hệ giữa chúng.

Bước 2: Tìm phương trình phụ thuộc

Ta có 3 biến đầu vào (chiều dài, chiều rộng, chiều cao) và một biến đầu ra (thể tích), sử dụng hồi quy đa biến để tìm mối quan hệ giữa chúng. Ta cứ hiểu rằng, khi ta sử dụng kích thước thể tích thực của xồi để tìm phương trình phụ thuộc, sau đó sử dụng Kinect để tính chiều dài, chiều rộng, chiều cao và với phương trình phụ thuộc ta sẽ tìm được thể tích tương ứng.

Phần mềm SPSS hỗ trợ cho ta về hồi quy đa biến để tìm phương trình phụ thuộc. Ta chỉ cho biến đầu vào và biến đầu ra, SPSS sẽ cho ta chính xác nhất phương trình phụ thuộc và các biểu đồ liên quan. Ở đây biến đầu vào là kích thước của xồi và biến đầu ra sẽ là thể tích xồi tương ứng.

46

Kết quả ta được :

Hình 4.2.7: Bảng thơng số phương trình phụ thuộc (ảnh chụp)

Phương trình phụ thuộc giữa kích thước và thể tích

Bước 3: Tìm kích thước camera

Ta xây dựng thuật toán để lấy chiều dài, chiều rộng, chiểu cao theo nguyên tắc tính khoảng cách giữa các pixel theo chiều ngang và dọc sau đó tìm khoảng lớn nhất theo từng chiều để lấy chiều dài, chiều rộng chiều cao theo pixel.

Xác định chiều dài và chiều rộng : Ta có khung hình trả về của Kinect là 640x480 Pixel, ta dùng lệnh chạy trên mảng Pixel của khung hình, so sánh giá trị Pixel và tìm các điểm bên trái đầu tiên, phải cuối cùng, trên cùng và dưới cùng. Qua đó dùng phép hiệu để lấy khoảng

47

cách Pixel, đó cũng chính là chiều dài và chiều rộng tính theo Pixel của xồi. Để xác định lấy đúng chiều dài và rộng, dựa vào những điểm tìm được để vẽ ra hình chữ nhật tương ứng.

Đối với chiều dài và chiều rộng ta tính được theo Pixel, để lấy được kích thước theo chuẩn thì ta nhân thêm kích thước thực của Pixel vào (đã tính phương pháp 1).

Bước 4: Tính thể tích xồi

Dựa vào phương trình phụ thuộc ta đã tìm ra từ một loại xoài cát Chu hoặc cát Hoài Lộc, ứng với từng loại xồi cần tính ta xác định chiều dài chiều rộng và chiều cao thì ta suy ra được thể tích tương ứng.

Kết quả thể tích xồi thu được khi tính bằng phương pháp thống kê Kinect với thể tích thực tế :

48

4.3.7 Xác định thể tích xồi sử dụng Camera IP

Vì độ phân giải của CameraIP thấp nên đề tài bổ sung thêm phương pháp tính thể tích sử dụng camera màul, sử dụng kết nối cáp mạng với router truyền tín hiệu về máy tính. Để có thể sử dụng lập trình và xử lý dữ liệu cho camera ta sử dụng các thư viện hỗ trợ gồm : OpenCV dựa trên ngôn ngữ Python

 Phương pháp thống kê tính thể tích theo kích thước

Ở hai bước đầu là : Thống kê kích thước thể tích và tìm phương trình phụ thuộc ta đã thực hiện. Nên ở phần này ta sẽ bỏ qua 2 bước này và chuyển đến 2 bước tiếp theo.

Bước 3 : Tìm kích thước qua Camera

Ảnh thu được từ camera là ảnh màu RGB ta cần chuyển đổi về ảnh xám để thao tác dễ dàng hơn. Trong mơ hình có sử dụng thêm buồng chụp giúp tăng khả năng thu nhận ảnh và tách được phông dễ dàng hơn

Đầu tiên ta biết rằng ở hầu hết xồi thì sẽ có một ngưỡng màu nhất định. Nên ta sẽ chỉnh ngưỡng và bắt đầu chuyển sang ảnh xám sao cho ảnh thu được có phơng nền và xồi là 2 giá trị màu tách biệt. Ở đây ngưỡng đề tài đặt là 135, ngưỡng của xoài dao động trong khoảng 140-255.

49

Hình 4.2.8: Kết quả sau khi chỉnh ngưỡng và chuyển sang ảnh xám (ảnh chụp)

Sau khi ta đã chuyển sang ảnh xám và tách riêng biệt 2 giá trị màu của xoài và phơng thì bài tốn lại chuyển sang như khi ta sử dụng CameraIP. Để lấy được kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao ta truy cập vào từng giá trị pixel và tính khoảng cách theo chiều ngang và dọc 2 pixel ở xa nhất. Và cũng dùng cách tính như ở CameraIP để ta tính được kích thước của một pixel.

Hình 4. 9 Cách chạy pixel xác định các điểm (ảnh chụp).

Ta vẽ hình chữ nhật để kiểm định việc xác định kích thước pixel đúng hay sai.

50

Khi ta đã có kích thước theo pixel và cũng có được kích thước của pixel ta chỉ cần nhân chúng vào thì ta có được kích thước thật của xồi.

Bước 4: Tính thể tích xồi

Ta dựa vào phương trình phụ thuộc đã tìm được ở phương pháp trước và với kích thước thật tìm được ở bước 3 ta thay vào phương trình để tính được thể tích tương ứng.

51

Sau khi khỏi động phần mềm phân loại, máy sẽ tiến hành phân loại xồi theo khối lượng, kích thước đã qui định. Với mỗi quả xồi được phân loại, phần mềm sẽ lưu lại thông tin dữ liệu trên một file excel để tiện lưu trữ và xử lí:

52

Chương 5: ĐIỀU KHIỂN

5.1. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm cho hệ thống phân loại xoài đáp ứng yêu cầu điều khiển cho cơ cấu phân loại. yêu cầu điều khiển cho cơ cấu phân loại.

Điều khiển điện của hệ thống xử lý ảnh và cân khối lượng xoài bao gồm điều khiển động cơ băng truyền của bộ phận xử lí ảnh, động cơ bộ phận cân khối lượng xoài. Đồng thời, hệ thống điều khiển đảm nhiệm việc cấp nguồn cho hệ thống xử lý ảnh, hệ thống phân loại xoài dựa vào khối lượng.

Các thiết bị cần thiết cho mạch điều khiển:

 1 Aptomat 3 pha để đóng ngắt dịng điện 3 pha cấp cho biến tần.

Công suất định mức: 6, 10, 16, 25, 32, 40A Dòng ngắn mạch: 6kA

 2 biến tần dùng để điều khiển động cơ 3 pha.

53

Tần số ngõ ra: 0.1 ~ 600Hz Dạng module, thiết kế tích hợp Tích hợp chức năng PLC

Tích hợp bộ lọc tín hiệu (Đối với các model 1Pha/230V~ và 3Pha/ 460V~)  2 động cơ 3 pha. Công suất:0,4kw=1/2hp Tỉ số truyền: 1/3~1/1800 Vật liệu vỏ: Nhôm Điện áp: 3pha 220V/380V

 2 cầu dao CB để đóng ngắt nguồn điện 220V cấp cho hệ thống xử lí ảnh và hệ thống cân.

54

55

5.2. Thiết kế điều khiển cho cơ cấu phân loại theo tỉ trọng 5.2.1. Tính khối lượng 5.2.1. Tính khối lượng

 Loadcell

Hình 5.6 Loadcell (Nguồn Internet)

Do trái xồi có khối lượng nhỏ (dao động từ 400g – 800g) nên nhóm sử dụng Loadcell có giới hạn đo nhỏ (ở đây là Loadcell 2kg) để tăng độ chính xác trong q trình đo.

Thơng số kỹ thuật của Loadcell sử dụng:

- Tải trọng 2kg

- Độ lệch tuyến tính 0.05%

- Rate output 1.0 ± 0.15 (mV/V) - Điện áp hoạt động 5V

- Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 60 ℃

 Cảm biến vật cản hồng ngoại NPN E3F-DS30C4

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC. - Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.

56

- Dịng kích ngõ ra: 300mA.

- Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.

- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ. - Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L).

Hình 5.7 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 (Nguồn: Internet)

 PLC S7 – 1200

Cấu trúc của PLC được mô tả như sau:

57

Ở đây nhóm sử dụng PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1212C DC/DC/DC model 6ES7212-1AE40-0XB0 để điều khiển mơ hình.

Thơng số kỹ thuật:

- Cổng I/O: 8 DI 24V DC / 6 DO 24V DC - Cổng AI: 2 AI 0 – 10V DC (0 1)

- Power supply: DC 20.4 – 28.8V DC - Program/Data memory: 75KB

- Cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

Hình 5.9 PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (Nguồn Internet)

5.2.2 Thuật tốn điều khiển

Theo thơng số của Loadcell, tín hiệu trả về có giá trị rất nhỏ 1.0 ± 0.15 (mV/V) nhưng cổng tín hiệu Analog của PLC lại nhận giá trị 0 – 10V DC, nếu kết nối trực tiếp thì PLC khơng thể nào đọc được tín hiệu của Loadcell nên cần có 1 bộ

58

khuếch đại tín hiệu điện áp kết nối với Loadcell để khuếch đại tín hiệu ra của Loadcell từ 1.0 ± 0.15 (mV/V) lên 0 – 10V DC.

Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại:

- VO đầu ra 0-5V & 0-10V - Điện áp nguồn cấp: 24 VDC

- Độ nhạy: 2mV/V

- IO đầu ra: 4-20mA .

- Chân GNDD: chống nhiễu có thể lắp hoặc khơng.

Hình 5.10 Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến (Nguồn Internet)

59

Để đọc được giá trị chính xác của khối lượng trái xồi, nhóm tiến hành lấy tín hiệu trả về từ loadcell kết hợp giữa chương trình điều khiển PLC trên phần mềm Tia portal v13 SP1 và Visual Studio 2017.

Kết nối giữa PLC S7-1200 trên Studio Tia Portal V13 SP1 và Visual 2017

 Bước 1: Kết nối PLC S7-1200 với Tia Portal V13 SP1 qua cổng Profinet dùng chuẩn truyền TCP/IP để kết nối phần cứng và nộp code

 Bước 2: Sử dụng thư viện S7.net thiết kế giao diện trên WPF để truy xuất trực tiếp vào vùng nhớ PLC thông qua cổng mạng Profinet dùng chuẩn truyền TCP/IP

Hình 5.12 Cách kết nối giữa PLC S7 – 1200 (Tia portal) với Visual C

Trong khi kết nối lưu ý Click vào 2 mục Full access và Permit access (tô đỏ) để PLC mới có thể truy xuất vào vùng nhớ của C# lấy dữ liệu lưu trữ.

60

Khối lượng trái xoài

Các bước tiến hành xác định khối lượng trái xoài

 Bước 1: Kết hợp giữa cảm biến và Loadcell

Phía trên Loadcell được bố trí 1 cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật. Khi trái xoài đi đến cảm biến phát hiện trả tín hiệu về Visual, đồng thời lúc này Loadcell phía dưới cũng tiền hành cân các giá trị của trái xoài với tốc độ 10ms.

Để có được khối lượng trái xồi nhóm tiến hành xây dựng phương trình tính tốn khối lượng xồi dựa vào các kết quả thực tế thu được từ thực nghiệm. Sau khi nhận tín hiệu Analog trả về từ Loadcell, PLC thực hiện tính tốn theo phương trình được xác định như sau

Đầu tiên nhóm thực nghiệm trên 10 trái xoài với kết quả thực tế như sau: STT Khố lượng thực tế cân được

(y)

Khối lượng khi cân với băng tải v = 4,21 (v/p) (x) 1 410.4543 329.5663 2 469.9725 382.7528 3 323.1496 243.6132 4 551.0186 459.2086 5 442.9044 356.4762 Kết hợp cảm biến và Loadcell

61 6 432.1404 348.2459 7 451.4862 367.7153 8 399.6903 316.5863 9 393.7589 313.2621 10 469.9725 383.5443

Từ kết quả trên bảng ta dễ dàng nhận thấy rằng khối lượng khi cân trên băng tải động sẽ luôn nhỏ hơn khối lượng gốc một giá trị nào đó. Kết quả được đưa vào Excel để tính, ta thấy mối quan hệ giữa 2 đại lượng này (khối lượng gốc và khối lượng cân trên băng tải) có quan hệ tuyến tính với nhau theo phương trình bậc nhất:

y = a.x +b Trong đó: y là khối lượng trái xồi cần tính

x là khối lượng trái oài khi cân băng tải a, b là hệ số

hệ số a, b được xác định bằng các hàm SLOPE (tìm hệ số a), INTERCEPT (tìm hệ số b). Lệnh xác định:

a = SLOPE(các giá trị y, các giá trị x) = 1.060952497

b = INTERCEPT(các giá trị y, các giá trị x) = 63.01837755

→ Phương trình cần tìm: y = 1,060952497.x + 63,01837755

Từ phương trình vừa tìm được ta xây dựng theo khối trong PLC để tiến hành tính tốn ra khối lượng chính xác. Ta có kết quả sai số:

62 STT Khối lượng thực tế Khối lượng tính bằng phương trình Sai số 1 410.4543 412.6726 -2.21827 2 469.9725 469.1009 0.8716 3 323.1496 321.4804 1.6692 4 551.0186 550.2169 0.8017 5 442.9044 441.2227 1.6817 6 432.1404 432.4907 -0.3507 7 451.4862 453.1468 -1.6604 8 399.6903 398.9014 0.7889 9 393.7589 395.3746 -1.6153 10 469.9725 469.9407 0.0318

→ Sai số trung bình ∆𝛿 = ± 2 𝑔𝑎𝑚 → sai số chấp nhận được → Phương trình hợp lý

 Bước 2: Tạo mảng giá trị trên Visual Studio

Các giá trị khối lượng tính tốn được từ tín hiệu Loadcell trả về được tập hợp tạo thành một mảng các giá trị khối lượng khác nhau bắt đầu khi cảm biến phát hiện xoài, khi trái xoài qua hết khỏi vùng quét của cảm biến thì lúc này mảng ngừng nhận giá trị từ Loadcell.

 Bước 3: Tính ra được khối lượng trái xồi

Từ mảng vừa được tạo phía trên, ta dùng hàm chọn ra giá trị lớn nhất, lúc này giá trị đó chình là khối lượng cần tìm của trái xồi.

63

Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC và cảm biến, xy lanh

Hình 5.13 Sơ đồ kết nối PLC, cảm biến, xy lanh

Các bước tiến hành phân loại xoài:

 Bước 1: Tính tốn giá trị tỉ trọng

Sau khi hoàn tất việc nhận giá trị khối lượng từ Loadcell trả về tính tốn cho ra kết quả khối lượng thực tế, lúc này PLC sẽ liên kết với C# truy xuất vào vùng nhớ chứa giá trị thể tích đã được lưu trong mảng ở phần băng tải tính tốn xử lý ảnh và tính thể tích, kết hợp với giá trị khối lượng xác định ra giá trị tỉ trọng theo cơng thức:

Tính tốn giá trị tỉ trọng

64

𝐷 = 𝑀

𝑉 (𝑔𝑎𝑚 𝑚𝑙)⁄

Trong đó: D là tỉ trọng của trái xồi (𝑔𝑎𝑚 𝑚𝑙)⁄

M là khối lượng của trái xoài (gam) V thể tích của trái xồi (mililit)

Từ kết quả tỉ trọng vừa mới tính tốn được, căn cứ theo tiêu chuẩnVIET GAP để