Разработка фотосепарационной системы с использованием технического зрения для очистки зерна от трудноотделимой примеси

В последние годы в Республике Бурятия наблюдается значительное увеличение засоренности посевов пшеницы трудноотделимым сорняком – татарской гречишкой. Проблема усугубляется высокой плодовитостью сорняка (до 1500 семян с одного растения) и многолетней всхожестью его семян. Засоренность посевов татарской гречишкой приводит к прямым экономическим потерям: например, при плотности произрастания 30 растений сорняка на квадратный метр урожайность пшеницы снижается на 22 %. Вариационные кривые по длине, ширине, толщине частиц и скорости витания этих культур значительно перекрываются, что делает невозможным их эффективное разделение на стандартном оборудовании (решетные сепараторы, пневмосепараторы, триера, пневмосортировальные столы). Поэтому разработка рабочего органа для очистки зерна от трудноотделимой примеси (татарской гречихи) – актуально.

В настоящее время для решения данной проблемы исследователи создают новые рабочие органы для очистки зерна от трудноотделимой примеси (татарской гречихи). Так, предлагают вначале выделить из исходного зерна на решете с продолговатыми отверстиями шириной 3,0–3,25 мм как крупные примеси татарскую гречиху с основным зерном. А затем эту фракцию пропустить через триерный цилиндр, где из него ячейками диаметром 4,5 мм выделить данный сорняк как короткую примесь [1]. Используя различие семян пшеницы и татарской гречихи по форме и коэффициенту трения, создают ленточные фрикционные сепараторы [2]. Для финальной очистки зерна применяют пневмосортировальные столы, удаляющее трудноотделимые примеси, схожие по размеру, но отличающиеся по удельному весу (плотности). Они работают за счет комбинации вибрации деки и воздушного потока, разделяя материал на фракции [3]. Однако, как показывают исследования, все разработанные устройства практически полностью очистить зерна от татарской гречихи не могут. Одним из перспективных органов для очистки зерна от татарской гречихи является фотосепаратор, который отделяет частицы зернового материала по цвету и по совокупности размеров [4–14]. Но нет практических данных очистки зерна от татарской гречихи на фотосепараторах.

Цель исследования – разработка фотосепарационной система для очистки зерна от трудноотделимой примеси (татарской гречихи).

Материалы и методы исследования

Во ВСГУТУ разработана фотосепарационная система, которая, используя техническое зрение, очищает зерно (пшеницу) от татарской гречихи [15] (рис. 1). Фотосепарационная система отличается от всех существующих тем, что в наклонном лотке установлены направляющие для ориентации частиц зерна и примесей длинной осью вдоль направления движения, позволяющие увеличить скорость распознавания частиц зернового материала.

Рисунок 1 – Общий вид фотосепарационной системы

Вначале создали базу данных частиц пшеницы и татарской гречихи, используя промышленную видеокамеру CMOS (1.3 Мп, 1/2.7»), которая способна захватывать до 255 кадров в секунду.

Затем разработали программный модуль [16], который позволяет распознавать частицы зернового материала, которые двигаются сплошным потоком по наклонному лотку. Разработанный программный модуль реализован на языке Python с использованием библиотек OpenCV для захвата кадров, Язык PyTorch использован для инференса нейронной сети и Tkinter для графического интерфейса. Для обеспечения неблокирующей обработки видеопотока применена асинхронная многопоточная архитектура, в которой выделены четыре независимых потока.

Первый из них – поток захвата кадров – непрерывно читает изображения с камеры через OpenCV. Для минимизации задержки буфер камеры принудительно установлен в минимальное значение (CV_CAP_PROP_BUFFERSIZE = 1), что гарантирует обработку самого свежего кадра и исключает накопление очереди. Второй поток – инференса – извлекает кадры из потокобезопасной очереди и выполняет детекцию нейросетью, после чего вызывает обновление трекера. Третий поток отвечает за связь с Arduino: он слушает очередь команд, формируемую потоком инференса, и передает их по UART с использованием бинарного протокола. Такое разделение позволяет разгрузить основную вычислительную ветвь от операций ввода-вывода. Наконец, главный поток интерфейса отвечает за отрисовку видеопотока, обработку событий мыши и клавиатуры и обновление панелей управления.

Для обеспечения неблокирующей обработки видеопотока применена асинхронная многопоточная архитектура (рис. 2).

Рисунок 2 – Архитектура программного комплекса: взаимодействие потоков, очередей и устройств

Алгоритм принятия решения о выдуве для каждого кадра представлен на рисунке 3.

Разработали блок отбраковки (рис. 4), который состоит из воздушного компрессора, микроконтроллера, реле, соленоидного клапана и форсунки. При подходе частицы татарской гречихи в зону детекции на наклонном лотке программа, распознав частицы татарской гречихи, подает команду на микроконтроллер, затем на реле, а после – на соленоидный клапан. Он открывается, и форсунка выдувает татарскую гречиху в секцию отходов.

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма принятия решения об отбраковке в потоке инференса

Рисунок 4 – Блок отбраковки в сборе

Результаты исследования и их обсуждение

Фотосепарационная система с использованием технического зрения позволила решить проблему очистки семян зерновых от трудноотделимой примеси (татарской гречихи) и имела высокую среднюю точность и скорость обработки.

Проведенные экспериментальные исследования показали его эффективность на очистке зерна (пшеницы) от татарской гречихи и составила 99,3–99,7 %, при удельной подаче зернового материала – 0,3 кг/с, при ширине лотка 0,4 м.

Программный модуль не только обнаруживал татарскую гречиху, но и отслеживал частицы татарской гречихи и подавал команду на удаление при подходе в зону детекции (рис. 5).

Рисунок 5 – Слайд распознавания частиц зернового материала при движении их по наклонному лотку

Заключение

Фотосепарационная система с использованием технического зрения отличается от всех существующих тем, что направляющие наклонного лотка выполнены в виде прямоугольных пластинок с зубьями, установленными в пазах лотка и образующие продольные каналы и управляющий компьютер оснащен программным обеспечением, включающим сверточную нейронную сеть, обученную на датасете, содержащим изображения семян основной культуры и семян трудноотделимых примесей. При подходе зернового потока в зону детекции, система распознает частицы трудноотделимой примеси и дает команду на микроконтроллер, далее на реле и соленоидный клапан открывается и воздушный поток через форсунку выдувает татарскую гречиху в отсек отходов. Использование фотосепарационной системы в Республике Бурятия позволит решить проблему очистки зерна от трудноотделимой примеси – татарской гречихи, повысить урожайность и качество зерновых культур, повысить доходы сельхозпроизводителей, что имеет важное народнохозяйственное значение.