張微微，王　政，楊靜宜，余良俊

(1.河北工程技術(shù)學院，石家莊　050091;2.中國地質(zhì)大學 機械與電子信息學院，武漢　430074)

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基于嵌入式云計算平臺的采棉機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張微微1，王政1，楊靜宜1，余良俊2

(1.河北工程技術(shù)學院，石家莊050091;2.中國地質(zhì)大學 機械與電子信息學院，武漢430074)

摘要：為了提高采棉機的自主導航能力，實現(xiàn)采棉機路徑規(guī)劃的在線控制，對采棉機的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計研究，并將多嵌入式平臺引入到了智能控制系統(tǒng)中，采用云處理計算方式對多平臺節(jié)點進行連接，實現(xiàn)了采棉地塊視頻采集和處理的實時性和智能化。為了驗證智能監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，在棉田對采棉機的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了實地測試和功能驗證。通過測試表明：該監(jiān)控系統(tǒng)可使采棉機完成路徑規(guī)劃，能夠高精度地完成路徑在線追蹤，其采凈率高、落地棉率和含雜率較低，符合大型機械采棉自動化設(shè)計的需求。本次研究為云處理技術(shù)在嵌入式平臺上的應(yīng)用提供了有效解決方法，對于大型智能機械裝備自動化和信息化監(jiān)控儀器開發(fā)具有指導和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控；自主導航；路徑規(guī)劃；嵌入式；云計算；采棉機

0引言

近年來，隨著智能監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，在線監(jiān)控和圖像實時處理技術(shù)被應(yīng)用到了農(nóng)機裝備的開發(fā)設(shè)計過程中，使得大型智能農(nóng)業(yè)機械裝備不僅可以實現(xiàn)自動監(jiān)控，完成工程參數(shù)的采集和狀態(tài)報警，而且可以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制和智能維護，實現(xiàn)農(nóng)機的多信息融合和故障診斷。但目前國內(nèi)僅有的少數(shù)車載監(jiān)控系統(tǒng)大都基于微型單片機，不僅可靠性與自動化程度低、二次開發(fā)困難，且無法完成視頻處理和路徑規(guī)劃等大型計算。為此，提出了一種基于云計算的多嵌入式平臺開發(fā)，對于采棉機智能監(jiān)控的在線監(jiān)控和實時路徑規(guī)劃研究具有重要的參考價值。

1采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

云計算平臺集成了一個巨大的云數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)，可以提供大量的并行的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的計算和服務(wù)；用戶可以利用虛擬化技術(shù)對每個服務(wù)器進行擴展，并將每個服務(wù)器的資源通過云計算平臺進行整合，從而提供超級的計算能力和存儲能力。通用的云計算體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　通用云計算體系結(jié)構(gòu)

云計算體系結(jié)構(gòu)主要部分為計算資源管理系統(tǒng)和服務(wù)器集群。其中，計算資源管理系統(tǒng)可有效地調(diào)度計算資源；動態(tài)地部署、配置、調(diào)度和回收資源，服務(wù)器集群負責高并發(fā)量的用戶請求處理、大運算量的計算處理，為了滿足大數(shù)據(jù)存儲的需求，使用相關(guān)數(shù)據(jù)分割算法對數(shù)據(jù)進行處理，使用并行計算的方式上傳和下載數(shù)據(jù)。采棉機的云處理數(shù)據(jù)平臺主要使用在駕駛室，設(shè)計采用階梯式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　智能云處理系統(tǒng)階梯結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的云處理計算功能，采用階梯式的結(jié)構(gòu)對云處理計算平臺進行開發(fā)。其中，全局監(jiān)控服務(wù)器負責整合局部監(jiān)控服務(wù)器的信息，局部監(jiān)控負責監(jiān)控代理數(shù)據(jù)的整合，從而完成多嵌入式平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的整合，實現(xiàn)并行計算的數(shù)據(jù)處理方式。利用云數(shù)據(jù)處理計算方法可以有效地提高計算速度，實現(xiàn)路徑的實時規(guī)劃，具體流程如圖3所示。

圖3　自主導航智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2智能監(jiān)控采棉機結(jié)構(gòu)和機器視覺設(shè)計

采棉機樣機利用其風力輸送、液壓傳動、棉箱等部件與梳脫式采摘臺掛接，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計在駕駛室，利用多嵌入式平臺實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實時采集和圖像處理。采棉機的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

1.棉箱　2.底盤　3.液壓系統(tǒng)　4.風力輸送系統(tǒng)

本次研究以梳脫式采棉機作為研究對象，梳脫式采摘臺是該采棉機的核心工作部件，直接影響整機的性能和采摘質(zhì)量，其三維模型如圖5所示。

其采棉過程主要分為3步，包括采集棉鈴、清理和集棉，3步分別由不同的工作單元來完成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。其中，采集棉鈴的工作由采摘臺完成，采摘臺負責棉鈴的采集，其梳脫式采摘臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5　采棉機采摘臺三維模型

1.梳齒總成　2.刮棉總成　3.輸棉絞龍

采摘臺主要由1組梳齒型的棉鈴剝離器組成，在采摘過程中，棉鈴主要由梳齒剝離器來剝落，被剝落的棉鈴聚集后被送到清理工作單元。

(1)

由式(1)可知：如果實際坐標和圖像坐標已知，將投影坐標可做未知數(shù)，則可以得8個未知數(shù)。所以，已知4個點的圖像坐標便可以構(gòu)成8個方程組成的方程組，其矩陣形式可以表示為

(2)

NM=U

(3)

利用最小二乘的方法可以求出矩陣M為

M=(NTN)-1NTU

(4)

此時，投影矩陣已被求出，于是公式可以寫成

(5)

HX=C

(6)

當矩陣H的逆矩陣存在時，有

X=H-1C

(7)

根據(jù)式(7)可以得到圖像處理后的坐標在實際采棉地塊中的坐標，然后可以通過規(guī)劃路徑的方式對坐標點進行追蹤，達到采棉機自主導航的目的。

3采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)測試

為了驗證設(shè)計的采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和可靠性，在新疆棉田對采棉機的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了實地測試和功能驗證，測試項目包括路徑規(guī)劃、路徑追蹤和采棉指標。

圖7表示采棉機測試作業(yè)過程的場景。測試使用梳脫式采摘臺的采棉機，在駕駛室安裝了多嵌入式平臺的云處理計算系統(tǒng)，可以完成復雜大數(shù)據(jù)視頻的處理。圖8表示采集得到的視頻圖。

圖7　采棉機作業(yè)測試過程圖

圖8　具有干擾信號的圖像信息

受實際地塊的影響，實時采集到的信息會存在一定的噪聲干擾，使圖像的冗余量較大；而采用云處理平臺可以加快數(shù)據(jù)的處理速度，通過計算得到了如圖9所示的邊緣接觸結(jié)果。

圖9　邊緣檢測結(jié)果

由圖9可以看出：采用云計算進行邊緣檢測得到的邊緣定位準確、連續(xù)性較好，同時不會引入過多的無用信息，而且檢測速度快，能夠滿足后續(xù)處理要求。

圖10表示采棉地塊采集圖像的實際標定。在圖10中，按照區(qū)塊劃分的方式度地塊進行劃分并進行標記，然后計算其在圖像中的坐標，通過投影矩陣M，得到實際地塊中的坐標。圖像處理時間耗時如表1所示。

圖10　采棉地塊圖像標定

ms

由表1可以看出:采棉機的智能監(jiān)控系統(tǒng)采用云處理計算技術(shù)后，耗時非常低，最短耗時僅為11.98ms/幀，路徑規(guī)劃時間也非常快，可滿足智能監(jiān)控系統(tǒng)實時處理數(shù)據(jù)的需要。

圖11表示采棉機在實際采棉地塊中的軌跡追蹤示意圖。從圖 11可以看出：采棉機追蹤過程中，距離規(guī)劃路徑的距離在不斷縮小，可以準確地跟蹤到規(guī)劃路徑。由此可見，采棉機可以有效的實現(xiàn)規(guī)劃路徑的追蹤功能。

表2表示實際采棉的效果。通過測試分析知，采收后的棉花仍然保持了原來棉瓣形狀，棉團形狀完整，并且采棉機對棉花纖維的破壞很小，采凈率可以達到98.2%，落地棉率和含雜率都較低，各項設(shè)計性能均達到設(shè)計要求。

圖11　采棉地塊路徑跟蹤軌跡圖

%

4結(jié)論

利用多嵌入式虛擬儀器技術(shù)方法，對采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)的性能進行了測試。通過棉田實地測試和功能驗證發(fā)現(xiàn)：利用云處理計算可以有效地提高計算速度，且可以處理干擾信號線的圖像，完成路徑規(guī)劃。對其進行路徑追蹤測試發(fā)現(xiàn)：其路徑追蹤能力較強，在2m范圍內(nèi)便可以追蹤到路徑，采棉效果較好，采凈率高、落地棉率和含雜率較低，符合采棉機的各項性能設(shè)計要求。

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The Monitoring System Design of Cotton Picker Based on Embedded Cloud Computing Platform

Zhang Weiwei1, Wang Zheng1, Yang Jingyi1, Yu Liangjun2

(1.Hebei Polytechnic Institute,Shijiazhuang 050091, China; 2.Faculty of Mechanical & Electronic Information,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract：In order to improve the autonomous navigation capabilities of the cotton picker, realize the path planning of online control, the cotton production of intelligent monitoring system were studied to design an embedded platform. With introducing intelligent control system, it adopts cloud computing method of multi platform nodes to connect the cotton plots by video acquisition and the real-time and intelligent processing. In order to validate the reliability of intelligent monitoring system,we have tested many functional verification in intelligent monitoring system for cotton in cotton fields.According to the test result, the monitoring system can effectively make the cotton picker complete path planning, to finish line path tracking with high precision,the high mining net rate, lower landing cotton rate and impurity rate. In line with the large machinery demand for picking cotton automation design,the study for cloud processing technology in the embedded platform provides an effective solution for large-scale intelligent machinery and equipment automation and information monitoring instrument development with guidance and reference significance.

Key words：intelligent monitoring; autonomous navigation; path planning; embedded; cloud computing; cotton picker

文章編號：1003-188X(2016)07-0050-05

中圖分類號：S225.91+1

文獻標識碼：A

作者簡介：張微微(1980-)，女，河北邯鄲人，講師，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFC1079);湖北省自然科學基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-07-05