[논문]기계시각을 이용한 풋고추 선별기 개발(II) - 자동공급장치와 배출장치 개발 및 시스템 성능평가 -

조남홍; 박종률; 이수희; 이영희; 조광환; 장동일; 황헌; 최승묵

문제 정의

따라서 본 연구에서는 풋고추 선별기 개발을 위한 기초조사와 설계요인시험장치를 통해 영상처리선별부 시스템 구성, 풋고추의 꼭지제거 알고리즘, 선별프로그램을 개발 선별 방법을 구명하고 연속작업이 가능하다는 것을 확인하고 본 학회지에 보고하였다. 본 연구에서는 이를 기초로 하여 풋고추를 하나씩 낱개로 개체화하여 공급할 수 있는 자동공급장치와 이를 등급별로 자동배출하는 시스템을 개발하였으며, 기 개발된 영상처리 선별알고리즘을 포함한 풋고추 일관처리시스템에 대한 성능평가를 실시하였다.
본 연구는 수확한 풋고추의 품위를 향상시키기 위하여 온라인 자동 등급판정 시스템개발을 목적으로 기계시각을 이용하여 고추를 등급판정 선별할 수 있는 선별알고리즘을 개발하고 RGB 카메라와 이를 디지털 데이터로 만들기 위한 프레임그래버 및 삼파장 형광등을 이용하여 기계시각 시스템을 구축하였으며, 아울러 풋고추를 개체화하여 공급하고 자동으로 등급별로 배출하는 선별시스템 개발하였다. 이에 대한 연구한 주요 결과는 다음과 같다.
연속작업이 가능하다는 것을 확인하고 본 학회지에 보고하였다. 본 연구에서는 이를 기초로 하여 풋고추를 하나씩 낱개로 개체화하여 공급할 수 있는 자동공급장치와 이를 등급별로 자동배출하는 시스템을 개발하였으며, 기 개발된 영상처리 선별알고리즘을 포함한 풋고추 일관처리시스템에 대한 성능평가를 실시하였다.

제안 방법

고추 등급판정용 소프트웨어는 개발환경의 운영체계를 Windows98(second edition. Microsoft사)을 사용하였으며 C(Visual C++, Ver 6.0, Microsoft사) 컴파일러를 이용하여 개발하였다. 구동 소프트웨어에는 On-Line/Off-Line 선별 모드, 측정 데이터 화면 출력 및 수동 문턱값 설정 기능을 포함하였다.
고추 선별 시스템의 기계시각 장치로 카메라는 이송에 따른 잔상의 영향을 없애기 위하여 컬러 progressive scan 방식의 RGB 카메라(CV M70, JaiX 사용하였으며, 기계시각부의 광원으로 36W 3파장 형광등을 사용하였으며, 카메라상부와 좌우측에 각 4개를 부착하고 조명을 골고루 하기 위하여 백색아크릴판을 광원의 전면에 부착하였고, 이를 디지털 영상으로 만들기 위한 프레임그래버 (Meteor MC₄, Matrox)와 450 MHz CPU를 장착한 컴퓨터를 사용하였다. 고추 등급판정용 소프트웨어는 개발환경의 운영체계를 Windows98(second edition.
다. 선별 능력을 고려하여 이송속도를 0.45m/s로 하였으며, 등급별 배출은 풀콘형 노즐 2 개로 압축공기를 분사하여 고추를 등급별로 배출되도록 하였으며, 이때 노즐의 공기분사압력은 5kg/cnf으로 하였다.
설계요인시험을 통하여 구명된 요인을 바탕으로 풋고추의 크기를 대, 중, 소로 등급표시를한 후 50개씩 선별부에 공급하여 성능시험을 실시하였다. 크기 측정은 등급판정 시험에 사용한 시료를 모눈종이 위에 꼭지가 시작되는 부위를 측정 기준점으로 간주하고 가장 긴 길이를 보이는 방향으로 기준선 방향을 결정한 후 육안으로 모눈종이의 눈금을 mm 간격으로측정하였다.
휨 높이는 수직선상에서 가장 높은 부분을 측정하였다. 성능시험은 보울피더 (Bowl feeder) 공급장치에 의해 풋고추를 개체화하여 공급하였으며, 이송속도는 30, 45, 60cm/sec로 하였다, 선별등급은 3등급으로 구분하고 종료 후 각 등급별로 배출된 풋고추를 수집하여 시간당 성능과 선별정도, 손상률을 측정하였다. 또한 등급별 선별정도를 조사하였으며, 표준오차는 아래 식을 이용하여 계산하였다.
시작기의 구성은 요인시험에서 구명된 결과를 바탕으로 풋고추를 영상처리에 의하여 고추의 길이, 휨 상태를 선별할 수 있는 풋고추 선별시스템을 설계제작 하였다. 선별 시스템 구성은 그림 1과 같이 공급부, 개체화부, 영상처리부, 시스템제어부, 선별부, 배출부로 구성하였으며 시작기 구조는 그림2와 같고, 표 1은 풋고추 선별시스템 시작기의 제원이다.
압축공기분사시스템은 컴프레셔에 의해 배출되는 압축공기를 에어호스로 공기필터에 연결하여 공기를 여과하였고 레귤레이터를 장착하여 공기의 압력과 공기량을 일정하게 하였다. 제어부에 연결된 솔레노이드밸브가 작동을 제어하면 에어작동밸브를 거쳐 각 등급 위치에 온 풋고추를 에어젯노즐에 의하여 분사하는 압축공기 분사시스템을 구성하였으며, 노즐은 풀 콘형 의 2mm 구경 노즐을 장착하였다.
후 50개씩 선별부에 공급하여 성능시험을 실시하였다. 크기 측정은 등급판정 시험에 사용한 시료를 모눈종이 위에 꼭지가 시작되는 부위를 측정 기준점으로 간주하고 가장 긴 길이를 보이는 방향으로 기준선 방향을 결정한 후 육안으로 모눈종이의 눈금을 mm 간격으로측정하였다. 휨 높이는 수직선상에서 가장 높은 부분을 측정하였다.

대상 데이터

선별시험 에 사용된 공시재료는 2002년 전남 나주산 녹광으로 크기 구분을 표준출하 규격 에 따라 대 12cm이상, 중 8~ 12cm, 소 8cm이하로 구분하여 물성을 조사한 결과 길이가 평균 137.9~73.4mm, 휨 굴곡은 최대 38mm, 꼭지길이는 38~30.1mm, 고추 굵기는 17.4~ 14.6mm, 무게는 16.2~5.6g으로 나타났다.

이론/모형

풋고추 공급부는 진동식 자동공급 방식을 사용하였으며 구조는 그림 3과 같다.

성능/효과

각 등급별로 측정 정밀도를 분석한 결과 표 5와 같이 길이 측정에서는 휨 고추에 있어서 오차가 약간 높았으며 이는 일부 꼭지를 정확히 제거하지 못한 결과로 판단되며 기타 나머지에 있어서는 비교적 높은 측정 정확도를 나타냈으며, 휨 측정에 있어서도 휨 고추에서 오차가 약간 높았으며 휘지 않은 고추에서는 비교적 높은 정확도를 보여주었다.
선별시험에 사용된 고추(품종:녹광)의 물성을 조사한 결과 길이가 평균 137.9~ 73.4mm, 휨 굴곡은 최대 38mm, 꼭지길이는 38—30.1mm, 고추 굵기는 17.4 —14.6mm, 무게는 16.2~5.6g으로 나타났다.
시작기의 경제성 분석결과 표18에서와 같이 100kg을 선별할 때 소요경비는 시작기의 경우 12, 014원이 소요되어 인력 20, 164원에 비하여 40% 경비절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
마. 시작기의 선별성능은 시간당 121kg으로 인력에 비하여 5.5배 높았으며, 시작기의 소요경비는 12, 014원/]00kg으로 인력 20, 164원/100kg에 비하여 40% 경비절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
시작기의 작업속도별 시험한 결과 표4에서 보는 바와 같이 공급속도 0.30m/s와 0.45m/s 에서 선별정도가 91%이상, 손상률이 0.1%로 양호하게 나타났고 작업성능은 이송속도 0.45m/s에서 시간당 121kg으로 인력에 비해 5.5배 높게 나타났다.
라. 이송속도 0.45m/s에서 녹광을 이용하여 선별시험 한 결과 길이 선별 정확도는 대와중에서는 각각 86.0%, 81.3%, 소에서는 90.6%였고, 이때 측정오차는 43~5.6mm로 나타났으며, 휨 고추에 대해서는 94%의 정확도와 3.4mm의 측정오차를 보여주었다.
이송속도 0.45m/s에서 녹광을 이용하여 선별시험 한 결과 표 6과 같이 길이 선별 정확도는 대와 중에서는 각각 86.0, 81.3%, 소에서는 90.6%였고, 이때 측정오차는 4.3~5.6mm로 나타났으며, 휨 고추에 대해서는 94%의 정확도와 3.4mm의 측정오차를 보여주었다.
적정노즐을 선정하기 위하여 노즐종류, 이송컵 속도와 공기압력별 시험에 따른 노즐형태별 배출상태를 시험한 결과 표2에서와 같이 풀콘형 노즐이 플렛형 보다 좋게 나타났으며, 풀콘형의 구경 및 분사압력별 시험에서는 공기압 #와 노즐구경 2mm에서 가장 좋은 결과를 보여주었으며 예비실험에서 공기압 7ag/c2서는 고추의 손상이 있어 공기압은 2 수준으로 수행하였다.

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