棉花打顶机棉株自适应识别及作业控制系统研究

Cotton multi-topping regulation is the key link of cotton production harvest. The cotton top recognition and synchronization operation control technical difficult problem have not been settled at present, as the cotton multi-topping machinery is a new research field in China. Cotton strains against its top recognition and synchronization control of technical problems yet to be resolved, through the mechanism analysis, approaches mathematical modeling, numerical simulation and experimental validation of combining breakthroughs in key technologies leading cotton foliage color image classification and detection. Research on Fuzzy C-Means clustering cotton foliage color image segmentation algorithm, using machine vision technology, revealing the process of topping the different characteristics of the cotton top and branches, made of cotton and cotton plant characteristics and high positioning topping operating automatic control system Research. Features of cotton leaves, highly orientation and multi-topping automatic control system are researched using machine vision technology in this topic. In order to realize the precise multi-topping of cotton tops, by means of the precise identification of cotton tops and height of the positioning. The reasonable assignments for cotton multi-topping are designed, and the main performance parameters are confirmed, lay the foundation for realizing the continuous process, which is grain-gathered-automatic identification-cut top-slow release. To R&D the cotton multi-topping equipment with high quality and efficiency, to design of the key parts, and to decrease the rate of leakage cutting and bud loss, to improve the popularity rate of mechanization of cotton multi-topping, realize the whole mechanization of cotton cultivation.

棉花打顶调控是棉花生产丰收的关键环节，棉花打顶机械在国内属全新研究领域。针对其棉花株顶识别及同步作业控制技术难题尚未解决，通过机理分析、数学建模、数值仿真与实验验证相结合的途径，突破棉花顶尖彩色图像与枝叶分类检测的关键技术。研究基于模糊C均值聚类的棉花枝叶彩色图像分割算法，运用机器视觉技术，揭示打顶过程中棉株顶尖和枝叶不同特性，提出对棉花棉株特征和高度定位以及打顶作业自动控制系统的研究。本课题通过对棉株的精确识别及高度的定位，实现对棉株的精确打顶；为设计和确定合理的棉花打顶作业方案和主要性能参数奠定基础，实现扶禾-聚拢-自动识别-切顶-缓释连续作业过程；为优质高效的棉花打顶机的研制和关键部件的设计提供依据，从而降低漏打率和花蕾损失率，提高棉花机械打顶作业的普及率，实现棉花种植全程机械化。

本项目通过开展田间调研，进行了棉花的生长状况和机械打顶机在漏打率和花蕾损失率等评价指标的相关性研究，项目设计了棉花打顶机机械结构，搭建了试验平台；项目在试验平台上搭建了控制系统硬件；且项目设计了基于机器视觉识别技术检测棉花高度的控制系统。其具体研究包括：.1.机器视觉识别系统的设计与研究. 棉株样本的采集及物料特性测定和研究棉株图像的预处理方法。着重研究棉株的形态特性，搭建棉株图像采集平台，拍摄棉株样本的彩色数字图像，从不同的视角拍摄，确保图像能够清晰准确的反映棉株的外观特征。研究基于模糊C均值聚类的棉花枝叶彩色图像分割算法，运用机器视觉技术，揭示打顶过程中棉株顶尖和枝叶不同特性，提出对棉花棉株特征和高度定位以及打顶作业自动控制系统的研究。.2.棉花打顶机机械结构设计与试验平台的搭建. 棉花打顶机的机械结构设计包括棉株扶禾器、刀具自动升降装置等重要部分，实现扶禾-聚拢-自动识别-切顶-缓释连续作业过程，对控制系统的硬件和软件进行搭载。机械结构设计和平台的搭建，主要指标是漏打率和花蕾损失率。.3.棉花打顶机控制系统硬件设计.本项目控制系统升降装置主要采用直线步进电机作为执行机构，打顶装置有打顶刀盘，驱动电机等构成，整个试验台架依托主运动控制器、驱动器、PC机等核心硬件，外部增加限位控制，速度调节等模块。通过机理分析、数学建模、数值仿真与实验验证相结合的途径，提升控制系统的稳定性和准确性。.4.棉花打顶机控制系统软件设计与研究.通过电机PLC设计出一种快速响应的棉花打顶机打顶刀具高度控制系统，完成棉花打顶的高度自适应过程，实现控制系统对棉株高度检测测数据的准确处理和刀具升降装置及时响应。. 该项目的实施为棉花机械打顶奠定了理论基础，同时为棉花机械打顶中棉株高度检测、调高检测效率、控制系统的设计以及机械结构设计与优化提供了技术支持。项目发表论文2篇，专利申请6项（实用新型6项已授权），培养研究生6名。