基于可視化的果樹移栽機(jī)作業(yè)特性研究

李喆時(shí),底慧萍,李 倩

(1.石家莊理工職業(yè)學(xué)院,石家莊 050228;2.石家莊財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院,石家莊 050000;3.河北傳媒學(xué)院,石家莊 051430)

0 引言

隨著我國(guó)果品業(yè)的發(fā)展,水果種植面積和水果產(chǎn)量均已躍居世界第一[1]。移栽是水果栽種必不可少的環(huán)節(jié),不僅可以有效避免水果幼苗遭受干旱、凍傷等,而且可以使幼苗良好地生長(zhǎng)[2-3]。但是,目前我國(guó)的移栽作業(yè)主要采用人工或者半自動(dòng)移栽機(jī)械設(shè)備完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大,移栽成活率低,亟需發(fā)展自動(dòng)化移栽機(jī)械[4]。

為了提升果樹移栽機(jī)的機(jī)械化水平,我國(guó)加強(qiáng)了技術(shù)投入和技術(shù)創(chuàng)新,主要措施包括:研發(fā)能夠適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境的果樹自動(dòng)移栽機(jī),以提升設(shè)備的使用效率;研發(fā)通用機(jī)架,增加設(shè)備的使用頻率,同時(shí)提高互換性;增加機(jī)械設(shè)備的多樣性,使其能夠?qū)崿F(xiàn)制缽、育苗和移栽功能的有機(jī)結(jié)合。雖然移栽機(jī)的自動(dòng)化水平得到了顯著提升,但在作業(yè)過(guò)程中由于無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別損壞的果樹苗以及待移栽果樹,導(dǎo)致移栽過(guò)程仍然需要進(jìn)行人眼識(shí)別,移栽準(zhǔn)確率和移栽效率無(wú)法達(dá)到要求。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科,利用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺(jué)功能,將光轉(zhuǎn)化為電信號(hào),再利用成像技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理,從而得到有用的信息并輸出。將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)果樹移栽機(jī),可以有效替代人的作業(yè)過(guò)程,對(duì)損壞的果樹苗以及待移栽果樹進(jìn)行識(shí)別[5],從而提高移栽效率和移栽成活率。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

果樹移栽機(jī)是在多功能果樹移栽機(jī)的基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)業(yè)工作者要求研發(fā)的集松土、開(kāi)溝、移栽和覆土于一體的新型果樹移栽機(jī)。果樹移栽機(jī)的主要組成包括控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)和傳感器系統(tǒng)、旋耕裝置、開(kāi)溝部件、覆土裝置、移栽裝置和傳輸系統(tǒng)。

圖1 果樹自動(dòng)移栽機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The main structure diagram of fruit tree automatic transplanting machie

1.2 控制系統(tǒng)

移栽機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)和PLC,用于對(duì)移栽機(jī)的整個(gè)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制,是移栽機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的軟硬件溝通平臺(tái)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制軟件通過(guò)對(duì)其他系統(tǒng)的反饋信息進(jìn)行分析,確定下一步動(dòng)作指令并發(fā)送至PLC,進(jìn)而控制相應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行,最終完成移栽任務(wù)。

1.3 機(jī)器視覺(jué)和傳感器系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)和傳感器系統(tǒng)主要用于對(duì)果樹苗的位置和質(zhì)量進(jìn)行識(shí)別,以及時(shí)部分發(fā)現(xiàn)并剔除壞苗。其中,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要包括CCD攝像頭、圖像采集卡和圖像處理器等部分。同時(shí),在計(jì)算機(jī)內(nèi)部搭配圖像處理軟件,通過(guò)算法利用圖像數(shù)據(jù)判斷壞苗,并利用位置傳感器確定壞苗位置信息,發(fā)送至控制系統(tǒng);由控制系統(tǒng)發(fā)出指令,自動(dòng)剔除壞苗[6]。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行果樹苗識(shí)別的過(guò)程如圖2所示。

傳感器系統(tǒng)主要包括位移傳感器、光電傳感器等,用于識(shí)別和定位樹苗,保證移栽準(zhǔn)確率。

1.4 旋耕裝置、開(kāi)溝部件和覆土裝置

為了提升移栽機(jī)的功能性和自動(dòng)化水平,在移栽機(jī)的基礎(chǔ)上增加了旋耕裝置和開(kāi)溝部件,用于保證移栽時(shí)土壤的狀態(tài)適宜果樹苗的栽種。

旋耕裝置的組成主要包括刀片、刀盤和旋轉(zhuǎn)刀盤,用于將土壤充分地細(xì)碎。在作業(yè)時(shí),旋轉(zhuǎn)刀盤在在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)并前進(jìn),帶動(dòng)刀軸切入土壤,切下的土塊拋起并與后方擋土板撞擊,使土塊進(jìn)一步碎裂。

開(kāi)溝部件的組成包括開(kāi)溝刀、擋土板及拐臂,用于將旋耕裝置碎裂的土分向兩邊,其作業(yè)效果對(duì)果樹苗移栽起到了重要作用。開(kāi)溝部件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

覆土裝置用于在樹苗移栽完成后將樹苗表面的土壤進(jìn)行覆壓,其作業(yè)效果會(huì)影響樹苗移栽后的成活率[7]。覆土裝置的主要組成包括鎮(zhèn)壓輪、鋼架和螺桿。

圖3 開(kāi)溝部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 The structural sketch of ditching component

1.5 移栽裝置

移栽裝置用于將樹苗夾取并移栽至種植區(qū)域,主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、步進(jìn)電機(jī)、斜楔塊和移栽機(jī)械手。

1)驅(qū)動(dòng)裝置主要用于驅(qū)動(dòng)移栽機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。為了保證移栽機(jī)械手的位置精度和對(duì)速度的控制,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式控制。但是,這種驅(qū)動(dòng)方式也增加了移栽機(jī)械手段的總質(zhì)量,同時(shí)控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制,還應(yīng)增裝絲杠和斜楔塊用于將動(dòng)力傳遞給機(jī)械手。

2)移栽機(jī)械手采用4指扁平鏟狀手指的方式,可以保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,同時(shí)抓苗穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí),手指的尺寸需要保證其在張開(kāi)后大于穴盤中苗坨尺寸,同時(shí)小于穴孔尺寸。

3)斜楔塊用于在移栽機(jī)械手張開(kāi)時(shí)撐開(kāi)手指。

1.6 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)的組成包括傳動(dòng)帶和傳送帶電機(jī),主要用于傳輸穴盤,其位置一般位于移栽裝置的下方,便于移栽裝置對(duì)樹苗的拔出和移植。

2 移栽作業(yè)特性研究

要實(shí)現(xiàn)果蔬移栽機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行,保證樹苗移栽的質(zhì)量,主要需要解決兩方面的問(wèn)題:一是移栽機(jī)械手的結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同樹苗的特性(如柔軟、不規(guī)則等),保證移栽過(guò)程不損壞樹苗;二是移栽前能夠準(zhǔn)確地根據(jù)圖像確定是否存在壞苗,及時(shí)剔除。因此,主要針對(duì)以上兩方面對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)的作業(yè)特性進(jìn)行研究。

2.1 移栽機(jī)械手幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

移栽機(jī)械手的作業(yè)對(duì)象為樹苗,為了確定機(jī)械手的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),關(guān)鍵是要分析其作業(yè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡和對(duì)樹苗的作用力。機(jī)械手在作業(yè)過(guò)程中,樹苗的受力如圖4所示。

圖4 移栽機(jī)械手作業(yè)過(guò)程中樹苗的受力圖Fig.4 The force diagram of sapling in transplanting manipulator operation process

通過(guò)對(duì)圖4(a)分析可知:移栽機(jī)械手末端和前端在水平方向移動(dòng)的距離s1和s2計(jì)算公式為

s1=d1sin(α+Δα)-d1sinα

s2=d2sin(α+Δα)-d2sinα

其中,d1和d2分別為移栽機(jī)械手末端和前端與銷子的距離;α和Δα分別為機(jī)械手初始進(jìn)入樹苗的角度和手指繞銷子的角度。其中,Δα計(jì)算公式為

其中,h′和h分別為樹苗在作業(yè)結(jié)束和初始時(shí)的位置高度;γ為斜楔塊的下角角度。

移栽機(jī)械手末端和前端在豎直方西移動(dòng)的距離s3和s4分別為

s3=d1cosα-d1cos(α+Δα)

s4=d2cosα-d2cos(α+Δα)

通過(guò)對(duì)圖6(b)進(jìn)行分析,可以確定移栽機(jī)械手的末端在水平方向移動(dòng)距離s1還可通過(guò)下式表示,即

機(jī)械手閉合時(shí),前端間距l(xiāng)計(jì)算公式為

l=l′-2s2=l′-2[d2sin(α+Δα)-d2sinα]

其中,l′為機(jī)械手前端的初始間距。

移栽機(jī)械手從放下樹苗的狀態(tài)到閉合狀態(tài)需要的脈沖數(shù)量pn計(jì)算公式為

其中,p為絲杠可運(yùn)動(dòng)距離;b為單位距離步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

移栽機(jī)械手與樹苗之間的摩擦力f計(jì)算公式為

f=f1+f2=μ(f3S+f4)

其中,f1為土壤自身滑移產(chǎn)生的摩擦力;f2為土壤自身粘結(jié)力產(chǎn)生的摩擦力;f3為樹苗受到的粘結(jié)力;f4為移栽機(jī)械手在法向方向受到的力;S為樹苗的面積;μ為摩擦因數(shù)。

由于土壤與樹苗之間的粘附面積較小,因此土壤自身滑移產(chǎn)生的摩擦力可忽略不計(jì)。由此可以確定移栽機(jī)械手對(duì)樹苗的作用力在水平和垂直方向的平衡方程為

f5cosθ+μf4sinα=f4cosα

f5sinθ+f4sinα+fcosα=f3

對(duì)其求解可以得到移栽機(jī)械手受到的法向力f4、樹苗栽植穴孔對(duì)樹苗的力f5、樹苗與移栽機(jī)械手之間的摩擦力f分別為

2.2 作業(yè)圖像處理過(guò)程設(shè)計(jì)

為了根據(jù)圖像信息剔除壞苗,需要對(duì)采集的圖像采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法對(duì)圖像處理,使其能夠真實(shí)地反映樹苗真實(shí)的根系殘缺或外漏程度。采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法對(duì)圖像處理的公式為

M′={[(M⊕N1⊕N2)°O·S]?T}°R

按照式中的要求,需要對(duì)圖像M進(jìn)行以下處理:

1)將灰度化處理后的圖像M進(jìn)行N1的膨脹操作,使圖像的邊緣處連續(xù);

2)對(duì)圖像進(jìn)行第2次的膨脹操作N2,去除圖像中的“空洞;

3)對(duì)圖像進(jìn)行O開(kāi)運(yùn)算,使圖像變得平滑;

4)進(jìn)行S閉運(yùn)算操作,以去除移栽機(jī)械手和樹苗的突出部分,提高樹苗檢測(cè)的準(zhǔn)確率;

5)進(jìn)行T腐蝕處理,將膨脹處理區(qū)域進(jìn)行放大,恢復(fù)圖像面積;

6)對(duì)圖像進(jìn)行R開(kāi)運(yùn)算,消除圖像細(xì)小部分,使圖像更為平滑。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該果樹移栽機(jī)的性能,需要對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。考慮到該移栽機(jī)主要對(duì)其移栽機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和圖像的壞苗識(shí)別進(jìn)行了優(yōu)化,因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)主要進(jìn)行樹苗的移栽試驗(yàn)和基于機(jī)器視覺(jué)的壞苗識(shí)別試驗(yàn)。

3.1 機(jī)器視覺(jué)識(shí)別壞苗試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象為蘋果幼苗,長(zhǎng)度約為50～58cm。隨機(jī)選取蘋果幼苗30株,首先使用人工方式確認(rèn)壞苗數(shù)量,再使用果樹移栽機(jī)的機(jī)器視覺(jué)功能進(jìn)行壞苗識(shí)別,自動(dòng)剔除壞苗。試驗(yàn)其進(jìn)行4次,結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)器視覺(jué)識(shí)別壞苗試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知:果樹移栽機(jī)的識(shí)別結(jié)果與人工識(shí)別結(jié)果一致,可有效識(shí)別壞苗,并將其從樹苗中剔除。

3.2 樹苗移栽試驗(yàn)

樹苗移栽試驗(yàn)的地點(diǎn)選取為石家莊市內(nèi)的大棚內(nèi),將蘋果幼苗移栽至較為柔軟的濕潤(rùn)砂質(zhì)土壤中,入土深度約為20～26cm。試驗(yàn)結(jié)果以移栽成功率、倒伏率、深度合格率和傷苗率作為移栽性能指標(biāo)。選取已通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別的質(zhì)量合格的蘋果樹苗進(jìn)行試驗(yàn),共進(jìn)行4次,每次移栽數(shù)量為50株。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 樹苗移栽試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,該樹苗移栽試驗(yàn)的移栽成功率均大于98%,符合果農(nóng)對(duì)于果樹移栽機(jī)的性能要求。

4 結(jié)論

1)針對(duì)我國(guó)的自動(dòng)果樹移栽機(jī)的移栽準(zhǔn)確率和移栽效率較低的問(wèn)題,本文基于可視化技術(shù)對(duì)果樹移栽機(jī)的作業(yè)特性進(jìn)行研究。該果樹移栽機(jī)的主要組成包括控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)和傳感器系統(tǒng)、旋耕裝置、開(kāi)溝部件、覆土裝置、移栽裝置和傳輸系統(tǒng)。

2)為了實(shí)現(xiàn)果樹移栽機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行,保證移栽質(zhì)量,本文針對(duì)移栽機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使其能夠適應(yīng)不同的幼苗,并對(duì)其作業(yè)特性進(jìn)行研究。同時(shí),對(duì)移栽作業(yè)的圖像處理過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì),使其能夠有效識(shí)別壞苗并剔除。

3)為了驗(yàn)證該果樹移栽機(jī)的性能,對(duì)其進(jìn)行了壞苗識(shí)別試驗(yàn)和樹苗移栽試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該果樹移栽機(jī)可以有效地識(shí)別壞苗,并且高質(zhì)量地完成樹苗移栽。