基于機器視覺采棉機作業(yè)速度控制與仿真分析

張守縣

摘? 要：為了進一步解決采棉機運行過程中存在效率較低，以及采收質量較差的問題，本文提出了以機器視覺為基礎的作業(yè)期間速度控制方案，并且通過Matlab軟件進行仿真分析，合理的定位采棉機作業(yè)過程中的作業(yè)速度、棉花田單位面積、棉花產量、采摘作業(yè)質量幾項動態(tài)性因素，建立在自適應匹配的基礎上，來提升采棉機的運行效果，合理地進行作業(yè)速度控制，不僅可以緩解駕駛員的勞動強度，更能夠提升單位面積的采收質量以及效率。

關鍵詞：采棉機;機器視覺;速度控制;仿真分析

棉花是我國極為重要的經濟作物，同時也是推動我國農業(yè)發(fā)展的關鍵性項目。發(fā)展至2020年，我國的棉花整體產量已經達到了591萬噸，其中機械化生產已經成為了多方關注的重點，采棉機是棉花采收過程中的常規(guī)機器，為了進一步提升其采收效率以及質量，需要進行自動化改造以及創(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上，結合采棉機機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，同時打造可適應的采收頻率，以增強采收質量。

1、技術提出背景分析

國務院在近些年印發(fā)了關于全面推進農業(yè)機械化和農業(yè)裝備產業(yè)轉型升級的指導意見，其中提出了到2025年我國的棉花收獲機械率需要達到60%，同時采棉機的智能化程度也需要全面增強。但是國產采棉機和進口引進的采棉機其性能以及信息化程度存在一定的差異性，嚴重制約了我國的采棉機采收質量以及效率。從理論角度來講，采棉機的采收速度較快，采摘頭中的摘錠和籽棉接觸時間過短，導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導致部分棉花被撞落，會降低采棉機的采凈率。但是若降低采棉機的采集速度，會導致采集設備和棉花干枯的葉片以及雜草長時間接觸，會增加最終的雜質率。

因此從提升采集效率以及采集質量的角度來講，采棉機在運行的過程中可以結合不同棉花田的實際產量以及具體狀態(tài)合理地調整采棉機的運行速度，這樣才能夠維持最高的工作效率，也可以提升采集的經濟效益。

2、采棉機設備的性能分析及機器視覺理論的應用

從采棉機設備的運行原理角度來講，對采集速度產生影響的不確定因素主要為非線性因素以及實變性因素，例如棉花植株的稀疏程度、不同區(qū)域的產量、地表狀態(tài)、棉花承載量等等。而機器視覺是建立在硬件設備的基礎上，利用計算機技術賦予其獲取外界信息的能力，能夠結合不同區(qū)域的棉花種植情況以及成熟情況合理地調整采棉機的運行速度。

本文以機器視覺為依托，構建了采棉機作業(yè)期間的速度調控系統(tǒng)，由于采棉機在行駛過程中的工況較為復雜，本文提出了以靜液壓和機械組配式液壓機械為基礎的無級變速行走傳動方案。該方案中發(fā)動機可以為采棉機行走提供動力機械和液壓串聯打造的動力系統(tǒng)，可以實現無級調速。動力換擋機械位置主要涵蓋齒輪機組、離合器、制動器、輸出齒輪，液壓部分主要由變量馬達以及變量泵組成，在采棉機運行的過程中，變量馬達能夠設定最大的定盤量，控制變量泵的排量來調節(jié)采棉機作業(yè)期間的速度，為了確保速度控制可視化，還可以結合變量泵以及定量馬達組合構建液壓調速數學模型。

3、基于機器視覺的速度控制與仿真分析

為了確保采棉機與機器視覺技術相契合還需要結合其實際運行情況展開探討，了解具體的運行原理和流程，構建仿真分析體系，實現采棉機系統(tǒng)優(yōu)化的透明化和標準化。

3.1棉花識別和重點標記

采棉機的視覺系統(tǒng)會直接利用自動算法檢測單位面積的棉花產量以及采棉機本身的凈采率，其中采用的是統(tǒng)計學的相關知識，可以選擇不同的閾值，通過視覺攝像設備采集數據，了解棉花田的實際圖像，圖像需要進行灰度化處理，這樣才可以確保系統(tǒng)能夠快速識別不同棉花田的實際情況[1]。在機器視覺系統(tǒng)識別了棉花田的具體情況之后，需要提取棉花的實際特征，然后將所采集位置劃分成不同的區(qū)域，區(qū)域劃分的標準為棉花的密集度、棉鈴開裂情況、采集之后撞落的棉花數量、采集之后依然掛在植株上的籽棉數量等，這些信息可以確保機器系統(tǒng)了解在某一階段內的采集效率和質量，從而結合實際的采集情況調整后續(xù)的速度。

3.2速度調節(jié)

結合當前的棉花智能采集標準來講，每一臺采棉機在運行過程中的采凈率通常為標準質量的90%，因此可以結合這一數值計算采棉機速度調節(jié)過程中的各項變量因素，比如采棉機采摘棉花的采用率若達到了95%，那么系統(tǒng)需要及時地掌握設備的電流梯度、當前棉花田的面積、電池驅動伺服閥所對應的電流，然后計算出棉花采凈率的邊界條件，這樣可以在控制速度的同時，確保采集效果最高。

3.3作業(yè)速度控制器的調控

作業(yè)速度控制器需要由專業(yè)系統(tǒng)和軟件來進行調整，不僅要確保在恒定的作業(yè)速度能快速地采摘棉花，更可以確保采摘質量最佳。控制器的設定主要涵蓋機器視覺模糊PID速度控制結構，這一結構能夠實現采棉機外界信息的自動拾取以及快速分析。采棉機的圖像采集設備能夠快速獲取周邊棉花田的實際狀態(tài)，快速計算單位面積產量;采棉機后側安裝的圖像采集設備可以快速檢測設備采凈率，將得出的相關信息傳送到采凈率梯度調節(jié)器;梯度調節(jié)器、面積單位調節(jié)器、模糊推理調節(jié)器共同進行數據分析，然后將得出的指令傳送到PID調節(jié)器，調節(jié)器自動控制彩鈴機的行走系統(tǒng)實現速度調控。

3.4采棉機智能控制系統(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)，將采棉機運行過程中的各項模型導入通過編寫程序的方式，能夠讓信息算法模仿采棉機運行過程中的各項環(huán)節(jié)，從而構建仿真模型[2]。本次仿真實驗的具體過程為10秒，需要輸入采棉機模糊PID作業(yè)速度控制算法，掌控采棉機前后兩個不同視覺攝像頭的運行狀態(tài)，其最終的仿真結果見圖1。

其中單位方形波信號主要指的是采棉機前后視角攝像頭捕捉的棉花田畫面，經過數字分析之后掌握的具體狀態(tài);模糊PID控制響應曲線是三個不同調節(jié)器結合采集到的畫面以及數據進行分析的整體流程;PID控制響應曲線主要指的是調節(jié)器針對采棉機的運行速度進行自適應調控的過程。結合圖中的曲線來看，三個不同的曲線位于同等水平，趨勢發(fā)展基本一致，能夠證明以機器視覺為依托構建的采棉機速度調控系統(tǒng)，可以結合采集前后的實際棉花田情況進行速度調控，具備較強智能化特點。

結束語：

綜上所述，結合采棉機運行期間的實際原理，利用機器視覺技術為其提供速度自控系統(tǒng)，不僅符合實際的棉花采集需求，更可以提升采集效率以及質量。這種方式具有可推廣價值，同時也可以為后續(xù)農機具的智能化調控提供參考依據。

參考文獻：

[1]苗中華，田大慶，何創(chuàng)新，李楠.智能采棉機自動對行輔助駕駛控制技術研究[J].農機化研究，2022，44（10）：72-76.

[2]梁秀娟，嵇海旭.應用于自動采棉機的電機永磁性能設計分析[J].農機化研究，2021，43（02）：208-211+216.