大蒜种植机械蒜瓣方向识别算法与控制系统设计
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
1
席东河，陆
12，32，34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，河南南阳环境与化学工程学院，南昌摘
473000；2．南昌工学院，南昌
430070）
330108；3．南昌大学
330031；4．华中农业大学工学院，武汉
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
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.05.018
文献标识码：A
文章编号：1003－188X（2015）05－0082－04
0引言
我国是大蒜产量大国，其种植面积和出口量都居
图像识别系统来调整蒜瓣方向，具体过程如图2所示。
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程进行控制，为了提高控制的准确性，在PLC控制中使用了PID调节器，提高了蒜瓣自动化种植的水平。
Fig．1
图1
大蒜种植机械示意图
Schematicdiagramofgarlicplanting
machine
1PLC控制概述
最常用的是如图1大蒜种植机械的种类有很多，
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，但是没有完全从根本上解决瓣尖朝向问题。
图1是典型的2ZDS－5型自走式大蒜栽植机，但是该机械的蒜瓣方向识别依靠单纯的机械控制，不能解决蒜瓣朝向问题。本文利用PLC控制的方式，根据
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
信息化开放实验室项目（KY2012－01）
（E－mail）作者简介：席东河（1980－），男，河南南阳人，讲师，硕士，
xd212@163．com。
（E－通讯作者：刘志刚（1980－），男，湖北天门人，副教授，博士，
mail）fiberhome@126．com。
Fig．2
图2
蒜瓣方向调整PLC控制过程图
PLCcontrolchartofgarlicdirectionadjustment
利用PID控制器可以实现蒜瓣方向如图2所示，
的自动化反馈调节，系统运行的稳定性更好，控制更加精准。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。
2蒜瓣图像自动识别PLC控制算法设计
蒜瓣方向识别的准确率是影在蒜瓣种植机械中，
响种植质量的关键因素，本文在PLC控制算法中引入PID控制器，通过不断地自动调整蒜瓣方向的准确性，
2015年5月农机化研究
pid_calcute（folatfeedback_value）｛
myPID．en=feedback_value－set_value；if（myPID．en＜=M）……
第5期
提高种植质量，一般的PID控制系统控制方程为
1
S（t）=Kp［e（t）+
Ti
∫e（t）dt+T
1
d
de（t）
］（1）dt
S（t）是系统的输出数值，e（t）是系统输出其中，
Kp是比例调节系数，Ti是时间积值和设定值的偏差，
Td是时间微分系数。为了实现对蒜瓣方向的分系数，
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，有
α=
1
Yj
n∑j=1
n
3蒜瓣方向识别PLC控制系统设计
本文利用Step7编程的方在小波算法的基础上，
Step7的开启界面如图3式对S7－300进行编程控制，
（2）
左图所示，利用Step7本文设计了PID控制器的基本框架图
。
求解该图像矩阵的求解需要借助于协方差矩阵，协方差矩阵为
1
M=
n
n
∑（Yj－α）（Yj－α）
j=1
T
（3）
有利用式（4）对蒜瓣尺寸的特征值进行求解，
Mrj=λrj
a
a
（4）
根据蒜瓣头部尺寸值来检验求解的特征尺寸，有
λj/n∑λj≥P∑j=1j=1
（5）
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，可以利用最大特征值对蒜瓣方向进行识别，并利用PID控制器不断调整识别结果。
表1
Table1
PID功能编号
12345
PID主要控制函数ThemaincontrolfunctionofPIDPID控制功能比例项选择积分项选择比例增益积分初始化积分保持
控制函数P_SELI_SELGAINI_ITL_ONINT_HOLD
Fig．3
图3
PLC编程控制框架图
ThecontrolframeworkofPLCprogramming
PLC的控制过程采用ADC0832串口转换器，在ADC0832停止工作时，CS输入高电平，这时控制芯片是被禁用的。利用DI输入数据信号，利用DO输出数据信号，实现图像模拟信号和数字控制信号的转变。
根据实际大蒜种植的需要，在市场上随机选取了15个蒜头，蒜瓣总数为158个作为实验对象，对其尺寸进行测量得到了如表2所示的大蒜测量结果。根据测量结果，本选择拍摄图像的面积为6cm×6cm，像素为280×280。
表2Table2
参数长/mm宽/mm高/mm质量/g
个数[1**********]8
大蒜选取参数测量Garlicparametersmeasurement
平均值32．3218．9823．217．52
最大值38．6224．1226．179．28
最小值28．5315．2318．355．18
表1表示本文在PID调节器中使用的主要功能函数，其比例项和积分项分别通过P_SEL和I_SEL来实现。本文使用私服电机PWM对蒜瓣识别控制系统进行设计，实现装置的自动控制功能，其中使用的主要控制程序如下：
#definePWM_FＲEQ1#definePWM_STOP0#defineESC_KEY0X1FstructPID｛floatKp；……｝
2015年5月农机化研究第5期
根据拍摄的图像，利用MatLab软件对图像进行处理，利用小波算法实现了蒜瓣特征尺寸的识别和过滤，并在XY平面内绘制的大蒜的边界轮廓。由图4可以看出，蒜瓣的蒜头弦长值明显小于蒜尾，因此可以利用弦长的数值来自动识别蒜瓣的方向
。
识别率高，识别率都在90%以上。由测试的综合结果可以看出，蒜瓣方向的调整准确率在90%以上，可以满足大蒜种植的需要，为大蒜种植自动化研究提供了技术支持
。
图5
Fig．5Table3
表3
大蒜蒜瓣方向调整结果图
Ｒesultsfigureofdirectionadjustmentofgarliccloves
大蒜机械方向识别系统测试结果
Testresultsofdirectionrecognitionsystemofgarlicmachine
图像总数1586890
正确调整个数
1476582
调整准确率
/%93．0495．5991．11
测试项目综合值规则形状不规则形状
4结论
建立了蒜瓣方向识别的小波图像处理算法，并利
用PLC控制技术设计了蒜瓣方向调整的自动化控制
图4
Fig．4
原始图像边界对应的弯曲度值
系统，在控制系统中加入了PID调节器，提高了系统自动化控制的准确性。
利用西门子S7－300设计了系统的硬件部分，软件部分采用Step7进行编程控制。为了验证系统的有效性和可靠性，在市场上随机选取了158瓣蒜瓣进行方向识别测试。
通过对系统的测试发现，该系统对蒜瓣方向识别的适应性较好，可以识别不规则或者部分形状被遮住的蒜瓣，方向调整的准确度都在90%以上。该研究为蒜瓣种植自动化精准程度控制的研究提供了理论参考。
Thebendingdegreethatoriginalimageboundarycorrespondsto
图5表示利用PLC蒜瓣方向控制系统对蒜瓣方向的调整结果。为了验证系统的可靠性，本文对形状不规则的蒜瓣以及蒜尾被遮住的蒜瓣图像进行自动化调整试验，发现当瓣尖被极度弯曲时，该系统依然能够正确地调整蒜瓣的种植方向，并且当蒜尾部分被部分遮住时，也能够正确调整。
表3表示大蒜机械方向识别的测试结果，其测试的主要蒜瓣类型为规则形状和不规则形状两种。通过测试发现，蒜瓣规则形状要比不规则形状方向的准确
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农机化研究第5期
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AlgorithmandControlSystemDesignonGarlicDirectionIdentificationof
GarlicPlantingMachine
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XiDonghe1，LuJian1，LiuZhigang2，，WangXiaozhi2，，LinWeiguo4
（1．DepartmentofElectronicEngineering，HenanPolytechnicInstitute，Nanyang473000，China；2．SchoolofEnviron-ment＆ChemicalEngineering，NanchangUniversity，Nanchang330108，China；3．NanchangInstituteofScience＆Technology，Nanchang330031，China；4．CollegeofEngineeringTechnology，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China）
Abstract：BasedonwavelettheoryandPLCcontroltechnology，thispaperdesignedautomaticimageacquisitionalgo-rithm，andsetPIDcontrollersettingsinPLCcontrolprocess，developedanewPLCcontrolsystemofgarlicdirectioniden-tificationofgarlicplantingmachine．UsingSiemensS7－300seriesproductsashardwaresystem，itusedStep7topro-gramandcontrolthesystem．Inordertoverifythevalidityandreliabilityofthesystem，itchose158petalregularandir-regularshapegarlictoresearchondirectionadjustmentandtest．Thetestshowedthatthesystemcanalsoautomaticallyadjustirregularshapeandgarlicclovetailwithobscuredimage，andthegarlicdirectionadjustmentaccuracyisabove90%bythetestresults．Itcanmeettheneedofgarlicplantingautomation，andprovidesanewautomaticcontrolmethodforthestudyofgarlicplantingtechnology．
Keywords：PLCcontrol；garlicplanting；PIDcontroller；S7－300；Step7；garlicdirection