基于圖像識(shí)別的全自動(dòng)水域清理系統(tǒng)

羅霄 劉慶 廖自強(qiáng)

摘要：近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)頻發(fā)，致使藻類等浮游植物在短時(shí)間內(nèi)瘋長(zhǎng)。水質(zhì)惡化，水生生物窒息死亡等一系列環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。本文介紹了一種全自動(dòng)水上浮游植物清理系統(tǒng)，可以通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了清理的自動(dòng)化與智能化，系統(tǒng)利用圖像智能技術(shù)檢測(cè)水生植物，并通過(guò)智能計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)水生植物清理船體的控制。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定點(diǎn)片區(qū)水域的水上浮游植物的打撈清理功能，具有智能化、低成本以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別清理系統(tǒng)自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP391. 41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672 - 9129（2018）12 - 0117 - 01

引言：近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象頻頻發(fā)生。以水藻為代表的浮萍類浮游植物和以水葫蘆為代表的根莖類浮游植物大量生長(zhǎng)，導(dǎo)致水體透明度下降、溶解氧減少，水質(zhì)不斷惡化，水體底層呈缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致一些魚(yú)類窒息死亡。其中一些藻類會(huì)產(chǎn)生藻毒素，對(duì)水生生物和人畜的飲水安全也造成了威脅;一些藻類還會(huì)產(chǎn)生異味，影響周?chē)用竦纳瞽h(huán)境[1]。

現(xiàn)今的技術(shù)雖然能在一定程度上高效的清理水上浮游植物，但存在著效率低、成本高、易造成二次污染等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題而展開(kāi)對(duì)水上浮游植物清理系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成。清理船體主要由船體動(dòng)力部分、微型浮游植物清理部分、中小型浮游植物清理部分、圖像識(shí)別與自動(dòng)化部分、船體支撐部分五部分組成。船體動(dòng)力部分主要由涵道風(fēng)扇、電信號(hào)接收器、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、太陽(yáng)能電池板等組成;微型浮游植物清理部分主要由止水器、過(guò)濾存儲(chǔ)容器、透明水管、過(guò)濾網(wǎng)等組成;中小型浮游植物清理部分主要由推料輪、活塞壓板、儲(chǔ)蓄箱、鉸刀等組成;圖像識(shí)別與自動(dòng)化部分主要由CCD相機(jī)、單片機(jī)、控制器、轉(zhuǎn)換器、CSM無(wú)線發(fā)射裝置等組成;船體支撐部分主要由橡膠氣囊、支撐板等組成。

1.2 圖像識(shí)別原理。如圖l所示，清理船體在工作時(shí)，會(huì)通過(guò)CCD相機(jī)采集視頻信息，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路，將連續(xù)的視頻信號(hào)或者圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，送人單片機(jī)CPU與預(yù)設(shè)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，由于水葫蘆、水藻、障礙物體型差異較大，故本文采用圖像輪廓特征、統(tǒng)計(jì)特征、GMM參數(shù)特征來(lái)作為目標(biāo)的識(shí)別特征，并對(duì)特征向量進(jìn)行內(nèi)部歸一化處理，將特征向量序列存入圖像特征庫(kù)。當(dāng)分析結(jié)果與預(yù)設(shè)值的匹配度達(dá)到90%，則判斷為正確，并對(duì)相應(yīng)水域進(jìn)行分類，再由相應(yīng)類別的清理裝置對(duì)其進(jìn)行清理工作。從而達(dá)到不同類別的植物分開(kāi)處理，分開(kāi)儲(chǔ)存的目的，實(shí)現(xiàn)更高效、更快捷、更自動(dòng)化地清理水上浮游植物[2]。從此來(lái)努力鞏固水上浮游植物清理整治成果，提供水體質(zhì)量，讓水生動(dòng)物有更好的生活條件，并可以利用太陽(yáng)能發(fā)電給蓄電池充電，創(chuàng)造更好的生態(tài)環(huán)境。

2 圖像處理與自動(dòng)化過(guò)程

在清理船體運(yùn)作時(shí)，其清理路線可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化。利用圖像識(shí)別技術(shù)，船體的控制核心單片機(jī)CPU可以接受離散化之后的視頻或者圖像信息，并通過(guò)輪廓特征、統(tǒng)計(jì)特征、CMM參數(shù)特征分析[3]來(lái)判斷行方向上的物體屬性，并將判斷結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，控制電信號(hào)發(fā)射器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，信號(hào)接收器對(duì)其進(jìn)行接收，并控制涵道風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，達(dá)到控制其運(yùn)轉(zhuǎn)速度和方向的目的。

當(dāng)清理船體中的儲(chǔ)物箱已經(jīng)充滿或已完成相應(yīng)的清理工作時(shí)，位于儲(chǔ)物箱底部的重力傳感器檢測(cè)到重力信號(hào)時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)控制電路關(guān)閉清理系統(tǒng)，此時(shí)船體將停止工作直線前進(jìn)，并到達(dá)對(duì)岸，此時(shí)工作人員便可以將其中的儲(chǔ)物箱取出，并清理儲(chǔ)物箱中的植物，待清理完畢后再裝入清理船體，如此循環(huán)往復(fù)將其進(jìn)行重復(fù)利用。

控制系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)利用AT89C51為控制中心，接受圖片信號(hào)并做相應(yīng)的處理，將處理結(jié)果傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的調(diào)控作用。而軟件系統(tǒng)的主要功能是控制圖像采集卡捕捉采集浮游植物的圖像，并對(duì)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行變換處理及特征值提取，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)識(shí)別[4]。船體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采集圖像的視頻信息，在主控電路里通過(guò)采樣定理進(jìn)行采樣，并經(jīng)過(guò)保持、量化、編碼將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)的CPU，單片機(jī)CPU經(jīng)過(guò)解碼之后，將控制信號(hào)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向操作和清理模式選擇，并依次完成此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)施后，將顯著改善現(xiàn)有湖泊水質(zhì)水生生物治理過(guò)程中的水藻清理技術(shù)，降低由于水生植物不及時(shí)清理而瘋漲導(dǎo)致治理不可控的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，項(xiàng)目的實(shí)施增強(qiáng)人們的環(huán)保意識(shí)，提高整個(gè)社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)與共同參與的積極性。系統(tǒng)對(duì)水體治理和環(huán)境保護(hù)建設(shè)服務(wù)的智能化發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈昌春，余增亮.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水磁絮凝分離凈化裝置的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究[D].安徽大學(xué).2009.

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