Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cam là một trong những loại cây ăn quả nhiệt đới chiếm tỷ trọng sản xuất lớn trong cơ cấu nông nghiệp tại Việt Nam, mang lại nguồn thu nhập chủ lực cho nông dân tại nhiều địa phương như Nghệ An, Hòa Bình, Hà Tĩnh và Hà Giang. Riêng tại tỉnh Hà Giang, diện tích trồng cam tập trung tại ba huyện Bắc Quang, Quang Bình và Vị Xuyên từng đạt quy mô lớn với tổng sản lượng ước tính khoảng 24.000 tấn mỗi vụ (thời gian thu hoạch kéo dài từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau). Dự ước tổng sản lượng cam toàn quốc năm 2021 đạt trên 24.500 tấn.

Tuy nhiên, khâu xử lý sau thu hoạch hiện nay vẫn phụ thuộc phần lớn vào lao động thủ công. Chi phí đầu tư cho công đoạn xử lý và phân loại nguyên liệu ước tính lên tới 25 tỷ đồng mỗi năm, trong khi năng suất phân loại thủ công của một lao động chỉ đạt từ 40 đến 80 kg/ngày. Việc sơ chế thủ công không chỉ gây tốn kém nhân công mà còn khó đáp ứng yêu cầu đồng đều về chất lượng, tốc độ xử lý chậm dẫn đến nguy cơ hư hỏng và giảm giá trị thương phẩm. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM tập trung nghiên cứu, tính toán thiết kế mô hình hệ thống tích hợp công đoạn rửa và phân loại cam tự động nhằm nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động.

Nhiệm vụ và mục tiêu kỹ thuật đặt ra cho đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về quy trình xử lý trái cam sau thu hoạch, phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống rửa và phân loại nông sản hiện có trên thị trường.
  2. Lựa chọn phương án công nghệ tối ưu cho cụm máy rửa kết hợp sục khí - xịt nước áp lực và cụm phân loại tự động bằng thị giác máy tính kết hợp xích tải mang khay.
  3. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết cho hệ thống bao gồm: buồng rửa, đường ống thủy lực, hệ thống cấp khí, băng chuyền cào nghiêng, xích tải con lăn kiểm tra chất lượng, băng chuyền định tâm chữ V và xích tải phân loại.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển điện động lực và điều khiển lập trình (PLC Mitsubishi dòng Q kết hợp động cơ Servo) cùng mạch bảo vệ khí cụ điện.
  5. Xây dựng giải thuật xử lý ảnh trên nền tảng máy tính nhúng và thư viện OpenCV để xác định kích thước quả cam theo 4 cấp đường kính.
  6. Hệ thống hướng đến các chỉ tiêu kỹ thuật: năng suất làm việc đạt 500 – 700 kg/h, độ chính xác phân loại đạt từ 95% trở lên.

Đối tượng nghiên cứu là quả cam thương phẩm (Citrus sinensis), cụ thể tham chiếu các đặc tính cơ lý của giống cam sành, cam Cao Phong và cam Hà Giang (kích thước trung bình 87 x 87 x 70 mm, tỷ trọng dao động từ 859 đến 989,98 kg/m³). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D, tính chọn thiết bị cơ - điện và xây dựng thuật toán nhận diện kích thước trên không gian màu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử kết hợp phương pháp tính toán giải tích và xử lý tín hiệu số:

  • Cơ sở thủy lực và khí nén: Áp dụng phương trình tổn thất năng lượng dòng chảy Bernoulli, công thức Darcy-Weisbach để xác định tổn thất áp suất dọc đường và tổn thất cục bộ trên hệ thống đường ống dẫn nước và đường ống phân phối khí; sử dụng mô hình tia rối tự do của G.N. Abramovich để tính toán thông số miệng phun khí sục đáy bể.
  • Cơ sở tính toán máy nâng chuyển và chi tiết máy: Sử dụng lý thuyết tính toán kéo băng tải, xích tải tấm, xích tải con lăn theo giáo trình Kỹ thuật nâng chuyển; kiểm nghiệm độ bền mỏi, độ bền tĩnh của trục truyền động theo thuyết bền ứng suất tương đương; tính toán chọn ổ lăn đỡ chặn theo khả năng tải động ($C$) và tải tĩnh ($C_0$).
  • Cơ sở xử lý ảnh số và thị giác máy tính: Ứng dụng lý thuyết biến đổi không gian màu từ RGB/BGR sang không gian HSV (Hue - Saturation - Value) để phân đoạn màu sắc quả cam khỏi nền băng tải; kỹ thuyết phát hiện biên cạnh dựa trên đạo hàm bậc một (Gradient) và đạo hàm bậc hai (Laplace); kỹ thuật trích xuất bao chữ nhật (bounding box) để đo đạc kích thước hình học điểm ảnh pixel.
  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện: Phương pháp phân tích - tổng hợp so sánh ưu nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật có sẵn; phương pháp tính toán thiết kế động học và động lực học cơ cấu; phương pháp lập trình điều khiển nhúng trên máy tính đơn bo (Single-board computer) kết nối bộ điều khiển logic lập trình được (PLC).
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Dữ liệu tiêu chuẩn quốc gia TCVN 1873:2014 về phân cỡ cam quả tươi; các thông số thực nghiệm cơ lý của cam Cao Phong từ tài liệu nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn; tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các hãng chế tạo công nghiệp (Mitsubishi Electric, Dahua Technology, Grundfos, LS Industrial Systems, IDEC, Meanwell).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa liên tục từ khâu cấp liệu, rửa sạch, kiểm tra ngoại quan, định hàng cho đến khâu đo kích thước và phân loại tự động vào các máng chứa:

[Bể rửa sục khí & béc phun 3 bar] 
[Băng chuyền cào nghiêng (v = 0.05 m/s)] 
[Xích tải con lăn xoay tự do kiểm tra (v = 0.1 m/s)] 
[Băng chuyền định tâm chữ V (v = 0.2 m/s)]

Kiến trúc cơ khí và động lực học

Toàn bộ kết cấu khung máy và buồng chứa tiếp xúc với nước rửa được tính toán gia công bằng thép không gỉ Inox 304 nhằm đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Các thông số động học của từng cụm truyền động được tính toán đồng bộ theo bảng sau:

Module cơ khí Kích thước / Quy cách chính Thông số vận hành Động cơ & Tỷ số truyền Bộ phận đỡ / Phụ kiện
Buồng rửa & Hệ phun Dài 2500 mm, Rộng 800 mm, Cao 500 mm; Thể tích nước $0,307\text{ m}^3$ 35 béc BT6 (7 nhánh $\times$ 5 béc), áp suất 3 bar, lưu lượng $157,5\text{ l/phút}$ Động cơ bơm ly tâm Grundfos CRE 10-3, công suất $1,45\text{ kW}$, cột áp $31\text{ m}$ Lưới lọc cặn kích thước mắt lưới $1\text{ mm}$; Dung dịch rửa Clo $200\text{ ppm}$
Hệ thống sục khí 1 ống chính, 6 ống nhánh Inox $\phi 33,5\text{ mm}$; 90 lỗ phun ($\phi 1,2\text{ mm}$, bước $130\text{ mm}$) Vận tốc khí miệng ra $3,13\text{ m/s}$, tổng lưu lượng $0,03186\text{ m}^3/\text{s}$, áp suất tổn thất $4120,8\text{ N/m}^2$ Máy thổi khí con sò công suất hữu ích $700\text{ W}$, chuẩn bảo vệ IP54 Cánh quạt hợp kim nhôm đúc liền giảm chấn
Băng tải cào buồng rửa Tấm cào rộng $600\text{ mm}$, cao $50\text{ mm}$, bước cào $420\text{ mm}$ Vận tốc tối đa $v_{\max} = 0,05\text{ m/s}$, số răng đĩa xích $Z = 17$ Mô tơ giảm tốc công suất $0,2\text{ kW}$, $n = 1500\text{ rpm}$, tỷ số truyền $i = 160$ Trục thép C45 $\phi 40\text{ mm}$, Cụm gối đỡ mặt bích vuông UCT 208 ($C = 33,6\text{ kN}$)
Xích tải con lăn kiểm tra Con lăn PVC SS-WRP ($\phi 57\text{ mm}$, dài $600\text{ mm}$); Chiều dài băng $1000\text{ mm}$ Vận tốc tối đa $0,4\text{ m/s}$ (vận hành $0,1\text{ m/s}$); Quả cam tự xoay 4 vòng quanh tâm Mô tơ giảm tốc F3S35N80-CNM040TWCT công suất $0,4\text{ kW}$, $i = 1/120$ Trục C45 $\phi 35\text{ mm}$, Cụm gối đỡ F4B 106-EM ($C = 25,5\text{ kN}$, $C_0 = 15,3\text{ kN}$)
Băng tải định hàng chữ V Băng PVC xanh dày $2\text{ mm}$, bản rộng $80\text{ mm}$; Rulo dẫn động $\phi 100\text{ mm}$, bị động $\phi 50\text{ mm}$ Vận tốc tối đa $0,2\text{ m/s}$, lực vòng tác dụng $F_t = 500\text{ N}$ Mô tơ giảm tốc F3S20N50 công suất $0,1\text{ kW}$, $i = 1/50$ Trục C45 đường kính tối thiểu $\phi 15\text{ mm}$
Xích tải phân loại Bước xích $p = 25,4\text{ mm}$, đĩa xích $Z = 100$; Kích thước khay $100\text{ mm}$, khoảng cách $150\text{ mm}$ Vận tốc làm việc $0,5\text{ m/s}$, lực kéo bánh xích dẫn động $W_{\text{hd}} = 116,5\text{ kg}$ Động cơ giảm tốc G3FG-50-160-150WE công suất $1,5\text{ kW}$, $i = 1/160$ Trục C45 $\phi 30\text{ mm}$, Gối đỡ ổ bi 208 ($d = 40\text{ mm}$, $C = 33,6\text{ kN}$, $C_0 = 27\text{ kN}$)

Cấu trúc hệ thống điều khiển và thị giác máy tính

Hệ thống điều khiển phân tầng kết hợp giữa máy tính nhúng và PLC công nghiệp:

  • Thiết bị thu nhận hình ảnh: Camera công nghiệp DAHUA MV-a7a21mg400e (Cảm biến CMOS $1/2.5''$, độ phân giải $12\text{ MP} - 4096 \times 3072\text{ px}$, tốc độ $30\text{ FPS}$, kích thước điểm ảnh $3,2 \times 3,2\ \mu\text{m}$, tiêu cự ống kính $8\text{ mm}$, khối lượng $100\text{ g}$). Trường quan sát được cấu hình $\text{FOV} = 200 \times 200\text{ mm}$, khoảng cách làm việc từ thấu kính đến mặt băng tải được tính toán và lắp đặt cố định ở $\text{Working Distance} = 320\text{ mm}$.
  • Bộ xử lý trung gian: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 (hệ điều hành Linux) chạy chương trình xử lý ảnh viết bằng Python/OpenCV để phân đoạn ảnh, tính đường kính quả và gửi mã phân loại qua cổng giao tiếp đến PLC.
  • Bộ điều khiển lập trình (PLC): Họ PLC Mitsubishi Q-Series gồm: Module nguồn Q62P ($220\text{VAC}$), CPU Q03UDE, Module ngõ vào số QX40 ($24\text{VDC}$, 16 ngõ vào kiểu sourcing), Module ngõ ra số QY40P ($24\text{VDC}$, 16 ngõ ra), và Module điều khiển vị trí chuyển động chuyên dụng QD75MH4.
  • Cơ cấu chấp hành phân loại: 4 Động cơ Servo Mitsubishi HG-SR524 ($0,5\text{ kW}$, $400\text{VAC}$, moment xoắn định mức $2,4\text{ Nm}$, tốc độ định mức $2000\text{ rpm}$, dòng định mức $1,4\text{ A}$) kết hợp 4 bộ Driver Servo Mitsubishi MR-J4-60B4 ($0,6\text{ kW}$, giao tiếp quang tốc độ cao SSCNET III/H) thực hiện tác vụ gạt khay xả cam xuống 4 máng phân loại.
  • Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ: Biến tần Mitsubishi FR-D740-0.4kW (máy rửa), FR-D740-0.75kW (băng tải con lăn và chữ V) và FR-D740-3.7kW (xích tải phân loại). Mạch nguồn và động lực được bảo vệ bởi các Aptomat MCB Mitsubishi BH-D6, Contactor LS MC-6a và rơ le nhiệt LS MT-12 ($4-6\text{ A}$).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày bối cảnh kinh tế - xã hội của ngành sản xuất cam tại Việt Nam, phân tích các chỉ tiêu sinh hóa và dinh dưỡng của trái cam (hàm lượng vitamin C, kali, chất xơ hòa tan, hợp chất liminoid). Tác giả hệ thống hóa quy trình cơ bản trong sản xuất chế biến nông sản gồm các bước: ngâm rửa, chọn lựa, phân loại, đóng gói và bảo quản.

Chương này cũng tiến hành khảo sát, tổng hợp thông số kỹ thuật của các dòng máy thương mại hiện có trên thị trường:

  • Máy rửa: Máy rửa lô quay chà vỏ Đông Nam MR-1500S ($1,8\text{ kW}$, năng suất $160-240\text{ kg/h}$), Máy rửa lồng xoay Bình Minh MR01 ($1,5\text{ kW}$, $500-700\text{ kg/h}$), và Máy rửa sục khí - xịt tia nước áp lực Phú Thịnh GY-QP-2500 ($0,35\text{ kW}$, $500-700\text{ kg/h}$).
  • Máy phân loại: Máy phân loại dây đai SJ-500s ($0,75\text{ kW}$, $300-1000\text{ kg/h}$), Máy phân loại tang trống đục lỗ Turbo TBP750 ($0,75\text{ kW}$, $500-1000\text{ kg/h}$), và Máy phân loại cân điện tử xích tải YSXS-38-7-50 ($0,37\text{ kW}$, $500-1000\text{ kg/h}$).

Dựa trên cơ sở khảo sát, đề tài xác lập đầu bài thiết kế: năng suất hệ thống đạt $500 - 700\text{ kg/h}$ và độ chính xác phân loại tối thiểu $95%$.

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Tác giả phân tích, lập bảng so sánh ưu nhược điểm giữa các nguyên lý cơ cấu để lựa chọn phương án tối ưu:

  1. Kiểu máy rửa: So sánh máy rửa băng chuyền, máy rửa thổi khí, máy rửa cánh đảo và máy rửa kiểu sàng. Lựa chọn máy rửa băng chuyền kết hợp sục khí đáy và béc xịt áp lực cao nhờ ưu điểm làm sạch đa dạng bề mặt, giữ quả không bị dập nát, tiết kiệm nước qua bể lắng tuần hoàn.
  2. Loại bơm thủy lực: So sánh bơm ly tâm, bơm hướng trục, bơm piston và bơm bánh răng. Lựa chọn bơm ly tâm do đặc tính tạo áp lực cao, lưu lượng ổn định, kết cấu nhỏ gọn.
  3. Loại máy thổi khí: So sánh máy thổi khí con sò, máy sục khí chìm và máy thổi khí Roots. Lựa chọn máy thổi khí con sò do có độ bền cao, tích hợp bộ giảm thanh, vận hành êm ái, đạt chuẩn bảo vệ IP54.
  4. Kiểu máy phân loại: So sánh máy phân loại đai, tang trống đục lỗ và băng tải xích. Lựa chọn máy phân loại băng tải xích kết hợp camera và PLC do khả năng phân loại linh hoạt, không gây kẹt quả và dễ dàng mở rộng tiêu chí phân loại bằng phần mềm.
  5. Camera thu nhận ảnh: So sánh camera 2D và camera 3D. Lựa chọn camera công nghiệp 2D do tốc độ chụp cao ($30\text{ FPS}$), chi phí hợp lý và đáp ứng đầy đủ yêu cầu bài toán đo kích thước 2 chiều.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chương 3 là phần trọng tâm tính toán kết cấu cơ khí chi tiết cho từng cụm máy:

  • Tính toán kích thước buồng rửa: Dựa vào năng suất $Q = 700\text{ kg/h}$ và thời gian ngâm rửa tối đa $t = 6\text{ phút}$, tính ra khối lượng cam lưu lại trong buồng rửa $G_{\text{vật}} = 70\text{ kg}$. Với mật độ $q = 300\text{ kg/m}^3$ và hệ số nạp liệu $\eta = 0,23$, thể tích bồn rửa yêu cầu là $V = 0,307\text{ m}^3$. Chọn kích thước buồng rửa: $L \times B \times H = 2500 \times 800 \times 500\text{ mm}$.
  • Tính chọn béc phun và mạng đường ống nước: Chọn béc phun BT6 kiểu phun nón toàn bộ, áp suất làm việc $3\text{ bar}$, lưu lượng $4,5\text{ l/phút}$, góc phun $70^\circ$. Bố trí 35 béc trên 7 nhánh ống Inox 304. Tính toán tổn thất áp suất dọc đường và cục bộ qua co $90^\circ$, co chữ T, van tiết lưu, xác định cột áp tổn thất $h_m = 6,46\text{ m}$. Chọn động cơ bơm Grundfos CRE 10-3 công suất $1,45\text{ kW}$.
  • Tính toán hệ thống sục khí đáy bể: Chọn phương pháp giảm tốc độ dòng chảy. Bố trí 6 nhánh ống Inox $\phi 33,5\text{ mm}$ với 90 lỗ thoát khí $\phi 1,2\text{ mm}$ (khoảng cách $130\text{ mm}$). Tính toán tổn thất áp suất ma sát và tổn thất cục bộ trên dàn ống dẫn đạt tổng $\Delta P = 4120,8\text{ N/m}^2$. Công suất máy thổi khí tiêu hao tính toán $700\text{ W}$.
  • Tính toán 4 cụm băng tải: Xác định lực kéo căng, biểu đồ moment trục, kiểm nghiệm ứng suất uốn - xoắn của trục thép C45 và kiểm nghiệm tải trọng động/tĩnh của ổ lăn cho: Băng cào máy rửa ($N_{\text{đc}} = 0,2\text{ kW}$, $i = 160$, trục $\phi 40\text{ mm}$, ổ UCT 208); Xích tải con lăn kiểm tra cam ($N_{\text{đc}} = 0,4\text{ kW}$, $i = 120$, trục $\phi 35\text{ mm}$, ổ F4B 106-EM); Băng chuyền định hàng chữ V ($N_{\text{đc}} = 0,1\text{ kW}$, $i = 50$, trục $\phi 15\text{ mm}$); và Xích tải phân loại khay ($N_{\text{đc}} = 1,5\text{ kW}$, $i = 160$, trục $\phi 30\text{ mm}$, ổ bi 208).

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Nội dung chương 4 tập trung vào việc thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực, mạch điều khiển và tính chọn khí cụ điện:

  • Tính chọn biến tần Mitsubishi dòng FR-D740 ($0,4\text{ kW}$; $0,75\text{ kW}$; $3,7\text{ kW}$) để điều khiển tốc độ linh hoạt cho các động cơ băng tải.
  • Tính chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ: MCB Mitsubishi 3 pha ($10\text{ A}$, $16\text{ A}$, $25\text{ A}$), MCB 1 pha ($25\text{ A}$), Contactor LS MC-6a ($380\text{V}$, $6\text{ A}$, $3\text{ kW}$), Rơ le nhiệt LS MT-12, Rơ le trung gian IDEC RJ1S-CL-D24 ($24\text{VDC}$, $12\text{ A}$), Cầu chì Schneider DF2CA02 ($2\text{ A}$), Bộ nguồn tổ ong Meanwell RS-35-24 và RS-75-24.
  • Thiết kế module PLC Mitsubishi Q-Series (Q03UDE, module vào QX40, module ra QY40P, module định vị QD75MH4).
  • Tính chọn 4 động cơ Servo Mitsubishi HG-SR524 ($0,5\text{ kW}$, moment $2,4\text{ Nm}$) và Driver MR-J4-60B4 điều khiển cơ cấu gạt phân loại.
  • Tính toán thông số quang học camera DAHUA MV-a7a21mg400e: xác định kích thước điểm ảnh nhỏ nhất $\text{Smallest Feature} = 0,14\text{ mm}$ tại độ phân giải ngang $3072\text{ px}$ với trường nhìn $\text{FOV} = 200\text{ mm}$, tính ra khoảng cách lắp đặt $\text{Working Distance} = 320\text{ mm}$.

CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

Chương 5 xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên thư viện OpenCV kết hợp lưu đồ điều khiển phân loại:

  • Thiết lập 4 ngưỡng kích cỡ phân loại quả cam theo đường kính:
    1. Loại 1: Đường kính $< 64\text{ mm}$.
    2. Loại 2: Đường kính từ $64\text{ mm}$ đến $75\text{ mm}$.
    3. Loại 3: Đường kính từ $75\text{ mm}$ đến $82\text{ mm}$.
    4. Loại 4: Đường kính $> 82\text{ mm}$.
  • Quy trình tiền xử lý và trích xuất đặc trưng:
    • Chuyển đổi không gian màu ảnh gốc từ BGR sang HSV để phân tách màu sắc trái cam và lọc nền.
    • Áp dụng ngưỡng nhị phân và giải thuật phát hiện biên cạnh dựa trên đạo hàm bậc một và bậc hai.
    • Trích xuất vector dữ liệu khung bao biên giới $(x, y, h, w)$ với $x, y$ là tọa độ đỉnh góc trái, $h$ là chiều cao và $w$ là chiều rộng bao chữ nhật (pixel).
    • Tính kích cỡ quả cam theo công thức hiệu chỉnh: $d = 0,5 \times (h + w) \times k$ (trong đó $k$ là hệ số tỉ lệ chuyển đổi từ pixel sang milimet dựa vào khoảng cách đặt camera).
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật đồng bộ: Camera chụp ảnh $\rightarrow$ Tiền xử lý & lọc màu $\rightarrow$ Đo kích thước $\rightarrow$ Phân loại $\rightarrow$ Truyền tín hiệu mã loại đến PLC $\rightarrow$ PLC kích hoạt Driver Servo tương ứng để đẩy cam vào máng xả.

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tính toán cơ khí, mạch điện và thuật toán thị giác; đồng thời nêu rõ các điểm hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất phương hướng phát triển hoàn thiện trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Hoàn thành bộ hồ sơ tính toán thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho dây chuyền liên hoàn gồm 4 cụm máy: buồng rửa sục khí kết hợp béc phun tia áp lực $3\text{ bar}$, băng tải con lăn kiểm tra chất lượng tự xoay quả, băng tải định tâm chữ V và xích tải phân loại mang khay.
  • Xác lập đầy đủ thông số động học, tải trọng kéo, biểu đồ mômen trục và lựa chọn chính xác các chủng loại động cơ, máy bơm, máy thổi khí cùng phụ kiện truyền động tiêu chuẩn.
  • Xây dựng sơ đồ đấu nối hệ thống điện điều khiển công nghiệp, tích hợp thành công PLC Mitsubishi Q-Series, biến tần FR-D740, hệ thống 4 trục Servo MR-J4/HG-SR524 và camera công nghiệp DAHUA $12\text{ MP}$ giao tiếp qua máy tính nhúng Raspberry Pi 4.
  • Xây dựng giải thuật xử lý ảnh lọc màu trên không gian HSV và giải thuật trích xuất bao biên để phân loại quả cam thành 4 nhóm kích cỡ theo tiêu chuẩn TCVN 1873:2014.

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp một phương án thiết kế hệ thống cơ điện tử đồng bộ, kết hợp giữa tự động hóa cơ khí và thị giác máy tính ứng dụng trong khâu xử lý sau thu hoạch cho nông sản Việt Nam. Kết quả nghiên cứu giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân công thủ công, nâng cao năng suất xử lý (đáp ứng dải năng suất $500 - 700\text{ kg/h}$) và tạo tiền đề để cơ giới hóa chế biến quả tươi quy mô hợp tác xã và doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Toàn bộ kết quả mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, mô phỏng thiết kế 3D và thuật toán mẫu; chưa chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô thực tế để đo kiểm thực chứng độ sạch của quả cam sau khi rửa.
  • Phương pháp xử lý ảnh 2D dựa trên lọc màu HSV và trích xuất bao chữ nhật còn có sai số khi quả cam đặt nghiêng hoặc điều kiện ánh sáng môi trường thay đổi.
  • Giải thuật điều khiển đồng bộ vị trí giữa xích tải phân loại và xung kích hoạt Servo gạt khay chưa được tối ưu hóa hoàn toàn trong điều kiện làm việc tốc độ cao liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm hệ thống cấp khí Ozone ($\text{O}_3$) vào buồng sục khí để tăng cường khả năng khử trùng, diệt vi sinh vật bề mặt và kéo dài thời gian bảo quản trái cây.
  • Nghiên cứu ứng dụng Camera 3D để quét và tái tạo đám mây điểm 3 chiều, giúp phát hiện chính xác các khuyết tật vỏ, vết dập nát và sâu bệnh trên bề mặt quả cam.
  • Thiết kế bổ sung module buồng sấy thổi gió nóng/gió ráo nước giữa cụm máy rửa và cụm phân loại để đảm bảo quả khô ráo trước khi vào khâu chụp ảnh và đóng gói.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các lĩnh vực:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí chế tạo máy, Tự động hóa: Tham khảo quy trình tính toán hệ thống máy nâng chuyển (băng tải cào, xích tải con lăn, băng tải chữ V), tính toán thủy lực mạng đường ống bơm/sục khí và phương pháp lập biểu đồ moment uốn - xoắn của trục truyền động.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa: Tham khảo cấu hình phần cứng điều khiển công nghiệp kết hợp giữa PLC Mitsubishi dòng Q (module QD75MH4, QX40, QY40P), biến tần FR-D740 và mạng điều khiển Servo qua giao tiếp SSCNET III/H.
  • Nghiên cứu ứng dụng Thị giác máy tính (Computer Vision): Tham khảo phương pháp tính toán thông số quang học camera công nghiệp ($\text{FOV}$, $\text{Working Distance}$, $\text{Smallest Feature}$) và thuật toán xử lý phân đoạn màu sắc quả trên OpenCV.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao hệ thống lựa chọn phương án máy rửa băng chuyền kết hợp sục khí và béc phun thay vì máy rửa cánh đảo hay lồng xoay?
Trả lời: Máy rửa cánh đảo và lồng xoay tạo ra sự va đập cơ học mạnh giữa các cánh khuấy và giữa các quả với nhau, chỉ thích hợp cho các loại củ vỏ cứng (khoai lang, cà rốt). Quả cam có vỏ mềm và dễ bị dập nát nếu va đập mạnh. Phương án băng chuyền kết hợp sục khí đáy và béc xịt áp lực $3\text{ bar}$ vừa tạo được dòng nước xáo trộn làm bong tróc đất cát hiệu quả vừa bảo vệ quả không bị tổn thương cơ học.

2. Các thông số kích thước hình học chính của bồn rửa được tính toán dựa trên cơ sở nào?
Trả lời: Kích thước bồn rửa được tính dựa trên năng suất thiết kế $Q = 700\text{ kg/h}$, thời gian ngâm rửa tối đa $t = 6\text{ phút}$, lượng nguyên liệu lưu lại trong buồng $G_{\text{vật}} = 70\text{ kg}$, mật độ quả $q = 300\text{ kg/m}^3$ và hệ số nạp liệu $\eta = 0,23$. Thể tích nước tính toán là $V = 0,307\text{ m}^3$, từ đó xác lập kích thước buồng rửa là Dài $2500\text{ mm} \times$ Rộng $800\text{ mm} \times$ Cao $500\text{ mm}$.

3. Tiêu chuẩn phân loại kích thước quả cam trong đề tài được chia thành mấy cấp và khoảng kích thước cụ thể là bao nhiêu?
Trả lời: Quả cam được phân thành 4 loại theo đường kính: Loại 1 ($< 64\text{ mm}$), Loại 2 ($64 - 75\text{ mm}$), Loại 3 ($75 - 82\text{ mm}$), và Loại 4 ($> 82\text{ mm}$).

4. Camera công nghiệp được sử dụng trong đồ án có thông số quang học như thế nào và được lắp đặt ở khoảng cách bao nhiêu?
Trả lời: Đồ án sử dụng camera DAHUA MV-a7a21mg400e (độ phân giải $12\text{ MP} - 4096 \times 3072\text{ px}$, cảm biến CMOS $1/2.5''$, tiêu cự $8\text{ mm}$). Với trường quan sát yêu cầu $\text{FOV} = 200\text{ mm}$, khoảng cách làm việc từ mặt kính camera đến mặt băng tải được tính toán và cố định ở $\text{Working Distance} = 320\text{ mm}$.

5. Cơ cấu phân loại cam sử dụng loại động cơ và cơ cấu chấp hành nào để xả quả vào máng?
Trả lời: Hệ thống sử dụng 4 động cơ Servo Mitsubishi HG-SR524 ($0,5\text{ kW}$, moment $2,4\text{ Nm}$) điều khiển bởi 4 bộ Driver MR-J4-60B4 kết nối với module QD75MH4 của PLC Q-Series để dẫn động các cơ cấu gạt/đẩy khay phân loại rơi vào đúng 4 vị trí máng xả liệu tương ứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế hệ thống rửa và phân loại cam" của sinh viên Lâm Văn Chuẩn (GVHD: PGS.TS Lê Đức Hạnh, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM) đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ tính toán thiết kế cơ khí, hệ thống điện điều khiển và giải thuật thị giác máy tính cho dây chuyền sơ chế cam đạt năng suất $500 - 700\text{ kg/h}$. Bản thiết kế thể hiện tính logic chặt chẽ từ việc khảo sát máy thương mại, lựa chọn phương án kỹ thuật đến tính toán động lực học chi tiết cho 4 cụm băng tải và mạng thủy khí. Đây là công trình nghiên cứu nghiêm túc, mang tính ứng dụng cao và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cho việc tự động hóa khâu xử lý sau thu hoạch trong ngành nông sản.