基于機(jī)器視覺的水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王桂蓮，劉偉超，王 安，柏凱凱，周海波,3

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基于機(jī)器視覺的水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王桂蓮1，劉偉超1，王 安2，柏凱凱1，周海波1,3※

（1. 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津 300384；2. 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，佳木斯 154007； 3. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，佳木斯 154007）

對(duì)于工廠化育秧作業(yè)的水稻、蔬菜、花卉等，尤其是超級(jí)雜交稻，其機(jī)械化秧盤育秧播種的理想目標(biāo)為2～3粒/穴，且普遍存在空穴和單粒穴的情況，為了保證秧盤育秧成秧率，提高精密播種合格率就顯得非常重要。該文基于機(jī)器視覺技術(shù)，提出了一種智能補(bǔ)種方法，設(shè)計(jì)并研制了智能補(bǔ)種裝置，主要用于超級(jí)雜交稻缽體秧盤育秧播種質(zhì)量檢測(cè)與補(bǔ)種過程。首先利用CCD攝像頭采集秧盤圖像，對(duì)圖像處理與分析后得到空穴和1粒穴位置坐標(biāo)，再利用定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從種槽取種和對(duì)秧盤指定位置動(dòng)態(tài)補(bǔ)種等功能。應(yīng)用LabVIEW圖形化編程軟件，針對(duì)空穴和單粒穴的補(bǔ)種方案，開發(fā)出秧盤播種質(zhì)量在線檢測(cè)與補(bǔ)種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能補(bǔ)種任務(wù)。由試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知，當(dāng)補(bǔ)種率小于2%時(shí)，雙補(bǔ)種器能夠滿足450盤/h的生產(chǎn)需求。

農(nóng)作物；設(shè)計(jì)；機(jī)器視覺；水稻；精密播種；智能補(bǔ)種；智能補(bǔ)種裝置；質(zhì)量檢測(cè)

0 引 言

為延長(zhǎng)生長(zhǎng)期、提高產(chǎn)量，水稻、蔬菜、花卉等作物經(jīng)常采用育秧移栽種植方式，增加了工廠化育秧環(huán)節(jié)。為了保證秧盤育秧成秧率，如何提高精密播種合格率就顯得非常重要。水稻是重要的糧食作物[1-2]，尤其是超級(jí)雜交稻是一種品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量高的水稻品種，在其機(jī)械化育秧播種過程中，要求播種精度高、空穴率低?，F(xiàn)有的排種器播種性能可以達(dá)1～4 粒/穴，但存在空穴（1%～5%左右）和單粒率偏高（20%以上）的情況[3-8]，受發(fā)芽率（80%～90%）、成苗率（76%～81%）、成毯特性（單粒和空穴使效果變差）以及外加插秧的傷秧率（10%左右）等影響[9-13]，造成“穴株數(shù)”嚴(yán)重不足，結(jié)果達(dá)不到1～2株/穴的種植要求，因此根據(jù)中國(guó)水稻研究所朱德峰、徐一成等人提出的“低播量壯秧成毯”的育秧要求[9-10]，由此總結(jié)出理想的播種目標(biāo)是2～3粒/穴，且單粒率少、無空穴。于是需要對(duì)播種后的秧盤進(jìn)行播種質(zhì)量檢測(cè)，然后對(duì)空穴和對(duì)單粒穴進(jìn)行補(bǔ)種，達(dá)到消除空穴并減少單粒穴的效果。精密播種作為一種先進(jìn)的種植技術(shù)，在國(guó)外已有60多年的發(fā)展進(jìn)程，初期主要研究機(jī)械式精密排種器，從20世紀(jì)50年代末開始研究氣力式精密排種器，如氣吸、氣吹和氣壓式，其中氣吸式精密排種器因具有對(duì)種子形狀和尺寸適應(yīng)性強(qiáng)，傷種率低等特點(diǎn)，盡管它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，但多年來國(guó)外學(xué)者如Singh等[14-22]一直進(jìn)行玉米、大豆、甜菜、棉花、芹菜等作物的氣吸式精密播種部件的理論與試驗(yàn)研究。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的精密播種機(jī)少數(shù)采用機(jī)械式（如指夾式精播玉米），主體是氣力式[23]。目前針對(duì)精密播種機(jī)的播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)和漏播后補(bǔ)種設(shè)備的研究正在逐步展開，夏俊芳等[24]設(shè)計(jì)一種大豆水平型孔拉桿式補(bǔ)種機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了種子運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)模擬和最優(yōu)化參數(shù)仿真；張曉輝等[25]設(shè)計(jì)了一種小麥播種機(jī)自動(dòng)補(bǔ)播式監(jiān)控系統(tǒng)，解決“斷條性”漏播問題；金衡模等[26]針對(duì)玉米免耕播種機(jī)的播種質(zhì)量低的問題，設(shè)計(jì)了玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)種成功率可達(dá)90%以上；王關(guān)平等[27]針對(duì)現(xiàn)有的鏈勺式排種器馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)過程中普遍存在的漏播現(xiàn)象，提出了一種測(cè)補(bǔ)償方案，該系統(tǒng)漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確率>99.8%，補(bǔ)種成功率>75%；Mganilwa等[28]日本研究學(xué)者應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)黃瓜、生菜、綠辣椒等蔬菜大缽體秧盤育秧播種質(zhì)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到99.93%以上，同時(shí)采取了補(bǔ)種策略，補(bǔ)種準(zhǔn)確率達(dá)99%，播種速度為1.67穴/s。由此可見，大多數(shù)研究對(duì)單粒精密播種機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和補(bǔ)種比較有效，而對(duì)不規(guī)則種子形狀的水稻條播或者缽體穴播實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)相對(duì)比較困難[29-30]。

為了降低超級(jí)稻播種時(shí)的空穴和單粒率，本文基于機(jī)器視覺技術(shù)，提出一種智能補(bǔ)種方法，設(shè)計(jì)并研制了智能補(bǔ)種裝置，以期實(shí)現(xiàn)超級(jí)雜交稻缽體秧盤育秧播種質(zhì)量檢測(cè)與補(bǔ)種任務(wù)。

1 水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置總體設(shè)計(jì)

智能補(bǔ)種裝置主要由秧盤圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)、補(bǔ)種器（定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)）及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示，其工作原理為：利用圖像采集系統(tǒng)對(duì)秧盤圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，由檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理與分析，獲得并提取秧盤中空穴和1粒穴坐標(biāo)位置，然后由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制補(bǔ)種器的定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)完成定位、取種和補(bǔ)種過程。該智能補(bǔ)種器還可以安裝在水稻秧盤育秧播種流水線的播種工序之后，覆表土工序之前，不僅可以用于播種質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)還能進(jìn)行補(bǔ)種作業(yè)，可以進(jìn)一步提高超級(jí)稻、蔬菜等秧盤育秧精密播種質(zhì)量。

圖1 水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

秧盤圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)主要由CCD攝像頭、光箱、光電式傳感器、光源、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等部件組成（如圖2）。當(dāng)秧盤進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域指定位置，由圖像（光電）傳感器產(chǎn)生高電平信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到計(jì)算機(jī)，控制CCD攝像頭進(jìn)行秧盤圖像采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)（GigE）輸入計(jì)算機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理與分析，識(shí)別到秧盤各個(gè)穴位的播種數(shù)量，然后根據(jù)補(bǔ)種要求對(duì)圖像中的空穴和1粒穴的坐標(biāo)位置進(jìn)行提取，為后續(xù)補(bǔ)種作業(yè)提供定位信息。

圖2 圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)

定位機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶及同步帶輪、滑塊、導(dǎo)軌和復(fù)位接近開關(guān)以及補(bǔ)種（光電）傳感器等組成。設(shè)秧盤前進(jìn)方向與軸導(dǎo)軌相同，與軸導(dǎo)軌垂直，而且在軸導(dǎo)軌的滑塊下部固定有軸導(dǎo)軌，在軸導(dǎo)軌的滑塊下方安裝有補(bǔ)種機(jī)構(gòu)，補(bǔ)種傳感器安裝在機(jī)架上（如圖1）。兩導(dǎo)軌上的滑塊分別由同步帶帶動(dòng)并在、軸導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，其中軸導(dǎo)軌長(zhǎng)度為400 mm，可滿足寬度小于400 mm秧盤的補(bǔ)種需要。兩軸分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)控制通過美國(guó)NI公司的NI PCI-7334運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)選用的電機(jī)為日本信濃SST58D4830兩相混合步進(jìn)電機(jī)，固有步距角為1.8°、電壓2.4 V、電流3.0 A、靜力矩10.8 N·m及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量330 g/cm2，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為Q2BYG403MD，細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4。

補(bǔ)種器由3個(gè)氣缸和吸針組成（如圖3），氣缸1為日本SMC生產(chǎn)的13-MXQ8-75A型雙活塞桿氣缸，引導(dǎo)活塞進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；氣缸2與氣缸3均為小型氣動(dòng)滑臺(tái)，分別為日本SMC生產(chǎn)的MXH6-60型和CDQMB12-10型直線導(dǎo)軌，具有優(yōu)良的線性度，工作連貫，穩(wěn)定性好。在補(bǔ)種機(jī)構(gòu)連續(xù)作業(yè)中，吸針從取種到投種是一個(gè)循環(huán)的過程，即氣缸1垂直收縮，氣缸2水平伸出，氣缸3垂直伸出，吸針到種盒取種；然后氣缸3垂直收縮，氣缸2水平收縮，氣缸1垂直伸出，吸針到秧盤投種。吸針采用天弘點(diǎn)膠15G-6.5雙孔針頭[31]，內(nèi)徑1.45 mm，孔間距2.5 mm，可以實(shí)現(xiàn)單次吸取1～2粒種子的作用。智能補(bǔ)種裝置主要工作參數(shù)見表1。

圖3 補(bǔ)種器三維模型

表1 智能補(bǔ)種裝置主要工作參數(shù)

2 圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 圖像采集與檢測(cè)

秧盤圖像采集和穴粒數(shù)檢測(cè)是智能補(bǔ)種技術(shù)的基礎(chǔ)，為后面補(bǔ)種工序提供穴位信息。該部分主要采用LabVIEW的視覺模塊進(jìn)行開發(fā)，秧盤圖像采集、處理與穴位檢測(cè)的具體處理過程為：1）圖像傳感器控制圖像采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集秧盤圖像（vision acquisition），對(duì)采集到的彩色RGB圖像（圖4a）分別提取R、G、B 3個(gè)色盤圖像（IMAQ extract single color plane），利用加權(quán)公式得到灰度化圖像，并采用Otsu分割閾值算法進(jìn)行二值化處理（IMAQ autobthreshold），利用形態(tài)學(xué)方式（IMAQ particle filter 2）和面積剔除法去除圖像中的細(xì)小顆粒噪聲；2）按照缽體秧盤上穴位實(shí)際大小和間距轉(zhuǎn)換成像素尺寸，在秧盤圖像上建立6×12個(gè)（單次檢測(cè)的穴位數(shù)）感興趣區(qū)域（roidescriptor），并轉(zhuǎn)換成為掩膜（IMAQ roito mask），如圖4b所示；3）利用掩膜定位技術(shù)提取秧盤中每個(gè)穴位內(nèi)的種子圖像并進(jìn)行連通域檢測(cè)，測(cè)量單個(gè)連通域的面積、周長(zhǎng)、最小外接多邊形面積等參數(shù)，計(jì)算出改進(jìn)后的形狀因子，結(jié)合單連通域面積大小，完成單個(gè)連通域種子0粒（含雜質(zhì)）、1粒、2粒、3粒、4粒及以上情況的檢測(cè)，并通過累加實(shí)現(xiàn)穴粒數(shù)的檢測(cè)，由文獻(xiàn)[28]知，圖像平均處理時(shí)間約為0.518 s，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)95%以上；4）將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)組，并保存在穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖4 圖像采集與檢測(cè)

2.2 穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

穴盤數(shù)據(jù)信息采用三維數(shù)組進(jìn)行存取。穴粒數(shù)存儲(chǔ)時(shí)，首先按掩膜個(gè)數(shù)和每個(gè)掩膜在圖像中的位置建立二維數(shù)組，將每個(gè)掩膜內(nèi)種子粒數(shù)的檢測(cè)結(jié)果保存到相對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素中（圖4c），再按檢測(cè)順序?qū)ρ肀P進(jìn)行編號(hào)，該編號(hào)作為第三維。補(bǔ)種時(shí)首先提取秧盤編號(hào)，再提取穴位為空穴和1粒穴的坐標(biāo)，提供給后續(xù)定位機(jī)構(gòu)。三維存取數(shù)組模型如式（1）所示。

式中為檢測(cè)秧盤編號(hào)；為穴位在秧盤圖像中的行數(shù)；為穴位在秧盤圖像中的列數(shù)；為穴盤信息存儲(chǔ)三維矩陣；r為第個(gè)秧盤第行第列的種子粒數(shù)。

3 控制系統(tǒng)

補(bǔ)種器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)控制方式進(jìn)行定位和補(bǔ)種運(yùn)動(dòng)控制，即當(dāng)秧盤被傳送到指定位置時(shí)觸發(fā)補(bǔ)種傳感器（高電平1），補(bǔ)種器開始按秧盤穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息依次按行進(jìn)行補(bǔ)種，完成后系統(tǒng)復(fù)位，等待下一個(gè)秧盤。該補(bǔ)種器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是應(yīng)用LabVIEW中的運(yùn)動(dòng)控制助手和數(shù)據(jù)采集助手相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。

3.1 主控制流程

在得到穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中的秧盤穴粒數(shù)組后，通過算法找出0粒穴和1粒穴，并計(jì)算0粒穴和1粒穴的坐標(biāo)，依據(jù)時(shí)效性對(duì)0粒穴和1粒穴進(jìn)行整合排序（當(dāng)時(shí)間或生產(chǎn)效率受限時(shí)會(huì)對(duì)1粒穴進(jìn)行合理的舍棄）成一個(gè)新數(shù)組，按行索引當(dāng)前行（共23行）的待補(bǔ)穴（新數(shù)組）的坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)，并對(duì)當(dāng)前行的各個(gè)穴位進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后利用運(yùn)動(dòng)控制助手中的Initialize Controller flx 對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化設(shè)置，然后利用Configure Vector Space flx對(duì)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度設(shè)置和、軸電機(jī)選擇，分別將2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需脈沖數(shù)送入驅(qū)動(dòng)器，啟動(dòng)電機(jī)為當(dāng)前行補(bǔ)種，之后進(jìn)行下一行的補(bǔ)種，直至完成每行各個(gè)穴位播補(bǔ)種任務(wù)時(shí)，會(huì)檢測(cè)到補(bǔ)種傳感器信號(hào)（低電平0），補(bǔ)種器復(fù)位，控制流程如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖

3.2 定位計(jì)算

1）基準(zhǔn)點(diǎn)確定

為減少運(yùn)動(dòng)累計(jì)誤差對(duì)定位精度的影響，補(bǔ)種器需要設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)整個(gè)秧盤補(bǔ)種任務(wù)完成后，補(bǔ)種器必須復(fù)位。為此，在定位機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了、軸滑塊復(fù)位開關(guān)（圖3），當(dāng)定位機(jī)構(gòu)的滑塊和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)元件均復(fù)位到初始位置（見圖1），此時(shí)吸針頭部位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，即L坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，如圖6所示。

圖6 基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系

2）穴位定位

對(duì)穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中0粒和1粒穴信息進(jìn)行篩選、排序，并按行索引。當(dāng)補(bǔ)種傳感器被秧盤觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)秧盤規(guī)格可以在L坐標(biāo)系中計(jì)算出每個(gè)穴位位置，其公式為

式中為到達(dá)（,）穴位中心點(diǎn)位置沿軸方向滑塊移動(dòng)的距離；為到達(dá)（,）穴位中心點(diǎn)位置沿軸方向滑塊移動(dòng)的距離；0為基準(zhǔn)點(diǎn)距離秧盤（0,0）穴位中心點(diǎn)沿軸方向的距離；0為基準(zhǔn)點(diǎn)距離秧盤（0,0）穴位中心點(diǎn)沿軸方向的距離（表1）；為軸方向相鄰穴位之間的距離；為軸方向相鄰穴位之間的距離。

根據(jù)補(bǔ)種傳感器被觸發(fā)時(shí)的穴位坐標(biāo)位置，可以得到步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，其公式為

式中為滑塊運(yùn)動(dòng)距離；為脈沖數(shù)；為同步帶輪半徑；為細(xì)分?jǐn)?shù)；為步距角。

由式（3）可得出每個(gè)補(bǔ)種穴位在觸發(fā)補(bǔ)種傳感器時(shí)的脈沖坐標(biāo)位置。

3.3 補(bǔ)種時(shí)間以及動(dòng)態(tài)坐標(biāo)位置計(jì)算

假設(shè)秧盤（0,0）穴位坐標(biāo)為（0,0），則任意已完成穴位坐標(biāo)為（1,1），當(dāng)前下一待補(bǔ)穴位坐標(biāo)為（2,2），如圖7所示，則穴位坐標(biāo)（1,1）和（2,2）的位置為（L1,L1），（L2,L2）；、軸滑塊最大速度max，、軸滑塊最大加速度為，輸送機(jī)構(gòu)輸送秧盤的速度為0；取種時(shí)間為1，攜種氣缸動(dòng)作時(shí)間為2，補(bǔ)種時(shí)間為3，延遲時(shí)間為0（初值為0），補(bǔ)種（2,2）穴位之前所用的累計(jì)時(shí)間為T，則完成單次補(bǔ)種總時(shí)間的計(jì)算公式如下。

圖7 秧盤穴位坐標(biāo)系

1）設(shè)由當(dāng)前穴位到達(dá)下一穴位取種位置所用時(shí)間為1，則有