Thiết kế chế tạo mô hình phân loại xoài theo màu sắc, thể tích, khối lượng

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình phân loại xoài tự động theo màu sắc, thể tích, khối lượng, tối ưu quy trình xử lý nông sản sau thu

• Người hướng dẫn: Nguyễn Trường Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phân loại xoài bằng màu sắc, thể tích và khối lượng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân loại xoài bằng màu sắc thể tích và khối lượng

Phân loại xoài bằng màu sắc, thể tích và khối lượng là giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. Phương pháp này sử dụng các cảm biến quang học, cảm biến khối lượng và hệ thống xử lý ảnh để đánh giá chất lượng xoài. Ưu điểm vượt trội của hệ thống là độ chính xác cao, tự động hóa toàn bộ quy trình, giảm thiểu sai sót do yếu tố con người. Tại Việt Nam, nhu cầu phân loại xoài theo tiêu chuẩn xuất khẩu ngày càng tăng, đặc biệt khi xoài là mặt hàng nông sản chủ lực. Hệ thống này không chỉ áp dụng cho xoài mà còn có thể mở rộng sang các loại trái cây khác như bơ, cam, chanh. Nhiều nghiên cứu quốc tế đã chứng minh hiệu quả vượt trội của phương pháp phân loại đa tiêu chí này trong nông nghiệp hiện đại.

1.1. Tầm quan trọng của phân loại xoài trong nông nghiệp

Phân loại xoài đóng vai trò then chốt trong chuỗi giá trị nông sản. Việc phân loại theo màu sắc, thể tích và khối lượng giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu. Theo nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, sản phẩm được phân loại tốt có giá trị thương mại cao hơn 30% so với sản phẩm không được phân loại. Tại Việt Nam, xoài là mặt hàng xuất khẩu chủ lực, chiếm tỷ trọng lớn trong kim ngạch xuất khẩu nông sản. Hệ thống phân loại tự động giúp loại bỏ xoài kém chất lượng, tăng tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn. Ngoài ra, phân loại còn hỗ trợ quản lý tồn kho hiệu quả, giảm lãng phí trong quá trình vận chuyển.

1.2. Hiện trạng ứng dụng công nghệ phân loại xoài

Hiện nay, nhiều hệ thống phân loại xoài trên thế giới đã được ứng dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, hầu hết các doanh nghiệp vẫn sử dụng phương pháp thủ công hoặc bán tự động. Một số hệ thống tiên tiến như UNISORTING s.4 (Ý) kết hợp cảm biến khối lượng, kích thước và màu sắc, đạt năng suất lên tới 10 tấn/giờ. Tại Trung Quốc, hệ thống phân loại theo khối lượng sử dụng Loadcell đạt độ chính xác cao. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu lớn, đòi hỏi nguồn nhân lực có chuyên môn cao. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo mô hình phân loại xoài đa tiêu chí còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào phân loại theo kích thước hoặc khối lượng đơn lẻ.

II. Phân tích các vấn đề trong phân loại xoài truyền thống

Phân loại xoài theo phương pháp truyền thống gặp nhiều hạn chế về độ chính xác và hiệu suất. Hệ thống thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của công nhân, dẫn đến sai sót do yếu tố chủ quan. Phương pháp bán tự động như băng tải phân loại theo kích thước chỉ đánh giá được một tiêu chí duy nhất, bỏ qua yếu tố khối lượng và màu sắc. Điều này dẫn đến tình trạng phân loại không đồng đều, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, hệ thống truyền thống tiêu tốn nhiều thời gian và nhân lực, không phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Theo thống kê, tỷ lệ xoài đạt chuẩn xuất khẩu tại Việt Nam chỉ đạt khoảng 60-70%, thấp hơn nhiều so với các nước tiên tiến. Sự thiếu hụt công nghệ phân loại đa tiêu chí là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này.

2.1. Hạn chế của phương pháp phân loại thủ công

Phân loại xoài bằng phương pháp thủ công gặp nhiều bất cập về chất lượng và hiệu suất. Công nhân phải quan sát và đánh giá bằng mắt thường, dẫn đến sai sót không đáng có. Theo nghiên cứu, tỷ lệ sai sót trong phân loại thủ công lên tới 15-20%, đặc biệt khi khối lượng công việc lớn. Phương pháp này cũng tiêu tốn nhiều thời gian, không phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Ngoài ra, việc phụ thuộc vào kinh nghiệm của công nhân khiến chất lượng sản phẩm không đồng đều, ảnh hưởng đến uy tín thương hiệu. Tại Việt Nam, hầu hết các doanh nghiệp xuất khẩu xoài vẫn sử dụng phương pháp thủ công do chi phí đầu tư công nghệ cao.

2.2. Bất cập của hệ thống phân loại bán tự động

Hệ thống phân loại bán tự động chỉ đánh giá được một tiêu chí duy nhất, thường là kích thước hoặc khối lượng. Điều này dẫn đến tình trạng phân loại không toàn diện, bỏ qua các yếu tố quan trọng như màu sắc và độ chín. Theo khảo sát, 80% hệ thống phân loại xoài tại Việt Nam chỉ sử dụng băng tải đơn lẻ, không tích hợp cảm biến đa tiêu chí. Hệ thống này không thể phân loại xoài theo tiêu chuẩn xuất khẩu, dẫn đến tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn thấp. Ngoài ra, hệ thống bán tự động tiêu tốn nhiều nhân lực, chi phí vận hành cao. Việc thiếu tích hợp công nghệ xử lý ảnh khiến hệ thống không thể đánh giá chính xác màu sắc và chất lượng xoài.

III. Giải pháp thiết kế mô hình phân loại xoài đa tiêu chí

Mô hình phân loại xoài bằng màu sắc, thể tích và khối lượng được thiết kế nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp truyền thống. Hệ thống sử dụng cảm biến Loadcell để đo khối lượng, cảm biến siêu âm để đo thể tích, và camera RGB để đánh giá màu sắc. Dữ liệu từ các cảm biến được xử lý bằng vi điều khiển Arduino và Raspberry Pi, sau đó được phân loại theo thuật toán học máy đơn giản. Kết quả phân loại được hiển thị trên màn hình LCD và xuất ra file Excel để lưu trữ. Hệ thống có thể điều chỉnh tốc độ băng tải theo nhu cầu sản xuất, đảm bảo độ chính xác cao. Theo thử nghiệm, mô hình đạt độ chính xác 95% trong phân loại xoài theo tiêu chuẩn xuất khẩu.

3.1. Thiết kế cơ cấu phân loại theo khối lượng

Cơ cấu phân loại theo khối lượng sử dụng Loadcell để đo khối lượng xoài khi di chuyển trên băng tải. Loadcell được lắp đặt dưới băng tải, kết nối với vi điều khiển Arduino để xử lý tín hiệu. Khi xoài di chuyển qua vị trí cân, Loadcell ghi nhận khối lượng và truyền dữ liệu đến bộ xử lý. Hệ thống có thể điều chỉnh tốc độ băng tải để đảm bảo độ chính xác. Theo thử nghiệm, tốc độ tối ưu là 58,6 mm/s, cho phép đo khối lượng chính xác với sai số dưới 2%. Hệ thống có thể phân loại xoài thành nhiều nhóm khối lượng khác nhau, đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu.

3.2. Tích hợp cảm biến đo thể tích và màu sắc

Cảm biến siêu âm được sử dụng để đo thể tích xoài khi di chuyển trên băng tải. Dữ liệu thể tích kết hợp với khối lượng cho phép tính toán mật độ, hỗ trợ phân loại chính xác hơn. Camera RGB gắn phía trên băng tải chụp ảnh xoài, xử lý bằng thuật toán OpenCV để đánh giá màu sắc và độ chín. Hệ thống có thể phân loại xoài theo 3 tiêu chí: khối lượng, thể tích và màu sắc. Theo thử nghiệm, mô hình đạt độ chính xác 95% trong phân loại xoài theo tiêu chuẩn xuất khẩu. Hệ thống cũng có thể tích hợp cảm biến hồng ngoại để đánh giá độ chín của xoài.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của mô hình

Mô hình phân loại xoài bằng màu sắc, thể tích và khối lượng đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với phương pháp truyền thống. Hệ thống đạt độ chính xác 95%, giảm thiểu sai sót do yếu tố con người. Mô hình có thể tích hợp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tại Việt Nam, mô hình có thể áp dụng trong các doanh nghiệp xuất khẩu xoài, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra, hệ thống còn có thể mở rộng sang các loại trái cây khác như bơ, cam, chanh. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này đóng góp quan trọng vào sự phát triển của nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả mô hình nghiên cứu

Mô hình phân loại xoài đa tiêu chí đạt độ chính xác 95% trong thử nghiệm, vượt trội so với phương pháp truyền thống (60-70%). Hệ thống giảm thiểu sai sót do yếu tố con người, nâng cao chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, việc áp dụng mô hình có thể tăng giá trị thương mại của xoài xuất khẩu lên 20-30%. Hệ thống cũng tiết kiệm thời gian và nhân lực, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Ngoài ra, mô hình có thể tích hợp vào các dây chuyền sản xuất hiện có, nâng cao năng suất và chất lượng.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp

Mô hình phân loại xoài đa tiêu chí có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam. Hệ thống có thể áp dụng trong các doanh nghiệp xuất khẩu xoài, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra, mô hình còn có thể mở rộng sang các loại trái cây khác như bơ, cam, chanh. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tăng sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế. Theo dự báo, nhu cầu về hệ thống phân loại tự động trong nông nghiệp sẽ tăng mạnh trong những năm tới, mở ra cơ hội phát triển cho ngành nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về xoài Xoài có tên khoa học Mangifera indica, thuộc họ Anacardiaceae. Cây có thể cao 40 m, nhưng thông thường khoảng 10-15m, có tán lớn và có thể sống đến 100 năm. Xoài trồng từ hột sau 6-8 năm sẽ cho trái, cây thấp chỉ sau trồng 3-5 năm là cho trái, quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng Vitamin B, C chiếm từu 2-3 %, đường chiếm 20% (là loại đường đơn hấp thụ hoàn toàn), Axitsitric, Caroten (tiền sinh tốc A) 15%. Quả chứa nhiều Catoren và vitamin B1, B2 và C, hạch quả chứa nhiều tinh bột, dầu và tanin.

Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO, 1976): nước 86,5g; glucid 15,9g; protein 0,6g; lipid 0,3g; tro 0,6g; các chất khoáng: Ca 10mg, P 15mg, Fe 0,3mg; các Vitamin: 1880 microgam; B1 0,06mg; C 36 mg; cung cấp 62 Calo, 48% như cầu vitamin A mỗi ngày. Rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, da và thị lực, 46% nhu cầu vitamin C. Quả xoài xanh thái mỏng phơi khô hoặc sây khô là nguồn Vitamin C thiên nhiên dồi dào. Đồng thời ăn xoài cũng giúp tăng cường sức đề kháng, chống viêm, bổ não, ngừa ung thư, giảm béo… Trước những lợi ích trên cho thầy Xoài là một loại trái cây rất hữu ích không nhưng có giá trị dinh dưỡng cao mà còn cả về giá trị kinh tế.

Việt Nam là nước xuất khẩu xoài đứng thứ 13 thế giới 780. Qua đó cho thấy xuất khẩu Xoài là một tỏn những ngành mũi nhọn cần tập trung đầu tư và phát triển hơn nữa.2 Tính cấp thiết của đề tài Đồng Tháp là tỉnh có diện tích trồng xoài nhiều nhất Đồng bằng sông Cửu Long với 9. Trong đó, diện tích trồng xoài cát Hòa Lộc chiếm 30% trong tổng diện tích trồng xoài của tỉnh Đồng Tháp. Nông dân trồng xoài có nhiều kinh nghiệm sản xuất, ứng dụng thành công kỹ thuật xử lý ra hoa trái vụ vì thế mùa vụ thu hoạch xoài là quanh năm.

Tuy nhiên, việc đầu tư thực hiện phân loại nguyên liệu các loại là rất lớn, khoảng 100 tỉ đồng/năm (một người phân loại xoài thành phẩm khoảng từ 40 - 80 ký/ngày tương đương khoảng 100. Ngoài số lượng nhân công rất lớn để phân loại số lượng xoài trên là 2750 nhân công/năm thì sự ảnh hưởng về sức khỏe con người khi phân loại xoài là không tránh khỏi. Quá trình khảo sát và tiếp cận một số hệ thống phân loại nông sản thì hệ TRANG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thống phân loại xoài trên thị trường là chưa có tại Việt Nam. Khảo sát các hộ nông dân trồng trọt và cơ sở sản xuất xoài thành phẩm tại các địa phương đều cho thấy việc phân loại xoài là thủ công do người lao động dùng tay để phân loại.

Vì vậy đạt năng suất thấp, tăng chi phí. Khảo sát một số loại hệ thống phân loại nông sản tự động hay bán tự động đang sử dụng hiện nay có thể thiết kế và chế tạo thành hệ thống phân loại xoài. Do yêu cầu của thị trường và người sử dụng nên mô hình hệ thống phân loại xoài được nghiên cứu thiết kế và chế tạo.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Nghiên cứu ứng dụng các máy móc kỹ thuật cao vào các quy trình sản xuất nông sản thực phẩm một mặt giảm sức lao động con người, giảm giá thành, mặc khác còn đáp ứng những tiêu chuẩn cao về an toàn vệ sinh thực phẩm trong chế biến ở các thị trường khó tính đòi hỏi chất lượng cao. Công việc phân loại và đóng gói sản phẩm đòi hỏi tốc độ đáp ứng cao và độ ổn định của thiết bị.

Công đoạn này cần rất nhiều nhân công làm tăng chi phí sản xuất. Sử dụng hệ thống phân loại thông minh làm giảm chi phí sản xuất, giảm chi phí nhân công, nâng cao mức độ tự động hóa cho dây chuyền sản xuất với ưu điểm là có độ ổn định cao và thời gian làm việc không giới hạn. TRANG 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1. 1: Công nhân đang phân loại xoài (Nguồn Internet) Mặc dù việc phân loại sản phẩm đã xuất hiện rất lâu trong lĩnh vực nông sản, nhưng cho đến nay vẫn chưa có một hệ thống chuyên dụng nào phục vụ riêng cho quá trình phân loại xoài.

Quá trình phân loại xoài tại Việt Nam đang được thực hiện chủ yếu bằng sức lao động trực tiếp của người nông dân nên kết quả cho năng suất thấp, chi phí cao, việc phân loại ra các loại xoài khác nhau là tương đối tốn kém về kinh tế. Việc đánh giá chất lượng quả xoài đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu, hầu hết họ đều dựa trên các đặc trưng quan trọng của quả xoài như kích thước, hình dáng, màu sắc và kết cấu bề mặt. Tuy nhiên, chất lượng bên trong vẫn chưa đáp ứng.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu phát triển hệ thống phân loại nông sản nhằm kiểm soát và đánh giá chất lượng quả xoài (theo tiêu chuẩn GAP) trước khi đưa vào đóng gói và xuất khẩu ra thị trường: rau quả được thu hoạch đúng độ chín, kích thước, hình dạng, loại bỏ các quả bị héo, bị sâu, dị dạng. Cụ thể hơn là “ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, thị giác máy tính kết hợp thuật toán cân khối lượng để nhận dạng mẫu và đánh giá chất lượng của quả xoài” nhằm tăng cường tự động hóa trong quá trình sản xuất nông nghiệp ở nước ta.

Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý ảnh, thu thập, xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh một số loại quả xoài ở Việt Nam, nghiên cứu các cách tiếp cận và kỹ thuật đánh giá chất TRANG 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP lượng quả xoài, kiểm tra bề mặt quả xoài có bị sâu, bị héo, bị xốp, quả xoài có bị biến dạng, độ chín trên quả xoài, ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, thị giác máy tính kết hợp trí thông minh nhân tạo trong bài toán phân loại quả xoài đạt hay không đạt chất lượng. Và trên hết mục tiêu chính của nhóm là thiết kế, chế tạo mô hình phân loại xoài dựa trên thị giác máy tính kết hợp thuật toán cân khối lượng với năng suất cao, gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ dàng phân loại xoài và có thể phân loại các loại nông sản khác tại Việt Nam. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quá trình sản xuất nông sản ở các giai đoạn phân loại hoặc đóng gói thành phẩm.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu phân loại 2 loại xoài đặc trưng là: xoài cát Hòa Lộc và xoài cát Chu. Đây là hai loại xoài được trồng phổ biến tại tỉnh Đồng Tháp.

TRANG 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2 Phạm vi nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như trên, nhóm đã tiến hành một số nội dung nghiên cứu như : Khảo sát thực trạng hoạt động phân loại xoài trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp, khảo nghiệm để xác định một số thông số cơ bản của các loại xoài, thống kê kích thước cân nặng phổ biến của giống xoài, khảo nghiệm nguyên lý phương pháp phan loại xoài khả thi nhất… Qua đó nhóm đề xuất mô hình hệ thông phân loại xoài gồm có các giai đoạn như: Xử lý màu để phân loại xoài hư tổn, tính thể tích và cân khối lượng để xác định tỉ trọng nhằm phân loại xoài theo chất lượng. Nhóm thiết kế mô hình đơn giản và hiệu quả, làm cơ sở để phát triển thành quy mô công nghiệp.6 Phương pháp tiếp cận 1.1 Cách tiếp cận TRANG 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Khảo sát cách thức phân loại xoài tại tỉnh Đồng Tháp và các địa phương khác. - Nghiên cứu tìm hiểu các hệ thống phân loại xoài đang được sử dụng hiện nay trong nước và nước ngoài. - Tìm hiểu tiêu chuẩn đánh giá và phân loại xoài ở địa phương.

- Tiến hành đánh giá phân tích các phương án phù hợp, các phương pháp ít sai số và đem lại hiệu quả cao nhất.2 Phương pháp nghiên cứu - Xác định vấn đề nghiên cứu từ đơn đặt hàng của tỉnh Đồng Tháp. - Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cũng như khảo sát phương án nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống phân loại xoài. - Xây dựng phương pháp phân loại, sắp xếp các giai đoạn phân loại cho phù hợp dựa trên các khảo sát thực tế. - Thiết kế mô hình phân loại nhằm đáp ứng mục tiêu yêu cầu đặt ra.

- Xây dựng thuật toán, phương pháp tính toán sao cho sai số thấp và hiệu quả cao. - Bắt đầu thực hiện chế tạo, đánh giá thực nghiệm 1.7 Nghiên cứu tình hình ngoài nước Hiện nay ở nhiều nước trên thế giới sản xuất nông sản đã trở thành một trong những ngành kinh tế mũi nhọn, đem lại lợi nhuận cao cho nông dân cũng như doanh nghiệp như: Mỹ, Anh, Nhật…. Để đạt được những thành công đó là sự kết hợp khoa học kĩ thuật hiện đại vào sản xuất. Việc sử dụng các loại máy móc thay thế sức người không chỉ đem lại năng suất cao, chất lượng tốt mà còn tiết kiệm chi phí cho người nông dân.

TRANG 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1. 3: Máy phân loại xoài Olimpias S.A – Hy lạp (Nguồn: Internet) Máy phân loại xoài theo kích thước của Olimias (Hình 1.3) năng suất 5-6 tấn/ giờ, hệ thống gồm cơ cấu cấp liệu dạng băng tải nghiên cuốn xoài từ bồn rửa, xoài đi qua băng tải con lăn được phân loại theo kích thước với 3 máng dẫn ứng với 3 loại kích thước khác nhau, hệ thống này có ưu điểm là đơn giản, năng suất cao nhưng chỉ phân loại theo kích thước chiều ngang của xoài, độ chính xác không cao. 4: Hệ thống phân loại xoài UNISORTING s.4 là hệ thống phân loại trái cây của công ty UNISORTING – ITALIA, hệ thống này bao gồm nhiều module phân loại theo khối lượng, kích thước, màu sắc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh để đánh giá chất lượng màu sắc, hư hỏng của quả. Hệ TRANG 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thống có thể áp dụng cho nhiều loại trái cây như táo, bơ, xoài….

Hệ thống có năng xuất lớn, phù hợp cho các vùng chuyên canh tập trung có diện tích lớn và đồng bộ. 5: Hệ thống phân loại xoài theo khối lượng (Nguồn Internet) Hình 1.5 là hệ thống phân loại xoài theo khối lượng của công ty Shijiazhuang Yishun Package Industrial CO.