農(nóng)機測力計的機器視覺數(shù)據(jù)采集方法?

吳海平,王玉順

(山西農(nóng)業(yè)大學工學院,山西 太谷 030801)

農(nóng)業(yè)機械多在田間作業(yè),工作條件惡劣,土壤、作物等作業(yè)對象的物理機械性質(zhì)及農(nóng)業(yè)自然條件復(fù)雜多變,造成影響農(nóng)業(yè)機械作業(yè)的因素異常復(fù)雜且又變化無常,給科學研究帶來很大困難.因此,試驗測試工作在農(nóng)機科研中占有獨特的主導(dǎo)地位,具有特別重要的意義.農(nóng)機試驗往往受季節(jié)性限制,因而許多國家不懈地致力于如何在較短時間內(nèi)準確便捷地獲得試驗結(jié)果.將科學技術(shù)新成果應(yīng)用到農(nóng)機科研,改進試驗方法和測試技術(shù),研制更加高效的測試方法、試驗儀器和設(shè)備,加速農(nóng)機科研和產(chǎn)品開發(fā)一直是我國乃至世界各國農(nóng)機科研部門普遍重視的問題[1-2].

農(nóng)業(yè)機械機組、部件、構(gòu)件等的受力測定,可有效解決農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域理論、設(shè)計、制造及使用上諸如作業(yè)阻力、牽引效率、牽引功率、機具結(jié)構(gòu)及配套性能評價等問題,是農(nóng)機科研試驗測試的一項重要內(nèi)容,本文嘗試采用機器視覺技術(shù)改進測力計數(shù)據(jù)采集、記錄及分析的裝置和性能.

1 農(nóng)機測力計使用中存在的問題

農(nóng)業(yè)機械牽引力、牽引阻力和滾動阻力等參數(shù)主要使用測力計測定,常用彈簧測力計、液壓測力計或電子測力計等,這些儀器結(jié)構(gòu)簡單,維護和調(diào)節(jié)方便,精度不是很高,但已能滿足多數(shù)情況下的農(nóng)機測試要求[1,3-4].

試驗測試過程中,測力計的表顯數(shù)據(jù)或由人工讀取和記錄,或由儀器配置的滾筒記錄儀記錄,再經(jīng)人工量測記錄曲線獲得數(shù)據(jù),最后對數(shù)據(jù)匯總并進行相應(yīng)處理.農(nóng)機測試大多是在機具行進過程中實施,由于機具振動或受力本身動態(tài)變化使得測力計的測力指針不停擺動,導(dǎo)致人工難以均勻間隔地進行讀數(shù),獲取的數(shù)據(jù)誤差很大,甚至不能讀得正確結(jié)果,尤其難以獲得動態(tài)數(shù)據(jù)序列,在有限試驗區(qū)段內(nèi)得不到充足的數(shù)據(jù)量.而帶有記錄裝置的測力計可記錄時間較短,常常無法完成整個試驗段的測試記錄,且儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,記錄轉(zhuǎn)換成測力結(jié)果誤差大,易出故障,可靠性差,調(diào)試誤工費時,還必須由技術(shù)熟練的工作人員使用儀器和整理記錄圖[3-4].

為了提高農(nóng)機測力數(shù)據(jù)采集及處理的速度、精度和自動化程度,迫切需要系統(tǒng)簡單、便捷高效的測試方法和技術(shù).為此,進行了農(nóng)機測力計機器視覺數(shù)據(jù)采集方法的探索,并研制出直讀式測力計配置機器視覺數(shù)據(jù)采集的農(nóng)機測力系統(tǒng),它用簡單廉價的通用器具實現(xiàn)了簡便、快捷、準確、計算機自動記錄及數(shù)據(jù)處理的高效試驗測試.

2 測力與數(shù)據(jù)采集方法

測定田間作業(yè)機組的牽引阻力和牽引功率等,采用適宜量程、精度及類型的直讀式測力計,且測力計兩端分別水平連接輔助拖拉機和作業(yè)機組,詳見圖 1.將原來人工目測讀取表盤指示改為在測力計刻度盤正對面固定數(shù)碼攝像頭,攝像頭的 USB接口與計算機相連,組成圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).測力過程中,測力計刻度盤和表針位置的圖像被采集并存儲于計算機中,獲得視覺檢測樣本(序列圖像樣本)以待圖像處理、圖像檢測和數(shù)據(jù)分析.

圖1 試驗機具與機器視覺采樣測力系統(tǒng)Fig.1 Equipment fo r ex periments and dynamometer combining with machine vision

3 視覺檢測樣本的圖像處理和檢測過程

對視覺檢測樣本進行處理,主要包括圖像指針標定、剪切灰度圖像、濾波、灰度變換、二值化變換、抽取指針對象、提取指針轉(zhuǎn)角等過程.圖像處理采用 MATLAB語言編程實現(xiàn)[5-7],目的是提取表針中線的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)由標定的轉(zhuǎn)角測力模型計算測得的牽引阻力,同時測取作業(yè)機組的行駛速度,則能計算牽引功率.常用測力計有旋轉(zhuǎn)指針式和直線位移指針式兩類,如圖 2所示.下面以旋轉(zhuǎn)指針式測力計的黑白視覺采集圖像為例,討論圖像處理、圖像檢測和數(shù)據(jù)分析過程,其方法同樣適用于直線位移指針式,而對于彩色視覺采集圖像只需增加一個彩色圖像到灰度圖像的變換即可[6].

3.1 轉(zhuǎn)角測力模型與圖像標定

圖像標定就是確定表征測力值與圖像指針轉(zhuǎn)角關(guān)系的轉(zhuǎn)角測力模型.在測力計上分別施加 5個標準重塊,在測力計指針指向相應(yīng)刻度并穩(wěn)定后采集表盤及指針圖像,經(jīng)圖像處理提取出指針對象(參見圖3),再提取指針圖像各個像素的坐標,采用最小二乘法確定指針中線的轉(zhuǎn)角,標定測力值與指針中線轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)角測力模型

式中：p為測力值,kN;k0為回歸截距,kN;k1為回歸系數(shù),kN/°;h為指針中線轉(zhuǎn)角,°.

3.2 灰度圖像的剪切

從視覺檢測樣本中逐個抽取幀圖像,由于只關(guān)心指針中線的轉(zhuǎn)角,根據(jù)表盤及指針成像的有效范圍剪切合適大小的灰度圖像,如圖 4所示.設(shè)置剪切框尺寸時,遵循既要保留足夠的有用信息、又要盡可能減小圖像尺寸的準則,在保證檢測精度需要前提下減小數(shù)據(jù)處理量.剪切的灰度圖像可用灰度矩陣G0表示.

3.3 反色變換、濾波和灰度變換

反色變換將指針對象轉(zhuǎn)換為高亮度,這是二值變換并提取指針對象所需的.反色變換后的圖像可用灰度矩陣表示為

由于采用光照固有的不均勻性,指針成像不可避免地存在灰度不均勻性,為提取較精確的指針二值圖像,需要對指針內(nèi)部的灰度進行平滑.灰度平滑采用 M ATLAB非線性中值濾波器[6]實現(xiàn),一般來說,指針內(nèi)部的孔洞被“填充”,指針灰度不均勻性得以大幅減弱.因此,需要根據(jù)圖像的實際質(zhì)量調(diào)整中值濾波器尺寸,以達到較好的濾波效果.濾波后的圖像可用灰度矩陣G2表示[5].

對濾波后圖像進行灰度變換,主要是為了凸顯指針對象,以便二值變換時保留較完整的指針輪廓.反色、濾波和灰度變換后的圖像見圖 5,可用灰度矩陣 G3表示[5].

3.4 二值化變換

采用 Otsu′s方法[6]計算閾值 T,矩陣 G3中灰度大于的像素群取值為 1,小于的像素群取值為 0,二值化變換后的圖像見圖 6,可用二值矩陣 BW[7]表征,其像素灰度值符合

式中：bw(i,j)為二值矩陣 BW第i行第j列的像素灰度值;g(i,j)為灰度矩陣G3第i行第j列的像素灰度值.

采用 Otsu′s閾值進行二值化處理,既實現(xiàn)了處理過程的自動化,又較完整地保留了指針對象,具體如圖 6所示.

3.5 指針對象的抽取

采用腐蝕、去除邊緣對象、去除小面積對象、膨脹[6]等順序算法,將測力計二值圖像(圖 6)中的無用對象去除,只保留指針對象.獲得的只存在指針對象的二值圖像,如圖 7所示.

3.6 指針中線轉(zhuǎn)角的提取

圖像坐標系左上角為原點,水平向右為水平軸,垂直向下為垂直軸 y,像素坐標為(x,y).以圖像中指針對象的中線表征指針位置,采用最小二乘法確定指針中線的斜率 k1,指針中線旋轉(zhuǎn)范圍的象限劃分方法如圖 3所示.根據(jù)指針尾部所在象限判別指針轉(zhuǎn)角測定值如下：

1)指針尾部在第1和第2象限時,計算指針轉(zhuǎn)角為

2)指針尾部在第3和第4象限時,計算指針轉(zhuǎn)角為

獲得指針轉(zhuǎn)角h后,由式(1)計算測力計的測力值.

3.7 直線位移指針式測力計的視覺測力方法

在測力計指針上固定一黑色聚酯環(huán),改造后的指針便于成像,如圖 8所示.圖像處理過程根據(jù)測力計的特點略有改動,其余與旋轉(zhuǎn)指針式測力計相同.以二值圖像中指針對象的水平指針中線表征指針位置,采用最小二乘法估計該指針中線的垂直坐標 y,如圖 9所示.圖像指針中線垂直坐標與施加力成對標定,得類似式(1)的測力值與指針中線關(guān)聯(lián)的坐標測力模型

式中：p為測力值,kN;k0為回歸截距,kN;k1為回歸系數(shù),kN/pixel;y為指針中線的垂直坐標,pixel.

4 測力計機器視覺數(shù)據(jù)采集的誤差分析

為考察視覺數(shù)據(jù)采集方法的實際效果,參照農(nóng)業(yè)機械試驗的相關(guān)規(guī)范和程序[1,3-4,8]對作業(yè)機組牽引阻力進行了試驗測定.

牽引動力采用上海-50型拖拉機,被測機組采用黃海-280拖拉機懸掛 4S-80馬鈴薯挖掘機[9],兩者之間安裝測力計和視覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).測力計的測量范圍為 0～3 t,精度 2%.在 70 m長的農(nóng)田選擇 3種機組速度進行田間試驗,有效測區(qū) 30 m,用直讀式測力計測試不同工況下的機組牽引阻力,由視覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測力計表顯圖像.

對試驗采集到的視頻樣本,采用 M ATLAB軟件完成序列圖像樣本截取、圖像處理、圖像檢測和數(shù)據(jù)處理等工作.等間隔從視頻樣本中抽取幀圖像,獲得容量 270的序列圖像樣本,圖像處理提取表針獲得二值圖像樣本,采用最小二乘法檢測表針轉(zhuǎn)角,獲得序列轉(zhuǎn)角樣本.人工讀取序列圖像樣本的表盤讀數(shù),獲得視覺檢測結(jié)果的牽引力對照樣本.標定式(1)轉(zhuǎn)角測力模型,用該模型將轉(zhuǎn)角樣本換算成牽引力數(shù)據(jù)樣本.牽引力數(shù)據(jù)樣本值減去牽引力對照樣本中的對應(yīng)值,獲得誤差樣本,誤差除以對應(yīng)的牽引力視覺檢測結(jié)果,獲得相對誤差樣本.參照文獻 [10]計算誤差及相對誤差的標準差和不確定度,結(jié)果詳見表1.

文獻 [11-12]報道,電測誤差一般在 1%～5% 之間,電子測力計動負荷試驗的檢測精度為(5±0.124)kN和(10± 0.098)kN.對照表 1,測力 3.125～ 12.500kN范圍內(nèi)最大誤差限為±0.8928%,檢測精度(5±0.045)kN和(10±0.0893)kN,可見機器視覺數(shù)據(jù)采集的檢測誤差沒有超過應(yīng)變電子式數(shù)據(jù)采集的檢測誤差,達到農(nóng)業(yè)機械田間試驗的測試要求,工程應(yīng)用可行.

5 結(jié)束語

1)直讀式測力計機器視覺數(shù)據(jù)采集是一種準確可靠、簡捷高效的農(nóng)機測力新方法.它解決了測力計人工讀數(shù)誤差大、動態(tài)數(shù)據(jù)不易獲取等難題,實現(xiàn)了田間作業(yè)機組動態(tài)阻力過程的實時檢測和數(shù)據(jù)記錄.

2)田間作業(yè)機組的阻力多處于低頻狀態(tài),采用較小幀率視覺傳感器可減小機器視覺數(shù)據(jù)采集的配置成本,而對于高頻阻力過程應(yīng)采用較高幀率的視覺傳感器.

3)轉(zhuǎn)角測力模型和坐標測力模型的標定,是提高直讀式測力計機器視覺數(shù)據(jù)采集精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

4)現(xiàn)有的簡單測力計配置機器視覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實現(xiàn)農(nóng)機測力的大容量動態(tài)數(shù)據(jù)采集和記錄,并可由計算機方便地完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理.由于數(shù)據(jù)樣本容量的大幅增加,也使得測定的結(jié)果更加準確.

5)機器視覺數(shù)據(jù)采集的誤差分析表明,測力在 3.125～ 12.500kN范圍內(nèi)最大誤差限為±0.8928%,測力誤差限沒有超過應(yīng)變電子式數(shù)據(jù)采集,滿足農(nóng)業(yè)機械田間測試要求.

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