Diseño y construcción de un sistema de clasificación de frutas en base a su madurez a través del análisis de su color mediante visión artificial

Abstract

[ES] En el presente Trabajo de Final de Máster, se ha tratado de diseñar y construir un prototipo funcional de una máquina capaz de rechazar frutas de una tonalidad previamente entrenada en el sistema. Este proyecto trata de aunar la mayor parte de las diferentes disciplinas que engloba la Ingeniería Mecatrónica, tales como el control digital, el diseño CAD, la electromecánica o la programación de microcontroladores para gestión de sensores y actuadores. Este sistema está pensado para ser aplicado en una cinta transportadora por la cual circula fruta o verdura con diferentes rangos de madurez y que requiere ser separada antes del envasado para asegurar la homogeneidad del producto comercializado. Para ello, se ha dispuesto de un microcontrolador de visión artificial que se encarga de ejecutar tanto la adquisición y procesamiento de imágenes como la activación de las salidas físicas. La tensión de salida del microcontrolador será amplificada en un relé de estado sólido para que active las electroválvulas correspondientes que accionarán unos pistones neumáticos acoplados a unos gatillos metálicos. De esta manera conseguimos desviar de la trayectoria habitual los elementos a rechazar. Todo ello se ha montado sobre una estructura fabricada mediante perfilería estándar de hierro y acoplada a una cinta transportadora. Una de las premisas a la hora del diseño ha sido que el sistema sea adaptable, es decir, que pueda trabajar sobre varios tipos de fruta u objeto que circule a través de la cinta transportadora. De esta manera, el algoritmo se ha escrito incluyendo una parte de reconocimiento de color que se ejecuta al inicio del programa, lo que permite entrenar la tonalidad que se pretende rechazar. Además, se ha diseñado el sistema para que sea trasportable, que se pueda desplazar con facilidad. De este modo, si se dispone de diversas cintas, el usuario puede ajustar la máquina en cada una de ellas en función de sus necesidades. Tratándose de un trabajo fin de máster, se ha realizado el prototipo funcional empleando los métodos de fabricación y materiales más baratos de lo que se ha podido disponer. Así que ha prevalecido el criterio económico y de disponibilidad frente a la optimización del diseño y la estética. Para posibles futuros desarrollos, se mejoraría el diseño y prestaciones como se explicará a lo largo del documento.

[CA] En el present Treball Fi de Màster s’ha tractat de dissenyar i construir un prototip funcional d’una màquina capaç de rebutjar fruites d’una tonalitat prèviament entrenada al sistema. Este projecte tracta d’incloure la major part de les diverses disciplines englobades a la Enginyeria Mecatrònica, tals com el control digital, el disseny CAD, la electromecànica o la programació de microcontroladors per a la gestió de sensors i actuadors. Este sistema està pensat per a ser aplicat a una cinta transportadora per la qual circula fruita o verdura amb diferents rangs de maduresa i que requerix ser separada abans de l’envasament per assegurar la homogeneïtat del producte comercialitzat. Per aconseguir-ho, s’ha disposat d’un microcontrolador de visió artificial que s’encarrega d’executar tant l’adquisició i el processament d’imatges com l’activació de les eixides físiques. La tensió d’eixida del microcontrolador serà amplificada en un relé d’estat sòlid per tal que active les electrovàlvules corresponents que accionaran uns pistons neumàtics acoblats a uns gallets metàl·lics. D’esta forma aconseguim desviar la trajectòria habitual dels elements a rebutjar. Tot açò ha sigut muntat sobre una estructura fabricada mitjançant perfilaria estàndard de ferro acoblada a una cinta transportadora. Una de les premisses a l’hora del disseny ha sigut que el sistema siga adaptable, es a dir, que puga treballar sobre diversos tipus de fruita o el objecte que circule a través de la cinta transportadora. D’esta manera l’algoritme s’ha escrit incloent una part de reconeixement de color que s’executa a l’inici del programa, la qual cosa permet entrenar la tonalitat que es pretén rebutjar. A més a més, s’ha dissenyat el sistema per a que siga transportable, que es puga desplaçar amb facilitat. D’esta forma, si es disposa de diverses cintes, l’usuari por ajustar la màquina en cadascuna d’elles en funció de les seues necessitats. Tractant-se d’un treball fi de màster, el prototip funcional s’ha realitzat emprant els mètodes de fabricació i materials més barats dels quals s’ha pogut disposar. Així que el que ha prevalgut ha sigut el criteri econòmic i de disponibilitat front a la optimització del disseny i la estètica. Per a possibles futurs desenvolupaments, es milloraria el disseny i prestacions com s’explicarà al llarg del document.

[EN] In the present Master's Final Project, I’ve tried to design and build a functional prototype of a machine capable of rejecting fruits of a previously trained colour. This project tries to unite most of the different disciplines that Mechatronics Engineering includes, such as digital control, CAD design, electromechanics or microcontroller programming for sensor and actuator management. The system is designed to be applied on a conveyor belt where fruit or vegetables circulate with different maturity ranges and which needs to be classified before packaging to ensure the homogeneity of the marketed product. For this purpose, an artificial vision microcontroller has been arranged and it’s responsible for both the acquisition and processing of images and the activation of physical outputs. The output voltage of the microcontroller will be amplified in a solid-state relay for activating the corresponding solenoid valves that will activate pneumatic pistons coupled to metal triggers. That’s the system used to reject the common trajectory of the undesirable object. All this has been mounted on a structure manufactured by standard iron profiles and coupled to the conveyor belt. One of the premises at the design phase, has been the adaptability, that is, the machine can work on various types of fruit or object that circulates through the conveyor belt. In this way, the algorithm has been written including a part of colour recognition that is executed at the beginning of the program, which allows to train the tonality that it is intended to reject. In addition, the system has been designed to be portable, that it can be moved easily. In this way, if several tapes are available, the user can adjust the machine in each of them according to their needs. Keeping in mind that it’s an academic project, the functional prototype has been made using cheaper manufacturing methods and materials than has been available. So, the economic and availability criterion has prevailed over the optimization of design and aesthetics. For possible future developments, the design and features will be improved as will be explained throughout the document.