基于智能相機(jī)控制的橫擺式株間機(jī)械除草系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡煉，林潮興，楊偉偉，許奕

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州，510642）

1 引言

農(nóng)田草害一直是阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速、持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。雖然我國農(nóng)田雜草綜合治理已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但雜草危害、演替、抗藥性、除草劑藥害等問題仍相當(dāng)嚴(yán)重[1]。而機(jī)械除草避免了農(nóng)藥所帶來的環(huán)境污染，同時(shí)可以使土壤更加松散，增加植物的根部供氧，便于作物生長。目前機(jī)械除草的方法主要針對(duì)行間位置的雜草去除，對(duì)于行內(nèi)雜草很難有效去除[2]。為了對(duì)株間雜草進(jìn)行控制，國外對(duì)智能化株間除草機(jī)械進(jìn)行了一些相關(guān)研究[3～7]；目前國內(nèi)也開始了對(duì)智能化株間機(jī)械除草技術(shù)與機(jī)具的研究[8～12]，但仍處于初步階段，仍需開展深入研究。

本文設(shè)計(jì)了一種基于智能相機(jī)控制的橫擺式株間機(jī)械除草系統(tǒng)，分析了橫擺式株間除草的工作原理，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的橫擺式株間機(jī)械除草控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為株間機(jī)械除草裝置的進(jìn)一步優(yōu)化和精準(zhǔn)控制提供了依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 橫擺式株間除草原理

橫擺式株間機(jī)械除草原理如圖1所示，通過高速旋轉(zhuǎn)的割刀割斷雜草，橫向運(yùn)動(dòng)和前進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)割刀進(jìn)出株間區(qū)域從而避讓作物。除草系統(tǒng)識(shí)別出作物相對(duì)于割刀坐標(biāo)，當(dāng)接近作物時(shí)控制割刀移出作物株間區(qū)域，避讓防止割刀損傷作物，在不傷害作物的前提下，盡快控制割刀回到作物株間區(qū)域，以最大限度地割除株間區(qū)域雜草。

圖1 橫擺式株間除草原理

2.2 橫擺式株間機(jī)械除草系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)組成

橫擺式株間機(jī)械除草系統(tǒng)組成如圖2所示，智能相機(jī)用于獲取田間環(huán)境信息（包括作物和雜草）并進(jìn)行作物識(shí)別和定位運(yùn)算，智能相機(jī)通過I/O端口同時(shí)采集前進(jìn)速度、橫擺位移和割刀轉(zhuǎn)速等信息，通過I/O控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)并控制割刀旋轉(zhuǎn)和割刀橫向運(yùn)動(dòng)。

智能相機(jī)采用National Instruments的NI1774C，分辨率為1280x960(SXGA)，幀速率為17 fps，配置功能強(qiáng)大的IntelAtom 1.6GHz處理器，適用于自動(dòng)化檢測(cè)應(yīng)用。堅(jiān)固的機(jī)械設(shè)計(jì)包含了IP67外殼、M12連接器以及透鏡蓋，可防止水（1米防水）和灰塵進(jìn)入損壞相機(jī)，還配有數(shù)字I/O線（4條輸入4條輸出）、一個(gè)RS232串行連接和千兆以太網(wǎng)連接，可動(dòng)態(tài)地控制照明、同步傳送帶和驅(qū)動(dòng)排序機(jī)制。此外，連接選項(xiàng)支持Modbus、以太網(wǎng)I/P和TCPI/P等通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)與可編程邏輯控制器(PLC)、可編程自動(dòng)化控制器(PAC)和人機(jī)界面(HMIS)等其他工業(yè)設(shè)備相連接。

前進(jìn)速度檢測(cè)和橫擺位移測(cè)量均采非接觸式步進(jìn)編碼器（型號(hào)：EMS22D，BOURNS），分別測(cè)量測(cè)量地輪仿形轉(zhuǎn)動(dòng)速度和橫擺電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。該編碼器尺寸小，采用磁感應(yīng)測(cè)量原理，3.3～5V直流供電，每圈分為512步進(jìn)。2個(gè)編碼器通過智能相機(jī)I/O連接器上的接口連接至智能相機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用雙H橋驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制橫擺電機(jī)和割刀電機(jī)。計(jì)算機(jī)并不是橫擺式株間機(jī)械除草系統(tǒng)必要組成模塊，主要用于編寫Labview程序和設(shè)置為前面板實(shí)時(shí)顯示智能相機(jī)的相關(guān)處理結(jié)果。

圖2 控制系統(tǒng)組成

（2）橫擺運(yùn)動(dòng)控制方法

橫擺運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)株間區(qū)域雜草控制和避免損傷作物的關(guān)鍵，橫擺運(yùn)動(dòng)控制方法如圖3所示，根據(jù)已知作物位置和尺寸，結(jié)合當(dāng)前進(jìn)前速度，規(guī)劃出橫擺移出株間區(qū)域的控制起點(diǎn)和橫擺運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)割刀經(jīng)過作物中心后通過橫擺運(yùn)動(dòng)控制割刀移入株間區(qū)域。作物位置和尺寸由智能相機(jī)運(yùn)算算法獲得，即作物中心坐標(biāo)和表征作物尺寸的圓直徑D，為不損傷作物，控制起點(diǎn)確定方法如下：

①通過智能相機(jī)信息獲得目標(biāo)作物圓直徑D，單位mm；

②通過地輪傳感器測(cè)量得到實(shí)時(shí)前進(jìn)速度Vf，單位m/s；

③計(jì)算出不損傷作物的避苗時(shí)間，單位s

式中，d為旋轉(zhuǎn)割刀直徑，單位mm。

④為保證避苗時(shí)間準(zhǔn)確，根據(jù)式2選擇合適的橫

擺控制PWM占空比，

式中，Δt為測(cè)量偏差，單位s。

⑤計(jì)算出橫擺移出株間區(qū)域的控制起點(diǎn)df，單位mm。

圖3 控制示意圖

（3）基于Labview的作物識(shí)別與控制

機(jī)械除草的保護(hù)目標(biāo)是作物，因此只需識(shí)別作物而無需區(qū)分雜草和土壤。本研究采用的基于機(jī)器視覺的作物識(shí)別的前提是認(rèn)為作物垂直投影面積大于雜草垂直投影面積，識(shí)別的主要過程包括對(duì)獲取的圖像灰度化，對(duì)灰度化圖像進(jìn)行濾波后二值化，然后腐蝕與膨脹并對(duì)圖像中的連通域進(jìn)行標(biāo)記，最后根據(jù)連通域的特征進(jìn)行濾波，計(jì)算出連通域的質(zhì)心與作物的外形尺寸等。前進(jìn)速度檢測(cè)和橫擺位移測(cè)量的非接觸式步進(jìn)編碼器信號(hào)采用掃描方式讀取，100ms讀取一次。旋轉(zhuǎn)割刀電機(jī)由1個(gè)I/O接口控制其啟動(dòng)與停止；橫擺電機(jī)由3個(gè)I/O接口控制，2個(gè)接口用于電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，1個(gè)接口生成不占空比PWM信號(hào)。

3 試驗(yàn)與分析

（1）PWM 占空比與橫擺運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系

在確定控制起點(diǎn)后，避讓作物的關(guān)鍵在于控制橫擺運(yùn)動(dòng)速度，以保證避讓作物的時(shí)間和最大限度地?cái)U(kuò)大株間區(qū)域的割草面積。試驗(yàn)選取不同橫擺電機(jī)控制PWM占空比，建立不同PWM占空比與單個(gè)橫擺運(yùn)動(dòng)周期關(guān)系。通過線性擬合結(jié)果如圖4所示，PWM占空比與橫擺運(yùn)動(dòng)周期具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9291。因此當(dāng)視覺系統(tǒng)獲得作物位置和大小后，并可根據(jù)計(jì)算得到的避苗時(shí)間 對(duì)應(yīng)的所需PWM占空比值。

圖4 PWM占空比與橫擺運(yùn)動(dòng)周期關(guān)系

（2）作物圖像坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

視覺系統(tǒng)獲得的是作物在圖像中的像素坐標(biāo)，然而除草所需為機(jī)械除草系統(tǒng)所在的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的實(shí)際坐標(biāo)值。從圖像坐標(biāo)系統(tǒng)向大地坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換可采取轉(zhuǎn)換矩陣[13]，但若除草系統(tǒng)搭載在機(jī)器人上，保證了除草系統(tǒng)前進(jìn)方向與作物行平行。在智能相機(jī)視野內(nèi)的前進(jìn)方向上放置8個(gè)白色圓盤，獲取圖片，并利用Matlab編程識(shí)別出白色圓盤并找標(biāo)記出圓盤中心，與大地坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，獲得像素坐標(biāo)與大地坐標(biāo)在前進(jìn)方向上的轉(zhuǎn)換線性方程如式5所示，線性相關(guān)性達(dá)0.9972。

其中：Yr為前進(jìn)方向的大地坐標(biāo)，單位mm；為前進(jìn)方向的像素坐標(biāo)，單位相素。

圖5 作物坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

（3）避苗控制試驗(yàn)

圖6 避苗控制試驗(yàn)

如圖6所示，在室內(nèi)將橫擺除草系統(tǒng)安裝于手推四輪小車上，智能相機(jī)向前拍攝，在前進(jìn)方向上布置10個(gè)以綠色紙圓盤，用來模擬作物。以0.5m/s速度向前推動(dòng)小車，橫擺除草控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確避讓10個(gè)模擬作物。

4 結(jié)論

采用智能相機(jī)作為圖像獲取、作物進(jìn)行識(shí)別和定位、傳感器信息采集、控制處理實(shí)現(xiàn)了橫擺除草裝置避讓作物，準(zhǔn)確控制除草割刀進(jìn)出作物株間區(qū)域。智能相機(jī)的使用，無需計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，簡化了基于圖像處理的橫擺式株間機(jī)械除草控制系統(tǒng)。當(dāng)然，系統(tǒng)需進(jìn)一步改進(jìn)，完善基于Labview的作物識(shí)別和定位算法，橫擺除草機(jī)構(gòu)等，并結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行田間除草作業(yè)研究。

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