Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Ớt là một nông sản phổ biến và có sản lượng lớn, đặc biệt ở khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL). Việc phát triển canh tác cây ớt cũng như chế biến các sản phẩm từ ớt sẽ giúp nâng cao giá trị gia tăng của nông sản Việt Nam [1, 2]. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện để tiến hành tách cuống trái ớt tươi. Mặc dù chúng có các ưu điểm nhất định, nhưng ở mỗi nghiên cứu đều có các hạn chế riêng như: không tách được hoàn toàn cuống, làm dập nát thân trái ớt, thành phẩm còn lẫn ớt bệnh, … Đặc biệt là các nghiên cứu hiện có không phù hợp với đặc tính hình dạng của các giống ớt tại ĐBSCL vốn có kích thước thân trái nhỏ, hình dạng thon và dài.
Sản lượng thu hoạch ớt hàng năm ở khu vực ĐBSCL là trên 90.000 tấn, vì vậy nhu cầu chế biến tách cuống trái ớt tươi là rất cần thiết. Tuy nhiên, khâu tách cuống ớt hiện nay đang được thực hiện hoàn toàn bằng thủ công, dẫn đến năng suất thấp, khó đáp ứng yêu cầu về mặt sản lượng và không tốt cho sức khỏe của người lao động. Luận án nghiên cứu “Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi” này được thực hiện nhằm ứng dụng tự động hóa, cơ giới hóa vào khâu tách cuống trái ớt tươi. Từ đó giải quyết các vấn đề và đáp ứng nhu cầu cấp thiết của kinh tế, xã hội, nâng cao giá trị và tính cạnh tranh của chuỗi sản phẩm ớt.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của luận án này là trái ớt tươi chín đỏ ngay sau khi thu hoạch cần được tách cuống.
Ngoài ra còn có các đối tượng nghiên cứu liên quan khác như: quy trình, phương pháp tách cuống, nhu cầu tách cuống, … 1.3 Vấn đề nghiên cứu Các vấn đề nghiên cứu chính của luận án này là: Vấn đề nghiên cứu 1: Tình hình thực hiện các nghiên cứu về hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi hiện nay có phù hợp với yêu cầu thực tiễn tại khu vực ĐBSCL đặt ra hay không? Những điểm chưa đáp ứng được là gì? Vấn đề nghiên cứu 2: Cần phải phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi với nguyên lý như thế nào để có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra? Vấn đề nghiên cứu 3: Mô hình hệ thống tự động tách cuống được đề xuất sẽ được thực hiện và kiểm tra tính khả thi như thế nào? 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 Mục tiêu tổng quát Luận án này hướng đến mục tiêu phát triển hệ thống tự động tách cuống và phân loại trái ớt tươi, để giải quyết vấn đề ứng dụng tự động hóa và cơ giới hóa vào khâu xử 1 lý, chế biến ớt, giúp làm giảm công lao động thủ công, tăng khả năng cạnh tranh và nâng cao chuỗi giá trị sản xuất, chế biến và kinh doanh ớt.2 Mục tiêu cụ thể Xuất phát từ mục tiêu tổng quát, các mục tiêu cụ thể của luận án được trình bày như sau: Mục tiêu 1: Đánh giá tổng quan ưu, nhược điểm của các hệ thống tách cuống hiện có để chỉ ra vấn đề cần giải quyết. Mục tiêu 2: Xác định đặc tính cơ lý và lực tách cuống trái ớt tươi. Mục tiêu 3: Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống tách cuống trái ớt tươi. Mục tiêu 4: Xây dựng mô hình tự động nhận dạng, xử lý ảnh, phân loại trái ớt tươi sau khi tách cuống.
Mục tiêu 5: Đánh giá hiệu quả, khả năng ứng dụng của mô hình hệ thống tách cuống và phân loại trái ớt tươi.5 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu chính của luận án được giới hạn với những giống ớt được trồng phổ biến và có sản lượng lớn ở khu vực ĐBSCL hiện nay. Cụ thể là các giống ớt: Chánh Phong F1 (CP1), Chánh Phong F4 (CP4) và Hai Mũi Tên (MTen). Các giống ớt này đều có đặc điểm chung là trái có kích thước nhỏ, hình dạng thon và dài. Khi chín và được thu hoạch, phần thân trái sẽ có màu đỏ.
Bên cạnh đó, năng suất tính toán của các mô hình thí nghiệm dùng để kiểm tra nguyên lý hoạt động cũng được giới hạn ở mức 10 kg/giờ.6 Nội dung nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu đã đề ra, luận án bao gồm những nội dung nghiên cứu chính như sau: Nội dung 1: Lược khảo tổng quan tài liệu, đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống tách cuống hiện có; Nội dung 2: Phân tích, đề xuất nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động tách cuống và cụm phân loại trái ớt tươi; Nội dung 3: Xác định lực tách cuống cần thiết; Nội dung 4: Xác định áp suất phá hủy cuống ớt; Nội dung 5: Đánh giá mức độ đáp ứng của cảm biến màu TCS3200; Nội dung 6: Xây dựng mô hình kiểm soát lực tách cuống; Nội dung 7: Xây dựng mô hình mạng CNN để phát hiện vết nứt trên thân trái; Nội dung 8: Xây dựng mô hình mạng CNN để phát hiện vết bệnh trên thân trái; Nội dung 9: Khảo nghiệm, đánh giá khả năng hoạt động và ứng dụng của mô hình hệ thống tự động tách cuống, phân loại trái ớt tươi.7 Phương pháp nghiên cứu Để trả lời các vấn đề nghiên cứu và thực hiện được các mục tiêu đặt ra, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng phối hợp với nhau trong quá trình thực hiện 2 bao gồm: phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu, phương pháp xử lý số liệu, phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình hóa.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu Phương pháp nghiên cứu này được sử dụng để tổng hợp kết quả và phương pháp thực hiện của các công trình khoa học đã được công bố. Từ các tổng hợp đó, tình hình thực hiện nghiên cứu về hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi được đánh giá một cách tổng quát để đưa ra các ưu nhược điểm và các vấn đề cần phải cải tiến. Nhờ có sự phân tích so sánh với những nghiên cứu được cập nhật gần nhất, tính mới cũng như tính khả thi của các nội dung nghiên cứu trong luận án được đề xuất một cách hợp lý. Từ đó, định hướng nghiên cứu được xác định một cách rõ ràng, giúp quá trình thực hiện đề tài được thuận lợi hơn.2 Phương pháp xử lý số liệu Phương pháp này được sử dụng để xử lý các số liệu một cách có hệ thống, giúp khái quát hóa đặc trưng của dữ liệu, cụ thể như sau: - Tổng hợp và xử lý số liệu đo lực tách cuống cần thiết; - Tổng hợp và xử lý số liệu đo áp suất phá hủy cuống ớt; - Tổng hợp và xử lý số liệu đánh giá hoạt động của cảm biến màu TCS3200; - Tổng hợp số liệu về kết quả tách cuống ớt; - Tổng hợp và đánh giá tỉ lệ thành công của quá trình phân loại trái ớt nứt gây ra do quá trình tách cuống; - Tổng hợp và đánh giá tỉ lệ thành công trong quá trình phát hiện vết bệnh trên thân trái ớt.3 Phương pháp th ực nghiệm Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để tiến hành các phép đo cần thiết cho quá trình tính toán, thiết kế mô hình.
Ngoài ra, phương pháp này cũng đã được sử dụng để kiểm tra tính phù hợp của mô hình hệ thống tách cuống đã đề xuất. Phương pháp thực nghiệm được sử dụng cụ thể trong các nội dung sau: - Xác định lực tách cuống cần thiết; - Xác định áp suất phá hủy cuống ớt; - Xác định cường độ tín hiệu phản hồi của cảm biến màu TCS3200; - Đánh giá hiệu quả của cụm tách cuống; - Đánh giá hiệu quả của mô hình phân loại ớt bệnh; - Đánh giá hiệu quả của mô hình phân loại ớt nứt.4 Phương pháp mô hình hóa Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để xây dựng mô hình của các yếu tố cần đánh giá và cần kiểm soát trong quá trình nghiên cứu hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi. Phương pháp này được sử dụng trong các nội dung nghiên cứu sau: - Xây dựng mô hình lực tách cuống cần thiết; 3 - Xây dựng mô hình điều khiển lực tách cuống; - Xây dựng mô hình mạng thần kinh tích chập (CNN) để phát hiện vết nứt trên thân trái ớt; - Xây dựng mô hình CNN để phát hiện vết bệnh trên thân trái ớt tươi đã tách cuống.8 Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, cây ớt đã được trồng nhiều ở ĐBSCL và nhu cầu tăng cường năng lực chế biến trái ớt sau khi thu hoạch đã thu hút sự quan tâm của xã hội, của nhà quản lý cũng như nhiều nhà nghiên cứu. Có nhiều nghiên cứu đã được công bố liên quan đến nội dung này.
Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có một công trình khoa học hay một giải pháp nào thực sự phù hợp với yêu cầu chế biến thực tiễn ở Việt Nam hiện nay. Công đoạn chế biến, tách cuống trái ớt tươi giúp nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm, tăng khả năng bảo quản, vận chuyển và nâng cao tính cạnh tranh. Sự thay đổi này sẽ góp phần gia tăng giá trị cây ớt trong chuỗi sản phẩm nông nghiệp, giúp tạo thêm thu nhập và ổn định xã hội. Việc tách cuống trái ớt tươi ở khu vực ĐBSCL được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thủ công, tốn nhiều thời gian và công sức cho việc vận chuyển, bố trí, thu nhận ớt, ….
Tuy trên thế giới đã có những hệ thống tách cuống ớt, nhưng thực sự chưa có một hệ thống nào đáp ứng được yêu cầu và đảm bảo đủ năng suất, dẫn đến việc không đáp ứng được yêu cầu tách cuống. Và hiện trạng là có một tỷ trọng lớn trái ớt tươi được bán mà chưa qua tách cuống với giá trị gia tăng thấp. Đứng trước thực tế đó, xuất hiện nhu cầu cấp thiết là cần phải nghiên cứu phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi, tìm giải pháp cải tiến từ những nguyên lý đã có sao cho đảm bảo phù hợp với yêu cầu tách cuống hiện tại. Với ý nghĩa đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi” làm đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.2 Ý nghĩa khoa học Hướng nghiên cứu xử lý tách cuống trái ớt tươi là một đề tài được nhiều người quan tâm.