大蒜种植机械蒜瓣方向识别算法与控制系统设计

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1、2015年5月农机化研究第5期大蒜种植机械蒜瓣方向识别算法与控制系统设计112，32，34席东河，陆剑，刘志刚，汪小志，林卫国(1．河南工业职业技术学院电子工程系，河南南阳473000;2．南昌工学院，南昌330108;3．南昌大学环境与化学工程学院，南昌330031;4．华中农业大学工学院，武汉430070)摘要:依据小波算法理论和PLC控制技术，设计了大蒜蒜瓣方向的自动图像采集算法，并在PLC控制过程中设置了PID控制器，开发出了一种新的大蒜种植机械蒜瓣方向识别的PLC控制系统。该系统的硬件系统采用

2、西门子S7－300系列产品，并利用Step7进行软件编程控制。为了验证该系统的有效性和可靠性，选择了158瓣形状规则和不规则的蒜瓣进行方向调整测试。通过测试发现，该系统对形状不规则和蒜尾被遮住的蒜瓣图像也能进行自动化调整，且蒜瓣方向调整准确率都在90%以上，可以满足大蒜自动化种植的需要，为大蒜种植技术的研究提供了一种新的自动化控制方法。关键词:PLC控制;大蒜种植;PID控制器;Step7软件;蒜瓣方向中图分类号:S237;TP399文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)05－0082－

3、04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.05.018图像识别系统来调整蒜瓣方向，具体过程如图2所0引言示。我国是大蒜产量大国，其种植面积和出口量都居世界前列。大蒜的机械化、自动化种植是大蒜生产过程中长期以来面临的难题，如果靠手工种植，劳动强度非常大，且种植质量不高，因此急需一种高效的自动化控制方案实现大蒜自动化种植。在栽植的过程中，为了提高大蒜的产量，应尽量保证大蒜的方向，使蒜种的蒜尖朝上。为此，结合小波算法实现了大蒜蒜瓣方向的自动化识别，使用PLC控制技术对自动化过图1大蒜种植

4、机械示意图程进行控制，为了提高控制的准确性，在PLC控制中Fig．1Schematicdiagramofgarlicplantingmachine使用了PID调节器，提高了蒜瓣自动化种植的水平。1PLC控制概述大蒜种植机械的种类有很多，最常用的是如图1所示的大蒜种植机械。该机械特定机构扶正蒜瓣，振动抖槽定向器来解决蒜瓣在输送过程中的定向问题，图2蒜瓣方向调整PLC控制过程图但是没有完全从根本上解决瓣尖朝向问题。Fig．2PLCcontrolchartofgarlicdirectionadjustment

5、图1是典型的2ZDS－5型自走式大蒜栽植机，但如图2所示，利用PID控制器可以实现蒜瓣方向是该机械的蒜瓣方向识别依靠单纯的机械控制，不能的自动化反馈调节，系统运行的稳定性更好，控制更解决蒜瓣朝向问题。本文利用PLC控制的方式，根据加精准。同时，通过比对监测值和设定值SP，使自动化控制的误差达到最小。收稿日期:2014－05－18基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51305152);河南省矿山2蒜瓣图像自动识别PLC控制算法设计信息化开放实验室项目(KY2012－01)作者简介:席东河(1980－)

6、，男，河南南阳人，讲师，硕士，(E－mail)在蒜瓣种植机械中，蒜瓣方向识别的准确率是影xd212@163．com。通讯作者:刘志刚(1980－)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E－响种植质量的关键因素，本文在PLC控制算法中引入mail)fiberhome@126．com。PID控制器，通过不断地自动调整蒜瓣方向的准确性，·82·2015年5月农机化研究第5期提高种植质量，一般的PID控制系统控制方程为pid_calcute(folatfeedback_value)11de(t){S(t)=Kp［e

7、(t)+∫e(t)dt+Td］(1)Ti0dtmyPID．en=feedback_value－set_value;其中，S(t)是系统的输出数值，e(t)是系统输出if(myPID．en＜=M)值和设定值的偏差，Kp是比例调节系数，Ti是时间积……分系数，Td是时间微分系数。为了实现对蒜瓣方向的3蒜瓣方向识别PLC控制系统设计PID调节控制，首先需要对蒜瓣的图像尺寸进行识别，本文利用小波算法理论首先求取图像信号的特征值，在小波算法的基础上，本文利用Step7编程的方有式对S7－300进行编程控制，Ste

8、p7的开启界面如图3n1α=∑Yj(2)左图所示，利用Step7本文设计了PID控制器的基本nj=1框架图。该图像矩阵的求解需要借助于协方差矩阵，求解协方差矩阵为n1TM=∑(Yj－α)(Yj－α)(3)nj=1利用式(4)对蒜瓣尺寸的特征值进行求解，有Mrj=λrj(4)根据蒜瓣头部尺寸值来检验求解的特征尺寸，有aa∑λj/n∑λj≥P(5)j=1j=1根据蒜瓣图像尺寸特征值可以有效识别蒜瓣的方向，蒜瓣头部的特征尺寸要明显高于尾部。因此，