автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Оптико-электронный контроль качества яблок

ОД

Московский ордена Трудового Красного Замена институт шсенеров сельскохозяйственного производства им.В.П.Горячкинй

на правах рукописи ЕОДГОВСШ Ольга Николаевна

УДК 631.362.36:634.11

ОПГЛКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЯБЛОК

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

05.13.07 - автоматизация технологически* процессов (по отрасли - сельскохозяйственной производство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кшшидзта технических наук

Ыосква - 1993

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте садоводства им. И.В.Мичурина и на кафедре автоматизации сельскохозяйственного производства Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства им. В.П.Горячкина.

Научный руководитель - академик РАСХН, доктор технических наук,

профессор БОРОДИН И.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

ЛЯМЦОВ А.К.

кандидат технических наук, профессор КИРИЛИН Н.И.

Ведущая организация - Всероссийский селекционно-технологический

институт садоводства и питомниководства (Москва, Загорье)

У / f о

Защита состоится * /ч _1993 г. в / > час, на

заседании Специализированного совета К 120.12.02 при Московском

ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров

сельскохозяйственного производства им. В.П.Горячкина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " Áf " ^993 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 127550, Москва, И-550, ул. Тимирязевская 58, МИИСП, Ученый Совет.

Ученый секретапь Специализированного совета N 2, кандидат технических наук, профессор

А.П.Фоменкоь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Продовольственной программой предусматривалось к 1990 г. довести потребление плодов и ягод до 115 кг на душу населения. Однако, и в настоящее время этот показатель не превысил 56 кг из-за огромных потерь и снижения качества сельскохозяйственной продукции, уносящих до 30-40« урожая.

В процессе уборки и транспортировки плодам наносится большое количество механических повреждений, сопровождающихся нарушением целостности покровной ткани, что резко ослабляет их устойчивость к болезням и приводит к значительным потерям даже при кратковременном хранении.

Эффективной мерой повышения качества яблок и обеспечения их сохранности является обнаружение поврежденных плодов и исключение ручных операций при их отбраковке в потоке.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен большой опыт по исследованию оптических свойств сельскохозяйственной продукции; разработаны технические средства, способные обнаруживать ушибы и гнили на поверхности яблок, а также разделять поток плодов на несколько товарных групп в зависимости от калибра плода и площади поражения. Однако, существующие методы и устройства, основанные исключительно на анализе коэффициента отражения света различных длин волн, не обеспечивают распознавание дефектов, сопровождающихся разрывом покровных тканей, неспособны определить степень этого нарушения, выделить свежие механические повреждения и вследствие этого имеют недостаточную точность сортирования.

При хранении и перевозках значительную долю потерь составляют плоды с дефектами покровной ткани. Поэтому разработка метода и устройства для разделения яблок по признаку "степень целостности кожицы" является актуальной задачей.

Настоящая работа выполнена в соответствии с отраслевым тематическим планом 0СХ-60 комплексной программы 03.03.06, планом НИР и ОКР межведомственной программы "Плоды и ягоды" на 1986-1990 гг. по постановлению ГКНТ от 28.10.86 N466. Создание линии товарной обработки с автоматической сортировкой предусмотрено системой машин на 1986-1995 гг., П.Р71.89.

Цель работы. Теоретическая разработка, исследование и техническая реализация высокоэффективного способа сортирования яблок по качеству.

-г -

Задачи исследований.

1. Выбор и обоснование метода анализа степени целостности покровной ткани яблок.

2. Разработка методики и проведение экспериментальных исследований по изучению ашлитудно-фазовых характеристик когерентного оптического потока, рассеянного поверхностью плодов различного качества.

3. Выбор и анализ информативных признаков, разработка алгоритмов распознавания дефектов и товарного качества плодов.

4. Разработка, исследование и испытание оптико-электронного блока анализа качества яблок и его технико-экономическая оценка.

Методика исследований. В работе использованы методы теории светорассеяния, когерентной оптики, физического и математического моделирования, распознавания образов, теоретических основ электротехники и электроники, теории вероятности и математической статистики. Расчеты проводились с помощью ЗВМ.

Научная новизна. Обоснована необходимость и перспективность контроля целостности покровной ткани яблок. Установлена связь изменения пространственной когерентности рассеянного оптического потока с нарушением микроструктуры поверхности плода в зоне дефекта. Предложен и теоретически обоснован новый метод оптического анализа качества поверхности плодов, базирующийся на измерении ашлитудно-фазовых характеристик отраженного излучения. Разработана модель взаимодействия оптического потока с плодом; обоснована оптическая схема измерения статистики рассеянного поверхностью плода когерентного потока на базе поляризационного интерферометра. Разработана методика, лабораторное оборудование и впервые исследованы амплитудно-фазовые характеристики отражения здоровых и дефектных плодов. Выявлены факторы, влияющие на результаты измерений, обоснованы критерии контроля качества яблок. Предложен новый способ лазерной обработки плодов (совместимый с процессом контроля) перед закладкой на хранение. Разработан алгоритм классификации дефектов, обоснована структура и параметры оптико-электронного удтройства контроля качества яблок.

Новизна разработанных способов, технологических и конструкторских решений защищена 5 авторскими свидетельствами.

Практическая ценность заключается в разработке новср.1 высоко-чувствительного оптического способа и устройства контроля качества поверхности яблок, позволявшего обнаруживать целый класс значимых дефектов покровной ткани, неподдапзихся анализу традиционными методами. Разработанное устройство распознает и классифицирует степень нарушения целостности кожицы, степень окисления ткани, определяет площадь поражения и размер плода. Предложенный способ может быть с успехом использован для оценки состояния поверхности других сельскохозяйственных продуктов (томаты, груша, вишня, слива, картофель и т.п.) и построения автоматизированных многопараметрических систем оценки их качества.

Реализация результатов исследований. Материалы НИР переданы в конструкторский отдал Инженерного Центра "Садпитомкиюдаш" (г.Мичуринск) для изготовления конструкторской документации и последующего освоения производства автоматической машины сортирования яблок по качеству в соответствии с программами ГКНТ СССР на 1985-1990 гг..планами Министерства науки и РАСХН на 1992-1995 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МИИСП им. В.П.Го-рячкина (Москва, 1984 г., 1987 г.); на секции механизации Всесоюзной конференции молодых ученых "Проблемы повышения эффективности садоводства" (Мичуринск, 1982 г.); на Всесоюзной научно-практической конференции "Комплексная механизация возделывания плодовых, ягодных культур и винограда" (Краснодар, 1984 г.); областной конференции молодых ученых "Наука-сельскому хозяйству" (Мичуринск, 1985 г.); на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Проблемные вопросы автоматизации производства" (Воронеж, 1987 г.); на третьей и четвертой областных конференциях молодых ученых "Проблемы интенсификации садоводства" (Мичуринск, 1989 г., 1990 г.); на методических и научно-технических советах ВШИ садоводства им.И.В.Мичурина (Мичуринск, 1985-1993 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ и получено 5 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Она содержит 163 страницы основного текста, 57 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 225 наименований и 18 приложений.

- А -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложено состояние вопроса, цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе подчеркнута важность сортирования яблок по качеству, как меры предупреждающей потери и сохраняющей качественный потенциал урожая, рассмотрены основные требования к качеству стандартных плодов, предназначенных для хранения,, реализации или переработки. Выделена группа дефектов (сдир, прокол, гниль, сильный ушиб), значимо влияющих на потребительскую ценность яблок, определены задачи многопараметрического сортирования яблок по качеству в соответствии с требованиями ГОСТов.

Анализ известных методов и средств определения качества выявил, что к наиболее перспективным и технологичным для обнаружения повревдений относятся способы, основанные на измерении отраженного от объекта оптического излучения. Показано, что существующие методы и средства контроля плодоовощной продукции, базирующиеся исключительно на спектрометрической оценке коэффициента отражения, в соответствии со своим физическим принципом анализа не могут обеспечить ■обнаружение дефектов, не сопровождающихся изменением химического состава мякоти или кожицы плода.

Эффективная работа сортирующих устройств возможна только при наличии полной и достоверной информации о качестве плодов. В связи с этим сформулированы цель и задачи исследований, направленных на-разработку и исследование оптического метода анализа состояния целостности покровной ткани яблок и устройства на его основе.

Во второй главе рассмотрены особенности микроструктуры здоровой и дефектной поверхности яблок, дано теоретическое и экспериментальное обоснование выбора метода анализа механических-повреждений кожицы и устройства для его реализации. Приведено описание методики, лабораторного оборудования и результатов исследований пространственной корреляционной функции когерентного оптического потока, рассеянного поверхностью плодов различного качества.

Исследование микроструктуры плодов яблони показало, что пространственная однородность их поверхности в зоне дефекта наруиаэтся - из сплошной и ровней она превращается в образование со

случайным распределением элементов. Высота неоднородностей пр| механических поврекдениях кожицы превышает 20 ккм. Изменение структуры поверхности в зона дефекта приводит к изменен® пространственной когерентности отраженного потока. Теоретически обоснован оптический метод анализа механических повревдекй! яблок, базирующийся на измерении пространственной корреляционной функции (ПКФ) рассеянного плодом излучения.

Величина корреляционной функции в общем виде представляет соотношение когерентной и некогерентной составляющих оптического потока. Рассеянный плодом световой поток состоит из двух составляющих - отраженной на границе раздела "воздух - покровная ткань" (Еро) и рассеянной внутренним тканями плода (Ерв). Очевидно, что после многократного взаимодействия с дисперсной средой мякоти яблока вторая составляющая оптического потока - Ерв имеет стохастический характер и пространственная когерентность этой части отраженного излучения будет близка к нулю.

Для оценки пространственной когерентности составляющей отражения Еро на базе методов статистической оптики была разработана физическая модель рассеяния плодом когерентного оптического потока, в которой исследуемая поверхность представлена в виде случайного фазового экрана, состоящего из столбиков вещества произвольной шмотн 111 и ширины ш (рис.1).

г

Рис.1. Представление поверхности плода в виде случайного фазового экрана.

<и-ширина, 1н-висота столбика; 2а»-диаметр зондирующего пучка;

¿ао-дпамотр аииАируг-^двх и щнпа,

пунктирная линия - фазоЕый фронт рассеянного потока.

Нарушение пространственной упорядоченности фазового фронта световой волны при рассеянии от неровной поверхности вызвано неодинаковым "набегом "фаз" при отражении от разных точек поверхности из-за различия в высоте неровностей. Следовательно, пространственная когерентность светового пучка будет связана со статистикой распределения неоднородностей экрана:

7<S,z) = < А'(М Z. > , Г d(p f (i)

{< I A(?,Z) I XlA(^á,Z)l2>)1/2 j

—to

где: 7(s,z) - нормированная пространственная корреляционная функция поля (ПК®); A(?,z)= pQ(í,z)exp{i?)> - комплексная амплитуда электрического поля Е(г) = Xa»i(?)expU(üt - kz)) рассеянной волны (направление оси Z совпадает с направлением распространения пучка); ? - координата в поперечном сечении пучка; к - волновое число: л = 2я/Х ; х - длина волны; и - частота световой волны; |3| = Г1-Г2 - расстояние мевду измеряемыми точками отраженного поля; ff(t,i,2) = p(?+3,z) - <f(t,z) - разность фаз, обусловленная разностью хода лучей на различных участках поперечного сечения фазового экрана; u(t¡j) - функция распределения разности фаз.

Для физической модели рассеяния на фазовом экране с одинаковой шириной ступенек (ai « const) при отсутствии статистической связи мевду Высотой и шириной ступенек формула I принимает вид:

lr(á)| = t(1-Kr)a+ Ki3] 1 / а , (2)

♦СО +С0

Кг = 1 - I costón Ü(h) dh ; Ki = | glnAhi u(h) dh ,

гдэ: hi - высота соответствующей ступеньки относительно средней высоты профиля экрана; u(h) - функция распределения высоты ступенек по поверхности фазового экрана.

•Решение уравнения 2 для одномерного случая в предположении нормального распределения высоты неровностей a(h) по поверхности плода в зона дефекта позволяет дать количественную оценку пространственней когерентности поля, рассеянного поверхностью яблок различного качества. Теоретический анализ показал, что независимо от конкретного вида распределения неоднородностей поверхности плода, при

взаимодействии с дефектной зоной, произойдет резкое (не менее, чем трехкратное) падение степени когерентности рассеянного потока, при этом величина ПК® поля, рассеянного плодом с неповрежденной покровной тканью может составить 0.4 - 0.8. Расчетным путем определено оптимальное значение смещения волнового фронта ( |â|apt * 75 мнм ), позволяющее обеспечить максимальную чувствительность обнаружения дефектов с нарушением целостности кожицы.

Для реализации измерений степени когерентности отраженного от поверхности плода потока было обосновано применение поляризационного интерферометра, отличающегося высокой светосилой, минимальной стоимостью, высокой помехо - и виброустойчивостью. Поляризационный интерферометр формирует стационарную интерференционную картину, контраст которой (V) при соблюдении условия равенства пнтенсивностей интерферирующих лучей равен модулю корреляционной функции отражения :

7 = 4"» : = 17(3)1 , (3)

Umax + umln '

где: J.a,r Jnin - максимальное и минимальное значения интенсивности интерференционной картины.

Вышеописанный метод анализа качества плодов и устройство для его осуществления признаны изобретением (положительное решение на заявку N 4907043/13(010013), приоритет ОТ 31.01.91 Г.).

Экспериментальные исследования пространственной корреляционной Функции рассеянного плодами излучения предусматривали проведение рекогносцировочных опытов, отсеивающего и полнофакторного экспериментов, а также статистическую обработку их результатов на ЗБМ.

Опыты проводились на оптическом стенде, содержащем гелий-неоновый лазер на юстируемой подвеске, поляризационный интерферометр, фотоприемный модуль с щелевой диафрагмой и объектный столик (рис.2).

Рекогносцировочные измерения степени пространственной когерентности света, отраженного от здоровой поверхности, сдира и прокола, показали высокую чувствительность и перспективность использования выбранной оптической характеристик;! для анализа механического состояния покровной ткани: ¡у| при взаимодействии СЕета с дефектной поверхностью плода падает в четыре и более раз (табл.1). Целью стсегаащего эксперимента являлась грубая оценка значимости

Г 1

Рис.2. Оптическая схема измерения корреляционной функции отраженного света: 1- источник когерентного излучения; 2 - объектный столик с плодсм; з - блок нейтральных светофильтров; А - сканирующее вешало; 5 - поляризационный интерферометр; 6 - регулируемая щелевая диафрагма; 7 - фотоприемный модуль.

Таблица 1.

Результаты рекогносцировочных измерений степени пространственной когерентности света, отраженного поверхностью яблок различного качества.

Состояние поверхности Среднее значение ■у. 10а

Неповрежденная поверхность . Сдир Прокол 21.92 £ 1.59 5.26 ± 0.52 2.91 ± 0.39

воздействия на амшмдудно-фазовые характеристики отраженного потока десяти априорно выбранных факторов: окраски плода, размера, степени целостности кожицы, естественной шероховатости поверхности, кривизны поверхности, помологического сорта, степени окисления ткани, зоны поверхности плода, тургора кожицы, времени, прошедшего после нанесения повреждения.

Затем, с учетом только значимых факторов (Х1 - кривизны поверхности, Хз - степени окисления ткани и Хэ - степени целостности кожицы) проведен полнофакторный эксперимент типа 23 и получены уравнения регрессии:

У'7 = 19.91 - 10.12X1 - 11.62X3 + 8.84Х1Хэ

Уат , = 80.62 - 24.61X1 - 25.85Хз + 12.07Х1Хз (3)

= 148.03 - 81.17X1 - 47.57X3 + 32.26X1X2 -- 47.73Хз + 54.99Х1Хз

Графическая интерпретация уравнений для различных уровней факторов позволяет сделать следующие выводы: класс здоровых, неповрежденных яблок отличается максимальными значениями модуля корреляционной функции у и интенсивностей .1™»*. Внутри класса эти параметры имеют тесную корреляционную связь с кривизной поверхности. Класс поврежденных яблок делится на два подкласса: первый, включающий плода с нарушением целостности -кожицы, характеризуется резким падением корреляционной функции с одновременным ослаблением ее связи с кривизной повсфхности; второй подкласс включает яблоки с загниванием ткани и имеет минимальные уровни интенсивности .Хлап, при

сохранении тесной связи с кривизной поверхности (рис.3).

В третьей глава определена структурная схема блока контроля, подробно описаны принцип действия и конструкция поляризационного интерферометра, проведено теоретическое и экспериментальное исследование оптической измерительной схемы, получены аналитические зависимости. связывающие конструктивные параметры схемы с выходными характеристиками интерференционной картины (контрастом, интенсивностью и шириной полос). Обоснованы требования к угловому размеру, спектральной яркости, спектральному диапазону, временной и пространственной когерентности зондирующего потока, соблюдение которых обеспечивает

■

г>

,д мпш штат 1,-1

u |мма|1ша МММС1Ы

0.57

та

-i о м уровни фшом \, (крмвазн* пщ»)

9w6aB-24.6IX,-25.85X,< ♦ t2.0BI,X,

-i о уровни оптом x,

Е ГЗ

0i-.--tta02-8l.l7X.-47.57X, 32Д7ХА-».73>,-5ШХ,Х]

•i 9

Уровни фшом х,

т«| 1

.— ншни шкньХн

¡•1 HZ3 J (щмшшти IsilhWÄTbJ

вши шень x,='i

(нмцти вшмлш»)

Рис.3. Графическая интерпретация результатов полнофакторного эксперимента 2Э.

создание четкой, неподвижной интерференционной картины.

Для построения и оптимизации оптической измерительной схемы в диссертационной работе теоретически и экспериментально исследовалась связь между конструктивными параметрами схемы и выходными характеристиками интерференционной картины. Установлено, что видимое число полос N интерференционной картины определяется выражением:

N = slnao D/X , (4)

где: D - диаметр входной диафрагмы поляризационного интерферометра; X - длина волны; ао - угол наклона между интерферирующими лучами (задается двулучепрелсмляющим элементом поляризационного интерферометра).

При этом период интерференционной картины Т равен:

т = зШГо <1 + *»/*'> • (5)

где: ¿i - расстояние от объекта до интерферометра; ¿а - расстояние от интерферометра до плоскости наблюдения интерференционной картины.

Доказано, что на аппаратное (измеренное) значение контраста полос V существенное влияние оказывает степень раскрытия фотоприемного устройства:

V - Vu-J-sln-^- ' (6>

где: Vu - истинное значение контраста полос; d - ширина раскрытия фотоприемного устройства.

Экспериментальные исследования зависимости ширины и контраста полос от конструктивных параметров схемы подтвердили соответствие характера изменения выходных характеристик интерференционной картины теоретическому представлению (ряс.4 - 6).

Установлено, что максимальная стабильность и чувствительность измерений достигается, когда относительное раскрытие фотоприемного устройства (d/T) не выходит за пределы 0.3 - 0.3. Верхняя граница обусловлена падением аппаратного значения контраста, нижняя влиянием спекл - структуры интерференционной картины. Если ставится специальная задача контроля размера объекта го периоду интерферецион-ной картины, следует обеспечить расстояние от измерительной схемы до исследуемого объекта не менее 50 см. Экспериментально показано, что контраст полос интерференционной картины не зависит от мощности

Т.

7.0 6,0 5.0 Л.0 5.0 2.0 1.0

»мм

25 50 75 100 120 £.см

Рис.4, зависимость периода Т интерференционной картины от конструктивных, параметров оптической схемы. 1 - Т^г); 2 - Т(га).

о.а&з

Рис.5. Зависимость параметров интерференционной картины: - 1; Л-ш - 2; ч - 3 от относительного '-скрытия фотоприемного устройства.

Рис.6. Зависимость параметров интерференционной картины: - 1; Л1п -2; у - 3 от мощности зондирующего излучения.

источника зондирующего излучения Ро, тогда как интенсивности полос связаны с ней линейно (рис.6).

Следовательно, к стабильности источника не предъявляются жесткие требования, характерные для амплитудных измерений, упрощается процесс согласования фотоприемного устройства. Регулируя мощность излучения, мокно устанавливать необходимые для регистрации уровни сигналов, не внося существенных искажений в измеряемое значение корреляционной функции.

В четвертой главе приводится обоснование необходимости изучения влияния лазерного излучения на качество плодов при их последующем хранении. Описана методика, лабораторная установка и результаты исследований. Установлено, что лазерное облучение яблок; как здоровых, так и имеющих механические повреждения кожицы (проколы) в широком диапазоне плотности мощности не вызывает ухудшения сохранности плодов. Найдены режимы, позволяющие получить дополнительный положительный эффект от лазерного облучения в процессе контроля за счет уменьшения потерь в среднем на 5-14« и увеличения

сроков хранения. Лазерная обработка яблок, как способ подготовки плодов к хранению, признана изобретением (а.с.1750487).

Пятая глава посвящена разработке, испытанию и технико-экономической оценке оптико-электронного блока контроля, реализующего амплитудно-фазоЕый способ анализа качества яблок.

Разработан алгоритм распознавания типа и степени значимости дефектов в зависимости от сочетания уровней двух показателей -"степени окисления ткани" и "степени целостности кожицы".

Предлагается логическая модель товарного качества плода и логические функции, связыващие в форме булевых соотношений суммарные сочетания признаков качества и группу применения плода.

Исходя из стратегии минимизации риска неправильного решения по минимаксному критерию оценена надежность распознавания и число возможных поддиапазонов значений признаков "степень окисления" и "степень целостности" ткани, получаемых при анализе интенсивности и контраста полос интерференционной картины. Определено, что при ориентированном положении плода с вероятностью ошибки 0.07 возможно распознавание двух классов степени окисления ткани (здоровая - пораженная) и с вероятностью ошибки 0.005 - двух классов степени повреждения кожицы (неповревденная-поврежденная). При произвольном положении плода, благодаря высокой чувствительности метода анализа, возможно обнаружение дефектов целостности кожицы и окисления ткани с вероятностью ошибки распознавания не более 0.26 даже без применения компенсационных алгоритмов влияния кривизны поверхности.

Таким образом, на базе предлагаемого способа, реализуемого поляризационным интерферометром, возможно создание

автоматизированного устройства, одновременно оценивающего целостность покрошой и биохимическое состояние сочной тканей - двух основных параметров, определяют товарное качество плода.

Установлено что дефекты, независимо от их происхождения, могут быть разделены на 4 категории по степени значимости влияния на качественный потенциал плода: I степень - незначительные дефекты, допустимые во всех категориях применения и товарных сортах, отличаются целостностью и однородностью структуры и химического состава ткани плодов; II - малозначительные дефекты, допустимые во всех категориях применения с различением товарности в зависимости от

площади поражения, отличаются слабой неоднородностью структуры кожицы, допускается наличие пробковых включений в кожица и мякоти с сохранением "сплошности" покровных тканей; III - значительные дефекты, исключающие хранение плодов, отличаются сильной неоднородностью и нарушением целостности покровных тканей, но без признаков загнивания сочной ткани; IV - существенные дефекты, недопустимые ни в одной категории применения яблок в свекам виде, отличаются силной деструкцией и окислением тканей плодов (табл. 2).

Таблица 2.

Матрица соответствия степени значимости дефекта состоянию показателей качества "степень окисления" и "степень целостности" тканей плода.

ümtm нппичскогв С9С1Ш ШП НШШШЕ ЦЕЛОСТНОСТИ ШШЕШ ТШЯ (ШШЦЫ)

Степень ВЫРАЖЕННОСТИ СЛАБОЕ (WltOVUlfWH) тсс По СРЕДНЕЕ tnoniw ппшнмп ciot шш} клак Iii СИЛЬНОЕ (разрыв поник»« тши) тсс 5U

СЛАБОЕ (лэрмн поириость) 1ШСС Пг 1ет !WM nnwciwmi пшмность fl« Cmsu ctr«».ипж»м. чшиь сижт Шст CsJftKU С! И». см** прош» . мига

СРЕДНЕЕ (0МСШ1К) «яке flf n« ЗДГДР. И1ЧШНШ C1I1M иитп WIJKJIIKUH UiOllMMI Пет Онидаешмса чшиь. опгйишй .гмажявш Шст Подсохши итогам

СИЛЬНОЕ (ГН»«Ь) mccilo Ей Гнияь.яяссснь из un« «м umtmacu ш Sfcr lirmi'i'n* даь.мим !Н«П по шм 3 П зиимшк* С2ИР. rjssi шшии»

Определены уравнения линейных разделяющих границ:

<Й1(«Ттах,7)= <¡>01 + 611 1 итак +• На I | 7 | (7)

и алгоритм классификации, обеспечивающий распознавание 4-х степеней значимости дефекта (рис.7).

Рис.7. Распределение классов степени значимости дефектов в двухмерном пространстве признаков Jmax-1г I; Ä1...A* - разделяющие границы;

о - дефекты I степени значимости: .

х - дефекты II степени значимости;

v - дефекты III степени; значимости;

• - дефекты IV степени значимости.

о,« Т

Структурная схема устройства, реализующего разработанные алгоритмы классификации, представлена на рис.8.

Рассеянный плодом I поток когерентного, линейно-поляризованного излучения проецируется на входную диафрагму поляризационного интерферометра 2, создающего характерную интерференционную .картину чередующихся темных и светлых полос, интенсивность которых измеряется с помощью двух фотопрдамних модулей 3...8.

Усиленные сигналы Ш» и Оа л> За\п поступают в выделитель признаков 9, где осуществляются операции вычисления степени пространственной когерентности |у| и преобразование измеренных параметров |у| и »т».х в соответствии с линейным алгоритмом распознавания степени значимости дефекта. В процессе осмотра плода число сообщений, соответствующих попаданию исследуемой точки поверхности в однородные по степени значимости дефекта классы, суммируется блоком

10 к предъявляется логическому устройству II для определения товарного сорта и группы применения. Сигнал классификации далее.

через схему задержи 12, передается на исполнительные «ехчкггмы 13

Рис.8. Структурная схема оптико-электронного устройства контроля качества яблок.

С целью реализации функционирования блока контроля при сортировке' яблок в потоке было разработано дополнительное оборудование для транспортирования, ориентации, вращения и отсортировки, плодов (а.с.1658989). Установка (рис.9) представляет собой замкнутое транспортирующее полотно, состоящее из подвижных роликовых ячеек, движущихся по направляющи*.

В зонах отсортировки направляющие имеют зазоры, перекрытые управляемыми заслонками, соединенными через исполнительные электромеханизмы с блоком контроля качества плодов. В зависимости от качества яблок с блока контроля подается соответствующий сигнал-управления и через определенное время, равное времени доставки плоде к пункту отсортировки, срабатывает тот или иной исполнительный механизм, управляющий заслонкой. В результате заслонка ' отклоняется, открывается зазор в направляющих, ячейка теряет опору и под действием силы тяжести опрокидывается, а плод скатывается не отводящий транспортер. Для синхронизации работ механических, систем и электронных блоков были предусмотрены следующие устройства: синхродатчик на герконах, размещенный на приводном валу мэшины; блок задержки (а.с. 1131560); устройство управления сортировочной машиной (а.с. 1391738) и усилитель - формирователь сигнала управления.

Рис.9. Схема машины для автоматического сортирования яблок по качеству.

Проведенные исследования показали, что устройство надежно обнаруживает значимые дефекты, определяющие качественный потенциал плода (точность сортирования сдиров, гнилей, проколов - не менее 94Ж, сильных ушибов - не менее 82%), способно оценить площадь повреждения и размер плода с точностью 90-96%. Установлено, что в зону контроля следует предъявлять сухие и чистые плоды, так как наличие поверхностной Елаги или влажной грязи приводит к увеличению ошибок первого рода, о сухой грязи - второго рода. Точность классификации товарной группы и категории применения плода при сортировании реального материала составит 91-95$ (в зависимости от цели сортирования). Экспресс-анализ корреляционной функции отражения некоторых видов плодоовощной продукции показал высокую чувствительность и практическую возможность использования предложенного способа для анализа механического состояния покровной ткани широкого класса сельскохозяйственных продуктов. Изменение информационного сигнала составляет 150-900® в зависимости от вида продукта (сы. табл.3).

Таблица 3.

Результаты экспресс-анализа механических повреждений покровной ткани некоторых видов сельскохозяйственной продукции предложенным методом.

Еиды с.-х. продукции состояние покровной ткани среднее значение Ы и доверительный интервал

Томаты здоровая прокол 0.45 ± 0.036 0.05 ± 0.048

Слива здоровая прокол, сдир 0.51 ± 0.041 0.09 ± 0.038

Вишня здоровая трещина 0.56 ± 0.063 0.10 ± 0.037

Груша здоровая сдир, прокол 0.41 ± 0.109 0.07 ± 0.064

Апельсины здоровая сухая гниль 0.29 ± 0.018 0.13 ± 0.009

Морковь здоровая срез 0.27 ± 0.050 0.09 ± 0.034

Яйцо здоровая трещина 0.16 ± 0.021 0.13 ± 0.018

Установлено, что оптико-электронный блок анализа качества будет безотказно работать в течение года с вероятности 0.8. Оценка эффективности новой техники проводилась по сравнению с сортировочно-калибровочной машной, входящей в состав серийной линии товарной обработки яблок ЛТО-ЗА. Расчет экономической эффективности, проведенный в ценах 1990 г., показал, что использование предлагаемого оптико-электронного блока контроля позволит на 86% уменьшить затраты труда на операции сортировки и на 62% снизить прямые эксплуатационные затраты по сравнению с базовым вариантом. В случае использования новой техники в режиме сортирования перед закладкой на хранение будет получена значительная дополнительная прибыль (41 тыс. рублей на одну установку s сезон) за счет лучшей сохранности отсортированной продукции.

ОБЩИЕ ВЫВОДУ

1. Установлено, что наиболее значимыми дефектами, существенно влияицими на лезккость и товарное качество яблок, являются различные нарушения целостности покровной ткани (проколы, сдиры, разломы, сильные ушибы, сетка и т.п .), резко ослабляющие устойчивость плодов к микробным заболеваниям и приводящие к значительным потерям даже при кратковременном хранении.

В настоящее время не существует методов и устройств, позволяющих реализовать автоматический контроль и сортировку плодов по признаку "степень целостности кожицы".

2. Механические повреждения покровной ткани характеризуются нарушением пространственной однородности поверхности. Аналитически установлена связь микроструктуры ткани плода со статистическими параметрами когерентного излучения, рассеянного этой тканью.

Теоретически обоснован новый оптический метод анализа механических повреждений кожицы яблок, базирующийся на измерении степени пространственной когерентности отраженного потока.

3. Для реализации предложенного способа обнаружения механических повреждений поверхности необходимо использовать в качестве зондирующего поток с высокой степенью пространственной когерентности, а-£' качестве первичного преобразователя - светосильный, помехоустойчивый интерферометр. Наиболее технологично применение одномодового, линейно-поляризованного лазера и схемы поляризационного интерферометра, формирующего стационарную интерференционную картину.

4. На основании анализа разработанной физико-математической модели рассеяния когерентного излучения на неоднородностях поверхности плода и экспериментальных исследований установлено, следующее:

- пространственная когерентность светового потока, рассеянного здоровой, неповрежденной поверхностью, довольно высока (контраст интерференционной картины составляет 0.6...0.8), но она резко падает (до 0.01...0.04) при отражении от дефектов с нарушением целостности покровной ткани (сдир, прокол);

- значение пространственной корреляционной функции когерентного излучения определяется только микроструктурой поверхности и углом падения зондирующего потока и не зависит от окраски плода, биохимического состава ткани, времени, прошедшего после нанесения поврежде-

ния, калибра плода, длины волны и мощности зондирующего потока;

- значение средней интенсивности интерференционной картины, напротив, чувствительно к вышеперечисленным параметрам и но зависит .от микроструктуры поверхности плода;

- при соблюдении постоянства угла падения зондирующего луча на плод по показателю "контраст полос интерференционной картины" возможно распознавание' трех классов степени целостности покровной ткани (неповрежденная, разрывы кутикулы, разрывы ксгицы); а по показателю "интенсивность в максимуме интерференционной картины" - трех классов степени окисления ткаки (здоровая, ушб, гниль);

- при произвольном осмотре плода, благодаря высокой чувствительности метода, возможно различение двух классов степени целостности кожицы (неповревденная-повревдвнная) к двух классов степени окисления ткани (здоровая-поракенная) даже без применения компенсационных алгоритмов кривизны поверхности.

- на основе предложенного метода возможно создание автоматического устройства для одновременного определения размера плода, наличия больных тканей и дефектов целостности кожицы.

- метод может быть использован для контроля качественного состояния покровной ткани широкого класса сельскохозяйственных продуктов, особенно гладкопокрытых плодов (яблок, груш, томатов, слив, вишни, картофеля и т.п.).

5. Обоснована оптимальная конструкция оптической схемы устройства для анализа амплитудно-фазовых характеристик рассеянного плодом потока. Найдены аналитические зависимости, позволяющие связать конструктивные параметры устройства с выходными характеристиками интерференционной картины (интенсивностью, контрастом и шириной полос).

6. Установлено, что в целях упрощения функциональной схемы распознающего устройства, все многообразие дефектов яблок (более ста типов) в зависимости от степени окисления ткани и степени целостности кожицы может быть разделено лишь на четыре категории по степени значимости влияния на товарное качество, группу применения и лежкоспособность плодов. Обоснован алгоритм распознавания степени значимости дефекта, основанный на разделении двумерного пространства амплитудно-фазовых признаков объекта линейными разделявшзшп функциями.

7. Экспериментально доказано, что использование в целях контроля когерентного лазерного излучения повышает устойчивость плодов к микробным и физиологическим заболеваниям, способствует увеличению срока хранения и уменьшению потерь при хранении.

8. Испытаниями установлено, что экспериментальный образец оптико-электронного устройства обеспечивает точность сортирования по дефектам, связанным с нарушением целостности кожицы - 92-99%, по калибру - 90-96», на товарные сорта и группы применения - 91-94%, способствует сокращению потерь плодов при хранении в 1.3-3 раза.

9. Годовой экономический эффект (рассчитанный в ценах 1990 г.) от использования новой техники для послеуборочной обработки плодов перед закладкой на хранение составляет 41 тыс.руб. на одну установку, при сроке окупаемости менее одного сезона. В вариантах предреализа-ционной сортировки использование средств автоматизации приносит 3.5 тысячи рублей дополнительной прибыли. Срок окупаемости - 2 года.

По сравнению с базовым вариантом новая техника снижает затраты труда на сортирование яблок на 86Ж. Экономия труда составляет в сезон 4 тысячи человеко-часов на каждую установку.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Будаговская О.Н. Оптический метод контроля качества плодов // В кн.: Проблемы повышения эффективности современного садоводства: Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции молодых ученых, Мичуринск, 1982 г., с.120.

2. Ильинский A.C., Гордеев A.C., Будаговская О.Н. Машина для автоматического сортирования яблок // В кн.: Комплексная механизация возделывания плодовых, ягодных культур и винограда: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, Краснодар, 1934., с.157.

3. Гордеев A.C., Будаговская О.Н., Трофимов H.H. Обработка информации о качественном состоянии поверхности плодов.// Б кн.: Наука -сельскому хозяйству: Краткие тезисы доклады к предстоящей Тамбовской областной конференции молодых ученых, Мичуринск, 1985 г., с.63-64.

4. Будаговская О.Н., Ильинский A.C. Система автоматизации измерений оптических характеристик плодоовощной продукции //Там же, с.67-63.

5. Гордеев A.C., Будаговская о.Н. Определение качества плодов спектрозональным методе»* // Дефектоскопия, 1985., N 3, с.41-45.

6. Гордеев A.C., Будаговская О.Н. Логическая модель товарного качества плодов и ее реализация в устройства! автоматического сортирования // Депонированная рукопись в ЦНШТЭИтракторсвльхозмашга 11 марта 1985 г., N 560 тс, 15 с.

7. Гордеев A.C., Будаговская О.Н. Автоматизация распознавания товарного качества плодов // Механизация и электризация сельского хозяйства, 1985., N 10. с.27-30.

8. Бородин И.Ф., Ильинский A.C., Гордеев A.C., Будаговская О.Н. Автоматизация сортирования яблок // Механизация и электрификация сельского хозяйство, 1986 г., N 4 , с.56-59.

9. Будаговская О.Н., Ильинский ' A.C. Пути повшшшя производительности автоматической сортировочной машины // Сб. науч. трудов БВДМС, 1987 г., с.56-59.

10. Ильинский A.C., Будаговская О.Н. К вопросу минимизации погрешностей при автоматическом сортировании яблок // Там же с.59-62.

11. Бородин И.Ф., Гордеев A.C., Будаговская О.Н. Организация съема и обработки информации в высокопроизводительных устройствах автоматической сортировки плодов. // В кн.: Проблемные вопросы автоматизации производства: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума, Воронеж, М.,1987 г.,4.2, с.266-268.

12. Будаговская О.Н. Применение методов когерентной оптики для анализа качества плодов // В кн.: Проблемы интенсификации садоводства: Тезисы докладов к III областной конференции молодых ученых, Мичуринск, 1939 г., с. 185-187.

13. Будаговская О.Н. Обоснование выбора объекта измерений при исследовании оптических свойств яблок с целью создания автоматической сортировки перед закладкой на хранение // Там же, с.187-188. .

14. Будаговская О.Н. Оценка качественного состояния покровной ткани плодов яблони по статистическим параметрам отраженного излучения // В кн.: Теоретическая и прикладная карпология: Тезисы докладов Всесоюзной конференции, Кишинев, 1989 г., с.42.

15. Будаговская О.Н. Возможность многопараметрического сортирования яблок по качеству. // В кн.: Проблемы интенсификации современного садоводства: Краткие тезисы докладов к 4- -ой областной научной конференции молодых ученых, Тамбов, 1990, c.219-2iJ.

16. Будаговская О.Н., Будаговский A.B., Гуди Г.А., Гончаров С.А., Зайцев Ю.К., Мячиков A.B. Разработка лазерной технологии повышения сохранности плодов. // В кн.: Применение СВЧ - излучений в биологии и сельском хозяйстве: Тезисы Всесоюзной конференции, Кишинев, 1991г., с.75-76.

17. Будаговская О.Н., Будаговский A.B. К вопросу автоматизации сортирования продукции сельскохозяйственного производства. Анализ качества поверхности методами когерентной оптики. // В кн.: Средства и системы автоматизации управления процессами сельскохозяйственного производства: Тезисы Всесоюзной научно-технической конференции, Москва - Паланга, 1991 г., с.89.

13. Будаговская О.Н. Увеличение производительности автоматических сортирующих устройств. //Техника в сельском хозяйстве, 1990 г., N 1,с.27-29.

19. Будаговская О.Н. Математическая модель процесса съема видеоинформации в высокопроизводительных линиях товарной обработки с автома-матическим управлением. // Сб. научных трудов ВНШС, 1990г., с.53-57.

20. A.c. 1131516 (СССР), МКИ4 В 07 С 5/342. Устройство для сортирования плодов /Гордеев A.C., Будаговская О.Н., Ильинский A.C., Кобозев Р.П. - Опубл. 1984, Бал.48.

21. A.c. 1391738 (СССР) Ж* В 07 С 5/342. Устройство автоматического управления сортировочной машиной / Гордеев A.C., Будаговская О.Н., Кобозев Р.П. - Опубл. 1988. Бил. 16.

22. A.c. 1658989 (СССР) МКИ4 А 23 N 15/00. Машина для сортирования плодов. /Будаговская О.Н., Гордеев A.C., Гончаров С.А., Ларшин Ю.П. - Опубл. 1991. Бюл.24.

23. A.c. 1750487 (СССР) МКИ4 А 01 Р 25/00, А 23 L 3/54, А 23 В 7/015. Способ подготовки плодов к хранению / Будаговская О.Н., Будаговский A.B. - Опубл. 1992. Бюл.28.

24. Положительное решение ВНИИГПЭ на заявку N 4907043/13(010013). Способ определения качества плодов и устройство для его осуществления . Заявлено 31.01.91. / Будаговская O.K., Будаговский A.B.