多用微型除草機(jī)的研究與設(shè)計

金坤坤 方世遲

摘要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，大多數(shù)生產(chǎn)工作已經(jīng)由機(jī)器代替人工，但是對于小規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，除草這一方面暫時還沒有比較好的處理方式。采用圖像識別處理技術(shù)及機(jī)械除草原理除去小型農(nóng)田或大棚里的雜草，不僅可以減少勞動力損耗，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，還能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。同時，多用微型除草機(jī)上設(shè)有土壤有害物質(zhì)檢測裝置，對農(nóng)作物的生長進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，方便對可能出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行解決。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;除草機(jī);智能控制;智能檢測

中圖分類號：TP18? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0247-02

1 概述

世界上有許多種類的雜草。據(jù)調(diào)查，世界上有50000多種雜草，其中約8000種對農(nóng)作物造成不同程度的損害。雜草與農(nóng)作物競爭養(yǎng)分、陽光、水和生長空間，因?yàn)樗鼈儽茸魑镞m應(yīng)性強(qiáng)得多。阻礙農(nóng)作物生長，直接導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。為了維護(hù)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，去除雜草是十分必要的。由于雜草分布不均勻且隨機(jī)所以目前去除雜草的方法一般都是大面積粗放式噴灑農(nóng)藥。

農(nóng)藥的大量使用，造成了許多不良后果;農(nóng)作物的化學(xué)藥物殘留，雜草的變異（抗藥性）等等，都是無法解決的。多用微型除草機(jī)可以識別出雜草，并將其去除，同時可以檢測土壤的有機(jī)成分，使人對農(nóng)作物的生長可以進(jìn)行監(jiān)控。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本次我們設(shè)計的多用微型除草機(jī)主要應(yīng)用在大型農(nóng)田的除草問題上，多用微型除草機(jī)可以代替人工勞動力，在農(nóng)田中自動除去雜草，并且實(shí)時對土壤進(jìn)行檢測。其工作過程是通過圖像處理對雜草進(jìn)行識別，再由機(jī)械刀去除;而土壤檢測部分則是分析取樣的土壤并將數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)控中心，進(jìn)一步對土壤進(jìn)行相應(yīng)的改善。

2.1 軟件設(shè)計

該多用微型除草機(jī)的控制核心是基于STM32的總控系統(tǒng)。各個傳感器的信號傳送到總控處理后使得系統(tǒng)能夠及時做出反應(yīng)。圖1為后板中樞程序流程圖。

（1） 圖像采樣

在對圖像進(jìn)行采樣后，將其劃分為小區(qū)域，即像素。每個像素都有兩個屬性：位置和灰度。采樣和量化后，利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析。最常用的分割方法是方形采樣網(wǎng)格劃分。圖像被劃分成許多水平線，它們是相鄰像素。對其進(jìn)行量化，將其用圖像轉(zhuǎn)為一個整數(shù)矩陣。再通過量化將圖像數(shù)字化。

（2） 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是相對于是對圖像處理的前期處理。輸入的圖像一般比較不精確，檢測對象的邊緣過于模糊，使得可分辨度很差。檢測對象形狀不精確，圖像的邊緣超過最低模糊界限，圖像在視覺效果和辨別性等方面可能存在著諸多問題，這類問題屬于“質(zhì)量問題”，所以需要對采樣的圖像進(jìn)行預(yù)處理。

（3） 圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)處理是對圖像進(jìn)行突出處理，將所需要的具體細(xì)節(jié)凸顯出來，方便對圖像進(jìn)行識別。為了突出雜草和作物圖像的特征，去除或減弱無用或有害的信息，并去除噪聲。邊緣強(qiáng)調(diào)等都是圖像增強(qiáng)的內(nèi)容。

（4） 圖像分割

圖像分割指將所需要的圖像化分成若干個有意義的小部分，使得圖像的表達(dá)更為簡潔明了，為接下來的圖像分析和管理奠定了基礎(chǔ)。圖像可以包含多個對象。為了準(zhǔn)確地分析圖像，必須將圖像分割成若干區(qū)域。圖像分割是圖像分析和機(jī)器視覺處理中最基本同時也是最重要的研究內(nèi)容，它是下一步分析的關(guān)鍵技術(shù)，因此圖像分割結(jié)果的好壞將直接關(guān)系到未來圖像分析的質(zhì)量。灰度圖像的分割往往依賴于圖像灰度值的不連續(xù)性和相似性。圖像分割一般有三種不同的方法（這里介紹兩種），一種是將不同的像素劃分成相應(yīng)的對象或區(qū)域，即區(qū)域法，另一種是通過直接確定相鄰區(qū)域之間的邊界來分割，即邊界法;首先檢測邊緣像素，然后連接邊緣像素以形成邊界以形成分割。

（5） 圖像分析與描述

對已分割的或正在分割的圖像中各部分屬性，特點(diǎn)以及各部分之間的關(guān)系的分析與描述。

一般情況下，圖像分析通過數(shù)學(xué)模型和圖像處理技術(shù)來分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而獲取一些智能信息。模式識別和人工智能（AI）是用于分析、描述、分類和解釋場景的技術(shù)，也被稱為場景分析或圖像理解。自對圖像的研究深入以來，從圖像的分析到具體問題的處理，都取得了許多研究成果。圖像分析與圖像處理和計算機(jī)圖形學(xué)密切相關(guān)，相互重疊。符號表示各種圖像，而不是圖像本身的操作，并使用各種知識來推理。圖像分析也與人類視覺研究密切相關(guān)。對人類視覺機(jī)制中一些可被識別的模塊研究可以促進(jìn)屬于計算機(jī)獨(dú)有的視覺的改進(jìn)。

（6） 圖像數(shù)據(jù)壓縮

圖像壓縮是圖像存儲、處理和傳輸?shù)幕A(chǔ)，它是用盡可能少的數(shù)據(jù)來進(jìn)行圖像的存儲和傳輸。圖像數(shù)據(jù)是可以被壓縮的，該理論支持圖像編碼的失真和圖像數(shù)據(jù)的冗余。在大多數(shù)情況下，壓縮圖像不需要與原始圖像完全相同，但是允許少量失真，只要這些失真不能被人眼感知即可。這為提高壓縮比提供了有利的條件。允許的失真越多，壓縮效率就越高。由于圖像數(shù)據(jù)的可壓縮性，存在大量的所謂的統(tǒng)計冗余，導(dǎo)致生理和視覺的冗余。去除這部分圖像數(shù)據(jù)并不會使得圖像無法識別。

（7） 圖像識別

圖像識別是基于圖像主要特征的。任何一個圖像都會有自己的特點(diǎn)，比如字母A有尖點(diǎn)，P有圓，Y的中心有銳角。圖像識別中的眼動研究說明了視覺線總是集中在圖像主要特征上（包括邊緣，形狀），即圖像輪廓的曲率最大或輪廓方向突變的地方，以及圖像中的信息量。E位是最大的。此外，眼睛的掃描路徑總是從一個特征轉(zhuǎn)移到另一個特征。因此，在圖像識別過程中，感知機(jī)制必須排除輸入的冗余信息，提取關(guān)鍵信息。同時，大腦中必須有一個機(jī)制負(fù)責(zé)整合信息，這些信息可以分階段獲得，形成一個完整的感知圖像。

在人體圖像識別系統(tǒng)中，復(fù)雜圖像的識別往往需要通過不同層次的信息處理來實(shí)現(xiàn)。對于熟悉的圖形，由于掌握了它的主要特征，它將被識別為一個單位，不再關(guān)注它的細(xì)節(jié)。整個單元的孤立單元材料被稱為塊，并且每個塊在同一時間被感知。在漢字材料的識別中，人們不僅能夠組成漢字的筆畫或側(cè)面塊，而且能夠組成經(jīng)常一起出現(xiàn)的字符或單詞的塊單位。

通過計算機(jī)的視覺識別系統(tǒng)，圖像內(nèi)容會由圖像特征來描述，這是最直接也是最有效的描述方式。實(shí)際上，在計算機(jī)視覺的基礎(chǔ)上，圖像檢索也可以分為與文本搜索引擎相似的三個步驟：特征提取、索引建立和查詢。

2.2 土壤檢測

在除草機(jī)沿著農(nóng)作物行前行的時候，車后的可調(diào)變不銹鋼板會收集一定量的土壤樣本，并實(shí)時檢測其中有害物質(zhì)是否過量，如果檢測到土壤中含有過量的有害物質(zhì)，及時通過控制端向中樞進(jìn)行匯報。

2.3 硬件設(shè)計

多用微型除草機(jī)主要由發(fā)動機(jī)、變速箱、仿形及耕深調(diào)節(jié)機(jī)制、機(jī)架、傳動系統(tǒng)、除草部件指輥、滑板、圖像處理系統(tǒng)等組成。

除草機(jī)前部裝有灰度攝像機(jī)，完成作物識別，引導(dǎo)除草機(jī)沿作物方向行走;除草機(jī)中部裝有彩色攝像機(jī)，不僅能夠識別作物行中間的單個作物，還能夠控制舵機(jī)提升除草機(jī)械手，改變機(jī)械手的高度。避免在單一作物被發(fā)現(xiàn)時危害作物。除草輪由不銹鋼制成。不會因?yàn)樵谔镩g操作時長時間浸水而生銹;后方配置可調(diào)變不銹鋼板，用于收集土壤及將除掉的雜草壓入土中;除草輪之間間距為30cm，并且可以作用調(diào)整3cm，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境;動力部分采用1764W二行程汽油引擎;除草輪后方設(shè)有塑質(zhì)擋板，防止泥土飛濺。

3 結(jié)束語

農(nóng)田雜草不僅影響農(nóng)作物的生長，還降低了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。除草劑雖然能有效地抑制雜草，但是它影響生態(tài)環(huán)境。該系統(tǒng)設(shè)計的多用微型除草機(jī)可以手動或者自動控制除草，為除草機(jī)提供了新的設(shè)計理念。

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[通聯(lián)編輯：朱寶貴]