Diseño y Construcción de un Prototipo de un Clasificador Óptico

Diseño y Construcción de un Prototipo de un Clasificador Óptico
"LabVIEW es una plataforma de programación
confiable versátil y flexible. El hardware de National
Instruments ha permitido llevar a cabo sin
problemas y disminuyendo sustancialmente los
tiempos de desarrollo la aplicación, incrementando
la confiabilidad en la toma de datos y la velocidad
de respuesta del proceso."
- Davis Montenegro, Universidad Santo Tomas
El Reto:
Diseñar e implementar un sistema flexible, eficiente y económicamente atractivo a los sectores académico e industrial para el control de la
clasificación de envases que integre forma y dimensiones del mismo que sea práctico y fácil de usar. Aplicado a un prototipo que muestre las
virtudes del diseño y la programación propuestas así como la integración de la adquisición, tratamiento de imágenes y señales
Lea el Caso
de Estudio
Completo
La Solución:
Se diseñó, desarrolló e implementó un sistema de adquisición, tratamiento de imágenes y control de señales utilizando LabVIEW. El sistema es
capaz de adquirir por medio de una cámara digital y un sensor de posicionamiento conectados a una tarjeta NI PCI1411 y reconocer distintos
envases o patrones, realizar mediciones de estos con las herramientas dispuestas en el modulo IMAQ Vision, con lo cual se determina su calidad y
se realiza su selección mediante la escritura de una señal que a través de la tarjeta NI USB 6008 e utilizando el modulo NI-DAQmx se controlan los
cilindros neumáticos quienes redirigen los envases según las restricciones definidas con anterioridad por el usuario.
Autor(es):
Davis Montenegro - Universidad Santo Tomas
Fabián Alberto Herreño Cuestas - Universidad Santo Tomas
Estado del Arte:
La automatización de los procesos industriales constituye uno de los retos u objetivos más importantes de las empresas en busca de competitividad,
calidad y eficiencia, es por ende que desde los años 60 esta iniciativa se ha incrementado gradualmente con las elevadas demandas de diversos
productos en los mercados del mundo. Estas medidas para satisfacer dichas necesidades han facilitado la creación de nuevos conocimientos y
desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de la automatización; que hoy día nos ofrece muchas alternativas de control para solucionar infinidad de
problemas [1].
La mecánica integrada con las ingenierías electrónica y eléctrica ha sido de gran ayuda para mejorar e innovar en el campo, dichos avances son
especialmente el desarrollo de la espectroscopia basada en el estudio del espectro de luz en diferentes bandas y longitudes de onda , análisis de
señales, sensores de distintos tipos y el procesamiento de imágenes que son herramientas que conjugadas dan como resultado soluciones a problemas
ingenieriles de gran complejidad como es la selección de material reciclado [2] que pocas empresas en el mundo de países desarrollados como EEUU y
Alemania van a la vanguardia de esta tecnología; en cuanto nivel latino América se puede ver por artículos de revista científicas que los conocimientos
están presentes tal vez lo recursos económicos sean la ficha clave del desarrollo debido a que se encuentran proyectos de clasificación de fruta [3],
medición de presiones en las plantas de los pies por medio de el procesamiento de imágenes [4] proyectos de adquisición de imágenes en tiempo real [5]
que dejan claro que el país avanza poco ante la mediación de los recursos para la creación de nueva tecnología pues nos acostumbramos a recibir de
los demás países y ser consumidores y no aportar a ello un índice de esto lo deja ver el informe de importaciones de Colombia donde más del 60% es
tecnología [6]
Otro gran avance sin duda es el del procesamiento de imágenes [7] [8]. el cual consiste en la manipulación y análisis de la información contenida en una
imagen digital adquirida de manera cotidiana por medio de una cámara, rayos X entre otras formas que al ser digitalizada o convertida en un arreglo
matricial para posteriormente sean procesada por un computador el cual corrige los defectos encontrados en la adquisición tales como distorsión
geométrica, imagen desenfocada, movimiento de la cámara de manera que la imagen queda con mejor contraste, mayor realce de bordes o contornos y
sin ruido: con ello es más fácil extraer la información de la imagen como las clasificación de contornos y regiones, posteriormente se realiza un análisis
de forma que conlleva a la clasificación final de la imagen que dependiendo el resultado se controlan el resto de variables de un proceso; su aplicación
abarca un gran conjuntos de temas como Biología y genética donde el análisis de huesos, tejidos y células, es obtenido por este medio, conteo
automático y clasificación de células y otros objetos también realizado por procesamiento de imágenes, Análisis y clasificación de material ADN, en
cuanto Defensa/Inteligencia podemos encontrar aplicaciones de Interpretación automática de imágenes satelitales en búsqueda de objetivos militares
(aeropuertos, navíos, instalaciones militares, carreteras, entre otros), Reconocimiento y seguimiento de objetivos militares en tiempo real en sistemas de
guías de misiles. Procesamiento de documentos, detección y reconocimiento automático De caracteres dentro de un documento, automatización
industrial, inspección visual automática, análisis de características de piezas manufacturadas en una línea de producción, detección de defectos,
detección de anomalías del proceso y muchas más aplicaciones relacionadas con medicina forense y Criminología como el análisis de huellas dactilares
(clasificación automática e identificación), análisis de concordancia en fotografías. [8]. A nivel industrial podemos encontrar clasificadores ópticos que
convergen y acoplan al tiempo varias de las técnicas descritas con anterioridad que logran seleccionar alimentos según estándares de calidad otras
también muy complejas que separan el metal de compuestos electrónicos estas empresas constituyen el papel de lo avanzado en el tema [2] [9]
encontramos otras que se enfocan en el estudio de fallas estructurales en los envases de vidrio como los es la empresa VISIGLASS [10] o VERITAS con
equipos de hasta 6 u 8 cámaras en algunos casos monocromáticas con software fundamentadas en redes neuronales con índices altos de efectividad
pero costosas al igual que HEUFT [11] una empresa dedicada a aseguramiento de la calidad en la producción de alimentos y bebidas con equipos más
especializados y eficientes . Todas estas empresas con muchas soluciones pero todas ellas empresas extranjeras.
Aportes académicos se encuentra en el trabajo del Instituto Politécnico Nacional De México IPN de análisis y detección de fallas estructurales en envases
de vidrio utilizando procesamiento de imágenes [12], enfocado a la solución de ello con morfología matemática una técnica diferente a las utilizadas
tradicionalmente apoyado de la plataforma de programación MATLAB una herramienta un poco menos amigable que LABVIEW; En cuanto a este
programa se encuentran trabajos de diseño e implementación de un “sistema de medición del estado de polarización de radiación IR cercano reflejada en
interfaces semiconductoras que permite la medición del ángulo de Brewster y constantes ópticas. En un banco óptico con motores de paso” [13]
utilizando una tarjeta de adquisición de datos National Instruments (NI), y programado en LabVIEW.
Metodología:
Se propuso Diseñar y construir el prototipo de acuerdo a la medida del ancho de un transportador típico de envases (127mm), la altura del envase más
alto que en nuestro caso es de (370mm), de igual forma se decide cubrir la estructura para aislar el envase de la luz exterior y agregar un arreglo de
luces para resaltar la forma del envase y otro para el plano superior con esto proporcionar mayor calidad de la imagen a procesar, la siguiente figura nos
muestra las medidas requeridas.
De acuerdo a las dimensiones del montaje de la figura 1 y teniendo en cuenta el espacio para el alojamiento de las cámaras, la configuración de los
dispositivos y el cableado eléctrico, la geometría de la estructura es la mostrada en la figura 2. Los cálculos estructurales de la banda y la cubierta se
realizaron según las normas que rige los transportadores CEMA y las estructuras metálicas ASD.
El paso siguiente es la adecuación de las luces, cámaras, sensores, actuadores y cableado de los dispositivos para culminar con la parte física del
sistema posteriormente se realiza la programación del sistema de clasificación utilizando la metodología mostrada en la figura 3 para optimizar el uso de
los recursos, minimizar los tiempos de ejecución y mejorar la eficiencia e eficacia del sistema.
De acuerdo al diagrama planteado a través de las tarjetas PCI 1411 se obtiene de forma inmediata las imágenes correspondientes a los planos superior y
lateral que evaluaran; la imagen dispuesta para clasificación de forma pasa inicialmente por un proceso de redimensionamiento (Reshape) con el fin de
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lateral que evaluaran; la imagen dispuesta para clasificación de forma pasa inicialmente por un proceso de redimensionamiento (Reshape) con el fin de
disminuir la matriz a evaluar, seguido se encuentra un proceso de filtrado (Threshold) el cual deja ver de manera mas subjetiva la forma del envase.
Posteriormente se selecciona un ROI (área de interés) para realizar el análisis en esta únicamente con el fin de optimizar los recursos. De manera
inmediata se realiza la comparación y según el resultado obtenido clasifica y da pie a realizar las mediciones respectivas en la segunda imagen que
corresponde al plano superior del envase midiendo el radio y comprobando la circularidad del envase. Por ultimo se realiza la comunicación a través de
la tarjeta NI USB 6008 a los actuadores.
Experimentación:
Inicialmente se trabajo esta metodología aplicada a cámaras Web-USB obteniendo resultados convenientes en cuanto a la respuesta del sistema pero
la velocidad de las cámaras y la calidad de la imagen para esta aplicación no fue suficiente, la figura 4. Muestra la imagen obtenida por medio de la
cámara USB y la que se obtiene por medio de la cámara digital conectada a la tarjeta PCI 1411 a una misma velocidad de la banda. Cabe incluir que la
utilización del disparador de la tarjeta es de gran utilidad, facilita y mejora la respuesta de obtención de la imagen problema que subsistía en el uso de
cámara USB; los dispositivos electrónicos y las cámaras deben estar aislados y aterrizados adecuadamente para evitar ruidos electromagnéticos si se
utiliza motores trifásicos cerca. En cuanto a la técnica de iluminación que mejor se acoplo y mostro excelentes resultados para la detección de forma y
circularidad de los envases de vidrio fue un arreglo de luz constante acoplado a una homogenización en una superficie que permitiera diferenciar los
bordes del envase y una arreglo de luces radiales que permitiera resaltar el contorno del envase sin interferir la toma de la imagen la figura 5 y 6
muestran los arreglos respectivos para forma y circularidad.
Implementación y transición al uso:
El prototipo y su sistema de automático es implementable en la industria del la manufacturera de envases así como cualquier otra aplicación que
requiera de clasificar y medir un objeto ya sean piezas de diferentes geometrías en el área metalmecánica o cualquier otra industria que requiera de
control de calidad. Del mismo modo puede ser utilizado como banco de pruebas didáctico para la enseñanza del modulo de visión que ofrece LabVIEW
ya que su versatilidad y flexibilidad nos permite desarrollar diversas aplicaciones.
Conclusiones
De acuerdo con los resultados obtenidos se puede decir que LabVIEW es una plataforma de programación confiable versátil y flexible que permite
realizar proyectos de una manera simple rápida y eficaz por sobre todo su modulo de visión y comunicación de señales.
Por último concluimos que para mejorar la calidad del prototipo los factores más relevantes son las velocidad de procesamiento del computador,
velocidad de las cámaras obtuvimos bueno resultados con las tarjetas pero el prototipo puede ser de mayor alcance si se posee una cámara de mayor
fps, calidad de la iluminación y una plataforma de programación confiable como lo es LabVIEW. El hardware de National Instruments ha permitido llevar a
cabo sin problemas y disminuyendo sustancialmente los tiempos de desarrollo la aplicación, incrementando la confiabilidad en la toma de datos y la
velocidad de respuesta del proceso.
Bibliografía
[1] PEREZ GARCIA, Miguel A y ALVAREZ ANTON, Juan C. Instrumentación electrónica En: Amplificación 2ed. España: Thompson, 2008. p. 41-86.
[2] TITECH, Innovation in global Recycling, " TITECH lanza el primer clasificador óptico de NIR y VIS de alta resolución del mundo en RWM 07". Internet:
(http://www.key.net/technologies/vision-technology/imaging/lighting/default.html)
[3] Revista Facultad de Ingeniería universidad de Tarapacá. Arica, Chile. Diciembre, 1999, vol. 6, no. 2. ISSN 0717-1072.
VILABOA B, José. Automatización de la selección de la fruta en los packing. En:
Revista Facultad de Ingeniería universidad de Tarapacá. Enero-Diciembre, 1999, vol. 6 no. 2, p. 3-8
(http://site.ebrary.com/lib/bibliotecaustasp/Doc?id=10116274&ppg=2)
[4] Revista EIA. Medellín. Colombia. Diciembre, 2006, no. 6. ISSN 1794-1237
DÍAZ, Christian Andrés; TORRES, Andrés; RAMÍREZ, José Ignacio; GARCÍA, Luisa Fernanda; ÁLVAREZ, Natalia. Descripción de un sistema para la
medición de las presiones plantares por medio del procesamiento de imágenes, En:
Revista EIA. Diciembre, 2006, no. 6, p. 43-55
[5] Revista colombiana de física. Colombia. Agosto, 2007, vol. 39, no. 2.
BARBA JIMÉNEZ, Leiner, VARGAS QUINTERO, Lorena P, MATTOS V. Lorenzo, TORRES M. Cesar. Sistema de adquisición y filtrado de imágenes en
tiempo real utilizando un FPGA. En: Revista colombiana de física. 31 de Agosto, 2007, vol. 39 no. 2.
[6] COLOMBIA. MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO.
Informe de Importaciones colombianas y balanza comercial (Diciembre, 2009).
El Ministerio, 2009. 5 p.
(http://www.mincomercio.gov.co/eContent/NewsDetail.asp?ID=6460&IDCompany=1)
[7] FAÚNDEZ ZANUY, Marcos. Tratamiento digital de voz e imagen y aplicación a la multimedia 1 ed. México: Alfaomega, 2001.
[8] Hernández Hoyos, Marcela, "Procesamiento y Análisis de Imágenes Digitales (PAID)". Internet:
(http://agamenon.uniandes.edu.co/~pfiguero/CG/ProcImagenes.pdf)
[9] KEY, Technology, "Clasificadora óptica Optyx ® 6000". Internet: (http://www.key-technology.com.mx/productos/optyx/optyx-6000/default.html)
[10] VISIGLASS, "Clasificador óptico VISIGLAS ARGOS, ASTRA, PHARMA.". Internet: (http://www.visiglas.be )
[11] HEUFT. "Clasificador HEUFT VX.". Internet: (http://www.heuft.com/en/healthcare/full-container-inspection_624.html )
[12] Gutiérrez Becerril, Genaro, Suárez Guerra, Sergio, Oropeza Rodríguez, José, "Detección de Fallas Estructurales en Envases de Vidrio no Cilíndricos
y Grabados Utilizando Morfología Matemática y Wavelet". Internet:
(http://campusv.uaem.mx/cicos/imagenes/memorias/6tocicos2008/Articulos/ponencia%2011.pdf)
[13] Revista colombiana de física. Colombia. Julio, 2008, vol. 40, no. 2.
Murcia R, E. G, Bohórquez S, A, Cáliz O, R. A, Jiménez B, L. C, Sánchez T, J. L, “Sistema de Supervisión y Control de Unidad de Polarimetría
Implementado con LabVIEW”. En: Revista colombiana de física. 25 de Julio, 2008, vol. 40 no. 2.
Información del Autor:
Davis Montenegro
Universidad Santo Tomas
[email protected] (mailto:[email protected])
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Dimensiones críticas para el diseño de la cabina
Diseño del prototipo terminado
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Metodología de Programación propuesta
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Comparación Imagen Cámara USB (Izq.) / Cámara digital y tarjeta PCI 1411 (Der.)
Arreglo de luz para detección de forma (Izq.) / Imagen Obtenida (Der.)
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Arreglo de luz para resaltar el contorno circular (Izq.) / Imagen Obtenida (Der.)
Prototipo Diseño y Construcción
Panel Frontal de la calibración de la imagen para clasificación de forma
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Panel frontal. Clasificación y circularidad
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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