CNH 为青贮收割机开发智能填充系统

挑战

通过自动化玉米、牧草和其他农作物填充拖车的 流程来简化青贮收割机的操作

解决方案

使用基于模型的设计开发、测试和实施自动化控 制系统,该系统使用 3D 摄像头数据来确定填充 机出料口的位置

结果

  • 开发时间减半
  • 生成的代码可立即运行
  • 赢得了行业创新奖

“借助基于模型的设计,我们将大多数的时间花在开发和分析系统上。几乎不用花时间在C代码实现以及代码调 试上。在笔记本电脑上运行的 Simulink 模型和产品级代码之间的性能没有任何差别。”

Karel Viaene, CNH
New Holland 的 FR9000 系列青贮收割机, 装有 IntelliFill™ 系统。

New Holland 强大的 FR9000 系列青贮收割机可以收割玉米、牧草和其他农作物,每小时的吞吐量为 300 多吨,在收割的同时可将农作物切割成 4 毫米的大小。除了转向和保持最佳速度外,收割机操作员还需要让农作物流入旁边的拖车并留意拖车是否被填满。需要同时兼顾驾驶和填充任务,使这项原本就复杂的工作变得更加困难。

为了解决这个难题,CNH 开发了自动拖车填充系统,它采用一个 3D摄像头来引导农作物流入拖车。New Holland IntelliFill™ 系统是使用基于模型的设计开发的,它让操作员可以在驾驶收获机的同时精确填充拖车——即使在可视性有限的情况下也可以进行填充。

CNH 创新能力中心的系统工程师 Karel Viaene 说:“基于模型的设计对于此项目至关重要,它让我们可以在紧急的交工期限内完成任务。Simulink 使我们可以在收获机的驾驶室内调试和优化我们的算法,并生成可以直接使用的代码。”

挑战

基于标准摄像头的填充系统原型被证实无效,因为它们无法精确测量距离,不能识别不同拖车形状和尺寸,不能适应如扬尘、过亮或过暗的工作环境。尽管 3D 近红外摄像头改进了距离测量,但由于需要在真实的条件下进行测试和调试,使得许多开发工作需要在收割机上完成。因此,可以快速进行修改和使用实际的硬件重新测试设计很关键。

为了充分利用有限的测试时间,工程师团队的开发环境需要能直接连接到3D摄像头以及收割机的CAN总线。然后,工程师们就可以在收割机的任意一个嵌入式处理器上快速实现和验证设计方案。

解决方案

CNH 使用基于模型的设计加速New Holland IntelliFill™ 系统的开发和实施。

该团队从安装在收割机出料口上的 3D 摄像头收集数据。他们使用 MATLAB® 对这些点云进行分析并评估不同的3D处理技术方案。

通过Simulink®控制器模型里的模块来实现不同的算法。控制器接收来自摄像头的 3D 数据,产生各种控制信号,包括物料口的横向移动、物料流出方向、摄像头转动角度以及视频或声音警报。

使用 Simulink and DSP System Toolbox™ 开发了系统的数据处理模块。 Computer Vision Toolbox™ 使他们可以对 3D 视频流添加注释方便调试。

该团队使用 Stateflow® 定义控制器状态,管理系统结构,控制从输入数据到控制信号的产生过程。

在 Simulink 中开发基本的对象模型后,他们实现了拖车填充流程的闭环仿真。

为了准备车载测试,该团队使用 Vehicle Network Toolbox™ 为控制器模型开发了一个 CAN 总线接口,并使用 Instrument Control Toolbox™ 开发了 3D 摄像头以太网接口。

在现场测试期间,在收割机驾驶室内的笔记本电脑上运行的 Simulink 控制器模型每秒处理来自摄像头的 20 张图像,并通过 CAN 总线将命令发送到设备控制器。

该团队在现场对 Simulink 模型进行了微调,从而改进和优化控制算法。

借助 Embedded Coder®,他们通过控制器模型生成了产品级 C 代码,并将其部署到一个 ARM®9 处理器,该处理器会运行收割机的显示面板软件。

针对 FR9000 系列青贮收割机的 New Holland IntelliFill™ 系统已经投入生产。 CNH 正在使用基于模型的设计为它的农业设备开发新功能。

结果

  • 开发时间减半. Viaene 说:“即使团队是由富有经验的 C 程序员组成,但若没有基于模型的设计,我们也无法准时完成项目。借助 Simulink,我们可以在任何信号上设置范围,并检查它的值,但如果使用 C 代码,我们就必须开发自己的工具来进行调试,这会使开发时间增加一倍。”

  • 生成的代码可立即运行. Viaene 指出:“我们没有时间手动开发 C 代码。通过具有 Embedded Coder 的 Simulink 和 Stateflow 模型生成的代码在第一次试用中就起作用了,它在执行上与现场测试中使用的模型完全一致。”

  • 赢得了行业创新奖. New Holland IntelliFill™ 系统在 Agritechnica(欧洲最大的农业展览会)上赢得了技术创新的金奖。该奖项旨在表彰具有新功能、可大幅改进现有流程的产品。Viaene 说:“这是农业行业内的最高奖项。获得该奖项为 New Holland 在市场上赢得了积极的影响。”