Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0214

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0214
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет"
Название доклада
Построение моделей и алгоритмов информационного обеспечения систем технического зрения для контроля качества растительной сельскохозяйственной продукции
Докладчик
Дивин Александр Георгиевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель данного проекта заключается в разработке комплекса научно-технических решений, направленных на создание алгоритмического обеспечения системы технического зрения для контроля качества растительной сельскохозяйственной продукции, позволяющего решить проблему сохранности овощей и фруктов, закладываемых на хранение, путем создания роботизированного комплекса с оптико-электронной системой контроля.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка методов и средств экспериментального исследования теплофизических характеристик (ТФХ) объектов растительного происхождения;
2. Разработка бесконтактных методов неразрушающего контроля объектов растительного происхождения, позволяющих уверенно обнаруживать поверхностные и подповерхностные повреждения объектов контроля;
3. Разработка алгоритмов обработки изображений объектов растительного происхождения, позволяющих осуществлять отбраковку объектов в зависимости от наличия повреждения;
4. Программная реализация разработанных алгоритмов;
5. Разработка макета роботизированного комплекса (МРК) для отбраковки объектов растительного происхождения.
Актуальность и новизна исследования
Сохранность овощей во многом определяется качеством их сортировки во время закладки на хранение. В процессе сортировки происходит выбраковка из исходной массы сельскохозяйственной продукции (например, картофеля) объектов, имеющих несоответствующие размеры, поврежденных или имеющих заболевания. Последнее является необходимым условием сохранности продукции на длительное время (при выполнении целого ряда других необходимых условий).
В настоящее время, сортировка, как правило, предусматривает ручной труд. При этом человек длительное время совершает монотонную работу, что сказывается на его утомляемости и снижению эффективности работы в целом.
Исследования в области применения альтернативных методов сортировки проводятся как в России, так и за рубежом. Наибольшее распространение получили оптические методы сортировки, а также способы контроля качества плодов, овощей и клубнеплодов по оптическим характеристикам. Наш подход отличается тем, что в предлагаемом методе осуществляется устойчивое и однозначное отображение термограмм на поверхности неоднородных материалов в пространственное распределение их теплофизических параметров - тепловые томограммы. Предлагаемый к разработке метод сортировки с применением систем технического зрения для анализа изображений объектов контроля как в видимой, так и в инфракрасной области спектра, способен будет обнаружить дефекты площадью от 0,2 кв. см. При успешном выполнении проекта велика вероятность достижения научного прорыва в данной области знаний, что будет иметь важное значение для перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства России в целом.
Описание исследования

Механические повреждения поверхности овощей и фруктов, а также наличие поверхностных и подповерхностных дефектов, вызванных болезнями растений, в процессе автоматической сортировки будут обнаруживаться с применением методов неразрушающего бесконтактного активного контроля, предусматривающих кратковременное воздействие на объекты энергией инфракрасного  (тепловой контроль) и ультрафиолетового излучений (люминесцентный контроль).  

Люминесценция, возникающая при облучении картофеля, огурцов, бобов, белой и красной капусты ультрафиолетовым излучением позволяет выявить начало гниения на такой ранней стадии, когда оно неуловимо другими методами. Особенно ценно, что люминесцентный метод дает возможность выявить начальные стадии заболевания, когда они еще не видны при обычном свете.

Тепловой контроль основан на регистрации температурных полей диагностируемых объектов. Эксперименты показали, что дефекты овощей, имеющих перед началом контроля однородную темпера­туру, как правило, равную температуре окружающей среды, являются трудно распознаваемыми, поскольку они не создают "полезных" температурных сигналов (см. рис.1). 

                                                                            

 Рисунок 1 -  Тепловизионное изображение клубня картофеля, пораженного фитофторой, при отсутствии теплового воздействия 

Однако, после кратковременного теплового воздействия, однородность температурного поля нарушается.  Нарушения однородности температурного поля поверхности объекта контроля вызваны в первую очередь отличием теплофизических характеристик в зоне нарушения структуры объекта от теплофизических характеристик в неповрежденных зонах. Для надежной идентификации типа повреждения необходимо решать обратную задачу теплопроводности в ходе совокупных измерений значений температуры в зоне неоднородности. 

Температурное поле поверхности объекта возможно регистрировать с высокой скоростью с помощью современных тепловизионных камер, имеющих матрицу неохлаждаемых микроболометров, высокое разрешение и чувствительность до 0,18 мК. Для устранения ошибок контроля первого и второго рода необходимо решать подзадачи обеспечения обзора камерами всей поверхности продукта, что возможно за счет вращения каждого объекта  с заданной скоростью в поле зрения камеры и получения ряда изображения объекта контроля в разных ракурсах. 

Для получения максимально возможного температурного контраста между здоровой и поврежденной тканями объекта целесообразно организовать процесс контроля с заданными режимными параметрами. Для определения рациональных режимных параметров (мощность, время теплового импульса, интервал времени получения изображения после импульса тепла) процессов теплового воздействия на объекты контроля необходимо провести моделирование нестационарного процесса теплопередачи. Если рассматривать распространение тепла  в тонком приповерхностном слое объекта, то можно ограничиться одномерной задачей теплопереноса. В тепловом контроле одномерные классические решения позволяют оценить глубину залегания и толщину дефектов без определения их поперечных размеров. Многомерные задачи теплопроводности позволяют учитывать диффузию тепла в материале  вокруг дефектов конечных размеров. Одномерные, в том числе многослойные, задачи обычно решают аналитически с использованием операционного метода, функций Грина, а также  численными методами, тогда как для многомерных моделей наиболее пригодны  численные методы. В нашем случае приоритет отдается численным методам, так как аналитически заданные температурные поля (даже одномерные) неоднородных объектов, как правило,  чрезвычайно сложны и основаны на  допущениях и упрощениях, которые приводят к существенным методическим погрешностям. 

Параметрами моделей, описывающих температурные поля неоднородных объектов, в числе прочих являются теплофизические характеристики,  как поврежденных, так и неповрежденных участков. Эти характеристики необходимо исследовать как для разных объектов, так и для разных повреждений. При этом теплофизические характеристики поверхностного слоя, имеющего повреждения вызванные болезнями растений, целесообразно экспериментально исследовать неразрушающими методами контроля. 

Основным элементом разрабатываемого макета роботизированного комплекса сортировки  объектов растительного растительного происхождения является система технического зрения. На эффективность контроля с применением данного макета влияют режимные параметры процесса контроля, а также алгоритмы обработки изображений. На втором этапе выполнения проекта этим алгоритмам будет уделено первостепенное значение.  

 

Результаты исследования

В ходе первого этапа выполнения проекта получены следующие результаты:

1. Исследованы зависимости теплоемкости образцов тканей картофеля, как неповрежденных (рис. 2), так и пораженных фитофторой (рис.3), одного из самых опасных заболеваний для данной культуры ; 

                                     

                    Рисунок 2 -  Зависимость эффективной теплоемкости от температуры для неповрежденного картофеля 

                                     

               Рисунок 3 - Зависимость эффективной теплоемкости от температуры для  картофеля  поврежденного фитофторой

Как видно из рисунков 1 и 2 зависимости теплоемкости от температуры для поврежденного и неповрежденного картофеля существенно различаются. Это объясняется нарушением структуры и изменением химического состава тканей картофеля. Вследствие этого, в процессе нестационарного теплопереноса  в тканях картофеля возникает неоднородность температурного поля, что может быть обнаружено при помощи тепловизионных камер. В процессе исследования зависимости теплоемкости картофеля от температуры использовался прибор ИТ-с-400, модернизированный авторами. Зависимости теплоемкости тканей картофеля, пораженных фитофторой получены впервые и соответствуют мировому уровню.  

2. Предложена методика неразрушающего теплового активного контроля качества картофеля, заключающаяся позволившая уверенно обнаруживать малозаметные поверхностные дефекты и повреждения (рис. 4);

                                  

                                а)                                                                                                                           б)

                        Рисунок 4 -  Картофель, пораженный сухой гнилью в видимом свете (а) и в инфракрасном свете (б)

3. Проведен  аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-технические проблемы в области теплового неразрушающего контроля, технического зрения, построения сортировочных комплексов, подтвердивший наличие научной новизны в предлагаемых решениях;

4. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, подтвердивший патентоспособность методов и средств для реализации предлагаемых подходов решения поставленных задач;

5. Исследованы и проанализированы эффективность существующих решений ПНИЭР в части неразрушающего теплового контроля и систем технического зрения, определены их достоинства, области их применения, возможности использования в реализуемом проекте;

6. Исследованы и проанализированы эффективность существующих решений ПНИЭР в части построения роботизированных комплексов  для отбраковки объектов растительного происхождения как отечественного производства, так и зарубежного (компаний Aweta, Maf Roda и др. );

7. Разработаны и исследованы  варианты возможных решений в области неразрушающего теплового и оптического контроля и систем технического зрения;

8. Разработаны и исследованы варианты возможных решений построения роботизированных комплексов  для отбраковки объектов растительного происхождения с применением как стандартных модулей известных зарубежных фирм Fanuc, Kuka Robotics и др., так и отечественных ;

9. Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов исследований, проводившихся по аналогичной тематике;

10. Проведено обоснование и выбор направления исследований с целью определения оптимального варианта направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы. 

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:
1. Будет разработано программное обеспечение решения коэффициентных обратных задач теплопроводности с применением бесконтактного метода измерений температуры в инфракрасном (ИК) диапазоне;
2.Будет разработано программное обеспечение для обработки изображений объектов растительного происхождения получаемых в инфракрасном диапазоне спектра, позволяющее осуществлять отбраковку объектов в зависимости от типа и наличия поверхностного и подповерхностного повреждений;
3. Будет разработано программное обеспечение для обработки изображений объектов растительного происхождения, получаемых в оптическом диапазоне спектра, позволяющие осуществлять отбраковку растительного сырья в зависимости от геометрических характеристик и наличия видимых повреждений;
4. Будет разработан роботизированный комплекс для сортировки овощей.
Качество и сохранность объектов растительного происхождения во многом зависит от качества сортировки. Эффективность сортировки во многом зависит от степени ее автоматизации (роботизации), которая позволит сохранить урожай, предотвратить заражение сельскохозяйственной продукции во время хранения, повысить качество семенного материала, снизить потери урожая. Так, например, фитофтороз картофеля, одно из самых опасных заболеваний, может приводить к потерям до 70% урожая. В России ежегодные потери от этого заболевания составляют около 4 млн. т. Повышение качества сортировки с применением результатов, достигнутых в проекте, поможет решить данную проблему.
Постер

Poster.ppt