Компьютерный сепаратор для очистки зерна

Послеуборочная очистка и сортировка зерна являются важными операциями в производстве зерна, которые, в конечном итоге, влияют на его окончательную себестоимость. Имеющаяся в сельскохозяйственном производстве зерноочистительная техника морально устарела и назрела необходимость разработки принципиально нового оборудования, основанного на новых технологиях. Предложенный нами компьютерный сепаратор (рис.1) для очистки зерна предназначен для очистки и сортировки зерновых культур, таких, как пшеница, овес, ячмень и рожь, а также может быть использован для очистки других зернобобовых и масличных культур. Данный компьютерный сепаратор может быть использован на семенных станциях, где требуется небольшая производительность.

Компьютерный сепаратор способен в реальном режиме времени определять геометрические параметры каждого зерна, цвет и наличие дефектов в зерне. При определении геометрических параметров зерна определяются длина, ширина, толщина и форма контура зерна. Для анализа формы поверхности зерна в системе заложена возможность восстановления видимой части поверхности зерна и на основании полученных данных удалять зерна, которые не соответствуют предъявляемым критериям. Удаление зерна производится с помощью вакуумного отсоса в специальную емкость. Также сепаратор позволяет подсчитать количество зерен, средние геометрические размеры зерен и вести статистическую обработку данных.

Компьютерный сепаратор можно разделить на две составляющие части: одна из них аппаратная, а другая программное обеспечение.

В аппаратную часть входят ленточный транспортер с приводом, система сортировки зерна, система технического зрения (СТЗ), система подачи и приема зерна и компьютер. Ленточный транспортер с приводом позволяет перемещать зерна по транспортерной ленте с разной скоростью в зависимости от количества зерна, находящегося на нем. Изменение скорости перемещения ленты обусловлено быстродействием системы сортировки зерна и СТЗ. Транспортерная лента должна быть черного цвета, что позволит легко выделить на цифровом изображении зерна, т.е. произвести сегментацию.

Рис.1. Компьютерный сепаратор

Рис.2. Система сортировки зерна

Система сортировки зерна (рис. 2) состоит из рамы сортировочного узла с двумя направляющими, по которой перпендикулярно транспортерной ленте перемещается каретка с всасывающей головкой. Для перемещения каретки и точного позиционирования всасывающей головкой применяется шаговый двигатель с блоком управления. Всасывающая головка системы сортировки связана через гибкий шланг с вакуумным электроклапаном, который срабатывает, когда необходимо удалить из транспортерной ленты посторонние примеси или зерна, не удовлетворяющие предъявляемым требованиям, в специальный накопитель. Система технического зрения предназначена для получения оцифрованного видеопотока. Из видеопотока выделяются отдельные цифровые изображения, по которым определяются геометрические параметры каждого зерна (длина, ширина, толщина и форма контура зерна), цвет и наличие дефектов в зерне. В систему технического зрения входят две видеокамеры, лампа для освещения сцены на транспортерной ленте и плата оцифровки в случае применения аналоговой видеокамеры. Современные цифровые камеры позволяют передавать видеосигнал на прямую без платы оцифровки через стандартный интерфейс компьютера IEEE1394 (FireWire, i-Link) или USB2. Из двух видеокамер первая устанавливается над транспортерной лентой так, чтобы оптическая ось объектива видеокамеры располагалась, перпендикулярно плоско- сти транспортерной ленты, с помощью этой камеры определяются длина, ширина и форма контура каждого зерна. Вторая видеокамера устанавливается под углом к плоскости транспортерной ленты для определения толщины зерна. Система подачи подает зерно из бункера на транспортерную ленту. При этом подача должна производиться таким образом, чтобы зерна на транспортерной ленте размещались в один слой, это связано с тем, что при выделении границ зерна на цифровом изображении не должно быть наложения одного зерна на другое, так как это может привести к неправильному определению геометрических характеристик зерна. Отсортированное зерно по транспортерной ленте попадает в приемный бункер.

Программное обеспечение состоит из следующих разделов: модуль захвата цифровых изображений из видеопотока, калибровка системы технического зрения, предварительная обработка, определение порога бинаризации и бинаризация, сегментация и определение границ зерен, определение геометрических параметров зерен, определение цвета зерна и наличия дефектов зерна, управление системой сортировки зерна – удаление дефектных зерен и примесей, определение количества зерен и средних значений геометрических размеров зерен, и статистическая обработка данных.

Изображение зерен на транспортерной ленте в оцифрованном виде передается с видеокамер на компьютер через интерфейс компьютера FireWire (IEEE1394). Из полученного видеопотока выделяются отдельные цифровые изображения, по которым производится обработка. Для точного определения геометрических параметров зерна необходимо произвести калибровку системы технического зрения. При калибровке необходимо решить две задачи: определение внутренних и внешних параметров видеокамеры. Определение внешних параметров камеры сводится к определению положения камеры в системе координат предметного пространства и углов поворота камеры в этой системе. При установлении внутренних параметров видеокамеры решаются следующие задачи: определение точки пересечения оптической оси с плоскостью изображения, определение расстояния от оптического центра объектива до плоскости изображения, определение коэффициентов перевода между единицами измерения на плоскости изображения и в предметном пространстве, а также решение задачи уменьшения искажений, внесенных оптической системой камеры. Предварительная обработка полученных цифровых изображений необходима для решения таких задач, как понижение шума, подавление импульсных помех, повышение резкости изображений, улучшение изображения отдельных деталей. Существует два основных подхода к предварительной обработке изображений. Первый подход основан на методах пространственной области, а второй на методах частотной области с использованием преобразования Фурье. Вместе эти подходы охватывают большинство из существующих алгоритмов предварительной обработки изображений. В нашей системе для предварительной обработки был применен метод пространственной области с использованием масок свертки с низкочастотным фильтром для уменьшения аппаратной погрешности при квантовании по уровню и дискретизации цифрового изображения. После предварительной обработки цифровых изображений необходимо определить порок бинаризации и произвести бинаризацию изображения. Следующим этапом является решение задачи сегментации цифрового изображения, т.е. определения границ зерен и выделения отдельных зерен на изображении. Для этого был применен метод сигнатуры, которой хорошо работает для выпуклых объектов, которым и является зерно. В результате решения задачи сегментация определены геометрические параметры каждого зерна: длина, ширина, толщина и геометрическая форма каждого зерна, а также цвет зерна. В случае нахождения дефектных зерен или посторонних включений программа управления системой сортировки зерна удалит эти дефектные зерна и примеси. По полученным данным производится статистическая обработка данных - определение средних, максимальных и минимальных значений.

Рис.3. Устройство компьютерного сепаратора

Принцип работы компьютерного сепаратора заключается в следующем: зерна из бункера 1 (рис.3) через дозатор 2 подаются на ленточный транспортер 3. По мере движения зерен по транспортерной ленте системы технического зрения 4 фотографирует эти зерна. Программное обеспечение обрабатывает полученные цифровые изображения. В результате обработки будут определены зерна, имеющие дефект, и зерна, не удовлетворяющие предъявляемым требованиям, или посторонние включения, а также местоположение этих зерен на транспортерной ленте. По мере подхода данных зерен к системе сортировки 5 программа управления сепаратором дает команды на шаговый двигатель для перемещения каретки 6 с системой вакуумного отсоса 7 к тому месту, куда движется дефектное зерно, и как только оно окажется под ним, программа включает электроклапан 8 системы вакуумного отсоса, в результате этого данное зерно окажется в накопителе отсортированных зерен 9. Остальные зерна по транспортерной ленте подаются в накопитель 10.

Таким образом, компьютерный сепаратор позволяет:

• -    провести анализ частиц зернового материала по ширине, толщине, длине и цвету;

• -    построить вариационные кривые исходного зернового материала;

• -    определить, какие примеси присутствуют в исходном материале;

• -    очистить зерновой материал от различных примесей, отличающихся шириной, толщиной, длиной и цвету.