автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Особенности разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов

ГОСЗДАРСТВЕНННЙ КОМИТЕТ ПО ВНСИЕЙ 1КОЛЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСЗДАРСТВЕННШ ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗНИВЕРСИТЕТ им.И.Й.ПОЯЗЗНОВА

На правах рукописи ЗДК 531.71?

Тиценко Андрей Иванович

Особенности разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов

Специальность:

05,11.13 - Приборы и методы контроля природной среди, веществ, материалов и изделий

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандитата технических наук.

Барнаул, 1934.

Работа выполнена в Алтайской Государственном техническом университете им.И.И.Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, действительный член Ий РФ Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наак, профессор, действительный член ЙО РФ Горбов М.Н.

канд.технических наук Грозов В.й.

Ведущая организация: Барнаульское опытно-конструкт орское бшро автоматики НПО "Хикавтоматика"

Защита диссертации состоится •_________________ на заседании

специализированного совета К 004,29.01, действувщего при Алтайском Государственной техническом университете им.И.И.Ползунова, по адресу: 656099, Барнаул, пр.Ленина. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского Государственного технического университета им.И.И.Ползунова.

Автореферат разослан 28 ноября 1994 г.

Зченый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор Замятин Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Высокий уровень развития сельского хозяйства характеризуется повыиениеа 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, отличающихся 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 возможностями используемых первичных измерительных преобразователей.

При работе с зерновыми культурами задачи сортировки продукции по форме и размерам традиционно встаит на всех этапах зер-нообработки, однако традиционно решаются другими средствами, что не позволяет радикально повысить качество сортируемой продукции.

В результате низкое качество семенного материала обуславливает низкуш эффективность сельскохозяйственного производства, и наоборот, при низком уровне сельскохозяйственного производства вопрос о качестве продукции теряет актуальность.

Применяемые в настоящее время в фотоэлектронных сепараторах первичные измерительные преобразователи не соответствуем 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. Опать-таки следствие« 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 реиения этой задачи необходимо использовать в первичных измерительных преобразователях существенно кнув элементную базу - ино-гоэленентнне фотоприемники, требуются существенно иные алгоритмы обработки первичной информации с фотоприемника, поскольку резко возрастаит обьены входной информации, при многокритериальной обработке встает задача распознавания и классификации исследуемых обьектов.

Аналогичные задачи возндкаит 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 (например, кондиционное зерно может иметь значительнуи вариации размеров, формы или массы). Особое внимание должно уделяться быстродействию системы принятия реиений, от которого напрямцв 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 внедрении на основе проведенных исследований действушщих макетов и стендов, ре-ващих задачи сортировки зерновой продукции.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- провести исследование основных параметров объектов, подлежащих сортировке, выполнить классификацию обьектов на основании их количественных параметров;

- выбрать методы определения основных параметров контролируемых объектов 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 последующего принятия решения;

- разработать и создать действунщие 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 научную новизну данной диссертационной работы, которя закличается в следующем:

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 сорткровкд продукции.

2. Разработана модель сигнала кногпзясмсктиого матричного фотоприемника, позволяющая провести расчет потенциальной точности определения геометрических параметров для Быбракного типа первичного измерительного преобразователя,

3. Разработаны метода и алгоритмы быстрого определения геометрических параметров (размеры, Форма, ориентация) объекта ;;л основе инходного сигнала многоэлементного фотоприамника,

4. Разработана методы .классификации объектов, подлежащих сортировке, на основе автоматического "формирования кластеров в пространстве признаков объектов.

5. Теоретически рассмотрен и практически реализован многокритериальный подход к разделений зерновых на фракции, когда для классификации иоптролирусках обьектсс йепользуЕтез несколько па раметров обьекта,

Практинйскал ценность работы.

1. Разработанные в диссертации методы определения форма, пл-

^оеония, оркзнтацай оиьектов с. помош.г ¡¿нсгозлйкснтных матрк'пшх Фотоириумнийоз могут бать использована б шмлогйчкшс задачах, не свя^анннх с сепарированием зернопрппиктов - например, в маяинос-троеник и робототехнике

?. Разработанные в диссертации методы оценки погрешности перъйчнаи измерительных преобразователей, нрмненаекшХ для контроля размеров, форма и ориентации (произвольной) объектов, пригодна ддй любого типа многозяеиектного матричного фотоприемника.

Реализовавшие конструкции фотоэлектронных сепараторов обладает широкими фцькциональными возноЕкостями при сортировке различных видов зерновой проддкции, что позволяет использовать их в задачах зерноводства. семеноводства, селекции растений, а также при сортировке зерновой проддкции для потребительских целей.

-Методы исследований, примененные в работе.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать решении поставленных задач.' На всех основных этапах работы проводилось сопоставление с экспериментальными данными результатов, полученных либо теоретический путем, 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 нтук с последующей 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 описаний вумов многозлементных фотоприемников 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 НПК "Зернышко" Сг.Барнаул).

"Предломенные в диссертации 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 к обсуждались на научно-технических семинарах кафедры

е

"Информационные технологии" йлтГТУ, а также на следущих всесоюзных и международных конференциях и совещаниях:

- Бсесоизное совещание 'Координатно-чувствительнне фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе'. Барнаул, 1981.

- Всесоизнаа конференция 'Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов'. Барнаул, 1902.

- Бсесоизное совещание 'Координатно-чувствительнне фотоприемники и оптикозлектронные устройства на их основе', Барнаул, 1989.

- Международная конференция 'Датчики электрических и неэлектрических величин'. Барнаул, 1993.

- Международная конференция 'Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов', Барнаул,1994.

Публикации.

По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 10 печатных работ.

На защита выносятся следушщие положения диссертации:

1. Математическая модель оптического сигнала фотоэлектронных сепараторов, предназначенных для сортировки зерновых культур

2. 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 покощьв «одели Е-слоя, в которую дополнительно введена погрешность расположения отдельных элементов - г-неопределенность.

3. Быстродействующие алгоритмы обработки информации многоэлементных фотоприемников, позволяшщие вести многокритериальную классификации контролируемого зерна.

4. 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 пралоаения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 132 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дана характеристика существующих типов серийно выпускаемых фотоэлектронных сепараторов и основные перспективы их развития и применения.

На основании обзора литературы проведен анализ структурных схем, функциональных узлов фотоэлектронных сепараторов для контроля пищевых продуктов. Рассмотрены основные типы первичных измерительных преобразователей и показано, что возможности сепараторов в значительной степени определяются методикой определения цвета и возможностями измерительного преобразователя. На основании этого делается вывод о том, что использование первичных измерительных преобразователей с дополнительными функциональными возможностями на базе многозленентннх фотоприемников кожет существенно улучшить количественные и качественные показатели фотоэлектронных сепараторов.

Далее показано, что некоторые традиционные задачи зерновод-ства, семеноводства и в особенности селекции растений могут ус-певно решаться с помощью фотоэлектронных сепараторов, что может существенно расиирить область их применения. Сформулированы основные требования к сепараторам и его первичным измерительным преобразователям, которые могли бы использоваться при решении более вирокого круга задач.

Однако при применении в фотоэлектронных сепараторах многоэлементных матричных фотоприемников возникает ряд проблем, часть из которых специфична для данного применения, а часть характерна вообще для любых применений многоэлементных фотоприемников. Можно выделить следушщие проблемы:

- определение размера, формы, положения и ориентации обьек-та на основе выходного сигнала многоэлементного матричного фотоприемника:

- теоретический расчет и практическое определение погреанос-тей измерения геометрических параметров обьекта для первичных измерительных .преобразователей с матричным фотоприемником:

- многокритериальная классификация контролируемого обьекта, а также построение системы критериев для классификации подвержен-

ных значительной изменчивости обьектов;

- повышение общего быстродействия еистем:обработки изображения, формирования вектора признаков объекта и системы классификации обЬекта до уровня быстродействия механической части прибора (0.1 .. 0.001с)

Б связи с этим далее в первой главе рассмотрены методы и средства измерения основных геометрических параметров обьектов, которые применяются в системах на базе многозлементных фотоприемников. Наиболее сложной проблемой является здесь адекватная теоретическая оценка метрологических характеристик получаемых измерительных систем. Связано это с отсутствием общепринятой методики для расчета точностных характеристик как измерительного преобразователя, так и прибора контроля в целом в условиях априорной неопределенности параметров обьекта. Показано, что достаточно приемлемые для практических целей результаты дает расчет погрешностей по методу Е-слоя.

Далее рассмотрены традиционные подходы, используемые в методах классификации обьектов по нескольким критериям, и возможности их алгоритмического представления для практической реализации на ЭВМ или микропроцессорной системе.

В заключение главы на основе анализа существующего положения дел в области многоэлементных фотоприемников дается постановка основных задач исследования.

Во второй главе приводится построение математических моделей сигналов фотоэлектронных сепараторов и методов определения различных параметров исследуемого обьекта на основе информации, снимаемой с первичных измерительных преобразователей.

Исходным сигналим для работы первичных измерительных преобразователей фотоэлектронного сепаратора является оптический, поэтому сначала рассмотрена модель оптического сигнала, отрааеннно-го от исследуемого обьекта. Б модель оптического сигнала включены: спектр излучения применяемого источника света (что позволяет различать тепловые источники света, люминесцентные и газоразрядные), зависимость спектра излучения от времени (старение), нестабильность источника в зависимости от типа питания. Предусмотрена возможность изменения падающего на обьект излучения вследствие

п

запыления/очистки оптической системы. Для исследуемого объекта введена функция спектральной зависимости, коэффициента отраяения. При использовании нескольких фотоприемников, работаищих в различных диапазонах спектра, учтена зависимость их выходного сигнала от спектральной чувствительности фотоприемников и применяемых светофильтров.

На основе полученной модели выведена зависимость выходного электрического сигнала отдельных фотоприемников от изменения различных параметров полной оптической системы: изменения спектра излучения источника, изменения прозрачности оптической системы, вариации спектрального коэффициента отражения исследуемого объекта и т.д. Показано, что при использовании метода Е-слоя возмояно единое описание различных составлящих погрешностей выходного сигнала. Вибрана оптимальная конфигурация оптической системы для канала определения цвета объекта. Приведена методика выбора оптимального для данного крута задач числа спектральных диапазонов канала определения цвета. Рассмотрены возноаное варианты алгоритмов сравнения цвета с эталоном (многокритериальный подход}.

Оптимальной для определения геометрических параметров объекта является теневая проекция контролируемого объекта в параллельных лучах на плоскость фотоприемника. В этом случае мокно варьировать нирину перехода свет-тень, что является оптимальным для последующего алгоритма выделения количественных параметров обьекта. Кроме того, в этом случае изобразение практически не зависит от. оптических параметров поверхности контролируемого обьекта.

Далее разработана модель выходного сигнала многоэлементного матричного фотоприемника, учитывавшая отличия реального фотоприемника от идеального: наличие временного и геометрического шумов темнового тока, нелинейной чувствительности, отклонения поло-щения отдельных фотоячеек от идеальной сетки. Приведены методики, пригодные для экспериментального определения этих параметров. Показана, что все виды погрешностей выходного сигнала могут быть описаны модельв Е-слоя, которая может быть дополнена 1 - погрешности, возникающей за счет первых моментов функций чувствительности отдельных элементов.

Приведен алгоритм выделения количественных характеристик объекта, использующий выходные данные матричного фотоприемника. Показано, как с помощью модели Е-слоя можно рассчитать точностные характеристики первичного измерительного преобразователя. Для этого необходимо использовать либо априорно известные, либо экспериментально определенные значения погревностей, задаваемые через Е-слои и г~погрешность. Можно отметить, что методика применения Е-слоев практически применялась главным образом для расчетов точностных характеристик линейных многоэлементных фотоприемников, применяемых в приборах измерения координат обьектов. С помощью матричных многоэлементных фотоприемников возможно определение целой совокупности геометрических параметров обьектов, поэтому методика расчета их погревностей представляет интерес и для многих смежных областей приборостроения. Потребовалась также значительная модификация методики расчета погрешностей.

Характеристика исследуемого обьекта с помощью нескольких параметров усложняет задачу классификации этого обьекта. Поскольку для фотоэлектронных сепараторов время принятия решения является критичным, разработаны методы, пригодные для быстрой классификации обьекта по нескольким критериям. Множество обьектов заданного типа описывается набором кластеров (возможно, перекрывающихся) достаточно простой формы - например, эллипсоидов. В этом случае каждый кластер может быть описан совокупностью координат центра кластера и размерами полуосей. Принадлежность произвольной точки пространства признаков данному кластеру может быть легко вычислена на основе неравенства:

£(Ш*СХ1-ХО1))а < 1

где И! - величина, обратная полуоси эллипсоида по 1 - координате, Ш) - набор параметров, характеризующий обьект, (ХоП - положение центра эллипсоида в пространстве параметров обьекта.

Множество обьектов заданного типа сколь угодно сложной формы (например, разрывное множество) может быть представлено совокупностью подобных эллипсоидов. Поэтому еще одной задачей являет' ся формирование множества, соответствующего объектам заданного типа, и разбиение его на элементарные кластеры. Если обьект ха-

рактеризуется более чем тремя параметрами, то априорно (или теоретически) невозможно задать форму множества, т.к. невозможно использовать привычные геометрические представления обьектов. Поэтому множества для обьектов каждого типа должны формироваться автоматически на основе проведения пробных измерений реальных партий обьектов (калибровка прибора). Рассмотрены методы автоматического формирования кластеров и связывания их с различными классами обьектов.

Б заключение главы приведена классификация фотоэлектронных сепараторов на основе информационных критериев. Показано, что возможности сепаратора основываштся на типе первичного измерительного преобразователя и алгоритме последующей обработки информации с его выхода. Если первичный измерительный преобразователь характеризует обьект только по одному критерии, то при классификации обьекта (отнесении его к тому или иному классу) возможно достаточно больное количество ошибок. При многокритериальной классификации ее точность может быть'существенно повыиена.

В третьей главе проведено комплексное моделирование работы фотоэлектронных сепараторов на ЗВМ. Моделирование преследовало цель"выбора наиболее оптимальных вариантов конструкции сепаратора и его основных узлов, а также отработки алгоритмов, пригодных для работы в действующих образцах сепараторов. При моделировании использовались модели сигналов, приведенные во второй главе. Реальные параметры заменялись модельными "правдоподобными" значениями, либо определенными автором экспериментально, либо известными по литературным данным. В некоторых случаях при отсутствии априорной информации, например, о форме кластеров кондиционных и некондиционных семян в пространстве критериев, использовались случайным образом формируемые данные, лежащие в экспериментально определенных границах.

Моделирование оптической схемы и спектральных характеристик фотоэлектронных сепараторов позволило рассчитать спектральные и энергетические параметры сигналов для первичных измерительных преобразователях и различных видов основных узлов оптической схемы. В частности, выполненное моделирование позволило обосновать выбор того или иного источника излучения в зависимости от приме-

няемых первичных измерительных преобразователей. Применение лампы ,накаливания дает сплошной спектр излучения, позволяющий проводить определение спектральных характеристик поверхности исследуемых обьектов с высокой точностью, используя в принципе неограниченное число спектральных диапазонов работы фотоприемников. Этот источник хороао подходит для задач, в которых требуется использовать диффузное освещение. При получении теневой проекции объекта от лампы накаливания возникают проблемы, связанные с достаточно большим развером источника. Более существенным недостатком ламп накаливания является зависимость спектра излучения от питающего напряаения и подверженность вибрационным помехам. Люминесцентные источники света обладают больвей стабильностью спектра, однако могут хорош создавать только диффузное освещение. Газоразрядные источники света в наибольвей степени подходят для реализации теневого метода освещения объекта, однако имеют резко выраженный линейчатый спектр излучения, ограничивавший возможности систем точного определения цвета в тех случаях, когда необходимо работать только во вполне определенных областях спектра.

Рассмотрены варианты оптической схемы осветителя, позволяющего подучить теневую проекции. Моделирование и оценочные расчеты показали, что даже простейшая оптическая система с одной линзой позволяет получить достаточно параллельный пучок лучей, пригодный для теневого метода. При зтом, изменяя положение объектива, можно изменять вирину области перехода свет-тень на поверхности многоэлементного фотоприемника в "пределах 40..800 мкм, что позволяет в дальнейшем легко оптимизировать это значение для конкретного многозлементного фотоприемника в зависимости от его вага.

Моделирование сигналов с иногоэлементных фотоприемников проводилось с использованием интервальных оценок для Е-слоев, полученных экспериментально для малых партий приемников одного типа. Значения этих интервальных оценок позволяют использовать их при носледущем моделирований точностных характеристик системы выделения геометрических параметров объекта. Исходными при таком моделировании были следующие параметры: размеры (по двум осям) объекта в единицах кага элементов фогоприемника, ширина области перехода свет-тень в.тех ме единицах» ориентация проекции обьек-

та относительно системы координат фотоприемника, . интервальные оценки (ширина Е-слоев) для темнового тока, линейной и нелинейной чувствительности фотоприемника и средние ("идеальные") значения этих параметров. Варьировалась также интенсивность светового потока и ее неоднородность по сечению светового пучка. Результатом моделирования является величина погрешности (в единицах шага фотоприемника) определения размеров объекта различными методами. Рассчитанные значения погрешности в зависимости от изменения различных входных параметров приведены на рис.1. Безусловный интерес вызывает тот факт, что для многих из отмеченных зависимостей имеется явно выраженный минимум, что потенциально позволяет для заданного набора входных параметров оптимизировать схему первичного измерительного преобразователя для получения предельных точностных характеристик.

Моделировалась также работа системы многокритериальной классификации объектов. Поскольку априорно неизвестна конфигурация кластеров для зерна различных видов, она задавалась в нескольких вариантах: выпуклые непересекащиеся кластеры кондиционного и некондиционного зерна, непересекающиеся разрывные кластеры сложной Формы, а также слабопересекаищиеся кластеры кондиционных и некондиционных зерен. Входными параметрами моделирования служил набор кластеров, процентное содержание кондиционного/некондиционного зерна, а также алгоритм построения кластеров и классификации. При моделировании генерировалась последовательность "объектов", принадлежащих тому или иному кластеру, и определялась вероятность правильного/ошибочного решения по классификации. В результате моделирования было установлено, что алгоритмы формирования кластеров -в процессе калибровки прибора, автоматически проводящие разбиение пространства признаков для исходно несортированной партии объектов с процентом дефектных зерен в пределах 5..50% проще в использовании и являются столь же надежными, как и алгоритмы последовательного формирования кластеров для предарительно отсортированных ручным способом по сортам партий объектов, только одного сорта (что на практике требует предварительной ручной сортировки). Вероятность правильной классификации при использовании различных методов составляет 90..9?Х в зависимости от близости

кластеров и исходной засоренности контролируемой партии зерна.

В четвертой главе приведены результаты исследования параметров различных вариантов фотоэлектронных сепараторов, отличавшихся друг от друга первичными измерительными преобразователями и, соответственно, схемами и алгоритмами обработки информации с этих преобразователей.

С цельв расширения области применения фотоэлектронных сепараторов проведено исследование спектральных характеристик и геометрических размеров различных зерновых культур: риса, рапса. Marapa, проса, гречихи Срис.2). Спектральная зависимость коэффициента отразения позволяет для заданного типа зерна выбрать рабочие спектральные диапазоны, в которых сигналы первичных измерительных преобразователей для кондиционного и некондиционного зерна максимально отличается друг от друга. Подобные спектры позволяют также отличать не только кондиционное и некондиционное зерно, но и зерно различных сортов, что является исклшчительно важным для задач семеноводства и селекции.

С использованием этих данных был разработан и изготовлен макет сепаратора, функциональная схема которого в целом соответствует серийно выпускаемым типам сепараторов. Отличие заклшча-лось в том, что в данном макете использовалась более совершенная система сепарирования по цвету (использовано 5 рабочих спектральных диапазонов), что позволяет с существенно более высокой точностью ввполнятъ классификацию зерна по цвету. На данном макете проверялись возможности различных систем выделения сигнала цветности по выходному сигналу фотоприемников и определялись особенности применения различных систем освещения (однолучевой, двухлучевой методы, диффузное освещение и т.д.). На стадии исследования пространственно-энергетических характеристик зерен гречихи рассматриваются различные варианты функциональных схем узлов подачи зерна и контроля зерна по цвету. Средняя производительность Одного канала оптико-злектронного сепаратора составляет около 100 кг/час.

Следувций стенд был разработан для отработки основных узлов и алгоритмов сепаратора, в качестве первичного преобразователя которого использовались различные виды отечественных фотодиодных

в ед. ийга ттрицн::

а)от величины объекта в ед. шага при разной толщине Е-слоев ;

б) от ориентация объекта при разной толщине Е-слоев (1,2,3);

в) от относительной' велитани фоновой неоднородности & при различной интенсивности 1,2,3 светового потока;

г) от величины объекта при разной ширине д области перехода "свет - тень?

90 ВО 70 60 50 40

30 го 10

спектральным коэффициент отражения

У-^-Ш/.

,мкм

0.г 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Рис.2.4 Спектральная характеристика отражения излучения семени рапса

а) семя рапса »

б] дроБяеное семя

сяектрааышй козффициеят отражения

Л,МКМ

0.2 0.3 0.4 0.5 0.Б 0.7 0.В О.Э Ркс. ^Спектральная хар«кге|шсл«са отражения нзяученкя

а) крупа рисовая в) ядра риса с красном оболочкой

ь") пожеятевшне ядра г] нешеяушеные «Ара

спенрвяьмый коэффициент отражения

л.мкм

0.2 0.3

Рис.2.3 Спектральная ха

0.4 0.5

0.6

0.7 0.0

0.9

раетеристнка зерна нагара

отражения излучения

а) сортовая лрниесь

б) зерно «агара

зерна проса а! зерно красное в) черное зерно

В) [реповое зерна г) зерно нешелушенос африканского проса

матриц. Применение именно фотодиодных матриц обусловлено их высоким быстродействием по сравнении с другими видами многоэленен-тных фотоприеиников. Видеосигнал с выхода матриц вводился в ЭВМ для последующей обработки и определения геометрических параметров. В оптической схеме стенда применялся теневой метод с возможность!) регрировки вирины перехода свет-тень. Для различных зерновых культур проводилось определение их геометрических размеров системой контроля, затем эти данные сравнивались с результатами ручных замеров по проекции на фотопленку. При оптимальной настройке оптической схемы (ширина области перехода свет-тень составляет 1.5..2.5 единиц вага матрицы) обеспечивается минимальная погрешность определения размеров, равная 0.1 .. 0.9 шага дискретизации в зависимости от формы и ориентации зерна и параметров фотоприемника. При шаге матриц 100 .. 200 нкм подобная точность вполне достаточна для систем определения размеров зерна, поскольку кодификационная изменчивость этого параметра для кондиционного зерна одного сорта существенно выве- (до 30% размеров зерна).

В качестве обобщения рассмотренных выве стендов была создана модель фотоэлектронного сепаратора, позволяющего производить многокритериальную сортировку зерна. В данной модели контролируется как цвет, так и геометрические параметры объекта. Для совмещения метода теневой проекции, используемого для работы многоз-ленентного матричного фотоприемника, с каналом определения цвета, использовалась оптическая схема, приведенная на рис.3. Основные узлы сепаратора были предварительно отработаны на описанных выве моделях. Для данной модели существенно были расширены алгоритмы обработки данных с первичных измерительных преобразователей для решения задач многокритериальной калибровки прибора для выбранного вида зерна и его сортировки. Поскольку классифицирующая информация по видам и качеству зерна -задается программно, она может храниться и корректироваться в течение произвольного времени, отслеживая, например, изменение сорта той или иной зерновой культуры. Вероятность правильной классификации у сепаратора подобного типа достигает 387., что позволяет ему с высокой точностью разделять на фракции смесь из нескольких сортов зерна. Недостатком по-

регистрации цвета

Рис, 3 Конфигурация оптической: системы, позволяющая работать с теневым методом для определения размеров зерна, и с шогоспектральными фотоприедаиками.

добного сепаратора является его сравнительно низкая производительность - до 1 кг/час, что связано с необходимости обработки и анализа больиих объемов информации, поступащих с многоэлементного фотолриешика. Однако для многих задач сельского хозяйства такая скорость работы автономного прибора вполне достаточна, кроме того, при использовании соответстврщей элементной базы электроники она может быть существенно повышена.

В заклшчении диссертации сформулированы основные результаты работы и выводы, а также сформулированы проблемы, требущие дальнейшего решения.

Б приложения вынесены детали алгоритмов обработки информации с многоэлементных фотоприемников, некоторые таблицы, не имеа-чие непосредственного отновения к теме работы, но представлявшие интерес в плане использования результатов данной работы при построении аналогичных оптико-электронных систем,

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТА.

1. Разработана модель оптического сигнала, создаваемого исследуемым объектом в фотоэлектронном сепараторе, на основании которой рассмотрены варианты построения оптической системы измерительного преобразователя.

2. Разработана модель электрического сигнала многоэлеыентно-го фотоприемника, применяемого в качестве первичного измерительного преобразователя фотоэлектронного сепаратора, выделены основные источники погрещноети подобного преобразователя,

3. Разработана методика быстрого определения геометрических параметров объекта но выходному сигналу многоэлементного фотоприемника, проведена оценка потенциальной точности определения этих параметров с использованием методов Е-слоя и г-погреиности.

4. На основании рассмотренных моделей и методик разработан алгоритм обработки сигналов, позволявший проводить многокритериальную классификацию контролируемых объектов

5. Выполнен анализ принципов построения фотоэлектронных сепараторов, особенностей используемых в них оптических сигналов и методов их преобразования и обработки, позволяющий классифициро-

вать возможности сепараторов в зависимости от применяемых в них первичных измерительных преобразователей.

6. Разработан, создан и внедрен ряд Фотоэлектронных сепараторов, позволяющих решать задачи многокритериальной сортировки зерновой продукции с более высокими количественными и качественными параметрами, чем у серийно выпускаемых моделей фотоэлектронных сепараторов.

7. Доказана эффективность применения фотоэлектронных сепараторов при селекции зерновых культур и семеноводстве.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Масленников С.Е., Бушуев Я.К., Тищенко А.И. Автономный источник питания для контрольно-измерительных устройств. В сб. 'Координатно-чувствительнне фотоириемники и оптикоэлектрон-ные устройства на их основе. ч.П., с,131. Барнаул, 1981.

2. Касленноков C.B., Буяуев fl.ïl., Тищенко А.й. Логарифмический делитель напряжений. Б сб. 'Координатно-чувствительнне фотоприемники и оптикоэлектроиные устройства на их основе'. ч.П., еЛЗЗ. Барнаул, 1901.

3. Тищенко А.й., Зфимцев А.й, Генератор одиночных импульсов. ' 0 сб. 'Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов'. ч.П!., с.29, Барнаул, 1982. ч.П., с.21?. Барнаул, 1984.

4. Гуляев П.в., Тищенко А.И. Стенд для экспериментального макетирования динамических процессов и определения их скоростных характеристик. В сб. 'Координатно-чувствительнне фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе*. ч.П., с.150, Барнаул, 1939,

5. Замятин В,И., Тищенко А.И. Оптико-электронный датчик контроля зерна. В сб. 'Датчики электрических и неэлектрических величин'. 4.1., С.1В6. Барнаул, 1993.

5. Исследование и разработка оптико-зяектронного устройства сортировки семян. Отчет о научно-исследовательской работе. -Барнаул, 1994, Изд. Алт.ГТЗ, 68с, илл. 7. Замятин В.И., Тищенко А.й. Оптико-электронный сепаратор для сортировки зерновой продукции. В сб."Измерения, контроль и

автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994, т.1,

4.1, с.166-167.

8. Якунин А.Г., Тищенко А,И. Применение моделей Е-слоев для моделирования сигналов ОЭПП. Б сб."Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994, т.1,

4.2, с.178-179,

9. Тищенко Й.И, К вопросу о критерии анализа точностных характеристик оптикоэлектронных первичных преобразователей ОЭПП, В сб."Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994,т.1, ч,2, с.180—182.

10. Госьков П.И., Якунин А.Г., Тищенко А.й. Применение метода регуляризации для повышения эффективности математического моделирования интервальных оценок с использованием Е-слоев.

Б сб."Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994,тЛ, ч,2, с,183,