بخشی از مقاله
چکیده
از آنجاکه کارکرد صحیح ماشینهاي کشاورزي رابطهاي مستقیم با بحث مصرف انرژي دارد، لذا تعیین کیفیت برش علوفه میتواند به یافتن بهترین شرایط کارکرد یک دروگر منجر شود. در این تحقیق، کیفیت برش یک دروگر دوار تک بشقابی بوسیله پردازش تصویر و آنالیز مولفههاي اصلی پرداخته شده است. استفاده از پردازش تصویر در تعیین کیفیت برش دروگر، پایه هوشمندسازي این ماشینها است. جهت تعیین کیفیت برش دروگر، با استفاده از نرمافزار انوي - ENVI - ، به پردازش تصاویر مقاطع برشخورده پرداخته شد. از آنجاکه تعیین کیفیت برش بصورت کمی مدنظر بود، جهت تعیین این مقدار از روش "آنالیز مولفههاي اصلی" - Principal Components Analysis - که بطور اختصار به PCA معروف است، استفاده شد. در این مطالعه، میزان صاف بودن سطح برش، ملاك مورد نظر جهت تعیین کیفیت برش بود، که با استفاده از روش آنالیز مولفههاي اصلی بصورت رقومی تعیین میشود.
برشی نیز با یک تیغ اصلاح صورت نو تیز، انجام گرفت تا بهعنوان یک برش ایدهآل با برش تیغهاي دروگر مقایسه شود. در مرحله بعد این تحقیق به وسیلهي "روش تاگوچی" - Taguchi method - بهترین شرایط برش پیشبینی شد. مقادیر ویژه از مقدار 417 تا 1969 بدست آمدند. سطح بهینه شامل سطح اول سرعت پیشروي دروگر 1 - متر بر ثانیه - ، سطح دوم سرعت دورانی بشقاب 886 - دور در دقیقه - ، سطح سوم براي متغیر تعداد تیغهها 4 - تیغهي متقارن - و در پایان، سطح دوم براي متغیر شکل تیغهها - تیغهي زاویهدار مضرس - بود که "مقدار ویژهي" پیش-بینی شدهي "روش تاگوچی" براي این شرایط، 1991/5 بوده که پس از آزمون تایید، این عدد با مقدار واقعی تنها %3/5 اختلاف داشت - این عدد در آزمون تایید2062/67 حاصلشد - . "مقدار ویژهي" ایدهآل بعنوان شاهد نیز 6912 بدست آمد.
کلمات کلیدي: آنالیز مولفههاي اصلی - PCA - ، پردازش تصویر، دروگر دوار بشقابی، طرح آزمایشات تاگوچی، کیفیت برش
مقدمه
کیفیت برش علوفه بهصورت مستقیم با صرفهجویی در مصرف انرژي ارتباط دارد، چراکه کارکرد هر دستگاه در بهینهترین حالت نشان از صرفهجویی انرژي دارد. از آنجایی که صنایع و ماشینهاي مختلف از جمله ماشینهاي کشاورزي در جهت هوشمند سازي پیش میروند، پیگیري روشهایی جهت هوشمندسازي دروگرها میتواند بعنوان یک هدف عالی و طولانی مدت مدنظر قرار گیرد. شاید بتوان این هدف آینده نگرانه را اینگونه توصیف کرد که با نصب یک سیستم پردازش تصویر روي دروگر، هرگاه دستگاه گیاهان را بهصورت بدي برش زند، سیستم پردازش تصویر بتواند آن را نشان دهد. این مطالعه میتواند شروعی بر این هدف باشد. طبق آمارها بیشتر سطح زیر کشت یونجه مساحتی کمتر از 5 هکتار دارند. دروگر مورد استفاده، داراي قیمت و ظرفیت مزرعهاي مناسبی است. از مشخصات این دروگر - ساخته شده توسط دکتر شمسی، بخش ماشینهاي کشاورزي دانشگاه شهید باهنر کرمان - ، یک موتور بریگز1 آمریکایی با قدرت 6/5 اسب بخار، یک بشقاب که به وسیلهي تسمه و پولی نیروي آن تأمین می-شود و نیروي انتقالی به چرخها به وسیلهي تسمه و پولی همراه با یک گیربکس حلزونی کاهنده 1:16 دور انجام میشود و کارگر در پشت آن حرکت میکند. عرض کار این دستگاه 500 میلیمتر و ماشین با سرعت معمولی حرکت انسان، یعنی در حدود 1 متر بر ثانیه حرکت میکند و ظرفیت مزرعهاي این دستگاه 0/15 هکتار بر ساعت میباشد ]بهادر، شمسی، .[1387
روش تاگوچی براي بهبود کیفیت و کاهش هزینه ها
در مسائل مهندسی، محقق بعضاً با پدیدهاي مواجه میشود که پشتوانه علمی مناسبی براي آن در دسترس نیست. بنابراین یک راه حل براي جبران کمبود تئوريهاي علمی، انجام آزمایش است. براي بهینهسازي نتایج حاصل از آزمایش، یک راه استفاده از روشهاي آماري، شبکه عصبی و... براي بیان خروجی بهصورت یک رابطه ریاضی و سپس بهینهسازي آن رابطه ریاضی میباشد. در این میان یک راه نیز وجود دارد که با استفاده از روش بهینهسازي تاگوچی، بدون بدست آوردن تابع ریاضی مستقیماً بهینه سازي روي متغیرها صورت گیرد. روش تاگوچی شامل دو قسمت است: طراحی آزمایش و بهینه سازي. این روش در دههي هفتاد میلادي توسط یک دانشمند ژاپنی بهنام دکتر تاگوچی2 ارائه شد ]مرادخانی، .[1386 در هر آزمایش تاگوچی، محقق همواره به دنبال بالاترین نسبت S/N در نتایج است.
برآورد نتایج در شرایط بهینه
پس از مشخص شدن سطوح بهینهي هر متغیر، تاگوچی میزان خروجی سیستم را در این سطوح پیشبینی میکند [Roy, 1990] و ]فروزان، .[ که در آن YOptimum مقدار خروجی سیستم در حالت بهینه است. AOpt ، BOpt و ... نیز میانگین سطوح بهینهي متغیرهاي A، B و... میباشد.T̅ نیز میانگین کل دادههاست.
پردازش تصویر و آنالیز مولفه هاي اصلی
اگر محقق قصد دارد مهمترین متغیر را از بین تعداد معدودي متغیر دریک مجموعه انتخاب کند، از آنالیز اجزاي اصلی کمک میگیرد. این روش با یک تبدیل خطی، مجموعه متغیرهاي اصلی را به یک مجوعهي کوچکتر تبدیل کرده بطوریکه این مجموعهي کوچک، علت بیشتر واریانس موجود در دادهها باشد. لذا این روش، واریانس موجود در دادههاي چند متغیره را به مولفههایی تجزیه میکند که اولین مولفه تا آنجا که ممکن است علت بیشترین واریانس موجود در دادهها میباشد. دومین مولفه علت بیشترین واریانس ممکن بعد از مولفه ي اول میباشد، و الی آخر. اگر متغیرهاي X1 تا Xp مورد بررسی قرار گیرد، توابع خطی اول، دوم و p ام بصورت رابطهي زیر خواهد بود: aij ، مقادیر بردار ویژه ماتریس همبستگی متغیرها است. براي وجود جوابهاي غیر صفر براي بردار ویژه لازم است دترمینان ماتریس ضرایب صفر شود. تعداد مولفههاي اصلی بصورت اختیاري است ]فرشادفر، .[1380
استخراج مقادیر ویژه
در نرمافزار پردازش تصاویر ENVI دادهها پس از بررسی بر اساس صاف بودن و یکرنگ بودن سطح، در قسمت PC1 قرارمیگیرد - اینگونه براي نرمافزار تعریف شده است و نیازي به محاسبه توسط کاربر ندارد - . مابقی PC ها یعنی PC2 تا PCn مربوط به دیگر مولفهها و شاخصههاي سطح میباشد که مورد نظر ما نیست و صرفأ جهت مقایسه با مقدار PC1 در قسمت نتایج بصورت جدول آورده شده است. PC1 بالاتر نشان از کیفیت برش بالاتر و PC1 کمتر نشان از کیفیت برش پایینتر میباشد. مقادیر ویژه داراي واحد نیستند ]علويپناه، .[1388
مواد و روش ها
چهار متغیر سرعت پیشروي دروگر، سرعت دورانی بشقاب دروگر، تعداد تیغه روي بشقاب و شکل تیغه، هرکدام در سه سطح مختلف بررسی شدند. براي انجام این آزمایش از جدول آرایههاي متعامد L9 تاگوچی استفاده شد. سرعتهاي 1، 1/25و 1/5 متر بر ثانیه بعنوان سه سطح براي سرعت پیشروي و سرعتهاي 535، 886 و 1210 دور در دقیقه بعنوان سطوح سه گانهي سرعت دورانی بشقاب در نظر گرفته شد. تعداد تیغه شامل 1، 2 و 4 تیغه بود. در 2 و 4 تیغه سعی شد نحوهي قرارگیري تیغهها روي بشقاب متقارن باشد. شکل تیغه نیز از اشکال مرسوم یعنی زاویهدار لبه صاف، زاویهدار لبه مضرس و عمود لبه مضرس مورد بررسی قرار گرفتند - جدول. - 1 بعد از هر برش عکسبرداري از سطح مقطع ساقهها انجام میشد. جهت داشتن تکرار، در هر درو سه ساقه انتخاب شد. ساقههایی انتخاب میشدند که تا جاي ممکن از لحاظ اندازه قطر ساقه، تو پري و غیر پوك بودن و... یکسان باشند. دلیل این کار این است که برش در ساقههایی که وسط آنها پوك است بعضاً بهتر از ساقههاي تو پر بودند. همچنین ساقههایی مورد انتخاب قرار گرفت که بصورت قائم بوده و در جلوي دروگر قرار داشتند.
