基于机器视觉采棉机作业速度控制与仿真分析

张守县

摘  要：为了进一步解决采棉机运行过程中存在效率较低，以及采收质量较差的问题，本文提出了以机器视觉为基础的作业期间速度控制方案，并且通过Matlab软件进行仿真分析，合理的定位采棉机作业过程中的作业速度、棉花田单位面积、棉花产量、采摘作业质量几项动态性因素，建立在自适应匹配的基础上，来提升采棉机的运行效果，合理地进行作业速度控制，不仅可以缓解驾驶员的劳动强度，更能够提升单位面积的采收质量以及效率。

关键词：采棉机;机器视觉;速度控制;仿真分析

棉花是我国极为重要的经济作物，同时也是推动我国农业发展的关键性项目。发展至2020年，我国的棉花整体产量已经达到了591万吨，其中机械化生产已经成为了多方关注的重点，采棉机是棉花采收过程中的常规机器，为了进一步提升其采收效率以及质量，需要进行自动化改造以及创新。本文电视监理，在案例分析法以及理论分析法的基础上，结合采棉机机器视觉改造的一系列策略展开分析，意在提升其作业速度，同时打造可适应的采收频率，以增强采收质量。

1、技术提出背景分析

国务院在近些年印发了关于全面推进农业机械化和农业装备产业转型升级的指导意见，其中提出了到2025年我国的棉花收获机械率需要达到60%，同时采棉机的智能化程度也需要全面增强。但是国产采棉机和进口引进的采棉机其性能以及信息化程度存在一定的差异性，严重制约了我国的采棉机采收质量以及效率。从理论角度来讲，采棉机的采收速度较快，采摘头中的摘锭和籽棉接触时间过短，导致棉花无法在摘锭上完全缠绕，棉帘中的部分籽棉无法完全扯出，另外扯出速度较快会导致部分棉花被撞落，会降低采棉机的采净率。但是若降低采棉机的采集速度，会导致采集设备和棉花干枯的叶片以及杂草长时间接触，会增加最终的杂质率。

因此从提升采集效率以及采集质量的角度来讲，采棉机在运行的过程中可以结合不同棉花田的实际产量以及具体状态合理地调整采棉机的运行速度，这样才能够维持最高的工作效率，也可以提升采集的经济效益。

2、采棉机设备的性能分析及机器视觉理论的应用

从采棉机设备的运行原理角度来讲，对采集速度产生影响的不确定因素主要为非线性因素以及实变性因素，例如棉花植株的稀疏程度、不同区域的产量、地表状态、棉花承载量等等。而机器视觉是建立在硬件设备的基础上，利用计算机技术赋予其获取外界信息的能力，能够结合不同区域的棉花种植情况以及成熟情况合理地调整采棉机的运行速度。

本文以机器视觉为依托，构建了采棉机作业期间的速度调控系统，由于采棉机在行驶过程中的工况较为复杂，本文提出了以静液压和机械组配式液压机械为基础的无级变速行走传动方案。该方案中发动机可以为采棉机行走提供动力机械和液压串联打造的动力系统，可以实现无级调速。动力换挡机械位置主要涵盖齿轮机组、离合器、制动器、输出齿轮，液压部分主要由变量马达以及变量泵组成，在采棉机运行的过程中，变量马达能够设定最大的定盘量，控制变量泵的排量来调节采棉机作业期间的速度，为了确保速度控制可视化，还可以结合变量泵以及定量马达组合构建液压调速数学模型。

3、基于机器视觉的速度控制与仿真分析

为了确保采棉机与机器视觉技术相契合还需要结合其实际运行情况展开探讨，了解具體的运行原理和流程，构建仿真分析体系，实现采棉机系统优化的透明化和标准化。

3.1棉花识别和重点标记

采棉机的视觉系统会直接利用自动算法检测单位面积的棉花产量以及采棉机本身的净采率，其中采用的是统计学的相关知识，可以选择不同的阈值，通过视觉摄像设备采集数据，了解棉花田的实际图像，图像需要进行灰度化处理，这样才可以确保系统能够快速识别不同棉花田的实际情况[1]。在机器视觉系统识别了棉花田的具体情况之后，需要提取棉花的实际特征，然后将所采集位置划分成不同的区域，区域划分的标准为棉花的密集度、棉铃开裂情况、采集之后撞落的棉花数量、采集之后依然挂在植株上的籽棉数量等，这些信息可以确保机器系统了解在某一阶段内的采集效率和质量，从而结合实际的采集情况调整后续的速度。

3.2速度调节

结合当前的棉花智能采集标准来讲，每一台采棉机在运行过程中的采净率通常为标准质量的90%，因此可以结合这一数值计算采棉机速度调节过程中的各项变量因素，比如采棉机采摘棉花的采用率若达到了95%，那么系统需要及时地掌握设备的电流梯度、当前棉花田的面积、电池驱动伺服阀所对应的电流，然后计算出棉花采净率的边界条件，这样可以在控制速度的同时，确保采集效果最高。

3.3作业速度控制器的调控

作业速度控制器需要由专业系统和软件来进行调整，不仅要确保在恒定的作业速度能快速地采摘棉花，更可以确保采摘质量最佳。控制器的设定主要涵盖机器视觉模糊PID速度控制结构，这一结构能够实现采棉机外界信息的自动拾取以及快速分析。采棉机的图像采集设备能够快速获取周边棉花田的实际状态，快速计算单位面积产量;采棉机后侧安装的图像采集设备可以快速检测设备采净率，将得出的相关信息传送到采净率梯度调节器;梯度调节器、面积单位调节器、模糊推理调节器共同进行数据分析，然后将得出的指令传送到PID调节器，调节器自动控制彩铃机的行走系统实现速度调控。

3.4采棉机智能控制系统仿真信息

本文依托Matlab软件中的工具箱，搭建模糊PID控制仿真系统，将采棉机运行过程中的各项模型导入通过编写程序的方式，能够让信息算法模仿采棉机运行过程中的各项环节，从而构建仿真模型[2]。本次仿真实验的具体过程为10秒，需要输入采棉机模糊PID作业速度控制算法，掌控采棉机前后两个不同视觉摄像头的运行状态，其最终的仿真结果见图1。

其中单位方形波信号主要指的是采棉机前后视角摄像头捕捉的棉花田画面，经过数字分析之后掌握的具体状态;模糊PID控制响应曲线是三个不同调节器结合采集到的画面以及数据进行分析的整体流程;PID控制响应曲线主要指的是调节器针对采棉机的运行速度进行自适应调控的过程。结合图中的曲线来看，三个不同的曲线位于同等水平，趋势发展基本一致，能够证明以机器视觉为依托构建的采棉机速度调控系统，可以结合采集前后的实际棉花田情况进行速度调控，具备较强智能化特点。

结束语：

综上所述，结合采棉机运行期间的实际原理，利用机器视觉技术为其提供速度自控系统，不仅符合实际的棉花采集需求，更可以提升采集效率以及质量。这种方式具有可推广价值，同时也可以为后续农机具的智能化调控提供参考依据。

参考文献：

[1]苗中华，田大庆，何创新，李楠.智能采棉机自动对行辅助驾驶控制技术研究[J].农机化研究，2022，44（10）：72-76.

[2]梁秀娟，嵇海旭.应用于自动采棉机的电机永磁性能设计分析[J].农机化研究，2021，43（02）：208-211+216.