Введение к работе
Актуальность проблемы.
Високий уровень развития сельского хозяйства характеризуется повыиение* качества продукции на всех этапах ее переработки, например, семенного материала. Доброкачественность сыпучих пищевых продуктов в конечном счете определяется однородность!! массы и, в значительной степени, цветом и размерами отдельных частиц. От приборов контроля и сортировки, их функциональных возможностей которых во многом зависит качество сельхозпродукции. Одним из видов подобиях приборов являются фотоэлектронные сепараторы.
Фотоэлектронное сепарирование сыпучих продуктов по цвету применяется при производстве сельхозпродукции около полувека. Оно заклвчается в обнаружении частиц, отличащихся по цвету от эталона, и поитучном их извлечении. К настоящему времени в конструкциях фотоэлектронных сепараторов использувтся новейвие достижения электроники, микропроцессорной техники, область применения их распространилась практически на все сыпучие продовольственные продукты, вклшчая замороаенные ягоды, овощи, фрукты, но принцип действия остался прежним: сепарируемый продукт подается понтучно в зону контроля, где происходит сравнение его цвета с эталоном.
В мировой практике применение и производство фотоэлектронных сепараторов растет. Расширяется и перечень фирм, выпускающих это оборудование. Например, в 1995 г планируется начало серийного внпуска первого отечественного сепаратора СРФ-5. При практической реализации разработчики разных фирм использунт различные технические ренения, имещие свои преимущества и недостатки.
Несмотря на растущее применение фотоэлектронных сепараторов при контроле и сортировке готовой продукции, область их применения нельзя не считать ограниченной, что во многом связано с недостаточными возмоїностями используемых первичных измерительных преобразователей.
При работе с зерновыми культурами задачи сортировки продукции по форме и размера» традиционно встаит на всех этапах зер-нообработки, однако традиционно реиавтса другими средствами, что не позволяет радикально повысить качество сортируемой продукции.
В результате низкое качество семенного материала обуславливает низкуш эффективность сельскохозяйственного производства, и наоборот, при низкой уровне сельскохозяйственного производства вопрос о качестве продукции теряет актуальность.
Применяемые в настоящее время в фотоэлектронных сепараторах первичные измерительные преобразователи не соответствуит общему уровни развития техники. Разделение продукции только по одному критерию - в данной случае цвету - не является достаточно надежным. Например, при сортировке риса в готовуи продукции попадает все дробленое зерно, подходящее по цвету, что снижает общее качество сортировки. Опять-таки следствием однокритериальной сортировки является то, что в отходы попадает и большое количество кондиционных зерен (пропорция в лучшем случае 1:1).
Если вести сортировку дополнительно и по другим критериям, например, контролировать размер и форму исследуемого зерна, то качество сортировки можно в значительной степени повысить. Для решения этой задачи необходимо использовать в первичных измерительных преобразователях существенно инув злементнув базу - ино-гоэленентнне фотоприемники, требуются существенно иные алгоритмы обработки первичной информации с фотоприемника, поскольку резко возрасташт сбьены входной информации, при многокритериальной обработке встает задача распознавания и классификации исследуемых обьектов.
Аналогичные задачи возникаит не только при сортировке продовольственных продуктов и не только при сортировке, но и в других областях науки и техники - классификация и подсчет лейкоцитов в крови, задачи робототехники, задачи выделения цели и определения ее параметров, и т.д., но критерии качества таких приборов существенно иные. В связи с этим первичные измерительные преобразователи фотоэлектронных сепараторов должны учитывать специфику контролируемой продукции С например, кондиционное зерно может иметь значительнуи вариацию размеров, формы или массы). Особое внимание должно уделяться быстродействию системы принятия реиений, от которого напрямув зависит эффективность сепаратора. Однако для Фотоэлектронных сепараторов все эти вопросы-практически не проработаны.
Цель работы.
Настоящая работа посвящена разработке первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов, методов теоретической и экспериментальной оценки их количественных и качественных характеристик, а такае разработке и внедрению на основе проведенных исследований действующих макетов и стендов, решавших задача сортировки зерновой продукции.
Для достижения поставленной цеди решались следующие основные задачи:
провести исследование основных параметров обьектов, подле-яащих сортировке, выполнить классификацию обьектов на основании их количественных параметров;
выбрать методы определения основных параметров контролируемых обьектов и реализущие их первичные измерительные преобразователи, пригодные для работы в фотоэлектронном сепараторе;
разработать модели сигналов в фотоэлектронном сепараторе и последовательность их преобразования в параметры контролируемого объекта;
разработать алгоритм, пригодный для быстрого определения параметров контролируемого обьекта и его классификации для после-дущего принятия решения;
разработать и создать действуищие образцы фотоэлектронных сепараторов, провести оценка их количественных и качественных характеристик в зависимости от используемого типа первичного измерительного преобразователя;
определить основные пути совершенствования сепараторов, разработать конкретные схемотехнические и алгоритмические реие-ния, направленные на улучиение технико-экономических показателей сепараторов.
Научная новизна работы
Реиенне поставленных задач определило научнуи новизну данной диссертационной работы, которя закличается в следуящен:
1. Выполнена классификация сепараторов и показано, что наи- более полно функциональные возможности и ряд других характеристик сепараторов отраяает классификация, в основу которой положены типы первичных измерительных преобразователей, информация с
которнх позволяет производить сортировку продукции.
-
Разработана модель сигнала кногпзясксктного матричного фотоприемника, позволяющая провести расчет потенциальной точности опрепелешя геометрических параметров для избранного типа первичного измерительного преобразователя.
-
Разработаны метода и алгоритмы быстрого определения геометрических параметров (размеры, Форма, ориентация) объекта кз основи выходного сигнала мшгозлемєнткого фотопрнааника,
-
Разработана методы .классификации объектов, подлежащих сортировке, на основе автоматического "формирования кластеров в пространстве признаков объектов.
-
Теоретически рассмотрен и практически реализован многокритериальный подход к разделению зернаеых на фракции, когда дли классификации контролируемых обьеіпоа йспользугтез несколько па рамєтров обьекта.
Практическая ценность работы.
і. Разработанное в диссертации методи ппрепеления форми, полонення, ориентации обьектоо с помокьк, нногазлекектных матричних Фотогіриймнийоз йог у і бать использовани в аналогичных задачах, не связанных с сепарированием зєрнопрпдиктоп - например, в мавинпе-троекйк к робототехника
2. Разработанные в диссертации метод» оценки погрешности первичная измерительных преобразователей, нрмненйекшХ для контроля размерен, формы и ориентации (произвольной) объектов, пригодна дли любого типа многоэлсиеитного матричного фотопркемпика,
'. Реализованное конструкций фотоэлектронных сепараторов обладает широкими функциональными возможностями пик сортировке различных видов зерновой продукции, что позволяет использовать ИХ Р задачах зерноводства. семеноводства, селекции растений, а также при сортировке зерновой продукции для потребительских целей. Методы исследования, примененные в работе.
При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследований, которые могли способствовать рекенив поставленных задач. На всех основных этапах работы преходилось сопоставление с экспериментальными данннни результатов, полученных либо теоретический пцтем, либо математическим ко-
дедированиеи.
При исследовании спектральных.характеристик основных зерновых культур (для кондиционных и некондиционных зерен) применялись методы спектроскопии - анализ спектров отражения выполнялся на спектрометре "Спекорд". Основные геометрические параметры зерг на определялись для партий из 1000 нтцк с последушцей статистической обработкой.
Электрический сигнал с выхода ыногозлементных фото'приемни-ков обрабатывался с помощью 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя и вводился в ЭВМ для последувщей обработки. Поскольку при описании вумов многозлементных фогоприемников не всегда выполняются статистические закономерности (например, при увеличении числа внборок среднее значение не стремится к какой-либо константе), обработка сигнала и оценка погрешностей измерения велись в модели Е-слоев.
При отработке методов автоматического формирования кластеров признаков обьектов и задач распознавания проводилась статистическая обработка партий зерна, делалось приближенное формирование кластеров на основе корреляции признаков.
Основнве модели сигналов и алгоритмы их обработки приведены ниже при-рассмотрении содержания работы.
Реализация результатов работы.
Общий обьем связанных с темой диссертации хоздоговорных работ, в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя, составил 1.5 млн.руб (в ценах 1991г).
Разработанные и изготовленные с участием автора фотоэлектронные сепараторы были внедрены в ШІК "Зернышко" (г.Барнаул).
"Предлоіеннне в диссертаций принципы разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов, методы расчета их метрологических характеристик, а также реализующие их программные средства используются в учебном процессе Алтайского Государственного Технического Нниверситета им.й.И.Пол-зунова в курсе "Информационные измерительные системы".
Апробация работы.
Основнке положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры
"Информационные технологии" нлтГТУ, а также на следупщих всесоюзных и международных конференциях и совещаниях:
Бсесошзное совещание 'Координатно-чувствительные фотоприеиники и оптикоэлектронные устройства на их основе'. Барнаул, 1981.
Всесоизнаа конференция 'Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов'. Барнаул, 1982.
Бсесоизное совещание 'Координатно-чувствительные фотоприемники и оптикозлектронные устройства на их основе', Барнаул, 1989.
Международная конференция 'Датчики электрических и неэлектрических величин'. Барнаул, 1993.
Иегдународная конференция 'Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов', Барнаул,1994.
Публикации.
По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 10 печатных работ.
На защитд выносятся следующие половения диссертации:
-
Математическая модель оптического сигнала фотоэлектронных сепараторов, предназначенных для сортировки зерновых культур
-
Модель выходного сигнала многоэлементного матричного фотоприемника, позволявшая априорно получить реалистическун оценку точностных характеристик первичного измерительного преобразователя для фотоэлектронного сепаратора. Данная оценка может быть получена с помощьв модели Е-слоя, в которую дополнительно введена погрешность расположения отдельных элементов - Z-неопределенность.
-
Быстродействующие алгоритмы обработки информации многоэлементных фотоприемников, позволяющие вести многокритериальную классификации контролируемого зерна.
-
Практические разработки первичных измерительных преобразователей и фотоэлектронных сепараторов на их основе.
"Структура и обьем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заклшчения, списка литературы и прнлозения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 132 наименований.
