智能电脑甘蔗专家系统

关键词：

智能电脑甘蔗专家系统（精选五篇）

智能电脑甘蔗专家系统 篇1

关键词：收银秤,Android平板电脑,STM32F030RC,设计

0 引言

随着连锁社区农蔬产品商店的逐渐普及,独立门店的销存系统蕴藏了巨大的商机。传统销售系统采用称重、计价和收银分开的方式,销售系统操作体验差,不能联网。随着电子技术和物联网技术的发展,具备称重、收银、销存管理、无线联网、会员& 手机支付、不间断电源等功能的一体化收银秤系统已经成为了未来的发展方向。 因此,本文设计了基于低成本的STM32F030RC和Android的智能收银秤系统,系统集成度高、工作稳定,具有广阔的发展前景[1]。

1 智能收银秤系统总体方案设计

本系统集成了商品称重、条形码扫描、会员卡系统、小票打印、钱箱和不间断电源等功能,采用An-droid平板电脑作为上位机和交互设备,提供了良好的交互体验,并可以通过无线网络连接,实现便捷的网络化销存管理。系统主要分为4个部分:称重系统、主控系统、电池管理系统和Android平板电脑[2,3]。智能收银秤系统组成框图如图1所示。

2 智能收银秤系统硬件设计

2.1 称重系统

称重系统基于低功耗STC15L2K60S2和ADS1230设计,无需外部复位和晶振电路,可以得到稳定准确的称重结果。图2为AD转换电路,使用单臂桥式称重传感器,由ADS1230进行AD转换,可以获得20位称重采样值,其中无噪声计数值为34 604,远大于计价秤3 000的检定分度值[4]。

2.2 主控电路

主控电路主要接收称重、刷卡器、扫描枪等外设数据,给打印机等外设发送数据,以及和平板电脑进行通讯,数据的通讯通过USART串口实现。 系统选用STM32F030RC作为主控系统的微处理器,该芯片可以提供高达6个USART串口,从而满足系统的通讯需求。图3为STM32F030RC最小系统电路原理图。

2.3 电池管理系统

通过一个良好的电池管理系统可以实现系统良好稳定的供电,延长电池的使用寿命。本系统选用了低成本的STC15W401AS作为电池管理的微处理器[5]。

3 软件设计

本系统软件设计的核心部分是称重数据的处理和主控系统的数据收发。

3.1 优化的滑动滤波算法

本系统采用的优化滑动滤波算法在计算时考虑了称重数据的变化方向,有选择地剔除粗大数据,从而能够更好地平抑干扰,并避免了传统滑动滤波算法响应慢的缺点。

优化的滑动滤波处理算法如图4所示,Q[5]为缓存队列,首先对队列中原来的数据进行判定,如果全部为严格升序,则使标志位F=1;严格降序,则使标志位F=255;存在升降的情况,则认为是无序,并使标志位F=0。每次取回新的AD转换值后,用新值p[j]和队列中数据均值Qr进行比较,如果新值大于均值且F=1,则认为新值方向和原队列数据相同,剔除队列中最小数据,将新值压入队列,求新的队列数据均值,并作为称重结果输出;如果新值小于均值且F=255,则认为新值方向和原队列数据相同,剔除队列中最大数据,将新值压入队列,求新的队列数据均值,并作为称重结果输出;如果队列中原数据为无序,或者新值和原队列数据的方向不一致,则采用剔除队列最大值和最小值,压入剩余数据的均值,再压入新值,求新的队列数据均值,并作为称重结果输出。

3.2 多级缓冲机制

在数据收发的处理中,设计了多级缓存,从原理上避免了发送和接收的冲突,防止发送数据时接收数据发生改变造成的数据错误,提高了系统的运行效率。接收二级缓存配置如图5所示。

4 测试

测试是一个系统能够稳定工作的重要前提之一,对智能收银秤系统进行了系统功能的测试,Android收银秤系统界面如图6所示,称重功能的测试数据见表1。由表1中的测试数据可以看出,系统的称重结果比较稳定和准确,能够满足智能收银秤的系统要求。

5 结语

本文针对小门店的销存管理问题,设计了基于STM32的Android智能收银秤系统,集成了商品称重、条形码扫描、会员卡系统、小票打印、钱箱、不间断电源等功能。采用Android平板电脑作为上位机和交互设备,提供了良好的交互体验,并可以通过无线网络连接,实现便捷的网络化销存管理,具有极大的使用价值和良好的市场前景。

参考文献

[1]谢应宸.基于FS8610的网络电子收银秤的设计与实现[D].苏州:苏州大学,2009:1-15.

[2]潘综.家用经济型智能电子称中称重模块的设计与研究[D].济南:山东大学,2013:15-20.

[3]吴薇.新一代互联网产品:Android POS[J].信息与电脑,2014(3):64-67.

[4]青岛市技术监督局,青岛衡器测试中心.JJG-539-97数字指示秤[S].北京:国家计量监督局,1997:1-5.

智能电脑甘蔗专家系统 篇2

【关键词】英语作文 自动评分系统

在英语作文教学中，对学生作文进行批改一直被师生共识为提高写作能力的有效手段。但是，考虑到时间、精力、作文收发等方面，又不得不承认效率不高。在大规模语言考试中，作文又是必不可少的题型，阅卷工作量和阅卷的信度等问题一直以来都不能让我们如意。针对这一难题，电脑智能自动评分系统提供了可以信赖、值得期盼的解决方案。

在PEG、IEA、E-rater、冰果、MY Access、IntelliMetric等几种智能评分系统中，本文选取IntelliMetric系统进行研究，对其评价标准进行理论分析，对其所评分的作文进行跟踪评析，发现其通过对学生作文按照若干评分标准问题进行回应和打分的方法能够快速、有效地解决了作文评分的效率问题，可靠性和准确性不亚于人工评分的水平，完全可以作为人工评分的补充手段。由此看来，智能评分系统的发展值得期盼。

一、IntelliMetric系统概述

IntelliMetric系统发布于1998年1月，是第一个提供给教育机构的智能作文评分软件，相比传统的人工评阅具有许多优点，如：准确度大于个人评分，尤其大于单人人工评分；提供即时反馈等等。发布以后，系统得到了广泛的应用。

IntelliMetric系统作为一个智能评分系统，充分模拟了人工评分的过程。系统开发时经过了大量的测试培训，即不断通过人工纠正其自动认定的给分点，直至契合。值得提出的是，系统不是将所有的给分点简单地相加，而是通过分析给分点之间的聚合关系，模拟人工从整体上看待作文并给出判断，这一点上跟人工评分的过程是一致的。

对于每一个给分点刺激和提示，IntelliMetric系统创建了一个独特的解决方案，主要的给分点、次要的给分点、聚群给分点和分散给分点，都有不同的分数赋值。每一个刺激或提示，这相当于人工阅卷时我们先将作文的得分点做上标记，然后回过头来审视通篇看所有的这些给分点是否形成整体，主题是否突出，连贯是否流畅。正因为如此，IntelliMetric系统能够实现令人满意的高匹配的评阅结果。

二、IntelliMetric系统评分依据

IntelliMetric系统的评分依据主要根据其对作文进行的300多个变量的分析，这些变量包括语义学、造句法等与主题有关的一切因素，其数量和认定的准确度还在发展当中。概括起来，IntelliMetric系统评分依据从宏观到微观具有几个方面功能特征：

首先是聚焦度（Focus）和整体性（Unity），系统高度关注指向写作目的的聚焦度和一致性，对给分点的聚合关系赋值有统筹考虑，同时，也不排斥出现的单个观点的出现，注意到意义的关联度，做到点和面的全盘考虑。

其次是深化（Development）和拓展（Elaboration），系统关注文章内容的广度和概念的拓展深度，关注对主题的深化表述论述过程，注意意义点之间的线性关联，做到点与点的流程考虑。

三、IntelliMetric系统局限性及关于智能评分系统的思考

IntelliMetric系统再好，它还是属于工具，少不了它的局限性。 首先，系统测试时大大依赖于标准的人工评阅专家。系统需要明确的给分点提示和整体把握流程，而这样的专家往往也是仁者见仁智者见智的，很难取得统一。输入不够导致输出局限，使用系统进行机评时我们会发现系统遗漏了给分点或整体把握不灵的情况。

从目前各种智能评分系统的使用看来，各种系统的设计都利用了多种现代信息处理技术， 主要包括自然语言微观和宏观处理技术、检索技术和统计分析技术等，但由于所使用的各种技术成熟程度不同，主要由于对自然语言处理微观宏观标准的建立和人工智能化程度还远远不够，系统的分析能力难免存在较大局限性。目前，由于涉及专利问题，各种智能评分系统所采用的自然语言处理微宏技术都还没有公开，这是一个遗憾，对我们进一步开展研究很不利。

智能评分系统在对评分模型进行训练并建立基础数据库、形成建模，是提高其工作质量，即作文评分的信度的关键。接下来，我们应充分借鉴语言测试领域的成果，充分发展自然语言处理微宏技术，在语言表述、思想内容和结构等方面进行联动赋值，并植入智能系统。还要在程序上进一步模拟人工流程，对自动评分模型进行反复训练调试，才能提高机评的信度，为语言教学提供强有力的辅助。

【参考文献】

[1]Huang， S. J. （2006）. A Case Study of EFL Students’ Writing Errors on a Web-Based Writing Program. In the Proceedings of 2006 International Conference and Workshop on TEFL & Applied Linguistics.

[2]Page， E. & Peterson， N. S. The Computer Moves into Essay Scoring： Updating the Ancient Text [ J]. PhiDelta Kappan M arch， 1995： 561- 565.

户外舞台电脑灯智能防护系统设计 篇3

随着中国文化产业的发展, 越来越多的室外剧场兴建起来, 越来越多的电脑灯将在户外运行, 目前大部分电脑灯的防护等级无法达到户外使用要求, 演出受到天气影响较大, 无法确保每场演出都能按预定的时间演出, 电脑灯在室外寿命也大打折扣, 商家的信誉和利益将受到严重的影响。

基于上述种种原因, 东莞市环宇文化科技有限公司设计出一种低成本的电脑灯防护系统, 解决该问题。

2 电脑灯防雨罩组成

电脑灯防雨罩主要由亚克力球罩, 电脑灯底座, 加热通风控制器等部分组成, 亚克力球罩给电脑灯提供一个室外防雨, 防雪, 透光的环境, 加热通风控制器保证电脑灯里面的温度, 湿度满足电脑灯正常工作的要求, 电脑灯底座主要用于安装电脑灯, 加热器, 通风风扇, 控制线路板等作用。

3 控制系统

整个控制系统有温度检测部分, 面板控制部分, 换气风扇和加热泵控制部分组成, 组成框图如图1。电源电路产生DC5V和DV12V, 给控制面板, 主控芯片, 温度检测, 风扇驱动电路, 加热管电流控制电路供电, 主控芯片采用宏晶科技的STC15F2K32S2单片机。

主控芯片以周期T采集防护罩内部温度, 与系统所需的工作温度实时比较, 经过PID算法, 控制加热管电流和风量, 来保证内部温度始终满足电脑灯所需的环境温度。保证系统环境温度的同时, 风扇将会以内部设定的周期和风量定时的运行, 来保证内部湿度和外部湿度一致。这样下来, 电脑灯在户外工作如同在室内工作一样, 电脑灯使用寿命得到延长。

3.1 温控系统

温控系统包含有温度检测部分和温度控制部分, 下面分别介绍一下检测部分和控制部分。

3.1.1 温度检测部分

由于该系统对温度精度要求不高, 本系统温度采集部分采用集成温度传感器DS18B20该器件测温范围-55℃~+125℃, 固有测温误差0.5℃, 使用该集成器件, 使得电路设计简单, 性能稳定, 该器件在市场上很常见, 采购周期短, 价格非常低廉。

但是该器件对软件设计要求较高, 对时序控制要求敏感, 所以软件上设计相对较复杂, 为了使系统简单化和模块化, 温度部分采用独立一个单片机采集, 然后将数据计算机出来后送给主控单片机。系统内部采用多点检测, 取多个温度的平均值为当前系统内部温度, 检测部位为电脑灯安置位置附近 (非进口风和出风口) 。

温度检测部分电路图较简单, 可以将DS18B20的引脚都并起来接到单片机的一个IO口上, 也可以分别用3个IO口接3个DS18B20, 由于单片机IO引脚较多空余, 为了程序简单化, 这里采用独立式链接即一个IO接一个DS18B20。经过实际试验测得, 用该方法测出的温度和内部实际温度误差在0.3°以内, 完全可以满足使用要求。

3.1.2 温度控制部分

当温度比要求温度高时, 控制换气风扇的转速, 来保证系统内温度不会过高, 温度过低时, 控制内部加热系统工作。保证电脑灯工作环境始终控制在35~40℃, 控制风量和加热泵采用经典的PID模糊控制算法。

加热泵采用恒流控制, 主控芯片通过串口发送设置电流值给电流控制模块, 电流控制模块输出相应的电流控制加热泵, 电流控制部分硬件框图如图2。

换气风扇控制直接通过主控单片机IO引脚驱动MOS管, 采用PWM脉宽调制方式控制风扇的转速。

3.1.3 PID算法控制

本系统内温度控制采用经典算法PI (比例积分) 。PI是比例 (P) 、积分 (I) 2个控制作用的组合。连续系统PID控制器的微分方程为:

则增量式控制算法为:Y (n) =Y (n-1) +KP[e (n) -e (n-1) ]+KIe (n

显然, KP越大, 控制器的控制作用越强;只要e (t) 不为0, 积分项会因积分而使控制器的输出变化;只要e (t) 有变化的趋势, 控制器就会在微分作用下, 在偏差出现且偏差不大时提前给输出一个较强的控制作用。防护罩内部实际温度与给定温度的偏差经过PI算法运算后, 计算出加热泵给定电流和风量大小 (PWM信号的占空比) 。

3.2 设置面板

设置面板主要包含了一个液晶显示模块和4个按键, 液晶显示模块实时显示当前系统内部温度, 通过设置面板的的按键, 可以设置系统控制温度 (默认38℃) , 在某些特殊的要求场合, 用户可以面板上提供的按键设置相应的温度和控制幅度, 设置面板也采用一个单片机控制显示和按键, 它和主控单片机采用串口通讯。

4 结语

经过大量试验论证, 采用该设计方案, 电脑灯在户外使用情况良好, 稳定, 防雨使用寿命接近室内使用寿命, 并且整个系统成本相对较低廉, 市场竞争力强, 可应用在户外大型剧场, 水舞表演等等, 市场前景广阔, 该防护罩已在我司的山西工程和其他的工程中广泛使用。

摘要：介绍一种低成本的电脑灯在户外安装使用时防护措施, 整个系统采用单片机控制温度, 提供电脑灯稳定运行环境。

关键词：电脑灯,单片机,防护,温度

参考文献

[1] (美) 麦肯锡 (mackenizie, i.s.) 著, 方承志等.8051微控制器教程[M].清华大学出版社, 2005.

[2]张睿彬.模糊参数自整定PID控制器的设计与仿真研究[J].中原工学院学报, 2007 (01) .

[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].电子工业出版社, 2011-3-1.

智能化甘蔗除杂压榨的研究 篇4

众所周知,蔗糖生产对环境的污染是相当大的。因为压榨甘蔗时没有把杂质压榨掉,而是采用压榨后大糖水中除杂。甘蔗中的根部带有坭、苏,甘蔗的节、眼和表皮粉状物,有的表皮还残留农药,这些杂质,传统的生产是没有去掉就一起压榨,它们被混入糖水中,在制糖时再把其除去。坭、苏,甘蔗的节、眼和表皮粉状物不但没有糖分,反而要吸收糖分,使糖分损失加大。另外,在糖水中去除这些杂质,增加除污原料(化学)投放和污水,使除污成本增加,环境变差。如果除污不好,残留农药和重金属还会对人体健康带来危害。因此,除杂后压榨,产生较好的经济效益和社会效益。

1 甘蔗除杂系统的组成

甘蔗除杂系统的组成示意图,如图1所示。

2 甘蔗除杂基本原理

把甘蔗截成50cm长一段,经分散器分成单层甘蔗,在传送带输送下沿着图1的箭头方向运动,拨蔗器把甘蔗送进上下摩擦板之间,甘蔗在重力、压力、支持力、推力、滑动摩擦力和滚动摩擦力的共同作用下,甘蔗沿着斜面一边滑动,一边滚动前进。根据力学分析[1,2],甘蔗与上摩擦板碰撞的动量改变量(标量式)为

mvp2-mvp1=ΔtF (1)

其中,m为甘蔗质量(kg);vp2,vp1分别为甘蔗受碰后与受碰前速度(m/s);Δt为受碰作用时间(s),F为碰撞作用力(N),F=P/v;P为电机输出功率(W),v为上摩擦板运动速度(m/s)。

1.清洁槽 2.下皮槽 3.下摩擦板 4.支架 5.甘蔗 6.拨蔗器 7.挡蔗器 8.弹簧 9.步进电机 10.压力调节器 11.压力杆 12.压力传感器 13.前传动轮 14.曲轴 15.传动带 16.连杆 17.电机传动轮 18.电动机 19.上摩擦板 20.后传动轮 21.后曲轴 22.后连杆 23.摄像头 24.风机 25.风槽

甘蔗质心的(沿斜面为X轴,垂直斜面为Y轴)运动为

undefined

其中,μ,δ为滑动摩擦因数和滚动摩擦因数,值与摩擦板表面和材料有关;acX,acY分别为甘蔗质心加速度在X轴和Y轴上的分量(m/s2);N为甘蔗相互挤压的压力(N);α,ϑ分别为斜面与水平的夹角和滚动摩擦力与垂直于斜面的夹角;k为弹簧的弹性系数;h为弹簧伸长或压缩的改变量。

当甘蔗与下摩擦板接触时,则接触轴线为转动轴,其转动力矩(顺时钟为正,逆时钟为负)为

M=2RF+mgR(cosα-δcosϑ)-2δRN (3)

甘蔗在运动过程中,甘蔗之间必然产生相互追尾碰撞(设为弹性碰撞),根据碰撞前后动能守恒和动量守恒得

mvundefined+m0vundefined+mvundefined+m0vundefined=

mvundefined+m0vundefined+(m+m0)vundefined (4)

mvundefined+m0v2P+mv1C+m0v2C=

mv′1P+m0v′2P+(m+m0)v′C (5)

其中,式(4)和式(5)的v1P,v2P分别为碰撞前的线速度;v′1P,v′2P分别为碰撞后的线速度,v1C,v2C分别为碰撞前的质心速度;v′C为碰撞后的质心速度。

甘蔗在外力作用下,不断碰撞和不断摩擦把甘蔗节、眼、表皮粉状物、根、苏和坭除去。

3 甘蔗除杂智能控制

3.1 控制系统硬件组成

由于当上摩擦板对甘蔗压力过大时,摩擦力过大而卡死。因此,设置上摩擦板对甘蔗压力的检测与调节系统,当遇到大条甘蔗时,调节摩擦板上移一些,细条时下调,使甘蔗受到上摩擦板的压力始终处于一个合适的位置。而且,为了保证去皮的质量,根据摄像头采集得到的除杂质量情况,调节上摩擦板对甘蔗的推力,从而改变甘蔗的滚动速度,调节除杂率。控制系统硬件组成,如图2所示。

3.2 控制工作原理

3.2.1 压力控制

甘蔗受到的压力来自于上摩擦板的重力、弹簧的弹力和甘蔗相互挤压的压力。通过改变压力的大小来调节摩擦力,使去皮率得到调节。压力传感器采集到的压力数据信号,送LA3220放大器放[3]大后,由TMS320F2812单片机[4]B0端口送入其内部进行数据处理;从A4,A5,A6,A7端口输出压力调节控制信号给步进电机的驱动电路L298[5];由L298来控制步进电机M1的步进情况和步进量,控制插消的进出量来改变弹簧的弹力。

3.2.2 压力控制程序

压力控制程序基本流程框图,如图3所示。

3.3 推力控制

3.3.1 推力电机的选择

三相鼠笼电动机输出功率和工作效率较高,因此上摩擦板的驱动电机选择三相鼠笼电动机。由于,上摩擦板的速率不能跳跃式变化,而变频电机调速平滑,因此选择电动机变频调速方式调速。根据摄像头采集到的图像,识别出的除杂率,TMS320F2812单片机和IRZ132的PWM频率驱动电路,由IRZ132控制电动机输出功率。PWM变频器[6]电路原理图,如图4所示。

3.3.2 甘蔗图像数据处理

为了获得比较准确的甘蔗表面和蔗肉颜色信息,首先用各个品种甘蔗表面和蔗肉颜色信息图片500幅,建立表面和蔗肉颜色图像数据库,把反映图像表面、蔗肉表皮粉状物、节、眼、根、苏和坭颜色特征的数据存于数据库内,作为模式训练、模式识别和单片机(或计算机)除杂控制数据信息源。

3.3.3 甘蔗表面和蔗肉颜色图像数据采集

由于甘蔗表面与甘蔗肉有一个比较明显分界线。在分界线一侧是皮有颜色,另一侧是肉无颜色,图像的灰度变化较大。所以,可以利用图像边沿灰度的变化特征进行识别,由摄像头的数字采集卡获得的图像数据为

undefined

(6)

3.3.4 模式训练和模式识别

本系统的识别物是甘蔗和表皮粉状物、节、眼、根、苏和坭,系统首先把甘蔗表面有无颜色样本数据通过RS232接口电路传输给计算机进行模式训练。当摄像头再次拍摄到甘蔗表面颜色时,计算机根据甘蔗边缘图像特性的特点和图像识别特点,选择自适应阀值的SRM分割方法(AT-SRM)的算法,其计算表达式为

undefined (7)

undefined (8)

其中,undefined表示设定区域内像素的个数;λ是与图像分辨率有关;T(a)表示甘蔗图像γ中,某个像素在通道a上的像素值。为了缩短运算时间,选择快速算法计算待匹配边缘甘蔗图像的距离,其变换式

undefined (9)

其中,undefined表示待匹配边缘图像上所有边缘点的集合;G(y,p)表示Euclidean的距离。

形状匹配矩阵为

undefined (10)

其中,undefined表示甘蔗表面边缘片段像素的集合;nz为边缘片段的长度;y是位移向量。最优匹配点的函数为

Tp=TZ+argmin[We(y,p,z)] (11)

其中,Tp表示最优匹配点;TZ表示边缘片段的原始位置,L表示搜索区域的半径。

形状匹配和空间匹配定义,则

undefined (12)

undefined (13)

采用文献[8]介绍Gentle-Boost算法训练分类器,它是Adaboost算法的一种特例。其中每个弱分类器对应一个边片段。由式(10)和式(11),得匹配函数定义为

HZ(P)=OZ(P)2+εGZ(P)2 (14)

由此分类器的判别函数为

undefined

(15)

其中,aZ

3.3.5 上摩擦板驱动控制程序

上摩擦板驱动控制程序,如图5所示。

3.4 清除杂物

为了清除脱下来的甘蔗表皮粉状物、节、眼、根、苏和坭,使其不被带送进压榨,设置一个甘蔗干净器。干净器由图1中的24,25两部件组成,其原理是利用风力把粘在甘蔗上面的表皮粉状物、节、眼、根、苏和坭吹掉,使甘蔗干净送进压榨机压榨。

4 结论

利用外力使甘蔗产生相互摩擦,把甘蔗表皮粉状物、节、眼、根、苏和坭去除。利用压力传感器、摄像头、单片机和变频电机实现智能化除杂,保证除杂质量和产量。由于压榨前除杂,使甘蔗汁中杂质相较少,使白糖生产除污成本大为降低,白糖品质提高,增加市场竞争力。经初步试验,这种把甘蔗除净后压榨生产白糖的模式,使糖分损失少,污水下降20%～30%,经济效益和社会效益显著。

参考文献

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[2]卢尚建.圆筒在水平面上滚动时的摩擦分析[J].物理教学探讨,2003,21(5):48-49.

[3]徐治乐,王军伟.音响设备原理与维修[M].北京:高等教育出版社,2007:147-149.

[4]王地男,孙航,王挺峰,等.TMS320F2812在步进电机控制系统中的应用[J].微计算机信息,2010,26(10):121-122,146.

[5]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报,2009,9(4):19-21.

[6]陈良亮,尹宏旭,周斌,等.基于变频控制的串联谐振DC/DC娈换器的研究[J].电工电能新技术,2011,30(3):6-9.

[7]李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

智能化甘蔗除草机的研究 篇5

我国甘蔗播种、喷药、收获很多地方都采用机械化作业[1],种菜除草机[2]大棚栽培也有使用,但除草效果不够理想、除净率不高。目前,甘蔗种植除草多数采用除草剂,长期使用会破坏土壤酸碱度和造成水环境恶化[3]; 若采用人工除草,不但工价高,而且雇工困难。所以,十分有必要设计一种高性能、智能化的甘蔗除草机,实现甘蔗全自动化种植,以降低甘蔗种植成本,提高我国白糖在国际市场竞争力,避免水土环境遭到破坏。

1 智能化甘蔗除草机的组成

智能化甘蔗除草机利用USB摄像头对甘蔗杂草进行图像采集[4],信号送入S3C2410微处理器[5]; 通过图像处理,识别出甘蔗的叶片与杂草,信号输出到PCL6143运动专用控制芯片[6],控制除拔草电磁线圈电流的通断,以及除草器和拔草器的工作。除草机的组成框图如图1所示。

2 杂草图像采集与图像处理

2. 1 S3C2410 微处理器简介#sup_id#[5]#sup#

S3C2410微处理器是韩国SAMSUNG公司的高性能和功能强大的嵌入式微处理器。其基于ARM920T为内核,具有16 /32位RISC,能承接16KB指令和Cache数据,并以高速AMBA总线接口,支持NANDFlash系统; 具有MMU虚拟存储 器、片选逻辑 和SDRAM控制器,以及SPI、IIC、IIS等通讯接口,适合作为甘蔗叶与杂草图像进行除草操作控制芯片。

2. 2 图像采集

利用30J的MI360图像传感器( 最大分辨别率可达651×487 ) 对图杂草与甘蔗叶进行图像采集,图像信号送到具有很高性价比的ZC0302视频处理芯片,对图像数进行IPEG压缩; 同时提供USB1. 1接口,高达30frame /s的CIF图像处理速度,能以标准的JPEG数据流输出; 通过USB接口输入S3C2410微处理器储存于存储单元中。

2. 3 图像模式训练与识别

本系统只需识别甘蔗和杂草的形状,由USB摄像头采集的甘蔗和杂草样本数据通过USB接口电路传输给S3C2410微处理器进行模式训练。当摄像头再次拍摄到甘蔗和杂草时,S3C2410微处理器根据甘蔗与杂草边缘图像特性,运用自适应阈值的SRM分割方法算法[6],计算式为

其中, w为设定区域内像素的个数; μ为与图像分辨率有关; R( d) 为杂草图像γ中某个像素在通道d上的像素值。选择快速算法,计算待匹配边缘杂草图像的距离,其变换式为

其中,L = { L} 表示待匹配边缘图像上所有边缘点的集合; R( y,L) 表示Euclidean的距离。

形状匹配矩阵为

其中,Q = { i} 表示杂草表面边缘片段像素的集合; nQ为边缘片段的长度; y是位移向量。最优匹配点的函数为

其中,RL表示最优匹配点; RQ表示边缘片段的原始位置; L表示搜索区域的半径。

形状匹配和空间匹配定义为

运用Gentle - Boost算法训练分类器的方法,设置每个弱分类器对应杂草边沿图像片段。由式( 6) 和式( 7) 得匹配函数定义为

因此,甘蔗杂草边沿分类器的判别函数为

其中,dQ< sQ。

3 甘蔗除草

3. 1 除草机械构成

甘蔗除草机械主要由主轴快速升降电机、主轴快速水平移动步进电机、除草器升降电机与水平移动电机、除草器、拔草器升降电机与水平移动电机、拔草线圈、拔草器等构成,如图2所示。

3. 2 除草基本原理

3. 2. 1超声波测高

图1中,安装在主横梁上的超声波测高仪向甘蔗地垄发射超声波信号,经反射后送入超声波接收器; 根据回收时间,计算出除草器的距离地垄高度[7]。计算式为

其中,T为现场温度( ℃) ,t为超声波从发射到接收的时间( s) ,0. 060 7为温度补偿系。

S3C2410微处理器根据超声波测高仪测出h的高度,由主轴升降步进电机调节横梁高度,减少除草器垂直升降和拔草器垂直升降调节。

1. 固定板 2. 主轴升降杆 3. 主轴升降步进电 4. 主横梁 5. 超声波测高仪 6. 主轴快速水平移动步进电机 7. 除草器垂直升降电机 8. 除草器垂直升降杆( 内含滑槽) 9. 除草器水平移动电机 10. 拔草器垂直升降电机 11. 拔草器垂直升降杆( 内含滑槽) 12. 拔草器水平移动电机 13. USB 摄像头横向滑块 14. 拔草夹 15. 拔草控制弹簧 16. 拔草作业驱动电磁线圈 17. 拔草器杠杆支点 18. 拔草器举高电磁线圈 19. 拔草器杠杆 20. 除草耙 21. 拔草压力传达室感器 22. 拔草器举高控制弹簧 23. 除草器杠杆 24. 除草器杠杆支点 25. 拔草器组件固定支架 26. 除草耙举高下沉电磁线圈 27. 除草控制弹簧 28. 除草器组件固定支架 29. 除草压力传感器

3. 2. 2 除草工作原理

由于蔗田土壤松软程度不同,产生除草耙入土压强不一样。为保证入土符合实际作业要求和更好入土,设置了压力传感器,监测除草耙入土压力,根据其压力的大小调节除草耙举高下沉电磁线圈电流。首先,线圈通入方向相同电流,产生电磁斥力,在杠杆作用下耙齿举高,断电释放,利用重力势能,耙齿轧入土壤中; 接着线圈通入相反电流,产生电磁吸力,在杠杆作用下,耙齿对土壤施加压力,使耙齿入土更深; 入土后除草耙在水平移动电机的驱动下作水平运动,把甘蔗田中的杂草清除掉。根据电磁学理论[8],可推导出流过除草器线圈的电流I1和耙齿对泥土压力F2的计算公式为

其中,N1为除草器下沉线圈匝数,匝; δ1为除草器下沉线圈气隙长度,m; S1为除草器下沉线圈磁路面积,m2; k1为除草器下沉弹簧劲度系数,N /m; k1 f为除草器下沉线圈漏磁系数,取值由磁路决定,本系统取k1 f= 3. 5; μ0为真空磁导率; L1为除草器杠杆左力臂,m; L2为除草器杠杆右力臂,m; Δh1为除草钯入土深度,m。

由式( 2) 、式( 3) 可知: 耙齿入土的深度是一定的,当耙齿的锋利程度下降时,耙齿与土接触面积增大,压强减小。为了保持压强,需要增加压力,在高度不变的情况下,压力传感器送入S3C2410微处理器压力数据变大,S3C2410根据式( 2) 、式( 3) ,输出调大流过除草器下沉线圈的控制信号,使I1变大( I1有限度,不能超过限度) ,当到达设定值时,S3C2410输出更换耙齿信号。

3. 2. 3 拔草工作原理

图2中,拔草器的工作由3部分控制系统组成:第1部分为空间位置控制部分,由S3C2410微处理、PCL6143运动控制器、L297驱动器和步进电机共同完成。第2部分为抓草系统,由抓头、弹簧、电磁线圈等元器件组成。其抓草工作原理为: 当发现杂草时,抓草系统的抓草电磁线圈通过I电流,产生电磁斥力克服弹簧弹力,使抓草器张开; 抓着草后I = 0,在弹力作用下抓头闭合。拔草器上提一下,把草拔起,拔草器后移一下再断电,把杂草放掉,完成一个拔草过程。根据电磁学可推导得,通过抓草电磁线圈的电流强度I计算式为

其中,N为线圈匝数,匝; δ为线圈气隙长度,m;A为线圈磁路面积,m2; Δy为犁头阻力检测弹簧形变量,m; k为弹劲度系数,N /m; kf为线圈漏磁系数,取值由磁路决定,本系统取kf= 3. 5; μ0为真空磁导率。

第3部分是拔起系统,由抓头、弹簧、拔起电磁线圈和转达动轴等元器件组成,如图2 ( c) 所示。拔草原理为: 抓草器抓草后,接着把草拔起来; 由于每株草拔起的力不一样,通过拔草线圈的电流强度I2不同,两个拔草线圈通过相同电流产生电磁斥力不同,拔草器杠杆左端获向下推力,使杠杆正力矩大于负力矩,杠杆逆时针转过α角,使抓草力臂绕支点转动,抓头上提一个高度,将草拔起。由电磁学理论可推导得出流过拔草器线圈的电流I3计算式为

其中,N2为拔草器上提线圈匝数,匝; δ1为拔草器上提线圈气隙长度,m; S2为拔草器上提线圈磁路面积,m2; k2为拔草器上提弹簧弹劲度系数,N /m; k2 f为拔草器上提线圈漏磁系数,取值由磁路决定,本系统取k2f= 3. 5; μ0为真空磁导率,L'1为拔草器杠杆左力臂,m; L'2为拔草器杠杆右力臂; Δh'2为抓头上提入高度,m。

当抓头到达设定高后,触举高限位开关,S3C2410微处理器输出抓草线圈导通信号,抓草器在电磁力作用下再次张开,草在重力作用下掉落到地面。根据几何学原理,草掉落位置将是离开甘蔗区。

4 电路控制

4. 1 PCL6143 运动控制器简介#sup_id#[7]#sup#

PCL6143是一款高性价比的专用运动控制器,具智能化程度高、功能强大和能实现各种复杂运动的控制功能。通过简单控制指令,就可以实现梯形加减速度调节、S曲线加减速度调节、圆弧插补和直线插补控制; 内部有3个寄存器、加减脉冲发生器、2个比较器和3个个计数器; CPU接口电路( 允许与4种类型连接) 能实现8位或16位数据传输,设有X、Y、Z、U轴控制。因此,选择它作为本智能化甘蔗除草机的控制器件。

4. 2 电路硬件组成

USB摄像头采 集的甘蔗 与杂草图 像信号,经S3C2410A微处理器对图像处理后,把处理结果存储到HY57V561620存储器内。当微处理器识别出杂草时,立即把除草松土和拔草信号输入到PCL6143运动控制器,PCL6143输出调节除草松土器的位置信号( X1轴、Y1轴、Z1轴) ,X1轴、Y1轴、Z1轴的控制信号分别送给各自的步进电机驱动器L297,由步进电机调节到合适位置。拔草基本控制电路原理如图3所示。

S3C2410A微处理器输出除草松土线圈工作信号,使其除草松土作业。如果识别在甘蔗中间有杂草,PCL6143输出调节拔草器的位置信号 ( X2轴、Y2轴、Z2轴) ; 拔草器到位后,拔草器电磁线圈获得工作信号,使其进行拔草作业。

4. 3 智能化除草程序

智能化除草控制主程序流程图如图4所示。

4. 4 智能化除草拔草基本数据

智能化除草基本数据如表1所示。

5 甘蔗除草作业试验

为了检验该机在山地蔗田除草作业效果,选择坡度倾角β≤30°的山地蔗田,动力以摩托车头改装带动小型发电机发力。试验表明: 除草效率0. 56m2/ s,除草干净率≥94% ,每公顷蔗田直接除草成本≤300元。因此,该机用于蔗田除草效率相当于8 ~ 12人,费用为人工的30% 左右,且对于丘陵山地蔗田除草是安全的。如果加装施肥和杀虫设备,还可以实现除草、施肥和杀虫于一体,实现甘蔗全自动化种植。

6 结论

该智能化甘蔗除草机通过运用图像采集识别技术和超声波测距技术,在控制硬件方面选用功能强大的S3C2410微处理器和PCL6143运动控制器,使除草松土和拔草控制更加可靠。由于设置了拔草器,克服了以往生长在甘蔗中间的杂草除不到的缺点。同时,设置双排耙齿除草耙,使松土和除草同时进行,且除草和拔草都采用电磁控制,使机器操作更为灵敏,工作效率更高。蔗田试验表表明: 该机对于丘陵山地蔗田除草作业是安全可靠的,优越性明显,该机具有可拓展研究和推广应用价值。

参考文献

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