Выбор входных величин системы автоматического управления параметрами хлопкоуборочной машины Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Выбор входных величин системы автоматического управления параметрами хлопкоуборочной машины

Абдазимов Анвар Даниярович

доктор техн. наук, профессор кафедры «Наземные транспортные системы», Ташкентский государственный технический университет им. Ислама Каримова, [email protected]

Омонов Набижон Нормаматович

старший преподаватель, кафедра «Наземные транспортные системы», Ташкентский государственный технический университет им. Ислама Каримова

Обоснована актуальность разработки интеллектуальной системы с бесконтактными первичными преобразователями для автоматизации контроля и управления основными технологическими параметрами полунавесной на трактор вертикально-шпиндельной хлопкоуборочной машины, приведены методика и результаты полевых исследований по выбору, из числа внешних размерных характеристик кустов хлопчатника, входных параметров для систем автоматического контроля и управления технологическими параметрами, таких как, точность направления уборочного аппарата по рядкам хлопчатника, высота его расположения над поверхностью грядки, ширина рабочей щели уборочного аппарата, а также параметры для оценки потерь урожая. По результатам исследований корреляционных взаимосвязей характеристик кустов и коробочек некоторых районированных сортов хлопчатника рекомендованы входные параметры, которые могут быть восприняты бесконтактными первичными преобразователями вышепере-численных разрабатываемых систем автоматики.

Ключевые слова: хлопкоуборочная машина, полунавесная, технологические параметры, система, автоматизация, контроль, регулирования, вождение, потери урожая, исследования, характеристики, размерные, входной параметр, кор-релированность, статистический, коэффициент корреляции.

Введение. Серийно производимая Ташкентским заводом сельскохозяйственной техники полунавесная, быстроагрегатируемая на трактор двухрядная вертикально-шпиндельная(ВШ) хлопкоуборочная машина(ХУМ) МХ-1.8 с полнокомплектным использованием трактора, наравне с несомненными преимуществами относительно ранее выпушенных навесных ХУМ (быстрая, с минимальными затратами и полнокомплектная агрегатируемость, возможность поставки ХУМ без трактора и др.), имеет и недостатки, заключающиеся в ограниченности визуального контроля за рабочим процессом уборочного аппарата (УА) из-за расположения их за кабиной тракториста. Невозможность визуального или другого вида контроля такими важными технологическими параметрами, как точность направления УА по рядкам, высота его расположения относительно поверхности грядки, ширина рабочей щели УА является одним из основных причин ухудшения агротехнических показателей (АТП) и надежности технологического процесса работы полунавесных ХУМ МХ-1,8 по сравнении с ранее произведенных навесных ХУМ - по данным госиспытаний полнота сбора урожая МХ-1,8 находится в пределах 85% против 88-89% у навесных машин ХНП-,1,8 и 14ХВ-2,4А.

Одним из путей устранения указанных отставаний ХУМ МХ-1,8 оснащение ее интеллектуальной системой автоматического контроля и управления (САКиУ) основными технологическими параметрами.

Анализ состояния вопроса автоматизации ХУМ, изучение протоколов и актов испытаний машин серии ХВ, ХН и МХ, собственные исследования позволили выделить следующие наиболее актуальные параметры и функции, подлежащие автоматизации контроля и управления в ХУМ МХ-1,8[1]:

- система автоматического вождения(САВ) ХУМ по рядкам хлопчатника;

- система автоматического регулирова-ния(САР) высоты расположения УА относительно поверхности грядок;

- САК и У ширины рабочей щели УА;

- САК потерь(качества сбора) урожая.

Анализ априорных данных также показал,

что по указанным локальным системам прове-

О 55 I» £

55 П П

9

8

о ы

а

s

«

а б

дены определенные НИ и ОКР, опытные образцы некоторых систем и устройств прошли государственные испытания и внедрены на отдельных модификациях навесных ВШ ХУМ, опытных партиях машин и экспериментальных образцах. К таковым относятся гидромеханическая САР высоты УА ХУМ ХН-3,6 [2], САК «Кедр-1А4» забоя приёмных камер УА и заполнения бункера [3] и САК и У ширины рабочей щели УА [4]. Но из-за недостаточной надежности и эффективности вышеперечисленные системы «не прижились» в серийных машинах, т.е. остались на опытных партиях или «малых» сериях.

Одним из основных причин тому является то, что в указанных системах в качестве первичных преобразователей (ПП) применены в основном механические датчики - разнообразные копирующие устройства, контактирующие с объектами получения входного сигнала (поверхность грядки, стебли хлопчатника и т.п.). В виду сложных условий работы, наличия множества помех и др., динамические характеристики и копирующая способность механических датчиков ухудшаются, снижаются их показатели назначения и надежность работы.

В мировой практике автоматизации вождения сельхозагрегатов имеются достижения, обеспечивающие направленное движение по рядкам растений (по колеи трактора, по следу маркера и т.п.) точностью ±3см. В качестве воспринимающих устройств в них применены бесконтактные устройства - лазерные, антенны GPS системы, цифровые камеры и др.

В этой связи, очевидна перспективность систем автоматизации ХУМ с бесконтактными ПП. Особый интерес при этом представляют оптические ПП или как их сейчас называют датчиками зрения. Большое количество и разнообразие информации, накапливаемое датчиками зрения, делает их незаменимыми в общей конфигурации интеллектуальных сельскохозяйственных машин. Оптические цифровые ПП могут оценить степень белизны (степень раскрытия хлопковых коробочек) хлопкового рядка и одновременно определить координаты середины белой полосы хлопкового рядка, т.е. его «оптической оси». Последняя может быть входным параметром САВ ХУМ или же системы автоматического направления движения (САНД) УА в рядки.

Известна, что ширина рабочей щели УА устанавливается в зависимости от диаметров раскрывшиеся и зеленых коробочек с учетом их распределений, получены аналитические зависимости рациональной величины рабочей щели от диаметров коробочек [1]. Однако измерения диаметров коробочек в процессе работы ХУМ практически не осуществимы. Для выявления других, технически возможных для измерения в процессе работы машины параметров, напри-

мер, ширины или высоты куста необходимо проведение исследований взаимосвязей между указанными характеристиками куста хлопчатника с диаметрами раскрывшихся и зеленых коробочек.

Известно также, что назначение САР высоты УА - обеспечение сбора урожая с наиболее низко расположенных хлопковых коробочек, т.е. целесообразно в качестве входного параметра выбрать усредненные значения высоты расположения указанных коробочек. Однако процесс распознавания наиболее низко расположенных хлопковых коробочек и измерения их высоты расположения, даже при применении современных цифровых информационных технологии, задача весьма сложная. Здесь так же как в случае с регулированием рабочей щели, напрашивается косвенный способ оценки входного параметра, т.е. необходимо изыскать более удобный для измерения в процессе работы машины параметр, из числа размерных характеристик кустов и коробочек, взаимосвязанный с высотой наиболее низко расположенных коробочек. Для обоих систем (САВ и САР высоты УА) с ПП на основе цифровых видеокамер важно распознавание и определение координат расположения крайних по ширине и по высоте куста раскрывшиеся коробочек для оценки параметров как отдельных кустов, так и хлопкового рядка, а так же установления параметров «оптической оси» данного рядка.

Как было указано выше, в современных ВШ ХУМ, визуальный контроль механиком-водителем обработанных машиной кустов хлопчатника и поверхности грядок фактически невозможен из-за расположения УА за его кабиной. Поэтому целесообразность оснащения машин САК потер урожая не вызывает сомнений. В качестве ПП рекомендовано использовать цифровую видеокамеру на основе системы технического зрения (СТЗ)[8]. Последние в виде несобранных (оставленных на кустах) и сбитых на землю хлопка-сырца сосредотачивается в нижней части кустов до высоты 150 мм и на поверхности грядки по обе стороны кустов на расстоянии ±150 мм [9]. Оптоэлектронный датчик САК должен постоянно контролировать указанные участки грядки и кустов хлопчатника и оценить количественно потери урожая после прохода машины и сравнить полученный сигнал с допустимыми по агротехтребованиями значениями. В случае превышения фактического количества потерь допуска система должна информировать механика-водителя. Для реализации указанного алгоритма в САК полученные от ПП сигналы пропорциональные площади хлопка-сырца находящиеся на контролируемом участке (не собранные коробочки и остатки урожая на кусте и на поверхности грядки) необходимо преобразо-

вать в его массовую величину. Для установления эмпирических зависимостей между размерными и объемно-массовыми характеристиками контролируемого объекта, к примеру хлопковой коробочки, необходимо проведения полевых исследований указанных параметров с применением цифрового фотографирования и др. специальных методик и технических средств.

Цель работы. Выбор входных параметров, из числа внешних характеристик кустов хлопчатника, поддающиеся измерению и оценке бесконтактным способом для автоматического управления технологическими параметрами и контроля качества работы ХУМ.

Методика исследований. Для достижения вышеуказанной цели проведены полевые исследования размерных характеристик кустов и коробочек хлопчатника, параметров расположения коробочек на кусте (рис.1) и отдельных характеристик агрофона поля с использованием стандартных методик и измерительных средств с одновременным цифровым фотографированием объектов исследований на фоне координатной доски (рис.2 а и б). По кадрам фотоснимков производилась сверка и уточнения результатов измерений и подсчетов плодоэлементов с целью снижения степени влияния субъективных факторов на точность измерений и подсчетов. Кроме стандартных размерных характеристик измерялись так же ширина куста по крайним раскрывшиеся коробочкам Врк и высота расположения верхней раскрывшиеся коробочки Ьрк (см.рис.1).

Исследования проводились на районированных средневолокнистых сортах хлопчатника «Ташкент-1» и С-6524, а так же перспективного сорта «Навруз» на полях опытных участков НИИ хлопководства Узбекистана и Узбекского государственного центра по сертификации и испытанию сельскохозяйственной техники и технологий.

б)

Рисунок 1. Схемы измерений основных размерных характеристик кустов(а) и раскрывшиеся(б) и зеленых(в) коробочек

Рисунок 2. Цифровые фотоснимки (а - с боку, б- с верху) рядка хлопчатника на фоне координатной доски

Результаты исследований. Полученные данные полевых измерений и подсчетов не менее 50 кустов, сверенные так же по кадрам фотоснимков (рис. 2 и 3), были внесены в общую таблицу, фрагмент которой приведен в таблице 1. Кроме того, с целью установления зависимостей между размерными и массовыми характеристиками раскрывшиеся хлопковой коробочки были проведены фотографирование коробочек на кусте последующем сбором с них хлопка-сырца и взвещеванием на электронных весах. Затем по цифровым фотоснимкам с использованием программы «Компас 3й» рассчитаны площади поверхности хлопка-сырца в коробочке. Данные по хлопковым коробочкам приведены в таблице 2.

Для оценки коррелированности параметров характеристик кустов и коробочек соответствующие данные из табл. 1 и 2 вносились в ЭВМ и обрабатывались по стандартной программе, по которой определялись статистические характеристики одновременно двух характеристик и коэффициенты корреляции между исследуемыми величинами и его среднеквадратическая ошибка.

О 55 I» £

55 т П

9

8

б

Таблица 1

Результаты измерений характеристик кустов и коробо-

О ы

а

а

«

а б

№ ку ст Размеры кустов и параметры расположения коробочек,см Количество коробочек, шт Размер(диаметр)ы коробочек, мм

а Вы-со-та куста Шири-на куста Шири-на куста по раск короб. Вы-со-та ниж н. короб. Вы-со-та верх ней короб. Рас-кры в- шие -ся По лу рас кр ыт ых Зеле ных Раскрыв-шие-ся Полураскрытых Зеле-ных

1 120 70 57 9 88 14 13 1 45;58;59;57 ;52;59;55;5 2;56;50;46; 46;50;47 35;36;27; 27; 24;20;34; 29; 20;26;20 31

2 104 41 37 6 75 5 1 - 47;39;66;62 ;57 29 -

3 90 14 14 4 77 6 1 47;48;58;66 55;50 40

50 115 50 80 8 640 12 3 6 56;55;68;62 ;58;66;63;5 7;53;60;65; 76 28;25;24 25; 27; 35; 30; 24; 28

Таблица 2

Результаты исследований характеристик раскрывшиеся коробочек (фрагмент)

Кол-во до-

Диаметр коробочки, мм

58

59

68

Кол-во семян, шт

28

28

39

Масса хлоп-ка-сырца в коробоч-ке,гр

5,4

5,0

Площадь хл.-сырца на фото-снимке,мм2

2539,38

2923,77

3809,18

Результаты расчетов коэффициентов корреляции приведены в таблице 3.

Заключение

По результатам исследований установлено,

что

1) наличие корреляции между размера-ми(шириной или высотой) куста и его урожайно-стью(общее количество коробочек на кусте) позволяет входным параметром для САР рабочей щели УА принять размеры (ширину или высоту) куста с учетом в алгоритме управления степени раскрытия коробочек[1]. В связи наличием довольно тесной корреляции размерами кустов и параметрами расположения крайних по ширине и

по высоте куста раскрывшейся коробочек в качестве входного параметра для САР рабочей щели УА рекомендуется принять ширину куста по крайним раскрывшимся коробочкам Вкрк, которую можно оценит посредством оптоэлектронного ПП распознающего указанные коробочки;

Таблица 3

Значения коэффициентов корреляции (Нк) взаимосвязей характеристик кустов и коробочек исследованных сортов хлопчатника

№ Взаимосвязи Таш-кент-1 С 6524 Нав-руз

1 Ширина и высота куста (Вк - Нк) 0,78 0,27 0,48

2 Ширина куста и общее количество коробочек (Вк и Ыобк) 0,75 0,20 0,65

3 Ширина куста и диаметр раскрытых коробочек на кусте (Вк и с!,») 0,53 - -

4 Ширина куста и количества раскрытых коробочек на кусте (Вк и Мок) 0,74 0,19 0,57

5 Ширина куста и диаметр зелёных коробочек (Вк и С,к) 0,17 - -

6 Ширина куста по ОСТу (по концам крайних ветвь) и ширина куста по крайним раскрывшимся коробочкам (Вк и Вкрк) 0,78 0,68

7 Диаметр зелёных коробочек и общее количество коробочек (с!зк и Nк) 0,22 - -

8 Высота куста и общее количество коробочек на кусте (Нк и Nк) - 0,58 0,61

9 Высота куста и количество зелёных коробочек на кусте (Нк и ^к) - 0,56 0,33

10 Высота куста и количество раскрытых коробочек на кусте (Нк и ^к) - 0,35 0,70

11 Высота куста и высота расположения самой верхней раскрывшейся коробочек (Нк и Нвк) 0,79 0,91

12 Высота куста и высота расположения самой нижней раскрывшейся коробочек (Нк и Лнк) 0,81

13 Масса хлопка-сырца раскрывшейся коробочки и количество семян в коробочке (трк и пс) 0,69

14 Масса хлопка-сырца раскрывшейся коробочки и диаметр коробочки по контуру хлопка-сырца (трк и с!рк) 0,64

15 Масса хлопка-сырца раскрывшейся коробочки и площадь поверхности хлопка-сырца по фотоснимку (трк и Эхрк) 0,73

2) в связи с тем, что в САР высоты УА распознавание и оценка ПП высоты Ьнк наиболее низко расположенного на кусте хлопковой коробочки с инженерной точки зрения задача сложная, целесообразно оценит этот параметр косвенно высотой расположения самой верхней раскрывшейся коробочки Нвк, с учетом того, что эти параметры коррелированны с высотой куста Нк .

3) для САВ ХУМ(или САНД УА) с ПП на основе цифровых видеокамер целесообразно распознавание и оценка параметров расположения крайних по ширине куста раскрывшиеся коробочек Вкрк , позволяющих определят коррелированной с ней ширину отдельного куста Вк, и параметров «оптической оси» «белой полосы» данного хлопкового рядка, по которой направляться ХУМ в автоматическом режиме. Следовательно, в качестве входного параметра для САВ ХУМ, как и САУ рабочей щели УА, реко-

лек,шт

5

4

5

мендуется принять ширину куста по крайним раскрывшимся коробочкам Вкрк ;

4) исследования по установлению эмпирических зависимостей между размерными и объемно-массовыми характеристиками хлопковой коробочки, показали, что имеются корреляционная зависимость между массой хлопка-сырца раскрывшейся коробочки и диаметром коробочки по контуру хлопка-сырца (Рк = 0,64), а так же между массой хлопка-сырца раскрывшейся коробочки и площадью поверхности хлопка-сырца, рассчитанной по цифровому фотоснимку (Рк=0,73). Полученные результаты будут использованы при обосновании структуры и параметров ПП и системы в целом, а также алгоритмов и программ функционирования САК потерь урожая. Данные исследования необходимо продолжит с применением современных методик и средств цифрового оптоэлектронного распознавания и бесконтактного измерения элементов хлопчатника, в том числе и на селекционных сортах хлопчатника приспособленных машинному сбору урожая.

Литература

1. Абдазимов А.Д., Улжаев Э., Убайдуллаев У.М., Омонов Н.Н. Основы автоматизации контроля и управления технологическими параметрами хлопкоуборочных машин. Ташкент: Таш-ГТУ, 2014,- 164 с.

2. Навесная четырехрядная хлопкоуборочная машина ХН-3,6. Руководство по эксплуатации. - М.: Внешторгиздат, 1980.- 128 с.

3. Акт №26-86-87 (9078700) «Испытания системы контроля КЕДР-1А4». САМИС, 1987.

4. Протокол №54-92(106) Госиспытаний хлопкоуборочной машины ХНП-1,8А-15, оснащенной системой управления рабочими щелями аппарата, УзМИС, 1993.

5. Абдазимов А.Д., Раджабов С.С., Омонов Н.Н., Усмонов М.Н. К вопросу автоматизации процессов оценки качества работы хлопкоуборочных машин и получения информации об аг-рофоне хлопкового поля.// Материалы V - Меж-дунар. НПК «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2012». Но-восиб.обл., п. Краснообск, ГНУ СибФТИ, 10-11 октября 2012 г.

6. Азаров И.Н. Исследование процесса автоматического вождения хлопкоуборочной машины. Автореф.дис... канд. техн. наук. Т., 1972.28 с.

7. Шаабидов Ш.А., Абдазимов А.Д., Азаров И.Н., Омонов Н.Н. Повышение точности вождения ХУМ // Сельское хозяйство Узбекистана, 2006. №8. С. 33.

8. Абдазимов А. Д., Улжаев Э., Убайдуллаев У.М., Саидов С. Синтез структуры системы контроля потерь при сборе урожая хлопкоубороч-

ной машиной // Вестник ТашГТУ. - Ташкент, 2015-. №1. -С. 96-102.

9. Дадабоев А.С., Болтабоев У.А., Исматов Ш. К. Распределение потерь хлопка при работе сметающих щеток дискового типа//Механизация хлопководства,- 1989, №8, с 15-16.

Select input dimensions for the system automatic control of

parameters of cotton harvester machine Abdazimov A.D., Omonov N.N.

Tashkent state technical university of Islam Karimov The urgency of the development of an intelligent system with contactless primary converters to automate the control and management of the main technological parameters of a semi-mounted vertical-spindle cotton picker on the tractor is substantiated. The methodology and results of field studies are selected from among the external dimension characteristics of cotton shrubs, input parameters for automatic control systems and control of technological parameters, such as the accuracy of the direction of harvesting rata on the rows of cotton, its height above the surface location of the ridges, the width of the working gap of the picking unit as well as the parameters for evaluation of crop losses. Based on the results of studies of correlation interrelationships between the characteristics of bushes and capsules of some regional cotton varieties, input parameters are recommended that can be perceived by contactless primary transducers of the above-mentioned developed automation systems. Key words: cotton picking machine, semi-mounted, technological parameters, system, automation, control, regulation, driving, loss harvesting, research, , characteristics, dimensional, input parameters, correlation, statistical, correlation coefficient.

References

1. Abdazimov A.D., Ulzhayev E., Ubaydullayev U.M., N.N. OMONs. Bases of automation of monitoring and control of technological parameters of mechanical cotton pickers. Tashkent: ТашГТУ, 2014, - 164 pages.

2. Hinged four-row XH-3,6 mechanical cotton picker. Operation manual. - M.: Vneshtorgizdat, 1980. - 128 pages.

3. Act No. 26-86-87 (9078700) "Tests of the KEDR-1A4 control system". SAMIS, 1987.

4. The protocol No. 54-92(106) Gosispytany of the mechanical

cotton HNP-1,8A-15 picker equipped with management system working slots of the device, UZMIS, 1993.

5. Abdazimov A.D., Radzhabov S.S., OMONs N.N., Usmonov

M.N. To a question of automation of processes of assessment of quality of operation of mechanical cotton pickers and obtaining information on an agrobackground of a cotton field.//Materials V - Mezhdunar. NPK "Information Technologies, Systems and Instruments in Agrarian and Industrial Complex — AGROINFO-2012". Novosib. Region, item Krasnoobsk, SIBFTI'S GNU, on October 10-11, 2012.

6. Azarov I.N. Research of process of automatic driving of the

mechanical cotton picker. Avtoref. yew ... Cand.Tech.Sci. T., 1972.-28 pages.

7. Shaabidov Sh.A., Abdazimov A.D., Azarov I.N., N.N. OMONs.

Increase in accuracy of driving KHOUM//Agriculture of Uzbekistan, 2006. No. 8. Page 33.

8. Abdazimov A.D., Ulzhayev E., Ubaydullayev U.M., Saidov S.

Synthesis of structure of the control system of losses when harvesting by the mechanical cotton picker//the Messenger of TashGTU. - Tashkent, 2015-. No. 1. - Page 96-102.

9. Dadaboyev A. S., Boltaboyev U.A., Ismatov Sh.K. Distribution of losses of cotton by operation of the sweeping-away brushes of disk type//cotton breeding Mechanization, - 1989, No. 8, from 15-16.

О R U

£

R

n

9

8