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

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСПЕЙ ШКОЛЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСЗДАРСТВЕШйй ТЕХНИЧЕСКИЙ 5НИВЕРСИТЕТ им.й.И.ПОЛЗННОВА

Р Г Б ОД

На правах рукописи НДК 531.717

Тищенко Андрей Иванович

Особенности разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов

Специальность:

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандитата технических наук.

Барнаул, 1994.

ГОСЗДАРСТВЕННИ КОШЕТ ПО ВЙС1ЕЙ 8КОЛЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИЙ

ПИТЙЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗНЙВЕРСЙТЕТ им.И.Й.ПОЛЗУНОВй

На правах рдкописи УДК 531.717.

Тищенко Андрей Иванович

Особенности разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов

Специальность:

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

Автореферат Диссертации на соискание дченой степени кандитата технических наук.

Еарнздл, 1994.

Работа выполнена в йлтайскок Государственной техническом университете ив.И.И.Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, действительный член И8 РФ Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, действительный член Ий № Горбов М.М.

канд.технических наук Грозов В.й.

Ведущая организаций: Барнаульское опытно-конструкторское бшро автоматики НПО "Химавтоматика"

Защита диссертации состоится________________на заседании

специализированного совета К 004,29.01, действувщего при Алтайском Государственном техническом университете им.И.Й.Ползунова. по адресу: 650099, Барнаул, пр.Ленина, 40.

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

Автореферат разослан 28 ноября 1994 г.

Нченый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор Заматин В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблены.

Высокий уровень развития сельского хозяйства характеризуется повыаениеи качества продукции на всех этапах ее переработки, юпример, семенного материала. Доброкачественность снпцчих пище-зых продуктов в конечном счете определяется однородность® массы I, в значительной степени, цветом и размерами отдельных частиц. }т приборов контроля и сортировки, их функциональных возможностей которых во многом зависит качество сельхозпродукции. Одним из адов подобных приборов являвтся фотоэлектронные сепараторы.

Фотоэлектронное сепарирование сыпучих продуктов по цвету цзименяется при производстве сельхозпродукции около полувека. Оно ¡аклвчается в обнаружении частиц, отличавшихся по цвету от этало-¡а, и повтучном их извлечении. К настояцему времени в конструк-¡иях фотозлектронннх сепараторов используатся новейаие достиже-[ня электроники, микропроцессорной техники, область применения их 1аспространилась практически на все сыпучие продовольственные [родукты, вклшчая замороженные ягоды, овощи, фрукты, но принцип .ействия остался прежним: сепарируемый продукт подается поштучно зону контроля, где происходит сравнение его цвета с эталоном.

В мировой практике применение и производство фотозлектрон-нх сепараторов растет. Расвиряется и перечень фирм, выпускавших то оборудование. Например, в 1995 г планируется начало серийно-о выпуска первого отечественного сепаратора СРФ-5. При практи-еской реализации разработчики разных фирн используат различные ехнические ревения, имеищие свои преимущества и недостатки.

Несмотря на растущее применение фотоэлектронных сепараторов ¡и» контроле и сортировке готовой продукции, область их применена нельзя не считать ограниченной, что во многом связано с не-зстаточными возмоаностями используемых первичных измерительных зеобразователей.

При работе с зерновыми культурами задачи сортировки продук-1И по форме и размерам традиционно вставт на всех этапах зер-зобработки, однако традиционно реваатся другими средствами, что з позволяет радикально повысить качество.сортируемой продукции.

В результате низков качество семенного материала обуславливает низкую 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 соответствуют общему уровни развития техники. Разделение продукции только по одному критерии - б данном случае цвету - не является достаточно надежным. Например, при сортировке риса в готовую продукции попадает все дробленое зерно, подходящее по цвету, что снихает общее качество сортировки. Опять-таки следствием однокритериальной сортировки является то, что в отходы попадает и большое количество кондиционных зерен (пропорция в лучнем 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 ищи злементнув базу - ино~ гоэлекентные фотоприемники, требуются существенно иные алгоритмы обработки первичной информации с фотоприеиника, поскольку резко возраставт обьемы входной информации, при многокритериальной обработке встает задача распознавания и классификации исследуемых обьектов.

Р.налогичные задачи возникают 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 значительную вариации размеров, формы или массы). Особое внимание долано уделяться быстродействию системы принятия решений, от которого напрямую зависит эффективность сепаратора. Однако для фотоэлектронных сепараторов все эти вопросы практически не проработаны.

Цель работы.

Настоящая работа. посвзцена разработке первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов, методов теоретической и экспериментальной оценки их количественных и качественных характеристик, а также разработке и внедрешш на основе проведенных исследований действущих макетов и стендов, ре-иавщих задачу сортировки зерновой продукции.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- провести исследование основных параметров объектов. подлежащих сортировке, выполнить классификации объектов на основании их количественных параметров:

- выбрать методы определения основных параметров контролируемых объектов и реализдщие их первичные измерительные преобразователи. пригодные для работы в фотоэлектронной сепараторе:

- разработать модели сигналов в фотоэлектронном сепараторе и последовательность их преобразования в параметры контролируемого объекта;

- разработать алгоритм, пригодный для быстрого определения параметров контролируемого объекта и его классификации для после-дувщего принятия ревения:

- разработать и создать действрщие образцы фотоэлектронных сепараторов, провести оценку их количественных и качественных характеристик в зависимости от используемого типа первичного измерительного преобразователя;

- определить основные пдти совершенствования сепараторов, разработать конкретные схемотехнические и алгоритмические решения, направленные на улучиение технико-экономических показателей сепараторов.

Научная новизна работы

Реаение поставленных задач определило научнув новизну данной диссертационной работы, которя заключается в следующем:

1. Выполнена.классификация сепараторов и показано, что наиболее полно функциональные возможности и ряд других характеристик сепараторов отражает классификация, в основу которой полояе-ны типы первичных измерительных преобразователей, информация с

которых позволяет производить сортировку продукции.

2. Разработана модель сигнала ниогозяоментного матричного фотоприемника, позволявшая привести расчет потенциальной точности определения геометрических параметров для выбранного типа первичного измерительного преобразователя.

3. Разработаны методы и алгоритмы быстрого определения гео метрических параметров (размер», форма, ориентация) обьекта ка основе выходного сигнала »иогоэлелеятного фотоярнекника,

4. Разработана метода классификации обьектов, подяевацих сортировке, аа основе автоматического. формирования кластеров в пространство признаков обьоктоз.

5. Теоретически рассмотрен и практически реализован многокритериальный подход к разделение ззрковых на фракции, когда для классификации контролируемых объектов использзвтся аосколъкс па раметров объекта,

Практическая ценность работы. ~

1, Разработанные в диссертации - метпдк определения формы., по лоаениа, ориентации объектов с помощь» ш;сгозлгигнткшс матричных ФотояриейНйков могут быть использованы в аналогичных задачах, не связанных с сепарирование» зернопроддктор - наприяер, в маииное-троеннй я робототехнике.

2, Разработанные в диссертации методы оценки погревности первичная изхармтелышх преобразователей, применяемых для контроля размеров, формы и ориентации (произвольной) обьектов, пригодны для любого типа многоэлементного матричного фотоприемника.

3, Реализованнве конструкции фотоэлектронных сепараторов обладает широкими функциональными возноаиоетямн при сортировке различных видов зерновой продукции, что позволяет использовать их в задачах зерноводства, семеноводства, селекции растений, а также при сортировке зерновой продукции для потребительских целей.

Методы исследования, примененные в работе.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать реяенив поставленных задач. На всех основных этапах работа проводилось сопоставление с экспериментальными данными результатов, полученных либо теоретическим путем, либо математическим мо-

датирование*.

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 зерна определялись для партий из 1000 татук с последующей статистической обработкой.

Электряческий сигнал с выхода многоэленентных фотоприемников обрабатывался с помощью 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя и вводился в ЗВИ для последущей обработки. Поскольку при описания вумов нногозлементных фотоприемников не всегда выполнятся статистические закономерности (например, при увеличении числа внборок среднее значение не стремится к какой-либо константе], обработка сигнала и оценка погреиностей измерения велись в модели Е-слоев.

При отработке методов автоматического формирования кластеров признаков объектов я задач распознавания проводилась статистическая обработка партий зерна, делалось приближенное формирование кластеров на основе корреляции признаков.

Основняе модели сигналов и алгоритма 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 мля.руб (в ценах 1991г).

Разработанные и изготовленные с участием автора фотоэлектронные сепаратора были внедрены в НПК "Зернышко" (г.Барнаул).

"Предложенные в диссертации принципы разработки первичных измерительных преобразователей для фотоэлектронных сепараторов, методы расчета их метрологических характеристик, а такяе реаяизуа-цие их программные средства используются в учебном процессе Алтайского Государственного Технического Зниверситета им.И.Й.Поя-зунова в курсе "Информационные измерительные системы".

Апробация работы.

Основнне яолояения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуядались на научно-технических семинарах кафедры

"Информационные технологии" АлтГТУ, а также на следующих всесоюзных и международных конференциях и совещаниях:

- Всесоюзное совещание 'Координатно-Чувствительные фотоприемникм и оптикозлектронные устройства на их основе', Барнаул, 1981,

- Всесоюзная конференция 'Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов'. Барнаул, 1382.

- Бсесовзное совещание 'Координатно-чувствительные фотоприемники и оптикозлектронные устройства на их основе'. Барнаул, 1989.

- Международная конференция 'Датчики электрических и незлектри-ческих 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 защиту выносятся следуищие положения диссертации:

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

2. Модель выходного сигнала ыногоэлементного матричного фотоприемника, позволяющая априорно получить реалистическув оценку точностных характеристик первичного измерительного преобразователя для фотозлектронного сепаратора. Данная оценка может быть получена с помощью модели Е-слоя, в которую дополнительно введена погрешность расположения отдельных элементов - г-неопределенность.

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

4. Практические разработки первичных измерительных преобразователей и фотоэлектронных сепараторов на их основе.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунков, 1 таблиц, список литературы из 132 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РЙБОТН.

Б первой главе дана характеристика существущих 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 пищевнх продуктов. Рассмотрены основные типы первичных измерительных преобразователей и показано, что возмояности 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 многоэлементных фотоприемников может существенно улучшить количественные и качественные показатели фотоэлектронных сепараторов.

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

Однако при применении в фотоэлектронных сепараторах многоз-лементных матричных фотоприемников возникает ряд проблем, часть из которых специфична для данного применения, а часть характерна вообще для лябых применений многозлементных фотоприемников, Йоя-но выделить следувщие проблемы:

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

- теоретический расчет и практическое определение погрешностей измерения геометрических параметров обьекта для первичных измерительных преобразователей с матричным фотоприемником;

- многокритериальная классификация контролируемого обьекта, а такае построение системы критериев для классификации подверхен-

них значительной изменчивости объектов;

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

В связи с этим далее в первой главе рассмотрены методы и средства измерения основных геометрических параметров объектов, которые прииенявтея в системах на базе многоэлементных 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 б 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-объектов по нескольким критериям, и возможности их алгоритмического представления для практической реализации на ЭВМ или микропроцессорной системе.

В заключение главы на основе анализа существующего полоае-ния дел в области многозлекентных фотопрнекников 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 сигналом для работы первичных измерительных преобразователей фотоэлектронного сепаратора'является оптический, поэтому сначала рассмотрена модель оптического сигнала, отраженнно-го от исследуемого объекта. В 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

запыления/очистки оптической системы. Для исследуемого обьекта введена функция спектральной зависимости коэффициента отрааения. При использовании нескольких фотоприемников, работающих 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 отрааения исследуемого обьекта и т.д. Показано, что при использовании метода Е-слоя возмонно единое описание различных составлявших погренностей выходного сигнала. Выбрана оптимальная конфигурация оптической системы для канала определения цвета обьекта. Приведена методика выбора опти-«адьного для данного круга задач числа спектральных диапазонов канала определения цвета. Рассмотрены возможное 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 можно варьировать ширину перехода свет-тень, что является оптимальным для последующего алгоритма выделения количественных параметров обьекта. Кроме того, в этом случае изобрааение практически не зависит от оптических параметров поверхности контролируемого обьекта.

Далее разработана модель выходного сигнала многоэлеыентного матричного фотоприенника, учитывавшая отличия реального фотоприемника от идеального: наличие временного и геометрического шумов темнового тока, нелинейной чувствительности, отклонения положения отдельных фотоячеек от идеальной сетки. Приведены методики, пригодные для экспериментального определения этих параметров. По-' казано, что все вида погрешностей выходного сигнала могут быть описаны моделью Е-слоя, которая может бить дополнена 2. - погрешность!!, возникающей за счет первых моментов функций чувствительности отдельных элементов.

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

Характеристика исследуемого обьекта с помощью нескольких параметров усложняет задачу классификации зтого обьекта. Поскольку для фотоэлектронных сепараторов время принятия реаения является критичным, разработаны методы, пригодные для быстрой классификации обьекта по нескольким критериям. Множество обьектов заданного типа описывается набором кластеров (возможно, перекрывающихся5 достаточно простой формы - например, эллипсоидов. Б 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;

;е<Ш*СХ1-Х0П)2 < 1

где - величина, обратная полуоси эллипсоида по I - координате, 1X1> - набор параметров, характеризующий обьект, (Хо1) - положение центра зллйпсоида 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 является формирование множества, соответствующего обьектам заданного типа, и разбиение его на элементарные кластеры. Если обьект ха-

рактеризуется более чек тремя параметрами, то априорно (или теоретически) невозможно задать форму мнозества, т.к. невознозно использовать привычные геометрические представления обьектов. Поэтому мнощества для обьектов каядого типа должны Формироваться автоматически на основе проведения пробных измерений реальннх партий обьектов (калибровка прибора). Рассмотрены методы автоматического формирования кластеров и связывания их с различными классами обьектов. '

В заклвчение главы приведена классификация фотоэлектронных сепараторов на основе информационных критериев. Показано, что возможности сепаратора основываются на типе первичного измерительного преобразователя и алгоритме последушщей обработки информации с его выхода. Если первичный измерительный преобразователь характеризует обьект только по одному критерии, то при классифи-. кации обьекта (отнесении его к тому или иному классу) возможно достаточно большое количество ошибок. При многокритериальной классификации ее точность моает быть'существенно повывена,

В третьей главе проведено комплексное моделирование работы фотоэлектронных сепараторов на ЗВЙ, 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, леяащие в экспериментально определенных границах.

Моделирование оптической схемы и спектральных характеристик фотоэлектронных сепараторов позволило рассчитать спектральные и энергетические параметра 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 объектов 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 размером источника. Более существенным недостатком ламп накаливания является зависимость спектра излучения от питающего . напряжения и подверженность вибрационным помехам. Люминесцентные источники света обладает больней стабильностью спектра, однако могут хором создавать только диффузное освещение. Газоразрядные источники света в наибольшей степени подходят для реализации теневого метода освещения обьекта, однако имеют резко выраженный линейчатый спектр излучения, ограничивавший возможности систем точного определения цвета в тех случаях, когда необходимо работать только ео вполне определенных областях спектра.

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

Моделирование сигналов с многоэлементных 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 последующем моделировании точностных характеристик системы выделения геометрических параметров объекта. -Исходными при таком моделировании были следующие параметры: размеры (по двум осям) обьекта в единицах шага элементов фотоприемника, ширина области перехода еввт-тень в тех ае" единицах, ориентация проекции обьек-

та относительно системы координат фотоприемника, . интервальные оценки (ашрина Е-слоев) для темнового тока, линейной и нелинейной чувствительности фотоприемника и средние С"идеальные") значения этих параметров. Варьировалась такяе интенсивность светового потока и ее неоднородность по сечениа светового пучка. Результатом моделирования является величина погрешности (в .единицах вага фотоприемника) определения размеров объекта различными методами. Рассчитанные значения погрешности в зависимости от изменения различных входных параметров приведены на рир.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 такт работа системы многокритериальной классификации объектов. Поскольку априорно неизвестна конфигурация кластеров для зерна различных видов, она задавалась в нескольким вариантах: выпуклые непересекающиеся кластеры кондиционного и некондиционного зерна, непересекающиеся разрывные кластеры слоеной формы, а такяе сяабопересекаяциеся кластер» кондиционных и некондиционных зерен. Входными параметрами моделирования служил набор кластеров, процентное содержание кондиционного/некондиционного зерна, а такше алгоритм построения кластеров и классификации. При моделировании генерировалась последовательность "объектов", принадлежащих тому или иному кластеру, и определялась вероятность правильного/огибочного реаения 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 являштся столь же надежными, как и алгоритмы последовательного формирования кластеров для предарителъно отсортированных ручным способом по сортам партий обьектов. только одного сорта (что на практике требует предварительной ручной сортировки). Вероятность правильной классификации при использовании различных методов составляет 90..97% в зависимости от близости

кластеров и исходной засоренности контролируемой партии зерна.

8 четвертой главе приведены_результаты исследования параметров различных вариантов фотоэлектронных сепараторов, отличающихся друг от друга первичными измерительными преобразователями и, соответственно, схемами и алгоритмами обработки информации с этих преобразователей,

С целью расширения области применения фотоэлектронных сепараторов проведено исследование спектральных характеристик и геометрических размеров различных зерновых культур: риса, рапса, ма-гара, проса, гречихи (рис.2). Спектральная зависимость коэффициента отражения позволяет для заданного типа зерна выбрать рабочие спектральные диапазоны, в которых сигналы первичных измерительных преобразователей для кондиционного и некондиционного зерна максимально отличаится друг от друга. Подобные спектры позволяет такае отличать не только кондиционное и некондиционное зерно, но и зерно различных сортов, что является исключительно ванным 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 заключалось в том, что в данном макете использовалась более совериенназ система сепарирования по цвету (использовано 5 рабочих спектральных диапазонов), что позволяет с существенно более высокой точностью наполнять классификации 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 рассматрввавтся различные варианты функциональных схем узлов подачи зерна и контроля зерна по цвету. Средняя производительность одного канала оптико-злектронного сепаратора составляет около 100 кг/час.

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

в ед. шага матрицы::

а)от величины объекта в ед. иста при разной толщине Е-сяоев ; -

б) от ориентации объекта при разной толщине Е-слоев (1,2,35;

в)от относительной величины фоновой неоднородности ^ при различной интенсивности 1,2,3 светового потока;

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

90 80 ?0 60 50 40

30 го 10

спектральным коэффициент отражения

у-^-юау.

,мкм

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 С.7 0.8 0.9 Рис.?.! Спектральная характеристика отражения излучения семени рапса

а) семя рапса <

б) дробленое семя

сяспрааышй коэффициент отраженна

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.0 0.9 Рис.2.2Спестра«ьнаа хара«е|>ксп|ае| отраженна иэаучеыка

в) крупа рисовая в) ядра риса с красной аСоючтй

£) пожелтевшие ядра И ыешеаушеные ядра

Рнс.2.3 Спектральная характеристика отражения излучения зерна нагара

а} сортовая прниесз» Б) зерно магара

зерна проса а) зерно красное в) черное зерно

Б) кремовое зерно г) зерна нешеяушеиое африканского проса

матриц. Применение именно фотодиодных матриц обусловлено их высоким быстродействием по сравнению с другими видами нногоэлемен-тных фотоприекнкков. Видеосигнал с выхода матриц вводился в ЗВМ для последувщей обработки и определения геометрических параметров, В оптической схеме стенда применялся теневой метод с возмов-ностьш регулировки 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 (яирина области перехода свет-тень составляет 1.5..2.5 единиц вага матрицы) обеспечивается минимальная погрешность определения размеров, равная О Л ..0.9 мага дискретизации в зависимости от формы и ориентации зерна и параметров фотоприемника. При шаге матриц 100 ., 200 мкм 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 йногокритериальнуи сортировку зерна. В данной модели контролируется как цвет, так и геометрические параметры обьекта. Для совмещения метода теневой проекции, используемого для работы ыногоз-лементного матричного фотоприемника, с каналом определения цвета, использовалась оптическая схема, приведенная на рис.З. 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 классифицирущаа информация по видам и качеству зерна задается программно, она мояет храниться н корректироваться в течение произвольного времени, от-слевивая, например, изменение сорта той или иной зерновой культуры, Вероятность правильной классификации у сепаратора подобного типа достигает 98%, что позволяет ему с высокой точностыв разделять на фракции смесь из нескольких сортов зерна. Недостатком по-

Оптическая система излучателях

Источник излучения

Оптические систе: приемников излучения

Теневая проекция исследуемого объекта

Поверхность фотоприемника

Границы апертуры излучателя

Телесный угол системы регистрации цвета

Рис, 3 Конфигурация оптической системы, позволяющая работать с теневым методом для определения размеров зерна, и с шогоспектральнъши фотоприемниками.

добного сепаратора является его сравнительно низкая производительность - до 1 кг/час, что связано с необходимостью обработки и анализа больаих обьемов информации, поступающих с многозлементно-го фотоприеыника. Однако для многих задач сельского хозяйства такая скорость работы автономного прибора вполне достаточна, кроме того, при использовании соответствующей.элементной базы электроники она может быть существенно повьшена.

Б заклвчении диссертации сформулированы основные результаты работы и выводы, а такае сформулированы проблемы, требукщие дальнейшего ревения,

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

. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

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

2. Разработана модель электрического сигнала многоэлементного фотоприемника, применяемого в качестве первичного измерительного преобразователя фотоэлектронного сепаратора, выделены основные источники погрешности подобного преобразователя.

3. Разработана методика быстрого определения геометрических параметров обьекта но выходному сигналу многоэлементного фотоп-риенника, проведена оценка потенциальной точности определения этих параметров с использованием методов Е-слоя и г-погрешности.

4. На основании рассмотренных моделей и методик разработан алгоритм обработки сигналов, позволяющий проводить многокритериальную классификации контролируемых обьектов

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

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

6. Разработан, создан и внедрен ряд Фотоэлектронных сепараторов, позволявших решать задачи многокритериальной сортировки зерновой продукции с более высокими количественными и качественными параметрами, чем g 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 C.B., Бушуев А.Н., Тищенко AJÍ. Автономный источник питания для контрольно-измерительных устройств. В сб. 'Координатно-чувствительные фотоприемники и оптикоэлектрон-ные устройства на их основе. чЛ., с,Ш, Барнаул, 1381.

2. Масленноков C.B., Будуев fi.П., Тищенко fi.И. Логарифмический делитель напряжений. В сб. 'Координатно-чувствительные фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе'. ч.П., с Л 33. Барнаул, 1901.

3. Тищенко А.И., Зфимцев А.В. Генератор одиночных импульсов, ' В сб. 'Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов'. ч.Ш., с.29. Барнаул, 1982. ч.П., с.217. Барнаул, 1934.

4. Гуляев П.В., Тищенко А.й, Стенд для экспериментального макетирования динамических процессов и определения их скоростных характеристик. В сб. 'Координатно-чувствительные фотоприемни-кк и оптикоэлектронные устройства на их основе', ч.П., с.150. Барнаул, 1939.

5. Замятин В.й., Тищенко А.й. Оптико-злектронный датчик контроля зерна. В сб. 'Датчики электрических и неэлектрических величин'. 4.I., C.1SS. Барнаул, 1993.

6. Исследование и разработка оптико-злектронного устройства сортировки семян. Отчет о научно-исследовательской работе. -Барнаул, 1994, Изд. йлт.ГТЗ. 60с, 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.168-167.

8. Якунин А.Г., Тиценко 6.И. Применение моделей Е-слоев для моделирования сигналов СЗПП. Б сб."Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994, т.1,

4.2, с.178-179.

9. Тищенко А.И. К вопросу о критерии анализа точностных характеристик оптикоэлектронных первичных преобразователей ОЗПП, В сб.. "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов". Барнаул,1994,т.1, ч.2, с.100—182.

1С. Госьков П.Й., Якунин й.Г., Тиценко й.й. Применение метода регуляризации для повышения эффективности математического моделирования интервальных оценок с использованием Е-слоев. В сб."Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов", Барнаул,1994,т.1, ч.2, с.183.