基于機(jī)器視覺(jué)的作物對(duì)行噴藥控制系統(tǒng)研究.pdf

1、我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的技術(shù)裝備事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的植保領(lǐng)域，對(duì)作物的施藥技術(shù)十分粗糙，難于適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需要。“農(nóng)業(yè)的根本出路在于機(jī)械化”，早在50多年前毛主席就這樣提出。現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化已駛?cè)肟燔?chē)道，采用先進(jìn)設(shè)備使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化已成為主流。鑒于目前農(nóng)業(yè)植保機(jī)械大多是手工和半自動(dòng)化狀況，施藥時(shí)大都是粗放式噴灑，這樣不僅浪費(fèi)了農(nóng)藥，當(dāng)作業(yè)環(huán)境惡劣時(shí)容易導(dǎo)致人中毒，而且過(guò)量的農(nóng)

2、藥導(dǎo)致作物中農(nóng)藥殘留、土壤酸化和地下水污染。這跟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求精準(zhǔn)高效、綠色環(huán)保的要求是背道而馳的，同時(shí)也對(duì)人類(lèi)生存的環(huán)境帶來(lái)威脅和挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外研究表明，如果采用精確對(duì)準(zhǔn)作物(或雜草)施藥的話(huà)，可節(jié)約40％-60％的農(nóng)藥，因此研究噴藥的精確化和自動(dòng)化很有必要。一方面可以改善人們的作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；另一方面可以提高農(nóng)藥的效率和保護(hù)自然環(huán)境。 結(jié)合目前農(nóng)業(yè)中的研究熱點(diǎn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，本文研究了基于機(jī)器視覺(jué)的田間作物噴藥控制系統(tǒng)，設(shè)

3、計(jì)了對(duì)行噴藥控制的硬件裝置，即通過(guò)CCD攝像頭實(shí)時(shí)采集作物圖像，傳至計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像處理后提取作物行直線(xiàn)，而后控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)噴頭進(jìn)行精確對(duì)行噴藥。 本文研究時(shí)以菜田作物幼苗為作業(yè)對(duì)象，且假設(shè)作物沿行有規(guī)律地種植，呈一株一株間隔生長(zhǎng)姿態(tài)，彼此兩株和兩行間沒(méi)有交疊或覆蓋。為了使作業(yè)場(chǎng)景簡(jiǎn)化和便于研究，這里暫時(shí)不考慮作物之間和行間有雜草的情況。在上述前提下，本文做了以下研究工作，并取得了一定的成果。 (1) 作物與背景分割是提取

4、作物行直線(xiàn)的前提，本文研究了綠色作物與背景的分割方法，就改進(jìn)的分水嶺分割算法與其它兩種分割方法作了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分水嶺分割算法簡(jiǎn)單，但耗時(shí)較多，對(duì)實(shí)時(shí)田問(wèn)噴藥不適用，最終采用超綠色分割因子(2G-R-B)分割綠色作物與背景。 (2) 提取作物行中心線(xiàn)是對(duì)行噴藥的關(guān)鍵。針對(duì)田間綠色作物早期生長(zhǎng)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于標(biāo)記信息的Hough變換提取作物行中心線(xiàn)方法。即在超綠色分割作物與背景后采用最大類(lèi)間方差法二值化圖像，對(duì)其標(biāo)記后提取各

5、株作物形心，然后就形心用Hough變換擬合作物行中心線(xiàn)。 (3) 考慮計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理的需要，本文還研究了另外一種提取作物行中心線(xiàn)的方法，即將采集到的作物圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間，提取其色調(diào)分量(H)值后用最大類(lèi)間方差法二值化，然后經(jīng)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)腐蝕后再用Hough變換擬合作物行中心線(xiàn)。 (4) 設(shè)計(jì)了作物對(duì)行噴藥控制裝置。針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究都采用在移動(dòng)車(chē)輛上固定噴頭的方法，本文提出了移動(dòng)噴頭對(duì)行控制方法。即用步進(jìn)電機(jī)帶

6、動(dòng)齒輪齒帶，齒帶上安裝噴頭來(lái)移動(dòng)對(duì)行的裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法能較好地對(duì)準(zhǔn)作物行。 (5) 針對(duì)多個(gè)噴頭對(duì)準(zhǔn)多行農(nóng)作物的難題，本文提出了一種新思路。即由CCD攝像頭捕捉作物行后，在水平方向上根據(jù)歐幾里德距離檢測(cè)離圖像中心點(diǎn)距離最近的作物行為要對(duì)準(zhǔn)的作物行。 (6) 為了確定圖像坐標(biāo)與世界絕對(duì)坐標(biāo)之間的關(guān)系，以便精確控制對(duì)行的實(shí)施，進(jìn)行了攝像頭內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定并推導(dǎo)了單目視覺(jué)測(cè)距的公式，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其精度。