基于機(jī)器視覺采棉機(jī)作業(yè)速度控制與仿真分析

鐘春發(fā)， 倪向東， 韓雙蔓， 魏曉朝， 陳華軍， 葉好運(yùn)

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000)

引言

2020年，全國(guó)棉花播種面積為3.1699×106hm2，總產(chǎn)量為591.0萬t[1]。棉花機(jī)械化采收已成為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵，國(guó)務(wù)院印發(fā)的“關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見”[2]中指出，到2025年棉花收獲機(jī)械化率達(dá)到60%。

然而，國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)與進(jìn)口高端采棉機(jī)相比，智能化和信息化薄弱，制約采棉機(jī)采收效率和采收質(zhì)量[3]。采棉機(jī)采收速度過快，籽棉與采摘頭中摘錠接觸時(shí)間過短，棉花無法纏繞在摘錠工作表面，高速旋轉(zhuǎn)的摘錠無法扯出棉鈴中的籽棉。采棉機(jī)采收速度過快，采摘頭對(duì)棉株的沖擊增強(qiáng)，采摘過程中撞落的棉花增多，降低采棉機(jī)采凈率。采棉機(jī)采收速度過慢，摘錠與棉葉、雜草等雜質(zhì)接觸時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)采棉含雜率上升，降低機(jī)采棉品質(zhì)和采棉機(jī)工作效率[4-7]。采棉機(jī)根據(jù)機(jī)器視覺實(shí)時(shí)提取棉花特征，測(cè)算棉田單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率[8-9]，自適應(yīng)調(diào)整采棉機(jī)作業(yè)速度，使采棉機(jī)在采凈率不小于90%時(shí)工作在最佳速度[10]，則可以提高采棉機(jī)采摘工作效率和增加經(jīng)濟(jì)效益。

采棉機(jī)作業(yè)包括非線性、時(shí)變性等諸多不確定性擾動(dòng)[11]。棉株稀疏程度、實(shí)時(shí)產(chǎn)量、地面狀況和棉花承載量等都影響采棉機(jī)作業(yè)速度。機(jī)器視覺識(shí)別棉花方面的研究中，王見等[12]為解決棉田棉花背景分割和棉花定位問題，提出最大類間方差法和極限學(xué)習(xí)機(jī)融合的算法，成功識(shí)別棉花；王玲等[13]為解決棉田棉花分級(jí)，通過提取棉花圖像顏色空間和雜質(zhì)含量的14個(gè)紋理特征和16個(gè)形狀特征，結(jié)合交叉驗(yàn)證和啟發(fā)式搜索，成功識(shí)別田間棉花品級(jí)。在采棉機(jī)作業(yè)速度控制方面的研究中，苗中華等[14]為解決采棉機(jī)作業(yè)速度智能控制，通過獲取棉花在線流量，結(jié)合模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)作業(yè)速度自適應(yīng)控制；趙新等[15]為解決采棉機(jī)作業(yè)機(jī)液復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)控制精度問題，提出基于前饋補(bǔ)償模糊自適應(yīng)PID控制算法，提高采棉機(jī)作業(yè)速度控制精度；魏曉朝等[16]、趙勁松等[17]、侯巖光等[18]為解決液壓調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)問題，提出優(yōu)化PID轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制方法，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和轉(zhuǎn)速控制精度；毛尾等[19]為解決電液比例伺服系統(tǒng)變流量死區(qū)和變流量增益非線性問題，提出模糊PID復(fù)合控制。

本研究結(jié)合機(jī)器視覺和模糊PID控制算法，通過MATLAB仿真平臺(tái)，以采棉機(jī)作業(yè)速度自適應(yīng)控制為研究對(duì)象。研究結(jié)合機(jī)器視覺與模糊PID控制算法，構(gòu)建液壓調(diào)速系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)作業(yè)速度自適應(yīng)控制。該算法通過機(jī)器視覺實(shí)時(shí)測(cè)算單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率，并在單位面積棉田棉花產(chǎn)量和采凈率邊界條件約束下應(yīng)用模糊規(guī)則和推理方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，采棉機(jī)作業(yè)速度與棉田單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采摘作業(yè)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)匹配。

1 采棉機(jī)作業(yè)調(diào)速系統(tǒng)

采棉機(jī)行駛作業(yè)工況復(fù)雜，提出一種靜液壓與機(jī)械組配式液壓機(jī)械無級(jí)變速行走傳動(dòng)方案。采棉機(jī)行走傳動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，機(jī)械與液壓串聯(lián)構(gòu)成動(dòng)力換擋無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，采棉機(jī)行走傳動(dòng)方案如圖1所示。動(dòng)力換擋機(jī)械部分主要包括行星齒輪組、離合器、制動(dòng)器和輸出齒輪。液壓部分主要由變量泵和變量馬達(dá)構(gòu)成閉式容積調(diào)速回路，采棉機(jī)作業(yè)液壓調(diào)速系統(tǒng)圖如圖2所示。采棉機(jī)采摘作業(yè)時(shí)，變量馬達(dá)為最大定排量，通過控制變量泵排量，相當(dāng)于變量泵和定量馬達(dá)組合，建立采棉機(jī)作業(yè)液壓調(diào)速數(shù)學(xué)模型。

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.變量泵 3.變量馬達(dá) 4.太陽(yáng)輪S15.太陽(yáng)輪S2 6.高速離合器 7.低速制動(dòng)器8.行星輪 9.輸出軸齒輪圖1 采棉機(jī)作業(yè)傳動(dòng)方案圖Fig.1 Transmission scheme diagram of cotton picker operation

1.補(bǔ)油泵 2.補(bǔ)油溢流閥 3.變量泵電液比例換向閥4.閥控液壓缸 5.變量泵 6.補(bǔ)油單向閥 7.溢流閥8.安全閥 9.變量馬達(dá) 10.閥控液壓缸11.變量馬達(dá)電液比例換向閥 12.油箱圖2 采棉機(jī)作業(yè)液壓調(diào)速系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of hydraulic speed control system for cotton picker operation

(1) 電液比例換向閥數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中，xv—— 電磁閥芯位移量，m

I—— 電磁鐵電流，A

ωbv—— 液壓固有頻率，rad/s

ξbv—— 液壓阻尼系數(shù)

Kbv—— 閥的增益系數(shù)，m/A

(2) 閥控液壓缸數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中，xp—— 液壓缸活塞位移量，m

A—— 液壓缸活塞作用面積，m2

Kq—— 閥穩(wěn)態(tài)工作時(shí)流量增益系數(shù)，m3/A

ωp—— 液壓固有頻率，rad/s

ξp—— 液壓阻尼系數(shù)

(3) 液壓缸到活塞函數(shù)：

(3)

式中，r—— 變量泵斜盤傾角，rad

L—— 變量活塞油缸施力點(diǎn)與斜盤鉸接點(diǎn)間的距離，m

Kφ—— 變量泵斜盤傾角系數(shù)

(4) 泵控馬達(dá)函數(shù)：

(4)

式中，θm—— 馬達(dá)角速度，rad

Dm—— 馬達(dá)排量，m3/rad

Kqp—— 變量泵流量增益

ωh—— 液壓固有頻率

ξh—— 液壓阻尼系數(shù)

(5) 負(fù)載函數(shù)：

(5)

式中，TL—— 作用在馬達(dá)軸上的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m

Ct—— 泵和馬達(dá)總泄漏系數(shù)

βe—— 系統(tǒng)綜合彈性模量，N/m3

V0—— 泵和馬達(dá)工作腔以及連接管道總?cè)莘e，m3

采棉機(jī)行走液壓調(diào)速系統(tǒng)，由變量泵和變量馬達(dá)構(gòu)成閉式容積調(diào)速回路。采棉機(jī)采摘作業(yè)時(shí)，變量馬達(dá)為最大排量，相當(dāng)于變量泵和定量馬達(dá)的組合。因采棉機(jī)作業(yè)為閉式容積調(diào)速回路，泵控馬達(dá)環(huán)節(jié)諧振頻率遠(yuǎn)小于比例換向閥環(huán)節(jié)和閥控液壓缸環(huán)節(jié)，所以比例換向閥環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為閥的增益系數(shù)Kbv，閥控液壓缸環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為1個(gè)積分環(huán)節(jié)和1個(gè)比例環(huán)節(jié)的乘積。圖3為簡(jiǎn)化后采棉機(jī)作業(yè)速度控制框圖，采棉機(jī)通過模糊PID控制器輸出控制信號(hào)Uout，經(jīng)過比例放大器放大后輸出電流I，調(diào)節(jié)比例換向閥的閥芯位移xv，使換向閥流量發(fā)生變化。液壓缸活塞位移xp控制變量泵斜盤傾角r，從而馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速θm，最后采棉機(jī)獲得穩(wěn)定作業(yè)速度。

圖3 采棉機(jī)作業(yè)速度控制框圖Fig.3 Control block diagram of operation speed of cotton picker

2 采棉機(jī)作業(yè)速度控制原理

采棉機(jī)作業(yè)速度控制原理，首先采棉機(jī)通過機(jī)器視覺系統(tǒng)，測(cè)算單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率；再通過模糊PID自調(diào)整算法使控制器輸出控制電流；經(jīng)由電磁伺服閥控制行走液壓變量泵液壓油的流量來改變行走速度，從而實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)作業(yè)速度的調(diào)節(jié)。

2.1 棉花識(shí)別與標(biāo)記

通過采棉機(jī)視覺系統(tǒng)和運(yùn)用OTSU自適應(yīng)閾值算法，測(cè)算單位面積產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率。OTSU運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，自適應(yīng)選定閾值t，計(jì)算前景和背景最大類間方差。視覺采集棉田RGB圖像，把RGB圖像灰度化處理，設(shè)G為RGB圖像的灰度級(jí)，根據(jù)自適應(yīng)閾值t，將圖像像素點(diǎn)分成2類。

(6)

(7)

式中，F(xiàn)0—— 像素點(diǎn)背景的概率

F1—— 像素點(diǎn)前景的概率

pi—— 像素點(diǎn)灰度值為i的概率

F(t) —— 像素點(diǎn)灰度值小于等于t的概率

(8)

(9)

式中，μ0—— 背景灰度均值

μ1—— 前景灰度均值

(10)

(11)

前景和背景類間方差σB為：

(12)

最佳閾值t為：

(13)

通過MATLAB程序處理棉花圖像，提取棉花圖像灰度信息，如圖4所示。灰度直方圖呈雙峰狀，棉花提取與特征標(biāo)記如圖4c所示，可由OTSU自適應(yīng)閾值算法進(jìn)行背景分割。確定圖4a中棉花最佳分割閾值t為173，采棉機(jī)視覺系統(tǒng)可識(shí)別和標(biāo)記棉花。通過視覺系統(tǒng)，提取圖像中棉花并標(biāo)記數(shù)量為n，如圖4f所示。假設(shè)棉田圖像對(duì)應(yīng)棉田實(shí)際采收面積為A，單朵棉花質(zhì)量為m，N為標(biāo)記采前圖像中開裂棉鈴的籽棉數(shù)量；Nz為標(biāo)記采后撞落棉數(shù)量；Nl為標(biāo)記采后鈴殼內(nèi)未被采收的開裂棉數(shù)量；Ng為標(biāo)記采后掛在棉株上的籽棉數(shù)量。單位面積棉花產(chǎn)量為：

(14)

w=N·m

(15)

通過式(15)可計(jì)算開裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量W；撞落棉質(zhì)量Wz；鈴殼內(nèi)未被采收的開裂棉質(zhì)量Wl；掛在棉株上的籽棉質(zhì)量Wg。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量 NY/T 1133—2006，采棉機(jī)采凈率為[20]:

(16)

通過采棉機(jī)視覺系統(tǒng)，在線識(shí)別與標(biāo)記棉花，測(cè)算棉田單位面積棉花產(chǎn)量y和采凈率J。

圖4 棉花提取與特征標(biāo)記圖Fig.4 Cotton extraction and feature labeling map

2.2 速度調(diào)節(jié)原理

假設(shè)當(dāng)前在線棉花采凈率為Jc，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量 NY/T 1133—2006采摘允許最低棉花采凈率Jmin為90%，采棉機(jī)采摘適合棉花采凈率為Jyou為95%；單位電流梯度為Δi；Ic為當(dāng)前單位面積棉花產(chǎn)量y對(duì)應(yīng)的電磁驅(qū)動(dòng)伺服閥對(duì)應(yīng)的電流；Inext為下一時(shí)刻輸給電磁伺服閥的驅(qū)動(dòng)電流；Imax為電磁伺服閥允許的最大驅(qū)動(dòng)電流，則棉花采凈率邊界條件為：

式中,Inextk2>k3。

當(dāng)前棉花采凈率處于1，2，3梯度時(shí)，因采棉機(jī)速度過快，此時(shí)采棉機(jī)采凈率偏低，故需要降低采棉機(jī)速度。當(dāng)采棉機(jī)采凈率處于第4梯度時(shí)，當(dāng)前采凈率處于允許最低采凈率和采棉機(jī)采摘最優(yōu)采凈率之間，此時(shí)保持采棉機(jī)速度不變，采棉機(jī)按照此速度穩(wěn)定行駛。當(dāng)采棉機(jī)采凈率處于第5梯度時(shí)，此時(shí)采棉機(jī)采凈率優(yōu)于Jyou，提高采棉機(jī)作業(yè)速度。

3 作業(yè)速度控制器設(shè)計(jì)

采棉機(jī)作業(yè)速度調(diào)節(jié)過程中，采棉機(jī)的采凈率，隨棉花生長(zhǎng)狀況、種植密度的不同而發(fā)生變化。因每株棉花的產(chǎn)量不同，陽(yáng)光、土壤、棉花打頂和施肥等過程都會(huì)對(duì)單位面積棉花產(chǎn)量造成影響。因此實(shí)際棉田中，單位面積棉花產(chǎn)量是波動(dòng)值，采摘頭的實(shí)際未入量實(shí)時(shí)變化。如果采棉機(jī)以恒定作業(yè)速度去采摘棉花，采棉機(jī)采摘質(zhì)量不能達(dá)到最優(yōu)。為提高采棉機(jī)采摘作業(yè)質(zhì)量，作業(yè)速度需自適應(yīng)匹配單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率的波動(dòng)。

3.1 控制器的設(shè)計(jì)

采棉機(jī)機(jī)器視覺模糊PID速度控制結(jié)構(gòu)由單位面積棉花產(chǎn)量調(diào)節(jié)器、棉花采凈率梯度調(diào)節(jié)器、模糊推理調(diào)節(jié)器、PID調(diào)節(jié)器和采棉機(jī)行走系統(tǒng)組成，采棉機(jī)作業(yè)速度控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。由采棉機(jī)前部視覺系統(tǒng)，測(cè)算單位面積棉花產(chǎn)量，通過產(chǎn)量調(diào)節(jié)器輸出作業(yè)速度控制基礎(chǔ)電流rb；采棉機(jī)后部視覺系統(tǒng)測(cè)算采棉機(jī)采凈率，通過采凈率梯度調(diào)節(jié)器輸出作業(yè)速度控制的采凈率反饋電流rc；Uout為經(jīng)模糊PID調(diào)節(jié)器輸出的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流；yout為采棉機(jī)作業(yè)行走速度；通過霍爾傳感器將作業(yè)速度yout轉(zhuǎn)換為作業(yè)速度反饋電流， 與控制基礎(chǔ)電流rb和采凈率反饋電流rc形成電流偏差E和電流偏差率EC，輸入模糊PID控制器，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)作業(yè)速度自適應(yīng)控制。

圖5 采棉機(jī)作業(yè)速度控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of operation speed control of cotton picker

3.2 模糊PID控制器模糊集、論域和隸屬度函數(shù)的確定

將采棉機(jī)產(chǎn)量調(diào)節(jié)器、采凈率梯度調(diào)節(jié)器與霍爾傳感器形成的電流偏差E和電流偏差率EC，作為模糊PID控制器的輸入，輸出量為控制參數(shù)kp，ki，kd。將偏差E和電流偏差率EC模糊子集均設(shè)置為：{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，記為{NB，NS，ZO，PS，PB}，相應(yīng)的模糊論域?yàn)閧-4，-2，0，2，4}?？刂茀?shù)kp，ki，kd模糊子集均設(shè)置為{零，正小，正中，正大}，記為{ZE，PS，PM，PB}，對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)?0 1)。隸屬度函數(shù)選擇三角形隸屬度函數(shù)。

參數(shù)自整定式為:

(18)

式中，kpo，kio，kdo—— PID原始參數(shù)

Δkp(k)，Δki(k)，Δkd(k) —— 模糊控制器的輸出

當(dāng)采棉機(jī)作業(yè)速度輸入控制信號(hào)發(fā)生變化，模糊控制器根據(jù)mandimi算法，計(jì)算比例(kp)、積分(ki)和微分(kd)3個(gè)輸出量。表1為kp的參數(shù)調(diào)節(jié)表，表2為ki的參數(shù)調(diào)節(jié)表，表3為kd的參數(shù)調(diào)節(jié)表。

表1 kp參數(shù)調(diào)節(jié)表Tab.1 kp parameter adjustment table

表2 ki參數(shù)調(diào)節(jié)表Tab.2 ki parameter adjustment table

表3 kd參數(shù)調(diào)節(jié)表Tab.3 kd parameter adjustment table

模糊控制曲面如圖6所示?？刂魄鏋榉蔷€性，表示模糊控制為非線性。通過模糊控制器對(duì)kp，ki和kd3個(gè)參數(shù)在線校正與調(diào)節(jié)，將模糊理論與PID控制結(jié)合，進(jìn)而建立模糊PID采棉機(jī)作業(yè)速度控制系統(tǒng)。

(19)

根據(jù)式(19)，控制信號(hào)Uout輸入采棉機(jī)液壓調(diào)速系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器。

圖6 模糊控制曲面圖Fig.6 Fuzzy control surface

4 采棉機(jī)液壓調(diào)速建模與仿真分析

借助MATLAB中Fuzzy工具箱搭建模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型，模糊PID控制器模型如圖7所示。運(yùn)用MATLAB的Simulink設(shè)計(jì)泵控馬達(dá)調(diào)速仿真模型，采棉機(jī)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型如圖8所示。通過M語(yǔ)言編寫程序，進(jìn)行采棉機(jī)模糊PID作業(yè)速度控制算法仿真。將模糊PID控制模型和采棉機(jī)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型通過Simulink的Subsystem封裝為2個(gè)子系統(tǒng)，再進(jìn)行聯(lián)合仿真，系統(tǒng)控制模型如圖9所示。

圖7 模糊PID控制器模型圖Fig.7 Fuzzy PID controller model diagram

圖8 采棉機(jī)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型圖Fig.8 Model diagram of hydraulic speed control system of cotton picker

圖9 系統(tǒng)控制模型Fig.9 System control model

仿真過程中，輸入單位方形波信號(hào)，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s。圖10為單位方形波響應(yīng)曲線圖，圖11為kp自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖，圖12為ki自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖，圖13為kd自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖。

圖10 單位方波響應(yīng)曲線圖Fig.10 Unit square wave response curve

圖11 kp自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖Fig.11 kp adaptive response curve

圖12 ki自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖Fig.12 ki adaptive response curve

圖13 kd自適應(yīng)響應(yīng)曲線圖

結(jié)果分析：

(1) 采棉機(jī)作業(yè)工況變化，kp，ki和kd通過模糊PID控制器自適應(yīng)調(diào)整，因此采棉機(jī)作業(yè)速度有較好的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力；

(2) 應(yīng)用MATLAB搭建采棉機(jī)作業(yè)液壓調(diào)速模型，通過模糊PID控制器與PID控制器對(duì)比可知，模糊PID控制器調(diào)節(jié)時(shí)間較短和超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好。

4 結(jié)論

(1) 采棉機(jī)基于機(jī)器視覺，應(yīng)用OTSU自適應(yīng)閾值分割，標(biāo)記采前和采后棉田棉花特征，實(shí)時(shí)測(cè)算棉田單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采凈率；

(2) 采棉機(jī)由液壓無級(jí)變速與機(jī)械式有級(jí)變速組配式動(dòng)力換擋無級(jí)調(diào)速作業(yè)傳動(dòng)，基于MATLAB平臺(tái)，搭建采棉機(jī)作業(yè)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型和模糊PID控制器模型。通過仿真對(duì)比分析， 模糊PID控制器對(duì)采棉機(jī)作業(yè)速度控制，具有較好動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)作業(yè)速度自適應(yīng)控制；

(3) 采棉機(jī)基于機(jī)器視覺和模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)棉機(jī)作業(yè)速度與棉田單位面積棉花產(chǎn)量和采棉機(jī)采摘作業(yè)質(zhì)量自適應(yīng)匹配，降低采棉機(jī)駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升采棉機(jī)采收質(zhì)量，對(duì)采棉機(jī)智能控制具有重要意義。