基于機(jī)器視覺采棉機(jī)作業(yè)速度控制與仿真分析

張守縣

摘? 要：為了進(jìn)一步解決采棉機(jī)運(yùn)行過程中存在效率較低，以及采收質(zhì)量較差的問題，本文提出了以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的作業(yè)期間速度控制方案，并且通過Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，合理的定位采棉機(jī)作業(yè)過程中的作業(yè)速度、棉花田單位面積、棉花產(chǎn)量、采摘作業(yè)質(zhì)量幾項(xiàng)動(dòng)態(tài)性因素，建立在自適應(yīng)匹配的基礎(chǔ)上，來提升采棉機(jī)的運(yùn)行效果，合理地進(jìn)行作業(yè)速度控制，不僅可以緩解駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更能夠提升單位面積的采收質(zhì)量以及效率。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī);機(jī)器視覺;速度控制;仿真分析

棉花是我國(guó)極為重要的經(jīng)濟(jì)作物，同時(shí)也是推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性項(xiàng)目。發(fā)展至2020年，我國(guó)的棉花整體產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了591萬(wàn)噸，其中機(jī)械化生產(chǎn)已經(jīng)成為了多方關(guān)注的重點(diǎn)，采棉機(jī)是棉花采收過程中的常規(guī)機(jī)器，為了進(jìn)一步提升其采收效率以及質(zhì)量，需要進(jìn)行自動(dòng)化改造以及創(chuàng)新。本文電視監(jiān)理，在案例分析法以及理論分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合采棉機(jī)機(jī)器視覺改造的一系列策略展開分析，意在提升其作業(yè)速度，同時(shí)打造可適應(yīng)的采收頻率，以增強(qiáng)采收質(zhì)量。

1、技術(shù)提出背景分析

國(guó)務(wù)院在近些年印發(fā)了關(guān)于全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見，其中提出了到2025年我國(guó)的棉花收獲機(jī)械率需要達(dá)到60%，同時(shí)采棉機(jī)的智能化程度也需要全面增強(qiáng)。但是國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)和進(jìn)口引進(jìn)的采棉機(jī)其性能以及信息化程度存在一定的差異性，嚴(yán)重制約了我國(guó)的采棉機(jī)采收質(zhì)量以及效率。從理論角度來講，采棉機(jī)的采收速度較快，采摘頭中的摘錠和籽棉接觸時(shí)間過短，導(dǎo)致棉花無法在摘錠上完全纏繞，棉簾中的部分籽棉無法完全扯出，另外扯出速度較快會(huì)導(dǎo)致部分棉花被撞落，會(huì)降低采棉機(jī)的采凈率。但是若降低采棉機(jī)的采集速度，會(huì)導(dǎo)致采集設(shè)備和棉花干枯的葉片以及雜草長(zhǎng)時(shí)間接觸，會(huì)增加最終的雜質(zhì)率。

因此從提升采集效率以及采集質(zhì)量的角度來講，采棉機(jī)在運(yùn)行的過程中可以結(jié)合不同棉花田的實(shí)際產(chǎn)量以及具體狀態(tài)合理地調(diào)整采棉機(jī)的運(yùn)行速度，這樣才能夠維持最高的工作效率，也可以提升采集的經(jīng)濟(jì)效益。

2、采棉機(jī)設(shè)備的性能分析及機(jī)器視覺理論的應(yīng)用

從采棉機(jī)設(shè)備的運(yùn)行原理角度來講，對(duì)采集速度產(chǎn)生影響的不確定因素主要為非線性因素以及實(shí)變性因素，例如棉花植株的稀疏程度、不同區(qū)域的產(chǎn)量、地表狀態(tài)、棉花承載量等等。而機(jī)器視覺是建立在硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)賦予其獲取外界信息的能力，能夠結(jié)合不同區(qū)域的棉花種植情況以及成熟情況合理地調(diào)整采棉機(jī)的運(yùn)行速度。

本文以機(jī)器視覺為依托，構(gòu)建了采棉機(jī)作業(yè)期間的速度調(diào)控系統(tǒng)，由于采棉機(jī)在行駛過程中的工況較為復(fù)雜，本文提出了以靜液壓和機(jī)械組配式液壓機(jī)械為基礎(chǔ)的無級(jí)變速行走傳動(dòng)方案。該方案中發(fā)動(dòng)機(jī)可以為采棉機(jī)行走提供動(dòng)力機(jī)械和液壓串聯(lián)打造的動(dòng)力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。動(dòng)力換擋機(jī)械位置主要涵蓋齒輪機(jī)組、離合器、制動(dòng)器、輸出齒輪，液壓部分主要由變量馬達(dá)以及變量泵組成，在采棉機(jī)運(yùn)行的過程中，變量馬達(dá)能夠設(shè)定最大的定盤量，控制變量泵的排量來調(diào)節(jié)采棉機(jī)作業(yè)期間的速度，為了確保速度控制可視化，還可以結(jié)合變量泵以及定量馬達(dá)組合構(gòu)建液壓調(diào)速數(shù)學(xué)模型。

3、基于機(jī)器視覺的速度控制與仿真分析

為了確保采棉機(jī)與機(jī)器視覺技術(shù)相契合還需要結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行情況展開探討，了解具體的運(yùn)行原理和流程，構(gòu)建仿真分析體系，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的透明化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1棉花識(shí)別和重點(diǎn)標(biāo)記

采棉機(jī)的視覺系統(tǒng)會(huì)直接利用自動(dòng)算法檢測(cè)單位面積的棉花產(chǎn)量以及采棉機(jī)本身的凈采率，其中采用的是統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以選擇不同的閾值，通過視覺攝像設(shè)備采集數(shù)據(jù)，了解棉花田的實(shí)際圖像，圖像需要進(jìn)行灰度化處理，這樣才可以確保系統(tǒng)能夠快速識(shí)別不同棉花田的實(shí)際情況[1]。在機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別了棉花田的具體情況之后，需要提取棉花的實(shí)際特征，然后將所采集位置劃分成不同的區(qū)域，區(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)為棉花的密集度、棉鈴開裂情況、采集之后撞落的棉花數(shù)量、采集之后依然掛在植株上的籽棉數(shù)量等，這些信息可以確保機(jī)器系統(tǒng)了解在某一階段內(nèi)的采集效率和質(zhì)量，從而結(jié)合實(shí)際的采集情況調(diào)整后續(xù)的速度。

3.2速度調(diào)節(jié)

結(jié)合當(dāng)前的棉花智能采集標(biāo)準(zhǔn)來講，每一臺(tái)采棉機(jī)在運(yùn)行過程中的采凈率通常為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的90%，因此可以結(jié)合這一數(shù)值計(jì)算采棉機(jī)速度調(diào)節(jié)過程中的各項(xiàng)變量因素，比如采棉機(jī)采摘棉花的采用率若達(dá)到了95%，那么系統(tǒng)需要及時(shí)地掌握設(shè)備的電流梯度、當(dāng)前棉花田的面積、電池驅(qū)動(dòng)伺服閥所對(duì)應(yīng)的電流，然后計(jì)算出棉花采凈率的邊界條件，這樣可以在控制速度的同時(shí)，確保采集效果最高。

3.3作業(yè)速度控制器的調(diào)控

作業(yè)速度控制器需要由專業(yè)系統(tǒng)和軟件來進(jìn)行調(diào)整，不僅要確保在恒定的作業(yè)速度能快速地采摘棉花，更可以確保采摘質(zhì)量最佳。控制器的設(shè)定主要涵蓋機(jī)器視覺模糊PID速度控制結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)采棉機(jī)外界信息的自動(dòng)拾取以及快速分析。采棉機(jī)的圖像采集設(shè)備能夠快速獲取周邊棉花田的實(shí)際狀態(tài)，快速計(jì)算單位面積產(chǎn)量;采棉機(jī)后側(cè)安裝的圖像采集設(shè)備可以快速檢測(cè)設(shè)備采凈率，將得出的相關(guān)信息傳送到采凈率梯度調(diào)節(jié)器;梯度調(diào)節(jié)器、面積單位調(diào)節(jié)器、模糊推理調(diào)節(jié)器共同進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后將得出的指令傳送到PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制彩鈴機(jī)的行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)控。

3.4采棉機(jī)智能控制系統(tǒng)仿真信息

本文依托Matlab軟件中的工具箱，搭建模糊PID控制仿真系統(tǒng)，將采棉機(jī)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)模型導(dǎo)入通過編寫程序的方式，能夠讓信息算法模仿采棉機(jī)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建仿真模型[2]。本次仿真實(shí)驗(yàn)的具體過程為10秒，需要輸入采棉機(jī)模糊PID作業(yè)速度控制算法，掌控采棉機(jī)前后兩個(gè)不同視覺攝像頭的運(yùn)行狀態(tài)，其最終的仿真結(jié)果見圖1。

其中單位方形波信號(hào)主要指的是采棉機(jī)前后視角攝像頭捕捉的棉花田畫面，經(jīng)過數(shù)字分析之后掌握的具體狀態(tài);模糊PID控制響應(yīng)曲線是三個(gè)不同調(diào)節(jié)器結(jié)合采集到的畫面以及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的整體流程;PID控制響應(yīng)曲線主要指的是調(diào)節(jié)器針對(duì)采棉機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控的過程。結(jié)合圖中的曲線來看，三個(gè)不同的曲線位于同等水平，趨勢(shì)發(fā)展基本一致，能夠證明以機(jī)器視覺為依托構(gòu)建的采棉機(jī)速度調(diào)控系統(tǒng)，可以結(jié)合采集前后的實(shí)際棉花田情況進(jìn)行速度調(diào)控，具備較強(qiáng)智能化特點(diǎn)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，結(jié)合采棉機(jī)運(yùn)行期間的實(shí)際原理，利用機(jī)器視覺技術(shù)為其提供速度自控系統(tǒng)，不僅符合實(shí)際的棉花采集需求，更可以提升采集效率以及質(zhì)量。這種方式具有可推廣價(jià)值，同時(shí)也可以為后續(xù)農(nóng)機(jī)具的智能化調(diào)控提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗中華，田大慶，何創(chuàng)新，李楠.智能采棉機(jī)自動(dòng)對(duì)行輔助駕駛控制技術(shù)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2022，44（10）：72-76.

[2]梁秀娟，嵇海旭.應(yīng)用于自動(dòng)采棉機(jī)的電機(jī)永磁性能設(shè)計(jì)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（02）：208-211+216.